Lichtwellenleiter

Kunststoff-Lichtwellenleiter

LWL-Patchkabel konfektioniert mit LC- (oben) und ST-Steckern (unten)

Glasfaserkabel

Lichtwellenleiter (LWL), oder Lichtleitkabel (LLK) sind aus Lichtleitern bestehende und teilweise mit Steckverbindungen konfektionierte Kabel und Leitungen zur Übertragung von Licht. Die verwendeten Lichtleiter, in denen die Strahlung geführt wird, sind Fasern aus Quarzglas oder polymere optische Fasern aus Kunststoff. Physikalisch gesehen handelt es sich dabei um dielektrische Wellenleiter. Sie werden häufig auch als Glasfaserkabel bezeichnet. Wobei hiermit eigentlich ein Verbund aus mehreren optischen Fasern bzw. Lichtwellenleitern gemeint ist, mit integrierter mechanischer Verstärkung zum Schutz und zur Stabilisierung der einzelnen Lichtwellenleiter.

Lichtwellenleiter kommen vor allem als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Kommunikationssysteme zum Einsatz, finden aber auch anderweitig Verwendung:

• zur Übertragung von Energie: Lichtleitkabel für Laserstrahlung zur Materialbearbeitung und in der Medizin
• für Beleuchtungs- und Abbildungszwecke: Mikroskopbeleuchtungen, Endoskope und zu Dekorationszwecken
• in der Messtechnik: z. B. bei Infrarotthermometern und Spektrometern.

Geschichte des Lichtwellenleiters

Schon 1870 versuchte John Tyndall, Licht gezielt in und durch einen Wasserstrahl zu leiten. In den Folgejahren beschäftigten sich Wissenschaftler und Techniker weltweit mit den Möglichkeiten, Lichtsignale durch verschiedene Medien zu übertragen. Mitte der 1950er Jahre wurden optische Leiter primär zur Beleuchtung innerer Organe in der Medizintechnik angewandt, für andere Anwendungen war der Lichtverlust im optischen Leiter noch zu groß. Erst mit der Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman 1960 ergab sich die Möglichkeit, Licht konzentriert durch ein Medium zu transportieren. Die experimentelle Phase der gezielten Informationsübertragung über Lichtwellenleiter konnte nun in eine Phase der technischen Realisierung eintreten.

Das erste optoelektronische Lichtwellenleiter-System wurde 1965 von Manfred Börner erfunden. Er entwarf ein optisches Weitverkehrs-Übertragungssystem, welches auf der Kombination von Laserdioden, Glasfasern und Photodioden beruhte. 1966 meldete er das System für das Unternehmen AEG-Telefunken zum Patent an. Alle optischen Weitverkehrs-Übertragungssysteme arbeiten noch heute nach diesem von Manfred Börner vorgeschlagenen Systemprinzip. Für seine Erfindung wurde Börner 1990 mit dem Eduard-Rhein-Preis ausgezeichnet.

1966 entdeckten Charles Kuen Kao und George Hockham, dass das Hauptproblem für die verlustbehaftete Übertragung im Glas auf Unreinheiten im Glas zurückzuführen ist. Für seine Pionierarbeiten im Bereich der Glasfaseroptik wurde Kao 2009 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. 1970 produzierte und entwickelte das amerikanische Unternehmen Corning Inc. den ersten verlustarmen Lichtwellenleiter, der in der Lage war, Signale über eine längere Strecke ohne größere Verluste zu übertragen. Die Nutzung von Lichtwellenleitern zur Übertragung von Telefonsignalen wurde von nun an stetig vorangetrieben, und bereits 1978 verband die Deutsche Bundespost die Vermittlungsstellen in der Aßmannshauser Straße und in der Uhlandstraße in Berlin-Wilmersdorf über eine ca. 4 km lange Verbindungsstrecke, die aus mehreren Glasfasern bestand. In den folgenden Jahren wurden die Lichtwellenleiter stetig optimiert, und immer größere Strecken konnten mit immer höheren Datenmengen und -raten überbrückt werden. 1985 wurden so zum Beispiel von der British Telecom erstmals Signale ohne Zwischenverstärkung über eine Strecke von 250 km übertragen.

Die anfänglich gegenüber Koaxialkabeln zu hohe Dämpfung und die damit verbundene kürzere Streckenoption haben sich im Laufe der Jahre ins Gegenteil verkehrt. Lichtwellenleiter umspannen heute unseren Planeten und sind das Rückgrat der globalen Kommunikation und Informationsübertragung. AT&T, NEC und Corning stellten im Mai 2009 einen neuen Weltrekord auf. Über eine einzelne Glasfaser über eine Strecke von 580 km wurden 320 Kanäle mit einer Datenrate von jeweils 114 Gigabit pro Sekunde übertragen, was einer Datenübertragungsrate von insgesamt 32 Terabit pro Sekunde entspricht.

Aufbau und Funktionsweise

Typischer Aufbau einer Glasfaser:
1 – Kern (engl. core)
2 – Mantel (engl. cladding) mit n_K > n _M
3 – Schutzbeschichtung (engl. coating und/oder buffer) und 4 – äußere Hülle (engl. jacket). Für die Größenverhältnisse der einzelnen Bereiche siehe Tabelle im Text.

Glasfaserkabel (Erdkabel)

Die als Lichtwellenleiter bezeichneten Glasfasern bestehen im Inneren aus einem Kern (1 – engl. core) und einem Mantel (2 – engl. cladding). Der Mantel hat dabei einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern (n_K > n_M) und bewirkt durch Totalreflexion an der Grenzschicht zum Kern die Führung der Strahlung. Der Mantel besteht dazu meist aus reinem Quarzglas und der höhere Brechungsindex im Kern wird durch Dotierung mit Germanium oder Phosphor erreicht, wodurch im amorphen Siliziumdioxid-Gefüge (SiO₂) des Quarzglases zusätzlich geringe Anteile an Germaniumdioxid (GeO₂) bzw. Phosphorpentoxid (P₂O₅) entstehen. Es ist aber auch möglich den Kern aus reinem SiO₂ herzustellen und den Mantel mit Bor oder Fluor zu dotieren, was zu einer Verringerung des Brechungsindexes führt.

Der Mantel besitzt weiterhin eine Schutzbeschichtung (3 – engl. coating und/oder buffer), sowie eine äußere Schutzhülle (4 – engl. jacket). Die Mantelbeschichtung ist ein Schutz vor mechanischen Beschädigungen und besteht meist aus einer Lackierung aus speziellem Kunststoff (z. B. Polyimid, Acryl oder Silikone), welche die Faser auch vor Feuchtigkeit schützt. Ohne die Beschichtung würden die auf der Faseroberfläche vorhandenen Mikrorisse zu einer erheblichen Verringerung der mechanischen Belastbarkeit führen.

Zu den Glasfaserkabeln gehören Patchkabel (meist Simplex- oder Duplex-Ausführung) und mehradrige Erdkabel. Die einzelnen Glasfasern werden bei Patchkabeln durch einen wenige Millimeter dicken Kunststoff- oder Metallmantel geschützt (jacket), und Erdkabel sind zusätzlich zur mechanischen Stabilisierung im Inneren mit Metalldrähten oder -kabeln versehen, sowie im äußeren Bereich eventuell mit einem Metallgeflecht zum Schutz gegen Beschädigung von außen (wie z. B. Tierbiss).

Der Kern von polymeren optischen Fasern (POF) besteht meist aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und seltener aus Polycarbonat (PC). Der Mantel wird bei diesen Fasern leicht mit Fluor dotiert, um ein geringeren Brechungsindex zu erhalten. Auf das Coating kann bei den POF verzichtet werden, da das verwendete Material unempfindlicher ist gegen mechanische Beanspruchung als Quarzglas. Weiterhin gibt es auch Fasern mit einem Quarzglaskern und einem Mantel aus fluordotiertem Kunststoff, welche als Hard Clad Silica Optical Fiber oder Polymer Cladded Fiber (PCF) bezeichnet werden. Sie können zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften auch zusätzlich mit einem Coating (z. B. aus Ethylen-Tetrafluorethylen – ETFE) versehen sein.

Arten von Lichtwellenleitern

LP _l,m Moden in Lichtwellenleitern.
Mit den Indizes wird die Struktur der Intensitätsverteilung in der Winkelkoordinate (l) und in radialer Richtung (m) angegeben (Anzahl der Nullstellen).

Lichtwellenleiter werden danach eingeteilt, ob sich bedingt durch die Größe des Kerndurchmessers in ihnen eine oder mehrere Transversal-Elektromagnetische Moden ausbreiten können. Sie werden als LP_l,m Moden bezeichnet (LP steht für linear polarisiert) und die Indizes charakterisieren die Struktur der Intensitätsverteilung (Anzahl der Nullstellen) in der Winkelkoordinate (l) und in radialer Richtung (m). Die Mehrmodenfasern werden als Multimodefasern (engl. Multi Mode Fiber, MMF) bezeichnet und besitzen in der Regel mehr als hundert bis mehrere tausend Moden. Fasern, in denen sich für bestimmte Wellenlängenbereiche nur die LP₀₁ Grundmode ausbreiten kann, werden als Monomodefasern (engl. Single Mode Fiber, SMF) bezeichnet.

