Inhaltsverzeichnis

1     Geschichte des Lichtleiters....................................................................................... 3

2     Vor- und Nachteile optischer Informationsübertragung.......................................... 5

3     Funktionsweise des Lichtleiters............................................................................... 6

3.1      Akzeptanzwinkel und numerische Apertur................................................................ 8

3.2      Interferenz............................................................................................................ 10

4     Lichtleiterarten........................................................................................................ 11

4.1      Stufenindexfaser................................................................................................... 11

4.2      Gradientenfaser.................................................................................................... 12

5     Maximallängen- und bandbreitenbeeinflussende Faktoren.................................. 13

5.1      Dispersion............................................................................................................ 13

5.1.1   Materialdispersion.............................................................................................. 13

5.1.2   Modendispersion................................................................................................ 13

5.1.3   Wellenleiterdispersion........................................................................................ 14

5.2      Dämpfung............................................................................................................ 14

5.2.1   Verlegungsbedingt............................................................................................. 14

5.2.2   Materialbedingt.................................................................................................. 15

5.2.2.1   Lichtabsorption........................................................................................... 16

5.2.2.2   Lichtstreuung.............................................................................................. 17

5.3      Das Phänomen der Modenwandlung...................................................................... 17

6     Lichtleiter in der Praxis........................................................................................... 18

6.1      Informationsübertragung über Lichtleiter................................................................. 18

6.1.1   Analoge Informationsübertragung....................................................................... 18

6.1.2   Digitale Informationsübertragung........................................................................ 19

6.1.3   Gleichzeitige Übertragung von Signalen............................................................... 20

6.1.3.1   Trägerfrequenz-Multiplexing........................................................................ 20

6.1.3.2   Zeitmultiplexing........................................................................................... 21

6.2      Andere Anwendungsbereiche von Lichtleitern........................................................ 22

6.2.1   Lichtleiter als „Verlängerung“ für Lichtquellen und Photodetektoren..................... 22

6.2.2   Lichtleiter als Sensoren...................................................................................... 22

6.3      Sender.................................................................................................................. 22

6.4      Lichtleiterkabel..................................................................................................... 23

6.4.1   Einfaserkabel.................................................................................................... 23

6.4.2   Mehrfaserkabel................................................................................................. 23

6.5      Faserverbindungen................................................................................................ 24

6.5.1   Spleiße.............................................................................................................. 24

6.5.1.1    Fusionsspleiße............................................................................................ 24

6.5.1.2    Mechanische Spleiße.................................................................................. 25

6.5.2   Stecker............................................................................................................. 25

6.5.2.1   Direktverbindungen..................................................................................... 25

6.5.2.2   Verbindungen mit zwischengeschalteter Optik............................................... 26

6.6      Messungen am Lichtleiter - Optical Time Domain Reflectometry............................. 27

7     Ausblick................................................................................................................... 28

1          Geschichte des Lichtleiters

Optische Informationsübertragung wurde vom Menschen schon lange in Form von Rauch- und Blinkzeichen oder z.B. auch Flaggensprache betrieben. Im 19. Jahrhundert experimentierte man sogar mit Telegraphenmasten, an denen verstellbare Signalflügel angebracht waren. Die Vorzüge schneller und verlustarmer Kommunikation mit Licht konnte man aber erst nutzen, nachdem man drei wesentliche Hindernisse überwunden hatte:

Man benötigte

-          eine intensive, schnell modulierbare Lichtquelle,

-          einen schnellen und empfindlichen Detektor und

-          ein Medium, um das Licht darin zu leiten - die Atmosphäre hatte sich als zu unzuverlässig erwiesen.

Im folgenden wird kurz die Geschichte der Lichtleitertechnologie umrissen:

1870            versucht John Tyndall Licht in einem Wasserstrahl zu leiten

1880            überträgt Alexander Graham Bell Sprache über 200m, indem er Sonnenlicht mittels Diaphragma moduliert

1910            veröffentlichen Hondros und Debye eine theoretische Studie über die Führung von Licht durch Dielektrika in mehreren Schichten transparenten Materials

1920            berichtet Schriever über experimentelle Erfahrungen mit Lichtleitern

um 1939       verwendet die Deutsche Marine auf einigen Schiffen „Lichtsprecher“, die einen IR-Carrier benutzen

1948            wird der Transistor durch John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley erfunden

1955            verwendet man in der Medizin erstmals optische Fasern zur Beleuchtung innerer Organe. Für andere Zwecke ist der Lichtverlust noch zu groß

1960            konstruiert T.H. Maiman den ersten Laser

1962            werden erste Halbleiterlaser entwickelt

1966            entdecken Dr. Charles Kao und Dr. George Hockham, daß Lichtverluste auf Unreinheiten im Glas zurückzuführen waren und beweisen, daß eine Informationsübertragung per Lichtleiter möglich ist

1970            produziert das amerikanische Unternehmen „Corning Glass“ Glasfasern, die sich zur Übertragung von Telefonsignalen eignen

1976            beginnen an der technischen Akademie Esslingen Lehrgänge zum Thema optische Informationsübertragung

1978            verbindet die Deutsche Bundespost zwei Berliner Ortsvermittlungsstellen über einen 4,3 km langen Lichtleiter mit 8 Fasern

1979            werden Frankfurt und Oberursel durch einen 15,4 km langen Lichtleiter verbunden

