Photonen unterwegs

Lichtwellenleiter werden aus Kunststoff oder Glasfaser hergestellt und können im Vergleich zu metallischen Leitern aufgrund der geringeren Dämpfung höhere Datenraten über größere Entfernungen übertragen. Darüber hinaus sind sie unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung und weitgehend abhörsicher. In diesem Beitrag geht um die Lichtausbreitung und die Datenübertragung in einer Glasfaser, die im Vergleich zum Kunststoff-Lichtwellenleiter eine noch geringere Dämpfung hat. Sie ist aufgebaut aus dem zylindrischen Kernglas, das der Wellenführung des Lichtes dient, und dem konzentrisch angeordneten Mantelglas, beide aus hochreinem Quarzglas. Ein Lichtwellenleiter besteht aber nicht nur aus Kern und Mantel. Zum Schutz vor leichten Beschädigungen werden noch zwei Schichten direkt auf den Mantel aufgetragen, die man als Coating bezeichnet: Dies sind eine dünne Lackschicht von nur wenigen Mikrometern direkt auf dem Mantel und eine Kunststoff-Ummantelung, die fest mit der ersten Schicht verbunden ist.

Das Licht, welches als Träger für die Daten genutzt wird, ist nicht das sichtbare Licht, das Sie aus dem täglichen Leben kennen, abgesehen von dem Licht in der Lichtbündellampe im Wohnzimmer. Sonst könnten sie die leuchtenden Enden der Fasern ja auch nicht sehen. Die Frequenzen, die zur Übertragung genutzt werden liegen innerhalb des Infrarotbereiches bei 850, 1300 und 1550 Nanometer, aber davon später mehr.

Datentransport ¿huckepack¿

Die Datenübertragung in einem Lichtwellenleiter ist eine Art von Transport, der technische Begriff hierfür heißt Modulation: Einem Parameter des Trägersignals, beispielsweise der Frequenz, wird mit den Daten ein Modulationssignal aufgeprägt und damit verändert sich die Frequenz der Trägerschwingung. Dies nennt man Frequenzmodulation ¿ es gibt auch die Modulation der Phase oder der Amplitude. Der mit der Dateninformation modulierte Lichtstrahl breitet sich dann im Kern des Lichtwellenleiters aus. Dies geschieht typbedingt fast nur parallel zur Achse, oder durch Reflexionen an der Grenzschicht zwischen Kernglas und Mantelglas. Die Voraussetzungen dafür sind ein sogenannter Akzeptanzwinkel für die Einkopplung des Lichtstrahls in die Faser und ein höherer Brechungsindex des Kerns im Vergleich zum Mantel. Da die Lichtgeschwindigkeit in einem homogenen Festkörper eine Konstante ist, erreicht genau das Licht, welches durch Reflexionen häufiger im ¿Zickzack¿ läuft und damit einen längeren Weg zurücklegt, sein Ziel später, als das ¿parallel¿ laufende.

Dadurch entstehen je nach Fasertyp unterschiedliche Laufzeiten, die als Modendispersion bezeichnet werden und die Datenübertragung aufgrund einer Impulsverbreiterung einschränken. Je größer dieser Wert, um so größer die Einschränkung. Die Modendispersion wird in einer Zeiteinheit pro Kilometer angegeben ¿ ein typisches Beispiel sind zwei Nanosekunden pro Kilometer. Etwas anschaulicher ist der reziproke Wert, der als Bandbreiten-Längenprodukt bezeichnet wird. Wie der Name schon sagt, gibt dieser Wert Aufschluss über die nutzbare Bandbreite für eine Übertragung in Megahertz und bezieht sich immer auf einen Kilometer. Mit den zwei Nanosekunden von eben ergibt sich dann ein Wert von 500 Megahertz ´ Kilometer. Dies bedeutet, Sie können eine Datenrate von 500 Megahertz über eine Entfernung bis zu einem Kilometer übertragen. Das ist aber nicht die ganze Wahrheit, denn auch die eingestrahlte Wellenlänge und der Fasertyp spielen eine wichtige Rolle. Wo wir gerade bei der Lichteinkopplung sind: Wie gelangen eigentlich das Licht und die Daten in den Leiter?

Der Einschuss

Ein analoges Signal, das übertragen werden soll, wird verstärkt und moduliert, digital umgewandelt ¿ falls es nicht ohnehin schon binär vorlag ¿ und über Infrarot-LEDs oder Halbleiterlaser optisch eingekoppelt. Die LEDs sind meistens aus dem Halbleitermaterial Gallium-Arsenid und arbeiten bei Wellenlängen von 850 bis 1300 Nanometer. Die hier eingesetzten Laser hingegen arbeiten in den darüber liegenden Wellenlängen von 1300 bis 1550 Nanometer. Wieso genau diese Wellenlängen im Infraroten genutzt werden, hängt unter anderem mit der Dämpfung zusammen und was es damit auf sich hat, steht etwas weiter unten. Nach der Übertragung durch den Lichtwellenleiter werden die Lichtsignale im Empfänger dann wieder zu Daten ¿zurückgewandelt¿.