Bezogen auf die Faserstruktur werden weitere Unterscheidungen innerhalb der beiden Faserarten getroffen:

• So wird bei den Multimodefasern zwischen Stufenindexfasern und Gradientenindexfasern unterschieden, wobei sich bei ersterer die Brechzahl zwischen Kern- zum Mantelglas radial nach außen hin in Form einer Stufe abrupt, und bei letzterer kontinuierlich in Form einer Parabel ändert.
• Monomodefasern gibt es typischer Weise nur als Stufenindexfasern, aber durch Einbringung von besonderen Strukturen oder Dotierungsprofilen lassen sich bestimmte Eigenschaften gezielt manipulieren. So z. B. in polarisationserhaltenden, dispersionskompensierenden oder biegeunempfindlichen Monomodefasern.

Multimodefaser

50 µm Multimode-Patchkabel mit SC-Duplex-Steckern

Demonstration der Lichtführung durch Totalreflexion in einer Multimode-Stufenindex-Glasfaser.
Einfallende Strahlen außerhalb des Akzeptanzkegels werden nicht in der Faser geführt und gehen verloren.

Der Kern von Multimodefasern weist einen Kerndurchmesser von 50 bis zu über 1500 µm auf. Die am weitesten verbreiteten Multimode-Glasfasern im Telekommunikationsbereich sind dabei 50 µm bzw. 62,5 µm Gradientenindexfasern. Der Kern wird bei diesen Fasern von einem Cladding mit einem Außendurchmesser von 125 µm umgeben, sowie einem Coating mit 250 µm (diese Werte gelten typischer Weise bis zu Kerndurchmessern von ca. 100 µm). Bei größeren Kerndurchmessern ist das Cladding 30 bis 60 µm und das Coating ca. weitere 100 µm größer im Gesamtdurchmesser (siehe Tabelle weiter unten).

In Multimodefasern kann die Führung des Lichtes strahlenoptisch durch die auftretende Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel beschrieben werden. Für den einfachen Fall einer Stufenindexfaser ergibt sich aus dem snelliusschen Brechungsgesetz mit den unterschiedlichen Brechungsindizes für den Kern (core – $n_{1}$) und den Mantel (cladding – $n_{2}$) ein Maximalwinkel (zum Lot an der Grenzschicht, siehe Bild unten) für die Totalreflexion von $\theta _{\mathrm {c} }\!$ zu:

$\theta _{\mathrm {c} }=\arcsin \left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right).$

Daraus ergibt sich wiederum ein maximaler Akzeptanzwinkel $\theta _{\mathrm {max} }\!$ zur optischen Achse der Faser (mit dem Brechungsindex $n_{0}$ des umgebenden Mediums, in der Regel Luft mit $n_{0}=1$):

$\theta _{\mathrm {max} }={\frac {1}{n_{0}}}\arcsin \left({\sqrt {n_{1}^{2}-n_{2}^{2}}}\right).$

Das Argument des arcsin wird als numerische Apertur NA der Faser bezeichnet und ergibt sich für $n_{0}=1$ zu:

$NA=\sin \theta _{\mathrm {max} }={\sqrt {n_{1}^{2}-n_{2}^{2}}}.$

Die numerische Apertur ist ein Maß für den Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Mantel und liegt bei Multimodefasern im Bereich von 0,2–0,3 , sowie für Monomodefasern bei ca. 0,1. Aus dem maximalen Akzeptanzwinkel, unter dem eingekoppeltes Licht in der Faser noch geführt werden kann, ergibt sich ein Akzeptanzkegel (engl. acceptance cone, siehe Bild rechts), welcher auf Grund der Umkehrbarkeit des Lichtweges auch dem Austrittskegel entspricht.

Bedingt durch die Größe von Multimode-Stufenindex-Fasern (Kerndurchmesser >> Wellenlänge) kommt es wie eingangs erwähnt zu mehreren transversalen-elektromagnetischen Moden, welche strahlenoptisch als eine Vielzahl möglicher Lichtwege in Stufenindexfasern betrachtet werden können, welche miteinander interferieren. Bedingt durch die unterschiedliche Länge der Lichtwege, kommt es bei der Nachrichtenübertragung über große Distanzen zu nicht zu vernachlässigenden Laufzeitunterschieden, welche sich negativ auf die Signalqualität und Bandbreite auswirken (Modendispersion). Zur Reduzierung der Laufzeitunterschiede werden Gradientenindexfasern verwendet, bei denen der Faserkern nicht mit einer einheitlichen Dichte versehen ist, sondern als Gradientenindexprofil gefertigt wird. Sie besitzen eine höhere optische Dichte im Zentrum, welche zu den Außenrändern hin parabolisch abfällt. Hierdurch wird erreicht, dass Randstrahlen (sogenannte Randmoden) die einen längeren Weg zu überbrücken haben als kernnahe Moden, sich durch Bereiche mit niedriger optischer Dichte bewegen, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit höher ist als im Zentrum des Faserkern. Dadurch wird wiederum erreicht, dass unabhängig vom zurückgelegten Weg der Lichtstrahlen, alle nahezu zeitgleich am Faserausgang eintreffen und es somit zu einer geringeren Signalbeeinflussung kommt.

Ähnlich wie in der Kupfertechnik wurden zur Kenntlichmachung der Übertragungsbandbreiten und des Leistungsvermögens von Multimodefasern optische Klassen und Kategorien eingeführt. Heute spricht man von den Faserkategorien OM1, OM2, OM3 und OM4. Die Methoden zur Klassifizierung einer Multimodefaser unterscheiden sich hierbei wesentlich. Frühere Übertragungsverfahren nutzten primär LEDs zu Sendezwecken. LEDs sind bauartbedingt jedoch nur bis zu einer Datenrate von 622 MBit/s geeignet und koppeln, auf Grund ihrer geringen Fokussierung, sowohl den Faserkern als auch einen Teil des Claddings Lichtmoden ein. Man spricht hier von OFL (engl. over fullfilled launch). Ab Gigabit-Ethernet kommen VCSEL (engl. vertical-cavity surface emitting laser) zum Einsatz, die eine recht starke Fokussierung aufweisen und nur noch einen Bruchteil des Faserkerns anregen. VCSEL arbeiten typisch bei einer Wellenlänge von 850 nm. Hier spricht man von RML (engl. reduced mode launch). Die Messmethodik der Bandbreite von Glasfasern musste insofern abgeändert werden und für hochwertige lasertaugliche Glasfasern wird heute die DMD- oder EMB-Messmethode zur Feststellung genutzt.

Die Faserkategorien OM1 und OM2 sind typischerweise für LED-basierte Anwendungen konzipiert, während die Faserkategorien OM3 und OM4 für Applikationen wie Gigabit-Ethernet, 10-Gigabit-Ethernet und höher vorgesehen sind. Bedingt durch die Anforderungen an OM3- und OM4-Fasern sind diese auch nur noch mit 50 µm erhältlich, während 62,5-µm-Fasern heutzutage kaum noch eine Rolle spielen.

Die maximale Übertragungsreichweite auf Multimodefasern richtet sich nach der Datenrate, der genutzten Wellenlänge (850 nm oder 1300 nm) und der eingesetzten Faserkategorie. Während bei 10 und 100 MBit/s ohne weiteres 2000 m auch mit OM1- und OM2-Fasern möglich sind, ist die erreichbare Länge für Gigabit-Ethernet bei OM2-Fasern mit 50 µm auf 600 m und bei 62,5-µm-Fasern auf 300 m begrenzt. Fasern der Kategorie OM3 und OM4 erlauben hingegen auch erreichbare Gigabit-Längen von bis zu 1100 m bei 50 µm. Gleiches gilt für 10-Gigabit-Ethernet. OM3-Fasern erlauben bis zu 300 m, während OM4-Fasern bis zu 550 m abdecken.

Die höheren Reichweiten werden jedoch nicht durch mehr Leistung erreicht, sondern es muss ein hoher technischer Aufwand betrieben werden, um die einzelnen Lichtpulse in hochkomplexer Weise zu formen. Diese spezielle Formung berücksichtigt die chromatische Dispersion (Spektrumsverschiebung der Lichtmoden 835 nm bis 870 nm) und Modendispersion (Laufzeitunterschiede der einzelnen Lichtstrahlen).

Auch die dickeren Lichtwellenleiter für Hochleistungslaser (hier muss die Leistungsdichte im Kern der Faser reduziert werden, da dieser sonst zerschmolzen oder zerrissen würde) oder für Beleuchtungs- (hier ist ein Singlemode-Betrieb aufgrund der vielen unterschiedlichen Wellenlängen, die gleichzeitig übertragen werden müssen, nicht möglich) und Messzwecke, (da hier oft kurze Strecken zwischen Detektor und Prüfling vorliegen und die Handhabung einfacher ist, z. B. Strahleinkopplung) sind vom Prinzip her Multimodefasern.