1981            wird der Systemversuch BIGFON (Breitbandiges Integriertes Glasfaser-Fernmelde-Orts-Netz) vorgestellt

1983-1986    erfolgt die Einrichtung und Erprobung von 10 BIGFON Inseln für 324 Teilnehmer. Jeder Teilnehmer kann telefonieren, Daten übertragen, fernkopieren, mit Bildübertragung telefonieren, 4 Radioprogramme in Stereo und 3 Fernsehprogramme empfangen

1985            Werden von der British Telecom erstmals ohne Zwischenverstärker Signale über einen  251,6 km langen Lichtleiter übertragen

1988            wird das 1. transatlantische Glasfaserkabel (TAT-8) in Betrieb genommen; es kann 40000 Telefongespräche gleichzeitig übertragen – die dreifache Leistung aller sieben bereits existierenden Transatlantikkabel aus Kupfer

1999            wird auf der Telecom ’99 in Genf ein System vorgestellt, mit dem 3,2 Tbit/s in Form von 80 Kanälen mit je 40 Gbit/s über eine 40km lange Faser übertragen werden können

Daß sich Lichtleiter anfangs nicht gegen die gebräuchlichen Koax-Kabel durchsetzen konnten, lag an ihrer 200-fach höheren Dämpfung. Inzwischen ist ihre Dämpfung aber unter ein Zehntel der Dämpfung von Koax-Kabeln gesunken, weshalb sie Informationen ohne Repeater über deutlich längere Entfernungen übertragen können.

  [1]

2          Vor- und Nachteile optischer Informationsübertragung

Lichtleiter haben gegenüber Kupferkabeln einige interessante Vorteile:

-          Es lassen sich sehr hohe Übertragungsraten, bis zu mehreren Tbit/s, erreichen

-          Eine Überwindung großer Entfernungen ohne Repeater (bis zu 100km, bei Koaxkabeln nur etwa 1,5 km) wird möglich

-          Lichtleiter haben geringes Volumen und Gewicht, die Fasern sind oft dünner als ein Haar

-          Ein- und Ausgang sind galvanisch getrennt, so daß Erdungsprobleme entfallen

-          Die Übertragung wird nicht durch elektromagnetische Felder oder Störspannungen beeinträchtigt, so daß eine erhöhte Sicherheit gegen Blitzschlag oder EMPs durch Nuklearwaffen gewährleistet werden kann

-          Im Gegensatz zum Kupferkabel stellt der Lichtleiter ein sicheres Übertragungsmedium dar. Ein Abhören der übertragenen Signale ist äußerst schwer zu realisieren, ein unbemerktes Abhören fast unmöglich, da eine Leistungsentnahme aus der Faser sofort entdeckt werden kann

-          Stromschlag und Kurzschlüsse an Lichtleitern sind ausgeschlossen

-          Durch Multiplexing läßt sich die Kapazität von Lichtleiterkabeln nach der Verlegung ohne physikalische Eingriffe in das Kabel erhöhen

-          Das Phänomen des „Quersprechens“ tritt bei Lichtleitern so gut wie gar nicht auf

-          Vergleicht man ein Lichtleiterkabel mit einem Kupferkabel gleicher Kapazität, schneidet der Lichtleiter deutlich billiger ab

-          Glas statt Kupfer: Die Kupferreserven der Welt nehmen ständig ab, die Grundmaterialien des Glases sind aber noch in größeren Mengen vorhanden. Einige kg Kupfer können durch 1g hochreines Glas ersetzt werden, wenn gleiche Kapazität der Kabel zugrunde gelegt wird

Es sollen an dieser Stelle jedoch auch einige gravierende Nachteile der Informationsübertragung mit Lichtleitern nicht verschwiegen werden:

-          Lichtleiter können keine größeren Energiemengen übertragen. Das heißt: wenn Repeater betrieben werden sollen, so muß für sie eine eigene Stromversorgung bereitgestellt, oder Kupferkabel mitverlegt werden

-          Bei Arbeiten an Lichtleitern sind Schutzbrillen erforderlich, da sich in Sekundenbruchteilen permanenter Schaden an der Retina einstellen würde, würde man direkt in einen von einem Laser gespeisten Lichtleiter blicken

-          Besonders Kunststoff-Lichtleiter sind sehr temperaturempfindlich. Bei extremen Temperaturen verändert sich das Brechzahlverhältnis zwischen Mantel und Kern, so daß die Totalreflexion gestört wird und zunehmend mehr Strahlen den Kern verlassen.

-          Verbindungen von Lichtleitern mit Geräten oder anderen Lichtleitern sind verhältnismäßig aufwendig und teuer

  [2]

3          Funktionsweise des Lichtleiters

Die Technik des Lichtleiters basiert auf der geschickten Ausnutzung von Totalreflexion und Interferenz: Trifft ein Lichtstrahl unter dem Winkel  auf die Grenzschicht zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechzahl  und , so wird er beim Eintritt in das Medium mit niedrigerer Brechzahl gebrochen. Nach dem Brechungsgesetz berechnet sich der Winkel  des gebrochenen Strahls nach . Bei Einfallswinkeln über dem kritischen Winkel , bei dem  ist, sich also nach  berechnet, tritt Totalreflexion ein und es gilt .

