Lichtwellenleiter

Glasfaser-Lichtwellenleiter im Bündel

Was sind Lichtwellenleiter?

Datentransfer via Licht statt Strom

LWL steht für Lichtwellenleiter: Zarte Kunststoff- oder Glasfasern, die über weite Strecken ohne Verstärker* optische Signale in Form von Licht(-wellen) übertragen können. Während es bei Kupferleitungen elektrische Signale sind, die als Elektronen die Strecke überwinden, sind es bei LWL die Photononen (Lichtteilchen), die wandern. Die Datenübertragung findet sprichwörtlich in Lichtgeschwindigkeit statt - die Lichtwellen breiten sich in der Faser aus. LWL ermöglichen enorme Bandbreiten, einer ihrer größten Vorteile. Im Folgenden mehr über das Übertragungsmedium der Zukunft. (* bei Langstrecken bedarf es Zwischenverstärker)

Inhalt

Wie ist ein Lichtwellenleiter aufgebaut?

Eine Faser mit vier Schichten

[1] Der Faserkern / Kern / das Kernglas (engl. Core) als zentraler Bereich dient der Wellenführung des Lichts. Der Kern besteht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex (optische Dichte), als der darüber liegende Mantel.

[2] Das Mantelglas / Mantel / Überzug (engl. Cladding) besteht aus optisch transparentem Material mit einem geringeren Brechungsindex als der Kern. An der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel und damit an den Wänden des Lichtwellenleiters findet die sogenannte Totalreflexion statt, als Effekt der unterschiedlichen Brechungsindizes. Die Totalreflexion ermöglicht, dass der Lichtstrahl nahezu verlustfrei geleitet werden kann.

[3] Die Beschichtung (engl. Coating) ist als mechanischer Schutz auf der Oberfläche des Mantels aufgebracht und meist aus Kunststoff.

[4] Der Schutzmantel (engl. Buffering / Jacket) ist die äußere Hülle der LWL-Faser und als Schutzmaterial auf dem Coating aufgebracht. Sie schützt die Faser vor mechanischer Beschädigung und Feuchtigkeit und besteht meist aus einer Lackierung mit speziellen Kunststoffen. Buffering gibt es auch als Röhrchen, welche die Faser vor Belastungen im Kabel isolieren, wenn das Kabel bewegt wird.

Aus einem Bündel von LWL-Fasern mit Glaskern bestehen zum Beispiel Glasfaserkabel, die für Highspeed Internet sorgen sollen. Eine einzelne LWL-Faser mit Mantel hat einen Durchmesser von ca. 0,1 mm, etwas dicker als ein menschliches Haar (eines Europäers). LWL-Fasern sind äußerst flexibel, aber auch empfindlich.

Welche Vorteile bieten Lichtwellenleiter?

Lichtwellenleiter haben im Gegensatz zu Kupferleitern eine umfangreiche Liste von Vorteilen:

  • Höhere Reichweite
  • Höhere Übertragungsbandbreite
  • Höhere Lebensdauer
  • Höhere Abhörsicherheit
  • Geringes Gewicht und geringer Platzbedarf
  • Verursacht keine elektromagnetischen Störungen
  • Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen
  • Geringe Dämpfung - Weite Übertragungsstrecken möglich
  • Auch für explosionsgefährdete Bereiche geeignet, da potentialfrei
  • Höhere Störfestigkeit: LWL kann sogar parallel zu (Energie-) Versorgungsleitungen verlegt werden

Was sind die Einsatzbereiche für Lichtwellenleiter?