Monomodefaser

Wenn der Kerndurchmesser lediglich einige Vielfache der Wellenlänge des Lichts beträgt, werden höhere Transversalmoden nicht unterstützt. Jedoch kann Licht in der Grundmode TEM₀₀ bzw. LP₀₁ übertragen werden. Fasern, die für diesen Betrieb ausgelegt sind, werden Monomodefaser, oder Singlemode-Faser, selten auch Monomodenfaser oder Ein(zel)modenfaser genannt. Die Modenstruktur, also die transversale Abhängigkeit des elektrischen und magnetischen Feldes, von Monomodefasern lässt sich nur durch Anwendung der maxwellschen Gleichungen und der sich daraus ergebenen Wellengleichung bestimmen. Bei dieser wellenoptischen Betrachtungsweise erhält man als Lösung den Parameter normierte Frequenz bzw. V-Zahl, der sich für den Fall einer Stufenindexfaser wie folgt aus der numerischen Apertur NA (bzw. den Brechungsindizes von Kern und Mantel) und dem Kerndurchmesser $d_{\text{K}}$ der Faser, sowie der verwendeten Wellenlänge $\lambda _{0}$ ergibt zu:

$V={\frac {d_{\text{K}}\pi }{\lambda _{0}}}{\sqrt {n_{\text{K}}^{2}-n_{M}^{2}}}={\frac {d_{\text{K}}\pi }{\lambda _{0}}}NA$.

Nur für Werte von V < 2,405 ist die entsprechende Faser einmodig und es kann sich nur die LP₀₁ Grundmode ausbreiten (siehe oben). Bei größeren Werten treten höhere Transversalmoden auf und es lässt sich für jede Faser die sogenannte Cut-off-Wellenlänge angeben, bis zu der noch Einmodenbetrieb vorherrscht ( $\lambda >\lambda _{\mathrm {cutoff} }$ ):

$\lambda _{\text{cutoff}}={\frac {d_{\text{K}}\pi NA}{2{,}405}}$.

Monomodefaser haben meistens einen Kerndurchmesser von 3 bis 9 µm, der äußere Durchmesser mit dem Cladding beträgt jedoch auch hier 125 µm. Die eigentliche Übertragung der Information erfolgt hauptsächlich im Kern der Faser, wobei ein Teil der Lichtleistung aber auch im inneren Bereich des Mantels auftritt, da sonst der dort etwas niedrigere Brechungsindex (Δn ≈ 0,003) keine Wirkung auf die Lichtwelle hätte. Speziell für Monomodefasern (engl. Single Mode Fiber, SMF) wird deshalb der Modenfelddurchmesser (engl. Mode Field Diameter, MFD) angegeben, bei dem die Amplitude der Mode in ihrem radialen Verlauf auf 1/e, bzw. am Faserausgang die Intensität (Bestrahlungsstärke) im Nahfeld auf 1/e² abgefallen ist. Beispielsweise beträgt bei der Singlemode-Faser Corning SMF-28e der Kerndurchmesser 8,2 µm, der MFD dagegen 9,2 µm bei 1310 nm bzw. 10,4 µm bei 1550 nm. Der MFD kann aus dem Brechzahlverlauf, der vor dem Ausziehen des Halbzeugs zur Faser einer Messung zugänglich ist, berechnet oder grob im Nahfeld gemessen werden. Genauer ist allerdings das Ausmessen des Fernfelds mit anschließender Rücktransformation (Hankeltransformation). Bei Corning wird z. B. als Referenzmethode die Variable Aperture Method in the Far Field (VAMFF) benutzt nach TIA/EIA Standard FOTP-191.

Da im Gegensatz zu Multimodefasern in Monomodefasern keine Modendispersion auftritt, sind wesentlich größere Übertragungsdistanzen und Bandbreiten möglich. Da Monomodefasern aber einen deutlich kleineren Kern als Multimodefasern aufweisen, was die praktische Handhabung bei der Lichteinkopplung und Faserverbindung erschwert, werden für kürzere Distanzen weiterhin Multimodefasern verwendet.

Die bisher gebräuchlichsten Monomodefasern im Telekommunikationsbereich sind für den Einsatz im O- und C-Band der optischen Datenkommunikation um λ = 1310 nm bzw. λ = 1550 nm bestimmt. Bei diesen Wellenlängen liegt das Dämpfungsminimum des Fasermaterials und weiterhin werden in diesem Bereich die Erbium-dotierten Faserverstärker (engl. Erbium-doped fiber amplifier, EDFA) betrieben. Zwar ist die Dispersion bei diesen Wellenlängen ungleich null, deren Effekt kann aber durch dispersionskompensierende Fasern reduziert werden. Es ist sogar von Vorteil, dass die Dispersion ungleich null ist, da sonst nichtlineare Effekte wie z. B. die Vier-Wellen-Mischung auftreten würden, die das Signal erheblich stören. Zu beachten ist allerdings, dass dispersionskompensierende Fasern, die in sogenannten Dispersionskompensationsmodulen Anwendung finden, mit ihrer hohen Dämpfung das Leistungsbudget stark belasten können.

Ein weiterer Vorteil dieser Wellenlänge ist, dass sich durch ein dynamisches Wechselspiel der dispersiven und optisch nichtlinearen (Kerr-Effekt) Eigenschaften von Glasfasern, gerade bei dieser Wellenlänge Solitonen erzeugen lassen. Die Wellenpakete (Lichtpulse) können demnach weitgehend unverfälscht übertragen werden.

Vergleich zwischen Monomode- und Multimodefasern

Die folgende Tabelle gibt die Größenverhältnisse von Core, Cladding und Coating für einige übliche Monomode- und Multimodefasern wieder. Für Monomodefasern (Singlemode-Fasern, SMF) wird üblicher Weise der Modenfelddurchmesser anstatt des Kerndurchmessers angegeben. Weiterhin sind für die SMF die entsprechenden Cut-off-Wellenlängen angegeben, unterhalb derer auch höhere Moden existieren. Typischer Weise sind die SMF für Wellenlängen bis zu 200–300 nm über der Cut-off-Wellenlänge geeignet. Mit größer werdenen Wellenlängen steigt der Anteil der im Fasermantel transportierten Leistung ( MFD Vorlage:Unicode $\lambda$ ) und die entsprechende Faser wird dadurch stark biegeempfindlich und die Koppeleffizienz sinkt. (Bei den kursiv angegebenen Fasertypen handelt es sich nicht um reine Glasfasern, siehe dazu unter POF und PCF.)

Bezeichnung	Hersteller	Faserart	Durchmesser Core bzw. MFD in µm	Durchmesser Cladding in µm	Durchmesser Coating in µm
405-HP	Nufern	Singlemode (λcutoff < 400 nm)	3,5 @ 515 nm	125	245
630-HP	Nufern	Singlemode (λcutoff < 600 nm)	4,0 @ 630 nm	125	245
1060-XP	Nufern	Singlemode (λcutoff < 920 nm)	6,2 @ 1060 nm	125	245
SMF-28e	Corning	Singlemode (λcutoff < 1260 nm)	10,4 @ 1550 nm	125	245
InfiniCore 600	Corning	Multimode (Gradientenindex)	50	125	245
InfiniCore 300	Corning	Multimode (Gradientenindex)	62,5	125	245
MM-S105	Nufern	Multimode (Stufenindex)	105	125	245
K200/230	Leoni	Multimode-PCF (Stufenindex)	200	230	500
AS-400/440 IR	Vacom	Multimode (Stufenindex)	400	440	480
Optran UV 600	CeramOptec	Multimode (Stufenindex)	600	660	760
GK-40	Mitsubishi	Multimode-POF (Stufenindex)	980	1000
Optran HUV 1500	CeramOptec	Multimode-PCF (Stufenindex)	1500	1550

Grenzen der Übertragung

Sowohl die Länge der Übertragungsstrecke als auch die Übertragungsrate werden durch Eigenschaften des Lichtwellenleiters begrenzt. Die maximale Übertragungsstrecke ist bei digitalen Signalen erreicht, wenn der Empfänger nicht mehr sicher die Flanken des Signals erkennen kann. Dies ist der Fall, wenn das Signal zu schwach ist, oder wenn die Signalform zu stark verzerrt ist. Je geringer die Verluste pro Kilometer ausfallen, desto weiter kann ein Signal übertragen werden bevor es zu schwach wird. Die Dispersion beeinflusst, wie sehr sich Wellenzüge bei der Übertragung verformen. Das Spektrum eines Signals ist um so breiter, je höher seine Taktrate ist. Bei gegebener Dispersion nehmen daher die Verformungen mit der Taktrate zu.

Verluste durch fundamentale Materialeigenschaften

Lichtdämpfung in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch fundamentale Materialeigenschaften und Verunreinigungen. Im linken und rechten Rand sind die Ausläufer der Absorptionsbanden im ultravioletten (überlagert von Verlusten durch Rayleigh-Streuung) bzw. infraroten Spektralbereich zu erkennen, welche noch zusätzlich von den sogenannten Water-Peaks bei 950 nm, 1240 nm und 1380 nm überlagert werden.