[3]

3.1         Akzeptanzwinkel und numerische Apertur

Der maximale Winkel, unter dem Licht auf einen Lichtleiter fallen darf, um noch durch Totalreflexionen weitergeleitet werden zu können, heißt Akzeptanzwinkel .  entspricht jedoch nicht, wie man auf den ersten Blick denken könnte, . Da das Licht beim Übergang vom umgebenden Medium mit der Brechzahl  in den Lichtleiterkern mit Brechzahl  ja auch gebrochen wird, flacht der Strahl ab.  ist also tatsächlich größer als .

Es gilt , wobei sich  durch ersetzen läßt, also gilt . Nach Umformung des Cosinus ergibt sich .

Ist nun  gerade , so ist  gerade , also ist . Die Terme  bzw.  geben die Numerische Apertur  an. Mit Luft als umgebendem Medium ( ) ist also .

Für eine maximale numerische Apertur von 1 entsprechend einem Akzeptanzwinkel von 90° wählt man also z.B. mit Luft als umgebendem Medium ein Brechzahlverhältnis von 1,8 : 1,5.

Bei weitem häufiger als Strahlen, die sich im Lichtleiter in einer Ebene ausbreiten, sind jedoch Strahlen, die bei ihrer Ausbreitung einem helixförmigen Weg folgen.

Trifft ein solcher Strahl im Punkt A auf den Lichtleiter und wird bei B reflektiert, wobei der Strahl zusätzlich zu seinem Winkel  gegen die Mittelachse noch um  gegen den Radius geneigt ist, so gilt für den Winkel : . Um für solche Strahlen den Akzeptanzwinkel  zu berechnen, formt man wieder  zu  um und erhält . Man setzt jetzt den Grenzfall  und nach der bekannten Formel  ergibt sich  und unter Berücksichtigung der Lichtbrechung beim Eintritt des Lichts in den Lichtleiter nach :

.

Es ergibt sich die numerische Apertur zu .

Der Akzeptanzwinkel  ist also um den Faktor  größer als .

[4]

3.2         Interferenz

Ein Strahl, der innerhalb des Akzeptanzwinkels in den Lichtleiter einfällt, wird jedoch nur dann verlustfrei im Lichtleiter weitergeführt, wenn sich die einfallenden und reflektierten Wellen konstruktiv überlagern, d.h. die Phasenänderung des Lichtstrahls nach zwei Reflexionen ein ganzzahliges Vielfaches von 360° ist. Die Phasenänderung ergibt sich dabei sowohl durch den zurückgelegten Weg, als auch durch den Phasensprung bei Reflexionen an den Grenzschichten.

Ein Strahl, der diese Bedingungen erfüllt, gilt als „eingekoppelt“ und wird auch Mode genannt. Die möglichen Moden eines Lichtleiters werden vom flachsten zum steilsten Reflexionswinkel mit ganzen Zahlen, beginnend mit 1, numeriert.

Da für eine Mode die Summe der elektrischen Felder auf derselben Höhe konstant ist, bildet sich für jeden Winkel eine charakteristische Verteilung des elektrischen Feldes aus. Die Feldverteilung ähnelt einer stehenden Welle, jedoch dringt das elektrische Feld noch etwas in das Medium niedrigerer Brechzahl ein.

[5]

4          Lichtleiterarten

Je nach Art des Brechzahlprofils, das sich aus der Schichtung der einzelnen Materialien im Lichtleiter ergibt, unterscheidet man Lichtleiter im wesentlichen zwischen Stufenindexfasern und Gradientenfasern.

4.1         Stufenindexfaser

Bei einer Stufenindexfaser werden typischerweise zwei Materialien unterschiedlicher Brechzahl verwendet, so daß am Übergang von n₁ zu n₂ Totalreflexion erfolgt.

Eine besondere Variante der Stufenindexfaser ist die Monomodefaser:

Hier wird der Kernradius so klein gewählt, daß Licht einer Wellenlänge nur noch unter einem bestimmten Winkel in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann, d.h. nur noch eine Mode im Lichtleiter ausbreitungsfähig ist.

4.2         Gradientenfaser

Eine Gradientenfaser hat ein von Zentrum nach außen hin abfallendes Brechzahlprofil. Dadurch wird ein Lichtstrahl, der vom Zentrum nach außen wandert, bei jedem Übergang in ein Medium niedrigerer Brechzahl abgeflacht, bis er totalreflektiert wird. Dadurch wird das Licht in einer Gradientenfaser wellenförmig weitergeleitet. Die numerische Apertur dieser Faser kann durch eine unterschiedliche Profilkonstante  der Funktion des Brechzahlverlaufs variiert werden.

.

[6]

5          Maximallängen- und bandbreitenbeeinflussende Faktoren

5.1         Dispersion

Ein wesentlicher Faktor, der das Bandbreiten-Längen-Produkt eines Lichtleiters begrenzt ist die sogenannte Dispersion, die besonders dann zum Tragen kommt, wenn zur Datenübertragung kurze Pulse über den Lichtleiter übertragen werden sollen.

Die Pulse werden bei der Übertragung durch den Lichtleiter immer breiter und gehen schließlich ineinander über.

Ab einer bestimmten kritischen Länge sind die Pulse derart unscharf geworden, daß sich aus ihnen keine verwertbaren Informationen mehr zurückgewinnen lassen können.