Mono und Multi

Mit Kultur hat es nichts zu tun, sondern diese beiden ¿Begriffe¿ bezeichnen zwei Haupttypen von Glasfasern aufgrund der unterschiedlichen Lichtausbreitung im Kern. Es gibt Monomode- und Multimodefasern. Bei der Monomodefaser ist aufgrund des geringen Kerndurchmessers von acht bis zehn Mikrometern nur ein einziger Modus, das heißt nur eine einzige Lichtwellenform ausbreitungsfähig ¿ der Grundmodus. Daher auch der Name Monomodefaser. Es treten praktisch keine Laufzeitunterschiede auf und die Dämpfung ist bei diesem Typ am geringsten. Bei einer Multimodefaser gibt es im Gegensatz dazu sehr viele Moden, also unterschiedliche Laufzeiten, und auch eine weitere Unterteilung in Stufenindex- und Gradientenindex-Profilfasern aufgrund der unterschiedlichen Übergänge vom Kern zum Mantel. Die Stufenindex-Faser hat ihren Namen daher, dass der Brechungsindex vom Kern zum Mantel sprunghaft abfällt und somit das Licht totalreflektiert wird (Bild 2). Im Vergleich dazu hat die Gradientenindex-Faser eine vom Kern zum Mantel stetig abnehmende Dichte, so dass die Lichtstrahlen spiralförmig um die Kernachse laufen. Der Vorteil hierbei ist, dass durch diesen Aufbau ein Großteil der unterschiedlichen Laufzeiten ausgeglichen wird. Die typischen Kerndurchmesser liegen zwischen 100 und 400 Mikrometern bei der Stufenindex-, beziehungsweise 50 und 100 Mikrometern bei der Gradientenindex-Profilfaser. Bevor wir noch zu den Vor- und Nachteilen der einzelnen Fasern kommen, müssen wir aber noch einen weiteren Parameter etwas näher betrachten.

A bisserl Schwund is immer

Die Dämpfung ist neben dem bereits erwähnten Bandlängenprodukt ein wichtiger Faktor, der bei einer Datenübertragung im Lichtwellenleiter zu beachten ist. Sie ist ein physikalische Größe, die Sie in der Physikstunde mal gelernt haben, und beschreibt den exponentiellen Abfall der Eingangsleistung mit fortschreitender Entfernung. Einfacher ausgedrückt, es kommt am Ende nicht so viel Licht an, wie Sie am Anfang rein gesteckt haben. Und damit man die Dämpfungen von miteinander verbundenen Glasfasern einfach addieren kann, nimmt man den Logarithmus. Noch gewusst? Die Dämpfung wird in Dezibel (dB) angegeben und hängt wesentlich von der Länge des Leiters, der Wellenlänge des Lichtes und des Fasertyps ab und wird auch wieder auf einen Kilometer bezogen. Ein typischer Wert bei einer Wellenlänge von 850 Nanometern in einer Gradientenfaser liegt bei drei dB pro Kilometer. Die Dämpfung gibt Aufschluss darüber, in welcher Entfernung vom Sender die Daten noch ohne Störungen oder Verzerrungen ankommen, beziehungsweise ab welcher Entfernung vom Sender sie wieder verstärkt werden müssen.

Bei Lichtwellenleitern ist die Dämpfung ein Energieverlust aufgrund von Streuung und Absorption in der Glasfaser. Den Löwenanteil beansprucht die sogenannte Rayleigh-Streuung. Aufgrund von Dichteschwankungen im Quarzglas, die den Lichtstrahl ungleichmäßig ablenken, kann er nicht mehr zur Übertragung beitragen. Sie ist abhängig von dem eingestrahlten Licht und um so geringer je größer die Wellenlänge ist.

Die Absorption hingegen wird hervorgerufen durch kristalline Eigenschwingung des Glases und Verunreinigungen während des Herstellungsprozesses. Die Glasstruktur an sich ist nicht beeinflussbar, wohl aber die Zusammensetzung und Reinheit der Glasschmelze. Hier werden gewaltige Anstrengungen unternommen, um die Produktionsabläufe zu optimieren. Trotz dieser Störungen und Einflüsse bilden sich Resonanzen bei bestimmten Wellenlängen aus, bei denen die Dämpfung so gering ist, dass die Glasfaser für eine Datenübertragung genutzt werden kann. Diese Bereiche werden als optische Fenster bezeichnet und liegen genau bei den bereits erwähnten Wellenlängen von 850, 1300 und 1550 Nanometern. Und das ist natürlich auch der Grund wieso die Wellenlängen der Dioden und Laser genau darauf abgestimmt sind.

Nah oder fern, auf ewig verbunden?

Es gibt keine Glasfaser, die bei allen drei genannten Wellenlängenbereichen auch noch ein hohes Bandbreiten-Längenprodukt hat. Meist werden die Fasern schon bei der Herstellung auf eine bestimmte Anwendung und entsprechende Wellenlängen ¿zugeschnitten¿. Typische Netzwerkprotokolle werden im zweiten optischen Fenster bei 1300 Nanometern mit Gradientenindex-Glasfasern betrieben. Hierbei zählen Strecken von 25 Kilometern mit Bandbreiten um ein Gigahertz zum Standard. Bei größeren Entfernungen, um die 50 bis 100 Kilometer, spielen die Monomode-Fasern in Verbindung mit Halbleiterlasern ihre Vorteile aus. Sie haben eine sehr geringe Dämpfung und die Bandbreiten liegen im Zehn-Gigahertz Bereich. Bei den genannten Entfernungen müssen Lichtwellenleiter ja irgendwo auch mal miteinander verbunden werden ¿ jetzt brauchen Sie die logarithmischen Werte für die Gesamtdämpfung. Ob wieder lösbar mit Steckern oder auf ewig verbunden wie bei den unterschiedlichen Spleißtechniken, der Knackpunkt ist die zusätzliche Dämpfung. Welche Technik bei welchem Fasertyp am besten klappt und wie viel Dezibel Sie durch die zusätzliche Verbindung noch addieren müs-sen, würde jetzt aber doch zu weit führen.

Dr. Peter Stipp