Die während der Lichtleitung in Glasfasern entstehenden intrinsischen Verluste sind auf fundamentale Materialeigenschaften und unerwünschte Verunreinigungen des verwendeten Glases zurückzuführen.

Es gibt zum einen materialspezifische Absorptionsbanden, welche im ultravioletten durch elektronische Übergänge verursacht werden und das für amorphe Materialien wie Glas typische exponentielle Abklingverhalten zeigen (Urbach-Tail), wodurch sich die UV-Absorption bis ins nahe Infrarot (NIR) hinein erstreckt. Im infraroten Spektralbereich kommt es durch Materialresonanzen zu Absorptionsbanden welche hauptsächlich auf Molekülschwingungen der Si-O-, Ge-O- und P-O-Bindungen zurückzuführen sind. Auch die Ausläufer der IR-Absorption erstrecken sich bis in den NIR-Bereich hinein, und somit in den Bereich der optischen Datenübertragung, wo beide Ausläufer (UV + IR) ein theorethisches Dämpfungsminimum bei ca. 1500 nm ergeben würden.

Die UV-Absorption wird zusätzlich noch überlagert von der Rayleigh-Streuung, welche durch die statistische amorphe Struktur des Glases verursacht wird und mit 1/λ⁴ zu längeren Wellenlängen hin abnimmt. Sie überwiegt im nahen infraroten Spektralbereich bis ca. 1500 nm und trägt entscheidender zur Gesamtdämpfung bei als die Ausläufer der UV-Absorption.

Weitere Ursachen sind Verunreinigungen des Fasermaterials, hauptsächlich absorbiertes Wasser während des Herstellungsprozesses oder des Ausgangsmaterials. Höhere Harmonische der Molekülschwingungen der O-H-Bindungen (Fundamentale um etwa 2800 nm) erzeugen zusätzliche Absorptionsmaxima bei 950 nm, 1240 nm und 1380 nm, welche auch als Water-Peaks bezeichnet werden. Die einzelnen Beiträge zum Energieverlust ergeben einen wellenlängenabhänigen Gesamtverlust wie er im Bild rechts dargestellt ist. Einfache Fasern werden deshalb in den um die Minimums liegenden Spektralbereichen um 850 nm, 1310 nm (O-Band) oder 1550 nm (C-Band) betrieben.

Eine Weiterentwicklung der Standard-Singlemode-Faser (SSMF) sind die sogenannten Low-Water-Peak-Fasern (ITU-T G.652.C und G.652.D) und Zero-Water-Peak-Fasern. Im Gegensatz zur SSMF werden diese Faser durch verbesserte Herstellungsprozesse und Ausgangsmaterialien (nahezu) wasserfrei hergestellt, wodurch die Dämpfung im Wellenlängenbereich zwischen 1260 nm und 1625 nm stark reduziert werden kann. Mit diesen Fasern wird das sogenannte E-Band (engl. extended band) für die Datenübertragung geöffnet. Dieser Bereich wird überwiegend mit der CWDM-Technologie (engl. Coarse Wavelength Division Multiplex, dt. ‚grobes Wellenlängenmultiplex‘) erschlossen, die es ermöglicht aufgrund der großen Kanalabstände auf sehr kostengünstige, ungekühlte Laser für die Übertragung zurückzugreifen.

Als Singlemode-Fasern für Weitverkehrsnetze werden heutzutage Non-Zero-Dispersion-Fasern (ITU-T G.655.C) verwendet. Sie verbinden eine sehr geringe Dämpfung mit einer geringen Dispersion im C-Band (engl. conventional band), wodurch im Gegensatz zu SSMF Übertragungen über längere Strecken ohne Dispersionskompensation möglich sind.

Biegeverluste

Bei Biegeradien der Glasfasern von einigen Zentimetern entstehen Verluste durch Abstrahlung von Leistung aus dem Kern in den Mantel. Für Multimode-Fasern kann dies strahlenoptisch dadurch erklärt werden, dass der Grenzwinkel für die Totalreflexion an der gebogenen Stelle unterschritten wird und dadurch ein Teil des Lichtes aus dem Glasfaserkern entweicht. Für Singlemode-Fasern gilt die wellenoptische Betrachtungsweise, die aussagt, dass immer ein Teil der transportierten Leistung sich auch auf den Mantel erstreckt. Der Modenfelddurchmesser ist immer größer als der Kerndurchmesser, und nimmt mit der Wellenlänge zu. Im äußeren Bereich der Biegestelle kommt es mit zunehmenden Abstand vom Kern zu einer Wegverlängerung, die ein Zurückbleiben der Phasenfronten verursacht, da die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit im Mantel nicht überschritten werden kann. Durch die nicht mehr ebene Wellenfront kommt es zu einer radialen Komponente des Poyntingvektors, welche eine Abstrahlung von Energie zur Folge hat. Die beschriebenen Effekte machen sich in Form einer Dämpfungserhöhung bemerkbar, welche je nach Leistungsbudget, Streckenlänge und Biegung zum Totalausfall der Übertragung führen kann.

Speziell für den Bereich Fiber to the Home (FTTH) und den damit verbundenen schlechteren Installationsbedingungen in Wohnhäusern, entwickelten die Glasfaserhersteller in der jüngsten Zeit neue Glasfasern mit reduzierten Biegeverlusten (engl. bending loss). Ziel ist es bei diesen Low-Bending-Loss-Singlemode- und -Multimode-Fasern den Brechungsindex im Mantel durch geeignete Maßnahmen zu erniedrigen bzw. so zu modifizieren, dass der Modenfelddurchmesser reduziert und somit weniger Leistung in den Mantel abgestrahlt wird. Die vielversprechendsten Methoden sind dabei die Einbringung einer ringförmigen mit Fluorid dotierten Schicht im Mantel, in der der Brechungsindex grabenförmig um den Kern verringert wird (engl. trench-assisted), sowie die Einbringung einer ringförmigen Nanostruktur aus Hohlräumen im Cladding (engl. nano-structured), welche auch zu einer Reduzierung des effektiven Brechungsindexes in den entsprechenden Bereichen führt.

Durch diese neuartigen biegeunempfindlicheren Fasern ist es möglich, auch bei Biegeradien im Bereich von unter 10 mm, eine nahezu verlustlose Übertragung sicherzustellen. Im Singlemode-Bereich sind sie spezifiziert nach ITU-T G.657, Kategorie A und B, wobei die Kategorie A die Anforderungen für Standard-Singelmode-Fasern nach ITU-T G.652 erfüllt.

Einfüge- und Koppelverluste

Beim Einkoppeln des Lichtes in die Faser, sowie beim Verbinden von Fasern mittels Steck- und Spleisverbindungen können Einfüge- bzw. Koppelverluste durch mehrere Faktoren auftreten:

• Kernexzentrizitäten und unterschiedliche Modenfelddurchmesser der zu verbindenden Fasern
• longitudinaler und transversaler Versatz, sowie Winkelversatz der Faserenden
• Oberflächenreflexionen an den Faserenden
• falsche Anpassung der numerischen Apertur und Fokusgröße zwischen Einkoppeloptik und Faser.

Bei Verbindungen von Lichtwellenleitern ist es wichtig, dass die Lage des Faserkernes mittig ist (Kernexzentrizität), sowie die Abmessungen und Rundheit der Fasern genau eingehalten werden und zueinander kompatibel sind. Die Exzentrizität des Faserkerns (Versatz zwischen Mittelpunkt des Faserkerns und Mittelpunkt des Fasermantels) bei heutigen Monomodefaser liegt bei kleiner 0,5 µm. Weitere transversale Versätze können durch Toleranzen bei der Steckermontage entstehen, wo die Faser in eine Aufnahmehülse (engl. ferrule) mit einer Bohrung von z. B. 126 µm ± 1 µm eingeklebt wird, sowie durch Toleranzen der Führungshülsen der Steckeraufnahmen, welche im Bereich von 1-2 µm liegen. Da das Signal bei Monomodefaser durch einen wenige Mikrometer dicken Kern transportiert wird, führt jede Fehlanpassung zu einer Teilüberlappung und somit zu einem Leistungsverlust.

Der größere Kerndurchmesser von Multimodefasern gestattet größere Toleranzen am Übergang zwischen zwei Fasern. Applikationen wie 10-Gigabit-Ethernet und speziell 40- und 100-Gigabit-Ethernet haben jedoch nur geringe Reserven für Dämpfung und Verluste und zu hohe Toleranzen und Abweichungen können daher auch hier schnell die Grenzen erreichen.

Dispersion

Siehe auch: Dispersion (Physik)

Anders als im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in Glas abhängig von der Frequenz des Lichts. Das Frequenzspektrum von Licht das zur Informationsübertragung genutzt wird, hat eine spektrale Breite, die mindestens so groß ist, wie die Bandbreite der Übertragung. Unterschiedliche Frequenzanteile erreichen den Empfänger wegen der Dispersion mit unterschiedlicher Verzögerung. Daraus ergibt sich beim Empfänger eine Verformung der Signalform. Die Verformung ist um so größer, je länger die Faserstrecke ist und je größer ihre Dispersion bei der Frequenz des Lichts ausfällt.