Die einzelnen Effekte, die zu Dispersion führen, sollen im folgenden kurz erläutert werden:

[7]

5.1.1        Materialdispersion

Wie man deutlich beim Versuch der Aufspaltung von Licht mit Hilfe eines Prismas sehen kann, ist die Brechzahl für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich groß. Da optische Sender nicht nur Licht einer Wellenlänge emittieren, sondern in einem bestimmten Spektralbereich senden, laufen die verschiedenen Komponenten eines ausgesandten Lichtpulses auf verschieden langen Wegen durch den Lichtleiter, da sie unterschiedlich reflektiert werden, wodurch der Lichtpuls „auseinandergezogen“ wird.

Dieser Effekt läßt sich durch Verwendung einer LD statt LED vermindern, da diese Licht in ein schmäleren Spektrum von Wellenlängen emittiert.

[8]

5.1.2        Modendispersion

Eingespeiste Lichtenergie kann sich im Multimode-Lichtleiter auf unterschiedlich langen Wegen ausbreiten, so daß Laufzeitunterschiede auftreten. Modendispersion läßt sich in Gradientenfasern durch spezielle Brechzahlprofile minimieren, so daß sie dann in etwa in der gleichen Größenordnung wie die Materialdispersion liegt. Bei Stufenindexfasern überwiegt die Modendispersion bei weitem.

[9]

5.1.3        Wellenleiterdispersion

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahls abhängig von seiner Wellenlänge ist, breiten sich die unterschiedlichen Spektralkomponenten eines Lichtpulses durch den Lichtleiter unterschiedlich schnell aus, wodurch der Lichtpuls verbreitert wird. Dieser Effekt ist zwar bei Multimode-Lichtleitern gegenüber anderen Dispersionsarten vernachlässigbar, muß aber im Monomode-Lichtleiter, wo Modendispersion nicht auftritt, in Rechnungen berücksichtigt werden.

Da Wellenleiterdispersion und Materialdispersion in der gleichen Größenordnung liegen, versucht man, ihre Einflüsse in gewisser Weise gegenseitig zu kompensieren.

[10]

5.2         Dämpfung

Als Dämpfung wird die Schwächung von Signalen, die durch den Lichtleiter übertragen werden, bezeichnet.

5.2.1        Verlegungsbedingt

Neben offensichtlichen Faktoren, wie in die Übertragungsstrecke eingebaute Stecker und Spleiße, spielt auch ein anderer Faktor eine für die Dämpfung ausschlaggebende Rolle:

Werden Lichtleiter geknickt, so steigt die Dämpfung mit sinkendem Biegeradius stark an. Dies läßt sich dadurch erklären, daß sich an einem Knick der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen den Materialien verschiedener Dichte trifft, verändert. Es tritt jetzt eventuell nicht mehr Totalreflexion auf, wodurch Energie verloren geht, das Signal also geschwächt wird.

[11]

5.2.2        Materialbedingt

Im Bild sind die typischen Einflußgrößen der materialbedingten Dämpfung zu erkennen: Der Dämpfungsanstieg durch Absorption jenseits von etwa 1600nm, die vorwiegend durch Reste an OH-Ionen bedingten Resonanzspitzen, sowie der Abfall der durch Lichtstreuung verursachten Verluste mit der Wellenlänge („Rayleigh scattering“). Gut zu erkennen sind auch die Bereiche minimaler Dämpfung in den Übertragungsfenstern um 1300nm und 1550nm.

Eine Dämpfung von 1 dB/km mag auf den ersten Blick hoch erscheinen, tatsächlich stehen aber am Ende von 50km Lichtleiter immer noch 3% der eingekoppelten Lichtleistung zur Verfügung - genauso viel wie nach 30cm Fensterglas.

5.2.2.1           Lichtabsorption

Bei bestimmten Wellenlängen treten in Lichtleitern Resonanzeffekte auf, durch die Lichtenergie absorbiert und in Wärme umgesetzt wird. Reines Silikatglas (SiO₂), das heute als Ausgangsmaterial für Lichtleitern verwendet wird, weist derartige Resonanzen bei 10000nm bis 20000nm auf. Obwohl dieser Bereich weit über den für Nachrichtenübertragung genutzten Wellenlängen liegt, steigen die Dämpfungsverluste ab etwa 1600nm deutlich an.

Störend wirken sich auch bereits geringe Anteile von Metallionen (Eisen, Chrom, Kobalt, Kupfer) im Glas aus. Im SiO₂ mußte ihr Anteil auf Werte von 10^-8 und 10^-9 reduziert werden, um die Absorptionsmaxima dieser Fremdstoffe so weit zu unterdrücken, daß die Dämpfung in annehmbare Größenordnungen sank. Dank moderner Technologien spielen aber die Verunreinigungen durch Metallionen praktisch keine Rolle mehr.

Außerordentlich wichtig ist aber der Anteil an OH-Ionen.  Sie haben eine Hauptresonanz bei 2700nm, die mit ihren Oberschwingungen mehr oder weniger breite Dämpfungsmaxima auch noch bei 1370nm und 950nm verursachen können. Die Erhaltung der „Wasserfreiheit“ des Glases beim Herstellungsprozeß ist deshalb äußerst  wichtig.

5.2.2.2           Lichtstreuung

Lichtstreuung entsteht durch Unregelmäßigkeiten, die sich vor allem während der Abkühlphase im Schmelzprozeß des Glases bilden. Im interessanten Wellenlängenbereich mißt man einen starken Anstieg der Dämpfung mit sinkender Wellenlänge, und zwar mit ihrer vierten Potenz. Die geringsten Streuverluste erzielt man also bei möglichst großen Wellenlängen.

[12]

5.3         Das Phänomen der Modenwandlung

Wegen zufällig auftretenden Krümmungen, Elliptizitäten im Querschnitt oder anderen Störstellen kann sich der Strahlverlauf in einem Lichtleiter „unterwegs“ ändern. Beim Durchlaufen einer Krümmung des Lichtleiters kann also ein steiler Strahl flacher oder ein flacher Strahl steiler werden, d.h. ohne Energieverlust in eine andere Mode übergehen, wobei in letzterem Fall auch Gefahr eines Lichtverlusts besteht, sollte der Totalreflexionswinkel überschritten werden oder - allgemein - eine nicht mehr ausbreitungsfähige Mode entstehen.

Durch das Phänomen der Modenwandlung hat sich im Lichtleiter erst nach einer gewissen Länge eine ausgewogene Energieverteilung, ein sog. Modengleichgewicht, eingestellt, die sich danach kaum noch ändert. Diese Länge nennt man „kritische Länge“ oder „Koppellänge“. Sie liegt zwischen einigen hundert Metern und einigen Kilometern. Hat sich also ein Modengleichgewicht eingestellt, so sind die hohen Moden nur noch mit einem geringeren Anteil enthalten, weil sie bei Modenwandlungen eher dazu neigen, den Lichtleiter zu verlassen.

Daraus ergibt sich ein Vorteil der Modenwandlung: Da hohe Moden gegenüber dem Achsenstrahl die größten Laufzeitdifferenzen aufweisen, wird durch die Modenwandlung die Impulsverbreiterung gemindert. Ein zweiter Vorteil ist der Effekt, daß durch die ständige Modenmischung permanent langsame Moden schneller und schnellere Moden langsamer werden, was den Effekt der Modendispersion vermindert.

Diese Effekte führen dazu, daß bei langen Übertragungsstrecken die Impulsverbreiterung zunächst zwar proportional zur Länge ansteigt, ab der Koppellänge jedoch weniger schnell anwächst und genauso die nutzbare Bandbreite weniger stark abfällt (Kurve „1“), als das ohne Modenwandlung der Fall wäre (Kurve „2“). Das Phänomen der Modenwandlung muß daher bei Labormessungen der Modendispersion oder Dämpfung berücksichtigt werden, da die Ergebnisse sonst nicht auf reale, lange Leitungen übertragbar sind.

[13]

6          Lichtleiter in der Praxis

6.1         Informationsübertragung über Lichtleiter

6.1.1        Analoge Informationsübertragung

Bei der analogen Informationsübertragung setzt man verschiedene Signalpegel in verschiedene Helligkeitsgrade um, die dann durch den Lichtleiter übertragen werden können. Bei der direkten Signalumwandlung werden die Spannungsschwankungen eines analogen elektrischen Signals direkt als Helligkeitsschwankungen durch den Lichtleiter übertragen.

Der Vorteil einer analoger Übertragung liegt auf der Hand: Eine Schaltung ist wesentlich einfacher zu realisieren, muß ja nur das Signal als Betriebsspannung einer LED angelegt werden.

Ein Nachteil der analogen Informationsübertragung liegt in Nichtlinearitäten von Sender, Lichtleiter und Empfänger: Die Lichtintensität steigt besonders beim Laser nicht proportional zur Eingangsleistung, sondern unregelmäßig an, was die Signale verfälschen kann. Mehr und mehr setzt sich daher die digitale Übertragung von Informationen über Lichtleiter durch.

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6.1.2        Digitale Informationsübertragung

Bei der digitalen Informationsübertragung werden nur zwei verschiedene Zustände als Nutzsignal übertragen: Logisch 1 und Logisch 0 (manchmal auch als „ja / nein“, „wahr / falsch“ oder „high / low“ bezeichnet). Da der Empfänger nur noch zwischen diesen beiden Signalpegeln unterscheiden muß, läßt sich digitale Informationsübertragung wesentlich fehlerfreier gestalten, zumal sich auch Checksummen realisieren lassen.

Eine Digitalisierung geht relativ einfach vonstatten:

Zunächst ordnet man jedem Signalpegel einen festen Zahlenwert zu. Zur Übertragung eines Signals wird jetzt der analoge Signalpegel in festen Abständen gemessen und das binäre Äquivalent des ihm zugeordneten Zahlenwerts bitweise (Bit: „binary digit“: binäre Ziffer) übertragen bzw. aufmoduliert.

Alternativ zu einer linearen Zuordnung von Zahlenwerten zu Signalpegeln kann man auch z.B. lauteren Tönen weniger Zahlenwerte zuordnen, um damit mehr verschiedene Amplituden im leisen Bereich codieren zu können.

Höhere Übertragungsgeschwindigkeiten lassen sich durch Kompression der binären Daten (z.B. „MPEG Layer-3“, „Lempel-Ziv & Welch“, „Run Length Encoding“) erreichen.

[15]

6.1.3        Gleichzeitige Übertragung von Signalen

Ein großer Vorteil des Lichtleiters ist, daß sich durch ihn unter bestimmten Voraussetzungen gleichzeitig mehrere Signale übertragen lassen, ohne daß diese sich gegenseitig beeinflussen.