Unterschiedliche Ursachen tragen zur Dispersion bei:

• Modendispersion: Ursache für diese Dispersion sind die verschiedenen Ausbreitungen der geführten Moden gleicher Wellenlänge, da sich das Licht hier unterschiedliche Wege suchen kann. Für Einmodenglasfasern]] entfällt diese Art der Dispersion.

• Materialdispersion: Die Abhängigkeit des Brechungsindex des Glases von der Wellenlänge wechselt ihr Vorzeichen abhängig von der Glassorte im nahen Infrarot. Das bedeutet, dass bei einer bestimmten Wellenlänge die Materialdispersion verschwindet.

• Wellenleiterdispersion: Die Eindringtiefe einer Mode in den Mantel hängt von der Wellenlänge ab. Dadurch erfährt das Licht im Mittel einen anderen Brechindex. Die Dispersion des Wahl des Mantelmaterials nimmt damit Einfluss auf die Dispersion des Lichtwellenleiters.

• Polarisationsmodendispersion (PMD): Licht breitet sich in einem doppelbrechenden Medium je nach Polarisation unterschiedlich schnell aus. Eine Glasfaser ist entweder aufgrund ihrer Bauform doppelbrechend oder aufgrund einer Biegung der Glasfaser. Dieser Effekt kann durch polarisationserhaltende Glasfasern unterdrückt werden.

Der Brechungsindex von Glas hängt nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Amplitude des hindurch geleiteten Lichts ab. Für bestimmte, Soliton genannte Signalformen hebt dessen Einfluss die Verformungen durch von der Frequenz abhängige Dispersion auf. Dadurch ist es im Prinzip möglich eine Faserstrecke über tausende Kilometer ohne Repeater zu betreiben. Praktische Hürden verhindern jedoch bisher einen breiten Einsatz in der Faserkommunikation.

Aufbau einer LWL-Übertragungsstrecke

Die Übertragungsstrecke besteht aus:

• einem optischen Sender,
• einem Glasfaserkabel, ggf. mit Repeatern (Nachverstärkung und Signalregeneration) und
• einem optischen Empfänger.

Diese Elemente müssen folgende Forderungen erfüllen:

• Der optische Sender braucht eine Sendeleistung von −24 bis −1 dBm.
• Das Glasfaserkabel muss eine kleine Dämpfung / Dispersion besitzen.

Singlemode-Fasern (geringe Dispersion im typischen C-Band um 1550 nm), werden im Fernnetzbereich eingesetzt. Multimode-Fasern (größere Dispersion) finden dagegen im Ortsbereich oder in kleinen Netzen Anwendung.

Zur Wiederherstellung des durch Dispersion verzerrten Signales werden sogenannte Dispersionkompensationsmodule verwendet. Diese bestehen in der Hauptsache aus Kompensationsfasern, die eine der Übertragungsfaser entgegensetzte Dispersion besitzen.

Der optische Empfänger am Ende einer Glasfaser muss eine große Empfindlichkeit besitzen (typisch −52 dBm) und sehr breitbandig sein.

Typische Bauelemente sind:

• optische Sender: LEDs (bis zu 622 Mbit/s) oder Laserdioden (Multimode typisch > 622 MBit/s VCSEL, Singlemode typisch DFB oder Fabry-Perot-Laser),
• optische Empfänger: PIN-Dioden oder Avalanche-Dioden (APD),
• als Sender, Zwischenverstärker bei langen Strecken oder Empfängerverstärker: optische Verstärker, z. B. EDFA
• optische Filter bei Wellenlängenmultiplex sowie
• optische Schalter bei Zeitmultiplex.

Verlegung

Die Verlegung erfolgt oft unterirdisch. Die Kabel werden in bereits bestehenden Schächten und Rohren, z. B. Abwasserkanälen, untergebracht und anschließend an den gewünschten Stellen mittels Verteilern zu den einzelnen Gebäuden verlegt. Dies ist kostengünstig, da keine Bauarbeiten nötig sind und durch die Ein- und Ausgangsschächte die jeweiligen Verbindungen schnell und einfach installiert werden können. Bei FTTH (Fiber to the Home) werden die Kabel mit Durchmesser 2 mm in den schon vorhandenen Telefonanschlusskanälen (Elektrokanälen) verlegt.

Verbindungstechniken

LWL werden mit Steck- oder Spleißverbindungen miteinander oder mit Komponenten wie Sender, Empfänger oder Verstärker gekoppelt.

Zu rotierenden Teilen können sogenannte Schleifringübertrager oder Drehverteiler bzw. mikrooptische Drehübertrager zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen die kontinuierliche Datenübertragung (analog oder digital) von stehenden auf rotierende Bauteile.

Steckverbindungen

Endflächengestalt

LWL-Stecker zur Nachrichtenübertragung wurden früher stets mit einer planen, zur Faserachse rechtwinkligen Endfläche der eingebetteten Faser gefertigt. Die gesteckte Verbindung stellt dann eine direkte Berührung der Planflächen der Fasern sicher.

Diese planen Endflächen haben jedoch gewisse Nachteile:

1. Der Anpressdruck verteilt sich auf die gesamte Steckerendfläche und nicht nur auf den für die Übertragung relevanten Bereich des Faserkernes.
2. Verunreinigungen oder Beschädigungen auf der Steckerendfläche (auch außerhalb des Kernbereiches) können bewirken, dass beim Stecken ein Luftspalt zwischen den beiden Steckern verbleibt, welcher zu einer erhöhten Dämpfung und Reflektivität der Verbindung führt.

Aus diesem Grunde wurde der sogenannte PC-Stecker entwickelt (engl. physical contact). Dieser Stecker hat eine ballige Endfläche und beim Stecken kontaktieren sich physisch nur die Kernflächen (Faserenden) der beiden Stecker. Die oben beschriebenen Probleme wurden dadurch weitgehend vermieden.

Stecker dieser Bauart führen oft ein „PC“ als Ergänzung in ihrer Bezeichnung – wie z. B. ST/PC, SC/PC, FC/PC usw. Heutzutage sind alle qualitativ hochwertigen Stecker „PC-Stecker“.

Immer höhere Anforderungen an die Rückflussdämpfung der installierten Steckverbindungen im Bereich der MAN- (City-) und WAN- (Weitverkehrs-)Netze brachten schließlich den sogenannten HRL- (engl. high return loss) oder APC-Stecker (engl. angled physical contact) hervor. Bei dieser Steckerart ist die Steckerendfläche nicht nur bauchig, sondern steht auch winklig zur Faserachse (Standard = 8°). Durch diesen Aufbau wird von der Steckerendfläche reflektiertes Licht aus dem Kern über das Mantelglas in die Luft hinaus gebrochen und kann somit die Licht-(Daten-)übertragung nicht mehr stören. UPC- und APC-Steckertypen kommen bei Singlemodeübertragungen zum Einsatz und ihre Ultrapolish- oder Angled-Ausführung optimieren die bei diesen Übertragungsarten wichtige Kenngröße der Rückstreuung. Stecker dieser Bauart führen ein APC oder HRL als Ergänzung in ihrer Bezeichnung. (ST/APC, SC/APC, FC/APC, LC/APC, E2000/APC usw.) Stecker dieser Bauart finden vor allem in hochdatenratigen MAN- oder WAN-Netzen Anwendung.

Steckertypen

• 
  ST-Stecker
• 
  SC-Stecker
• 
  LC-Stecker
• 
  E2000-Stecker
• 
  FC/PC-Stecker
• 
  FDDI(MIC)-Stecker
• 
  MTRJ-Stecker
• 
  TOSLINK-Stecker
• 
  ESCON-Stecker
• 
  Vgl. div. Steckertypen

Die am häufigsten verwendeten Steckerarten sind heute LC (engl. local connector) und SC (engl. subscriber connector). Aus älteren Installationen sind auch noch ST (engl. straight tip) und E-2000 weit verbreitet. Der LC-Stecker gehört wie der MU-Stecker, LX.5-Stecker und der MTRJ-Stecker zu den sogenannten SFF-Steckern (engl. small-form-factor). Diese besitzen 1,25 mm Ferrulen und ermöglichen durch ihre kleinere Bauform eine höhere Bestückungsdichte als ältere Stecker, wie z. B. der SC-, ST- und E-2000-Stecker (mit 2,5 mm Ferrulen). Eine weitere Erhöhung der Portdichte kann mit Mehrfasersteckern erreicht werden, wie z. B. dem MPO- bzw. MTP-Stecker.