Zur Übertragung von Signalen in beide Richtungen wendet man das sog. Duplexverfahren an. Dazu wird mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels ein ankommendes Signal ausgekoppelt, während gleichzeitig ein neues Signal eingekoppelt wird:

Zur Übertragung mehrerer Signale in eine Richtung wendet man die Technik des Multiplexings an. Multiplexing nennt man das (reversible) Mischen von Signalen zur gleichzeitigen Übertragung. Auf zwei verschiedene Arten, Signale zu multiplexen, wird im folgenden eingegangen:

6.1.3.1           Trägerfrequenz-Multiplexing

Zum Trägerfrequenz-Multiplexen variiert man die Maximalamplitude einer Trägerfrequenz (Carrier) als Funktion des momentanen Signalwerts. Dazu muß die Trägerfrequenz natürlich deutlich höher als die höchste zu übertragende Frequenz sein, um gute Übertragungsqualität zu gewährleisten. Die Trägerfrequenzen kann man dann mischen und gleichzeitig durch den Lichtleiter übertragen.

Zur Rückgewinnung der Ausgangssignale muß man lediglich die einzelnen modulierten Trägerfrequenzen per Bandfilter ausfiltern und dann das Nutzsignal per Demodulator von der Trägerfrequenz trennen.

6.1.3.2           Zeitmultiplexing

Beim Zeitmultiplexing werden die zu übertragenden Bitstränge verschiedener Signale ineinander verschränkt. So kann bei niedriger Bitrate die Übertragungskapazität des Lichtleiters voll ausgenutzt werden. Meistens verschränkt man Einheiten von mehreren Signalbits und einem Header, der unter anderem Informationen über die Länge dieser Einheit enthält.

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6.2         Andere Anwendungsbereiche von Lichtleitern

Lichtleiter können nicht nur zur Datenübertragung, sondern auch für verschiedene andere Aufgaben genutzt werden. Einige Beispiele sollen im folgenden beschrieben werden:

6.2.1        Lichtleiter als „Verlängerung“ für Lichtquellen und Photodetektoren

-          Als „Bildleiter“ zur Übertragung von Bildern via einer Matrix aus mehreren Lichtleitern – ist inzwischen veraltet.

-          Bei Endoskopen in Medizin und Technik

-          Zur Beleuchtung ohne Lichtquelle vor Ort (z.B. an explosionsgefährdeten Stellen)

-          Zur Beleuchtung z.B. mehrerer Elemente mit nur einer Lichtquelle per Lichtleiter

-          Zur Überwachung mit Lichtschranken mit geschützt angebrachter Elektronik

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6.2.2        Lichtleiter als Sensoren

Lichtleiter können zur Messung verschiedener Einflüsse wie Belastungen, Verschiebungen, Beschleunigungen, Vibrationen, Deformationen, Schallwellen, Flüssigkeitspegeln, pH-Werten, Druck, Brechungsindizes, Temperaturschwankungen, Geschwindigkeiten und Winkelgeschwindigkeiten, chemischen Zusammensetzungen, radioaktiver Strahlung und elektrischen Feldern eingesetzt werden.

So lassen sie sich z.B. als Gas- und Rauchdetektoren in Bergwerken, wo sonst Funken Gas entzünden könnten, einsetzen.

[18]

6.3         Sender

Als Sender werden zur optischen Datenübertragung entweder Leuchtdiode (LED) oder Laserdiode (LD, im Bild als „SCL“) eingesetzt. Beide haben ihre Vor- und Nachteile:

Eine LED strahlt inkohärent und diffus (weshalb nur ein kleiner Teil der Energie eingekoppelt werden kann) mit relativ großer Spektralbreite (Material­dispersion!) und ist auf 250MHz Modulationsfrequenz beschränkt. Allerdings ist eine LED wesentlich billiger als eine LD.

Eine Laserdiode strahlt mit definierter Abstrahlcharakteristik und relativ geringer Linienbreite. Sie ist also für die Datenübertragung über große Strecken besser als eine LED geeignet.. Mit nachgeschalteten Choppern erreicht man leicht Modulationsfrequenzen im GHz-Bereich.

[19]

6.4         Lichtleiterkabel

Sollen Lichtleiter zur Übertragung über größere Strecken eingesetzt werden, so müssen sie vor Umwelteinflüssen, Zugkräften, Mikrobiegungen und Schäden durch Torsion, Stauchung oder Quetschung geschützt werden. Diese Aufgabe übernehmen mehr oder weniger aufwendig konstruierte Kabel, in denen teilweise auch gleichzeitig Kupferkabel mitgeführt werden, die die für Repeater nötige Energie liefern.