• ST: Die ST-Stecker (auch als BFOC-Stecker bekannt) sind in lokalen Netzen (Local Area Networks, LAN) sehr verbreitet. Geeignet ist dieser Stecker für Singlemode- und Multimode-Glasfaserkabel, wobei er hauptsächlich bei Multimode-Anwendungen verwendet wird. Die geringe Einfügedämpfung prädestiniert diesen Steckertyp für den Einsatz bei passivem Rangieren (Patching) bzw. für Anwendungen mit geringem Dämpfungsbudget. Die mittlere Einfügedämpfung liegt bei 0,3 dB, die maximale bei 0,5 dB.
• SC: Der SC-Stecker löste im Jahre 2002 den ST-Stecker aus den Normen EN50173 und ISO 11801 als Standard für LAN-Verkabelungen ab. In der Neufassung der EN50173 und ISO 11801 wird er jedoch durch den LC-Stecker abgelöst werden. Sein rechteckiges Design kann für Multimode- und Singlemode-Glasfaser verwendet werden. Die mittlere Einfügedämpfung liegt bei 0,2 dB, die maximale bei 0,4 dB (gegen Master gemessen). Der Vorteil gegenüber dem ST-Stecker liegt in der Push-Pull-Technik, d. h., der Stecker verriegelt sich automatisch beim Einstecken und entriegelt sich beim Abziehen (Vergleich: ST = Bajonett-Verschluss). Dadurch lassen sich Duplexstecker erstellen (zwei Stecker, verbunden durch einen Duplex-Clip) und Duplex-Verbindungen gleichzeitig stecken und abziehen.
• MU: Der MU-Stecker (engl. miniature unit-coupling), auch als Mini-SC-Stecker bekannt, ist ein von NTT entwickelter Small-Form-Factor-Stecker mit Push-Pull-Technik. Er ist in etwa nur halb so groß wie der SC-Stecker und ist als Simplex- und Duplex-Variante verfügbar. Der MU-Stecker ist geeignet für Singlemode- und Multimode-Fasern und genormt nach IEC 61754-6.
• LC: Der LC-Stecker (engl. lucent connector) ist auch ein Small-Form-Factor-Stecker. In der Duplexvariante nimmt er den Platzbedarf des in der Kupferübertragungstechnik verbreiteten RJ45 ein und benötigt somit nur halb soviel Platz wie der SC-Stecker. Es gibt den LC-Stecker sowohl als PC-, UPC- oder APC-Version für Multimode- oder Singlemodeanwendungen. In den Neufassungen der EN50173 und ISO11801 wird der LC-Stecker den SC-Stecker als Standard für LAN Verkabelungen ablösen. Ebenso wird er als Standardsteckverbinder im Bereich des Rechenzentrums und der zugehörigen Normkapitel, z. B. EN50173-5 geführt. Typische Dämpfungswerte liegen zwischen 0,1 und 0,3 dB. Er findet Verwendung beim Anschluss an Mini-GBICs.
• E2000: Der E2000-Stecker hat sich deutschlandweit bei Strecken in Stadtnetzen (Metropolitan Area Network, MAN) und Weitverkehrsnetzen (Wide Area Network, WAN) durchgesetzt. Er verfügt gegenüber den oben genannten Steckern über eine Laserschutzklappe, die das Verschmutzungsrisiko minimiert, lässt sich einfach farblich kodieren und verfügt ebenfalls über einen Push-Pull-Mechanismus. Es existieren Versionen mit metallischer Laserschutzklappe, die einen zusätzlichen Schutz vor Augenverletzungen bieten. Er wird mittlerweile als sogenannter 0,1-dB-Stecker mit einer garantierten Dämpfung von maximal 0,1 dB angeboten.
• MIC: MIC-Stecker sind sehr groß, nehmen zwei Fasern auf (Duplex) und werden fast ausschließlich in FDDI-Netzen verwendet. Sie sind vertauschungssicher und bieten die Möglichkeit, Codierungen zur Unterscheidung verschiedener Links anzubringen.
• MTRJ: MTRJ-Stecker nehmen ebenfalls zwei Fasern auf, die Übergänge sind jedoch in einem gemeinsamen Kunststoffblock eingebettet, der die Form eines RJ-45-Steckers hat. Diese Bauform verhindert ebenfalls das Vertauschen der Hin- und Rückleiter, ist sehr einfach zu stecken und wieder zu entriegeln und ermöglicht hohe Packungsdichten auf Patchfeldern und Switchports. Der Stecker ist für Singlemode- und für Multimode-Fasern geeignet und gehört zu den Small-Form-Factor-Steckern.
• MPO/MTP: Der MPO-Steckverbinder (engl. Multipath Push-On, auch Multiple-Fibre Push-On) ist ist ähnlich dem MTRJ einen Mehrfaserstecker für Multimode- und Singlemode-Fasern, welcher von NTT in den 1980er Jahren entwickelt und in den 1990er von dem Joint-Venture US-Conec (von NTT, Corning und Fujikura) zum MTP-Stecker weiterentwickelt wurde. Er besitzt typischerweise 2, 4, 8, 12 oder 16 Fasern in einer Reihe (Versionen mit bis zu 5 Reihen, und somit 80 Fasern sind verfügbar), womit die Packungsdichte stark erhöht werden kann. Definiert ist der MPO-Stecker im Standard IEC61754-7 und TIA/EIA 604-5. Er ist in der Norm ISO 11801 sowie EN 50173-5 neben dem LC-Stecker für Anwendungen im Bereich Rechenzentrum standardisiert und unterstützt paralleloptische Übertragungen. Typische Dämpfungswerte des MPO-Steckers liegen im Bereich um die 0,3 dB. Verfügbar ist der MPO-Stecker sowohl als PC- als auch als APC-Variante mit Schrägschliff. Paralleloptische Übertragungen wie Infiniband mit Übertragungsraten von bis zu 120 Gbit/s und die kommenden Varianten 40-Gbit/s- und 100-Gbit/s-Ethernet werden im Bereich der Multimodeanwendung nicht über Einzelfasern übertragen, sondern mittels Mehraderkabeln mit MPO-Steckern.
• TOSLINK: Der TOSLINK-Stecker (auch F05-Stecker) wurde 1983 von Toshiba entwickelt (TOShiba-LINK) und wird hauptsächlich zur Übertragung von digitalen Signalen im HiFi- und Home-Entertainment-Bereich eingesetzt. Für Patch-Kabel mit TOSLINK-Steckern werden typischer Weise 1 mm POF-Multimode-Fasern verwendet. Sie dienen z. B. zum Verbinden von DVD-Playern oder Spielkonsolen mit Dolby-Digital-/dts-Dekodern und werden auch im Tonstudio-Bereich eingesetzt.

Weitere Standardstecker sind u. a. der DIN(LSA)-Stecker, FC-Stecker (FC/PC bzw. FC/APC), MiniBNC-Stecker, (F)SMA-Stecker und der ESCON-Stecker.

Steckermontage

Die heute gebräuchlichsten Arten sind die Klebe- und Poliertechnik oder der mechanische Spleiß.

Die Klebe- und Poliertechnik ist durch anaerobe Kleber oder Heißklebeverfahren möglich. In den Steckerkörper (ferrule) wird hierzu ein Kleber eingebracht, die Faser wird hineingesteckt. Nachdem der Kleber erhärtet ist, wird die Faser mittels einer Klinge angeritzt, folgend gebrochen und die Stirnfläche des Steckers wird samt Faser plan geschliffen und poliert.

Bei Montage mittels mechanischem Spleiß wird ein Steckertyp verwendet, der werksseitig bereits eine in die ferrule eingeklebte Faser hat, die mit der Stirnfläche maschinell geschliffen und poliert wurde. Das offene Faserende befindet sich innerhalb des Steckerkörpers in einer mit einem sogenannten Index-Matching-Gel gefüllten Kammer. Das Index-Matching-Gel hat die Aufgabe, den Luftspalt zwischen den beiden Faserenden durch ein Medium zu ersetzen, das den gleichen Brechungsindex wie der Lichtwellenleiter selbst hat. Die zu konfektionierende Faser wird lediglich sauber gebrochen und in diese Kammer eingeführt. Die Fixierung erfolgt zum Beispiel durch einen Exzenterverschluss (Cam).

Spleißverbindungen

Siehe auch: Hauptartikel Spleißen

Das thermische Verspleißen von Glasfasern ist eine sichere und verlustarme Verbindungsmethode, erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung und Erfahrung. Die Enden müssen vor dem Verspleißen plan zugerichtet und genau zueinander positioniert werden. Dann folgt eine Aufschmelzung der Faserenden durch einen kurzzeitigen Lichtbogen. Während des Aufschmelzens werden die Glasfaserenden ohne zusätzliches Fügemittel aneinandergeschoben. Danach wird die bruchempfindliche Spleißstelle mit einem Spleißschutz mechanisch und vor Feuchtigkeit geschützt. Die Erstellung einer lösbaren Verbindung, um zum Beispiel innerhalb eines Verteilerfeldes Rangiermöglichkeiten zwischen verschiedenen Strecken zu ermöglichen, erfolgt durch das Verspleißen eines Pigtails mit der Verlegefaser. Ein Pigtail ist ein Lichtwellenleiter, der auf der einen Seite einen konfektionierten Stecker hat.

Glasfasermuffe

Glasfasermuffen enthalten mehrere Spleißverbindungen und verbinden zwei oder mehr Kabel mit jeweils mehreren Fasern bzw. LWL miteinander. Hierfür müssen die Glasfaserkabel einzeln gestrippt, verspleißt und in Kassetten eingelegt werden. Diese dienen dazu, dass bei evtl. Störungen einer Faser die restlichen Fasern unbeeinflusst bleiben. Eine Muffe kann über 200 einzelne Fasern aufnehmen, was mehrere Tage Installationszeit beanspruchen kann.

Daneben gibt es Spleißverbindungen sogenannter Ribbon- oder Bändchenkabel. Bei diesen Kabeln sind als Einzelelement bis zu zwölf Glasfasern in einer Klebematrix bandförmig nebeneinander untergebracht. Die zugehörigen Kabel beinhalten bis zu 100 solcher Bändchen, d. h. bis zu 1200 Glasfasern. Die entsprechende Spleißtechnik verspleißt immer die gesamten Bändchen miteinander, d. h. vier, sechs oder zwölf Glasfasern gleichzeitig mittels Lichtbogen.

Weitere Technologien

In optischen Bauelementen finden sich auch Abzweige und Zusammenführungen von Fasern (Weichen). Zum Pumpen von starken Faserlasern müssen mehrere Fasern der Pumplaser an die aktive Faser angeschlossen werden. Dazu dienen sogenannte combiner, siehe auch Taper.

Weiterhin gibt es Umschalter für mehrere Fasern. Diese können mechanisch oder optisch, d. h. berührungslos, arbeiten.

Anwendung

Nachrichtenübertragung über weite Strecken

Glasfaserkabel werden in der Nachrichtentechnik zur Informationsübertragung über weite Strecken mit hoher Bandbreite verwendet. Mit Singlemode-Fasern können Strecken bis 90 km ohne Repeater (Regeneration, Zwischenverstärkung) überbrückt werden.

Als Aus- und Eingangsverstärker sowie Repeater werden mit Diodenlasern gepumpte Erbium-Faser-Verstärker (EDFA, engl. erbium-doped fibre amplifier) verwendet. Die Verstärkung erfolgt wie in einem Laser durch stimulierte Emission, jedoch ohne Rückkopplung.

In Datenübertragungsnetzen kommen Glasfaserkabel heute fast bei jedem Netzwerkstandard zum Einsatz. Ein Standard für lokale Computernetze, der auf Glasfaserkabeln aufbaut, ist zum Beispiel das Fiber Distributed Data Interface (FDDI). Im Weitverkehrsbereich sind Glasfaserkabel insbesondere in der Verwendung als interkontinentale Seekabel ein enormer Fortschritt. Die Steuerung des Datenverkehrs über Glasfaserkabel ist in den HFC-Standards definiert.

Dark Fibre (dt. „dunkle Faser“) ist eine LWL-Leitung, die unbeschaltet verkauft oder vermietet wird. Der Lichtwellenleiter ist dabei zwischen zwei Standorten Punkt zu Punkt durchgespleißt. Für die Übertragung und die Übertragungsgeräte ist der Käufer oder Mieter verantwortlich. Er bestimmt auch die Verwendung. Dieses Geschäftsmodell wird auch mit carriers carrier oder wholesale business bezeichnet. Da es sich um eine reine Infrastrukturleistung handelt, unterliegt dieser Vertrag nicht dem Telekommunikationsgesetz.

Um Störungen bei Erdarbeiten oder Erweiterungen möglichst zu umgehen, sind in den Kabeln redundante Fasern enthalten. Auch nicht genutzte Glasfaserkapazitäten bezeichnet man als Dark Fibre, da bei unbenutzten Glasfasern keine Lichtsignale übertragen werden. Die Faser ist dann dunkel. Bei Bedarf werden weitere Fasern in Betrieb genommen.

Einzelne Fasern werden auch an andere vermietet:

• an Unternehmen und Organisationen, die ein WAN oder ein GAN aufbauen wollen
• an andere Telekommunikationsunternehmen, die damit Teilnehmer anschließen können, zu deren Räumlichkeiten sie kein eigenes Kabel liegen haben (Erschließung der „letzten Meile“).

In den letzten Jahren wird vor allem in Japan, USA, Italien und in Skandinavien der Ausbau von Glasfasernetzen im Anschlussbereich vorangetrieben. So werden dort Häuser direkt mit Glasfasern angeschlossen. Diese Vorgehensweise wird unter dem Begriff Fiber To The Home (FTTH) zusammengefasst. Bei diesem Ausbau werden pro Gebäude ein bis zwei Fasern verlegt. Werden zwei Fasern verlegt, so ist eine Faser für den Download, die andere für den Upload. Wird nur eine Faser verlegt, so läuft der Download über die Wellenlänge 1310 nm, während der Upload über 1550 nm realisiert wird.

Fasern in Weitverkehrsnetzen (zum Beispiel deutschlandweite Netze, Ozeanverbindungen) werden im DWDM-Verfahren betrieben, das enorme Übertragungskapazitäten ermöglicht. Dabei werden über mehrere Laser auf verschiedenen Wellenlängen Signale eingekoppelt und gleichzeitig auf einer Faser übertragen. Man hat somit verschiedene Kanäle auf einer Faser, ähnlich wie beim Radio. Mit Hilfe der breitbandig verstärkenden EDFAs ist ein Bandbreite-mal-Länge-Produkt von mehr als 10.000 (Tbit/s)·km möglich. Diese Systeme der 4. Generation wurden verstärkt Mitte der 1990er-Jahre verbaut und sind bis heute Stand der Technik.

Störungsfreie Audioverbindungen

Anfang der 1990er-Jahre wurden D-A-Umsetzer und CD-Player angeboten, die mit einer ST-Verbindung kommuniziert haben. Gerätebeispiele sind Parasound DAC 2000, WADIA DAC, Madrigal Proceed PDP 3 mit CD-Transport PDT 3. Diese Art der Verbindung konnte sich allerdings gegen TOSLINK, einer Verbindungstechnik mit POF, nicht durchsetzen und fand deshalb recht selten Verwendung.

Optische Verbindungen in der Audiotechnik vermeiden Signalstörungen durch elektrische und magnetische Felder sowie durch Masseschleifen, da sie eine Potentialtrennung bilden.

Potentialtrennung

Glasfaserkabel werden zur stromlosen Signalübertragung eingesetzt, z. B.

• bei Leistungselektronik- und Hochspannungsanlagen, um Steuersignale z. B. zu den auf Hochspannungspotential befindlichen Thyristoren zu übertragen. Es ist sogar möglich, die Stromrichterthyristoren direkt über die in der Glasfaser übertragenen Lichtpulse zu zünden (siehe Optothyristor).
• zur Übertragung von Messsignalen in Hochspannungsanlagen oder in störender Umgebung
• in Audio-Anlagen (siehe oben)
• zur galvanisch getrennten Netzwerkanbindung von medizinischen Geräten (z. B. digitales Röntgengerät) an lokale Netzwerke.

Messtechnik

Durch eine LWL-Übertragung eines optischen Messsignals kann man unter Extrembedingungen messen, die ein Photoempfänger nicht aushalten würde. Man erreicht eine räumliche Trennung der Sensorelektronik von Bereichen mit zum Beispiel hohen Temperatur- oder Strahlungswerten. Die bekannteste Anwendung sind Pyrometer zur Temperaturmessung und -regelung in Stahl- und Glaswerken. Auch Spektrometer haben oft LWL-Eingänge.

Glasfasern können jedoch auch selbst als Sensoren verwendet werden:

• verschiedene Temperaturen entlang der Faser führen zu auswertbaren optischen Beeinflussungen (Rayleigh- und Raman-Rückstreuung) – es können ortsaufgelöst Temperaturen bestimmt werden (Faseroptische Temperaturmessung, engl. distributed temperature sensor, DTS).
• in Laser-Gyroskopen wird eine aufgewickelte Faser als Sensor für die Winkelgeschwindigkeit verwendet.

Hochleistungslaser

Die Strahlung von Hochleistungs-Lasern im nahen Infrarot (Einsatz u. a. zur Materialbearbeitung) wird oft in Lichtleitkabeln (LLK) geführt, um sie besser an den Wirkungsort heranführen zu können. Es können Leistungen bis zu mehreren Kilowatt in Fasern mit 0,02–1,5 mm Kerndurchmesser nahezu verlustfrei übertragen werden. Um Unfälle zu vermeiden, sind derartige Fasern mit einer Faserbruchüberwachung ausgestattet.

Steckverbindungen derartiger Fasern sind prinzipiell anders aufgebaut als diejenigen der Nachrichtenübertragung: Sie müssen hohe thermische Verlustleistungen aufgrund der Streustrahlung und ggf. Rückreflexionen vertragen. Die Faserendflächen sind plan und ragen frei ohne Einbettung heraus. Teilweise werden sie an einen Kieselglasblock gepresst, um Verunreinigungen der Endflächen zu vermeiden. Aufgrund der hohen Leistungsflussdichten führen kleinste Verunreinigungen zur Zerstörung. Antireflexbeschichtung der Endflächen ist aus diesem Grund ebenfalls selten möglich. Bis etwa 500 Watt Laserstrahlleistung sind bei SMA-Steckverbindungen möglich, wobei die Faser jedoch nicht bis zum Ende eingebettet ist.