Kabelbestandteile:

-          Primärer Schutzmantel jeder Faser gegen Abreibung der Lichtleiteroberfläche

-          Sekundärer Schutzmantel um das Kabel für Schutz gegen mechanische Einflüsse und Umwelteinflüsse, insbesondere Wasser

-          Strength Member, der dem Kabel eine gewisse Festigkeit verleiht (z.B. ein Stahldraht). Entweder eine zentrale oder eine die Fasern umgebende Struktur

-          Structural Member, der die Fasern an ihrem Platz hält

-          Evtl. Füllmaterial für zusätzlichen Schutz gegen Wasser

6.4.1        Einfaserkabel

Im einfachsten Fall wird der Lichtleiter nur von einer undurchsichtigen Plastikhülle umgeben, die alle Schutzfunktionen erfüllen soll:

Für Übertragungen über größere Strecken und mit höheren Übertragungsraten werden die Lichtleiter mit einer ganzen Reihe von Schutzmänteln umgeben, von denen jeder quasi auf eine Funktion spezialisiert ist:

6.4.2        Mehrfaserkabel

Zum Schutz von mehreren Fasern in einem Kabel wurde eine ganze Reihe von Kabeltypen entwickelt, von denen jeder spezielle Vor- und Nachteile hat. Es daher wird im folgenden nur der Aufbau einiger bewährter Kabeltypen dargestellt.

[20]

6.5         Faserverbindungen

Es lassen sich grundsätzlich zwei verschiedene Arten von Faserverbindungen unterscheiden: permanente Verbindungen zweier Fasern (Spleiße) und lösbare Verbindungen (Stecker).

Da die Qualität von Faserverbindungen erheblich die Zahl der notwendigen Repeater für eine bestimmte Übertragungsstrecke beeinflußt, werden bei langen Übertragungsstrecken bevorzugt Spleiße eingesetzt. Sie lassen sich genauer justieren und dann dauerhaft arretieren.

Folgende Anforderungen werden an Faserverbindungen gestellt:

-          Möglichst kein Zwischenraum zwischen den Fasern

-          Eventuelle Zwischenräume mit geeignetem Material gefüllt

-          Möglichst guter Ausgleich verschiedener Durchmesser, numerischer Aperturen, Brechzahlverläufe und Deformationen der Faser (Elliptizität, azentrische Faserkerne)

-          Möglichst gute Ausrichtung der Faserkerne (zentrisch, 0°)

6.5.1        Spleiße

Um zwei Fasern dauerhaft miteinander zu verbinden, gibt es zwei verschiedene Techniken: Das Fusionsspleißen und das mechanisches Spleißen.

6.5.1.1           Fusionsspleiße

Beim Fusionsspleißen werden die beiden zu verbindenden Faserenden z.B. durch einen elektrischen Überschlag erhitzt und zusammengeschmolzen, wobei sich die Faserkerne zu einem gewissen Maß aufgrund der Oberflächenspannung sogar selbsttätig ausrichten.

Der Vorteil des Fusionsspleißens ist offensichtlich: Da verspleißte Fasern praktisch eine Einheit bilden ist der Brechzahlunterschied und damit die Dämpfung beim Übergang eines Impulses von einer Faser in die andere minimal. Die Technik des Fusionsspleißens läßt sich aber bei der Endinstallation nur schwer anwenden, da dazu kompliziertere Apparaturen als zur mechanischen Verspleißung erforderlich sind. Außerdem schwächt die Hitze beim Fusionsspleißen die Faser enorm, so daß diese Stelle extrem bruchgefährdet ist.

6.5.1.2           Mechanische Spleiße

Besser für den Einsatz bei der Endinstallation sind mechanische Spleiße geeignet. Zur Verbindung werden hier die Faserenden lediglich ausgerichtet und fixiert.

Einer der einfachsten mechanischen Spleiße ist ein Schrumpfschlauch, in dem die Lichtleiter fixiert werden:

Bessere Spleiße lassen eine genaue Ausrichtung der Faserenden und eine eventuelle Demontage des Spleißes zu:

6.5.2        Stecker

Auch bei Steckern lassen sich zwei Arten, Fasern miteinander zu verbinden, unterscheiden: Direktverbindungen Faser an Faser und Verbindungen mit zwischengeschalteter Optik zur Aufweitung des Strahlengangs.

6.5.2.1           Direktverbindungen

Beim wahrscheinlich einfachsten Lichtleiterverbinder [21] , dem „basic ferrule connector“, wird jedes Lichtleiterende dauerhaft in einem Metallzylinder fixiert. Die beiden Metallzylinder werden dann mit möglichst gut aufeinander ausgerichteten Faserenden Kopf an Kopf in eine Röhre geschoben, wo sie mit Hilfe von zwei Federn fixiert werden:

Es wurden jedoch auch kompliziertere Stecker entwickelt, die eine genauere Justierung der Faserenden erlauben, was die Dämpfung gering hält. So zum Beispiel diese dreiteilige Verbindung „ceramic capillary connector“ aus zwei Steckern und einem Mitteladapter:

6.5.2.2           Verbindungen mit zwischengeschalteter Optik

Stecker, die zum Übergang von der einen in die andere Faser den Strahlengang aufweiten, erreichen schon mit einfachen Verbindungstechniken deutlich geringere Verluste als vergleichbar einfach gebaute Direktverbindungen. Dies läßt sich dadurch erklären, daß bei einem weiteren Strahlengang leichte Verschiebungen der Fasern um einige Zehntelmillimeter weniger ins Gewicht fallen, als bei einem Strahlengang, der selbst nur einen Millimeter breit ist.

Diese Aufweitung läßt sich entweder mit Mikrolinsen erreichen, oder durch einfaches Rundschmelzen der Faserenden.

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6.6         Messungen am Lichtleiter - Optical Time Domain Reflectometry

Eine Möglichkeit, Messungen über Verluste im Lichtleiter zu realisieren, ist das sogenannte „Optical Time Domain Reflectometry“-Verfahren (OTDR), das nach dem Prinzip der Rückstreumessung arbeitet.