Spleißverbindungen sind auch im Hochleistungsbereich möglich.

Dotierte Fasern (z. B. mit Erbium) können selbst als Laser oder Licht-Verstärker arbeiten (siehe Faserlaser). Hierzu werden sie optisch mittels Hochleistungs-Diodenlasern gepumpt. Diese Technik findet sowohl in der Nachrichtentechnik als auch im Hochleistungsbereich Verwendung.

In der Lasershowtechnik wird Laserlicht von einer zentralen Quelle über Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilte Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbeträgen.

Anzeigen und Dekoration

Zu Beleuchtungs- und Dekorationszwecken werden Fasern, Faserbündel oder Formkörper aus Kunststoffen, wie z. B. PMMA oder Polycarbonat, eingesetzt:

• Übertragung des Lichtes einer Signal-LED von der Platine zur Anzeigetafel
• Mikroskop-Lichtquellen (Schwanenhals): Ein manipulierbares Faserbündel wird mit einer Halogen-Glühlampe gespeist
• „Sternenhimmel“: Mehrere Fasern werden vor der Verteilung als Bündel mit einer Halogen-Glühlampe und einem Filterrad beleuchtet.

Vor- und Nachteile von Lichtwellenleitern

Vorteile:

• hohe Übertragungsraten (Gigabit- bis Terabit-Bereich, selbst in alten Installationen)
• sehr große Reichweiten durch geringe Dämpfung (bis mehrere hundert Kilometer)
• kein Nebensprechen (ungewollte Signaleinstreuung auf benachbarte Fasern)
• keine Beeinflussung durch äußere elektrische oder elektromagnetische Störfelder
• keine Erdung nötig
• Verlegbarkeit in explosionsgefährdetem Umfeld (keine Funkenbildung)
• Möglichkeit zur Signalübermittlung an auf Hochspannungspotential liegenden Komponenten, zum Beispiel bei Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
• wesentlich leichter als Kupferkabel
• wesentlich weniger Platzbedarf als Kupferkabel
• Rohstoffe – im Gegensatz zu Kupfer – praktisch unbegrenzt verfügbar
• keine Brandauslösung durch parasitäre elektrische Ströme (z. B. Blitz, Kurzschluss) möglich
• geringere Brandlast im Vergleich zu Kupferkabeln durch kleineren Bedarf an Isolierung und geringere Wärmeentwicklung
• hohe Abhörsicherheit
• im Bereich der Produktions- und Automatisierungstechnik wird die Führung von Laserstrahlung zur Materialbearbeitung wesentlich vereinfacht (z. B. bei der Verwendung von Industrierobotern)
• Galvanische Trennung der verbundenen Komponenten.

Nachteile:

• hoher Konfektionierungsaufwand (Installation durch Spezialunternehmen)
• Schwachstelle Steckertechnik (Verschmutzung, Justage)
• relativ empfindlich gegenüber mechanischer Belastung
• teure Gerätetechnik
• aufwändige und komplexe Messtechnik
• nicht einfach zu verlegen: Bei starker Krümmung kann die Faser im Kabel brechen
• über einen LWL können Geräte nicht mit Strom versorgt werden, Power over Ethernet ist also nicht möglich.

Mögliche Störungen:

• Dämpfung durch
  • Spleiße dämpfen um 0,02 bis 0,2 dB
  • Einschlüsse
  • Deformierung des Kernes dämpft um 2 bis 5 dB/km (Kompensation der Dämpfung in der Nachrichtentechnik durch Optische Verstärker möglich.)
  • Unterschreitung der minimalen Biegeradien, ein Teil des Lichtes tritt über das Cladding aus und wird nicht mehr reflektiert.
• Faserbruch (Unfallgefahr, insbesondere bei den dicken LWL für Hochleistungslaser)
• Dispersion
  • Singlemode-Faser: Dispersion kann jedoch durch dispersionskompensierende Fasern kompensiert werden, dadurch sehr großes Bandbreitenlängenprodukt.
  • Multimode-Faser: Dispersion ist entsprechend groß, daher ist das Bandbreitenlängenprodukt klein.

Abhörmethoden

Wie andere Übertragungsmedien sind auch Lichtwellenleiter nicht sicher gegen „Abhören“. Dabei gibt es drei wesentliche Punkte an denen Informationen aus dem Lichtwellenleiter abgehört werden können.

Die erste Methode setzt am Spleiß an, bei dem trotz der geringen Übertragungsverluste guter Spleiße von unter 0,02 dB Strahlung austritt, die ausgewertet werden kann. Die zweite Methode nutzt Strahlungsverluste an Biegekopplern aus (Coupler-Methode). Denn wird eine Glasfaser gebogen, folgt das durchströmende Licht größtenteils der Biegung – ein Teil des Lichtes strahlt jedoch aus der Faser heraus. Schon wenige Prozent des Lichtsignals genügen, um alle übertragenen Informationen zu erhalten. Aufgrund der sich dadurch ändernden Dämpfung ist das Verfahren grundsätzlich nachweisbar.

Die dritte Methode ist die Non-touching-Methode, das heißt das Abhören der Information ohne in Kontakt mit dem Lichtwellenleiter oder zusätzlicher Dämpfung. Dazu werden empfindliche Photodetektoren um den Lichtwellenleiter platziert. Sie fangen die minimalen Lichtmengen auf, die aufgrund der Rayleigh-Streuung seitlich aus der Faser strahlen. Das Signal wird dann bis zu einer brauchbaren Leistung verstärkt. Weder die Leitung noch das Signal werden dabei beeinflusst. Die Deutsche Telekom hat sich eine solche Methode patentieren lassen, mit der sich Signale aus einer Glasfaser ohne messbare Beeinflussung oder Dämpfung der Glasfaser auffangen lassen. Voraussetzung ist allerdings, dass von der Mehrzahl der übertragenen Bits zumindest ein Photon aufgefangen wird. Falls also nicht mit unnötig hoher Leistung gesendet wird, müsste das Streulicht von mehreren Metern (Kunststofffaser) bzw. Kilometern (Glasfaser) aufgefangen und phasenrichtig zusammengeführt werden.

Mittels der Quantenkryptografie lassen sich Daten abhörsicher verschlüsseln.

Normen

Die Lichtwellenleiter sind nach VDE 0888-2, ITU-T G.651 bis G.657 und IEC 60793 genormt:

• DIN VDE 0899 Teil 2 - für Fasern, Einzeladern und Bündeladern
• DIN VDE 0899 Teil 3 - für Außenkabel
• DIN VDE 0899 Teil 4 - für Innenkabel mit einem Innenleiter.

Literatur

Physikalische Grundlagen:

• Govind P. Agrawal: Nonlinear Fiber Optics (Optics and Photonics). Academic Press, ISBN 0-12-045143-3.
• Dieter Meschede: Optik, Licht und Laser. Teubner, ISBN 3-519-13248-6.
• Fedor Mitschke: Glasfasern : Physik und Technologie. Elsevier, Spektrum, Akad. Verlag, Heidelberg 2005, ISBN 3-8274-1629-9.
• C. R. Pollock, Clifford Pollock, Michal Lipson: Integrated Photonics. Springer Netherlands, 2003, ISBN 1-4020-7635-5. 

Technik:

• Dieter Eberlein: Lichtwellenleiter-Technik. Expert Verlag, Dresden 2003, ISBN 3-8169-2264-3.
• D. Gustedt, W. Wiesner: Fiber Optik Übertragungstechnik: Franzis' Verlag GmbH, Poing 1998, ISBN 9783772356346.
• Rongqing Hui, Maurice S. O'Sullivan: Fiber optic measurement techniques. Elsevier Academic Press, 2009, ISBN 978-0-12-373865-3. 
• Edgar Voges, Klaus Petermann: Optische Kommunikationstechnik: Handbuch für Wissenschaft und Industrie. Springer, 2002, ISBN 3-540-67213-3. 
• Holger Ueker: Moderne Übertragungstechniken. Medien-Institut, Bremen 2004, ISBN 3-932229-72-X.
• Christoph P. Wrobel: Optische Übertragungstechnik in der Praxis: Komponenten, Installation, Anwendungen. Hüthig, Bonn 2004, ISBN 3-8266-5040-9.

Weblinks

Commons: Lichtwellenleiter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Glasfaserinfo.de
• Weltrekorde der Datenübertragung, Uni Rostock
• Optische Telekommunikation: Grenzen des Wachstums?, Uni Rostock
• Fertigungsverfahren für Glasfaser OVD, PCVD, MCVD (englisch)
• Neue biegeunempfindliche Glasfasern Demovideo (englisch)
• Single-Mode Fasern S&K Hamburg GmbH (incl. Erklärungen zu Eigenschaften von SM-, PM-SM- und PCF-Fasern, pdf-Datei, 790 kB, englisch)
• Glasfaser Stecker Typen Connect Com AG
• Kleine LWL-Stecker-Lehre Opternus GmbH