Das Prinzip ist relativ einfach: Ein Laser mit nachgeschaltetem Chopper sendet kurze Lichtpulse (10-100ns, 100-500mW) in den Lichtleiter. Ein kleiner Teil wird durch überall im Lichtleiter befindliche Unreinheiten zurückgeworfen und wird durch einen Schaltkreis nach Intensität und vergangener Zeit, also zurückgelegtem Weg, ausgewertet. So ist es möglich, die Lichtverluste durch Unreinheiten, Stecker, Knicke oder Ähnlichem an jeder Stelle im Lichtleiter zu berechnen, ohne dazu den Lichtleiter präparieren zu müssen.

Das Bild zeigt ein mögliches Ergebnis einer Rückstreumessung. „Reflection from joint“ bezeichnet die Reflexion an einem Stecker, „Fault loss“ den Lichtverlust durch eine fehlerhafte Stelle im Lichtleiter. Deutlich zu erkennen sind auch die starken Reflexionen am Anfang und Ende des Lichtleiters.

OTDR ist zwar eines der teuersten Meßverfahren, liefert jedoch auch die umfangreichsten Informationen über die ungefähre Position, die Höhe und möglichen Ursachen von Verlustquellen. Ein weiterer Vorteil der OTDR ist, daß nur an einem Ende des Lichtleiters Meßeinrichtungen installiert werden müssen.

Nachteile der OTDR sind die relativ kleine Maximallänge des zu untersuchenden Lichtleiters von ca. 15-30 km, da nach dieser Länge die zurückgestreute Lichtmenge zu klein ist, um noch registriert werden zu können, sowie ein Auflösungsvermögen von nur etwa 10m.

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7          Ausblick

Ein großes Problem der Lichtleitertechnologie ist, daß die Übertragungsrate noch von der langsamen Verarbeitungselektronik begrenzt wird. In Zukunft will man auch Steuer- und Regelelemente in Lichtleiterstrecken mit Schaltkreisen, die auf Basis von Licht arbeiten, herstellen.

Zu diesem Zweck wurden schon „Licht-Leiterbahnen“ entwickelt, die Daten zwischen auf der Platine integrierten LEDs oder LDs und Phototransistoren übertragen konnten.

Auch „Licht-Schalter”, die allerdings noch mit Hilfe von Ansteuerungselektronik arbeiten, wurden schon entwickelt.

Hier werden zwei Lichtleiter nahe beieinander an Elektroden vorbei geführt. Wird eine Spannung in der Größenordnung von 30V an die Elektroden angelegt, so stellt sich ein Energietransfer aus einem Lichtleiter in den anderen ein. Es werden jedoch nur im Idealfall 100% der Energie übertragen.

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8          Praktische Arbeit: Informationsübertragung über Lichtleiter

Das beiliegende Programm ist in der Lage, zwei Zeichenketten gleichzeitig über einen Lichtleiter zu übertragen. Es erzeugt dazu per Amplitudenmodulation zwei Datensignale und ein Zeitsignal mit verschiedenen Carrierfrequenzen, die dann gemischt und durch den Lichtleiter übertragen werden.

Das Zeitsignal ist einfach aufgebaut: Immer wenn die Übertragung eines Bits abgeschlossen ist, wechselt es von High auf Low. Die Signale für die Datenkanäle werden vom Programm nach nebenstehendem Muster erstellt.

Die drei Signale werden dann gemischt und über den Audioausgang des PCs der Verstärkerschaltung zur Verfügung gestellt. Diese überträgt das verstärkte Signal als Helligkeitsschwankungen über eine LED durch den Lichtleiter.

Auf der Empfängerseite wird das Signal mittels Phototransistor zurückgewonnen, nachverstärkt und als elektrisches Ausgangssignal durch den Audioeingang an das Empfängerprogramm geschickt. Dieses zeichnet einen kurzen Teil des Eingangssignals auf, und ermittelt mit Hilfe einer Fourieranalyse die enthaltenen Frequenzen, woraus sich die Bitmuster der drei Kanäle und daraus die beiden Zeichenfolgen wiederherstellen lassen.

Die relativ niedrige Geschwindigkeit dieses Verfahrens läßt sich auf die Tatsache zurückführen, daß eine 100%ige Integrität des Zeitsignals gewährleistet werden muß, da sonst eine Rekonstruktion des ursprünglichen Bitmusters nicht mehr möglich wäre.

Um diese Integrität zu gewährleisten, überträgt das Programm auch nicht nur auf drei genau definierten Frequenzen, sondern eigentlich auf drei Frequenzbändern, da das MMSystem-API die zu übertragenden Signale verfälscht und die dadurch auftretenden Schwebungen sonst eine Signalübertragung unmöglich machen würden.

Weiterhin wird die Übertragungsrate durch die niedrige Abtastrate, die sich aus der Sofwarelösung ergibt, gedrückt.

Der Verstärker selbst ist relativ einfach aufgebaut: Kern der Schaltung ist ein NF-Verstärker vom Typ TBA820MT. Die restlichen Bauelemente sind für IC1 notwendig: Sein Verstärkungsfaktor kann durch das Drehpotentiometer P1 (500W, linear) eingestellt werden. Der Vorwiderstand des Ausgangs kann mittels P2 (500W, linear) stufenlos eingestellt werden.