Der Haupteinsatzbereich für LWL-Technologie ist die Nachrichtentechnik bzw. Telekommunikation: Lichtwellenleiter dienen als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Kommunikationssysteme bei Glasfasernetzen. Diese Systeme umfassen öffentliche Weitverkehrsnetze (WAN), firmeneigene lokale Netze (LAN) sowie Heimnetze. Lichtwellenleiter ermöglichen viel höhere Reichweiten und Übertragungsraten als Systeme auf Grundlage von Kupferkabeln und haben diese in genannten Kommunikationsnetzwerken schon zu einem großen Teil ersetzt. Darüber hinaus gibt es weitere Anwendungsbereiche von LWL:

  • in der Messtechnik als Bestandteil faseroptischer Sensoren, an Spektrometern und anderen optischen Messgeräten
  • zum Transport von Laserstrahlung zum Zweck der Materialbearbeitung
  • im medizinischen Bereich für Beleuchtungs- und Abbildungstechnik, zum Beispiel als Bildleiter in Endoskopen
  • generell Geräte- und Gebäudebeleuchtung, auch zu Dekorationszwecken

Gibt es Nachteile bei der Verwendung von LWL?

Generell ist eine LWL-Verkabelung eine kostenintensive Verbindung, was auch den größten Nachteil darstellt. Lichtwellenleiter sind teurer als Leitungen aus Kupfer. Material- und Herstellungskosten sind ebenso höher wie der Aufwand bei der Montage, bei Verbindungen und Steckern. Gegebenenfalls sind optisch-elektrische Signalwandler nötig, welche ebenso Kosten verursachen.

LWL-Fasern sind empfindlich und lassen sich nur eingeschränkt biegen, knicken oder drehen. Mit der passenden Ummantelung versehen, sind Glasfaserkabel aus Lichtwellenleitern jedoch verlässlich gegen Wasser, Öl, Säure oder auch mechanische Beanspruchung geschützt. Alles in Allem überwiegen die Vorteile, die Lichtwellenleiter gegenüber Kupferleitern aufweisen. Sowieso sind LWL-Verbindungen aufgrund der Bandbreite und Datenraten, die sie ermöglichen, bei der heutigen Telekommunikationstechnik unabdingbar geworden.

LWL-Kabelarten und Verbindungsmöglichkeiten

Verschiedene Arten von LWL-Kabeln

LWL-Kabel unterscheiden sich grundsätzlich nach dem Ort ihrer Verwendung. So gibt es Innen-, Außen- und Universalkabel. Letztere können im Innen- und Außenbereich verlegt werden. Innen- und Außenkabel mit diversen Bezeichnungen wie z. B. Fanout-, Bündelader- und Aufteiler-Kabel, dienen der Signal- und Datenübertragung. Außenkabel sind meist robuster, beständiger gegen Witterungseinflüsse und gegen Nagetierbiss geschützt. Sie werden oft im Erdreich und in Schächten verlegt.

Je nach Art der Anwendung wird weiter differenziert. Pigtails sind kurze Anschlusskabel, die je ein vorkonfektioniertes und ein offenes Ende haben. Patchkabel von engl. "to patch", zusammenstecken, sind variabel, nicht fest verlegt und weisen meist eine geringe Länge auf. Mit diesen werden LWL Patchfelder oder der EDV Schrank verkabelt, oder sie verbinden einzelne Geräte.

Für die dauerhafte Montage zum Beispiel in Gebäuden oder Steigleitungen oder zwischen Gebäuden, gibt es LWL-Verlege- und Installationskabel. Im Gegensatz dazu gibt es Kabel, die regelmäßig beim Einsatz bewegt werden, z. B. in Robotern oder Maschinen. Hier ergeben sich andere Ansprüche an Robustheit und Elastizität.

Verbindungsmethoden von Lichtwellenleitern

Die Verbindung von Lichtwellenleitern entsteht entweder mithilfe von Steckverbindungen oder durch das Spleißverfahren. Mit einem Pigtail lassen sich Steckverbindungen an ein Verlegekabel spleißen. Durch Verspleißung können Glasfasern miteinander verbunden werden. Hierbei werden entweder zwei Enden zweier Lichtwellenleiter miteinander verschmolzen: So entsteht der sogenannte Schmelzspleiß. Oder die Enden der Leiter werden miteinander verklebt, so ergibt sich der Klebespleiß. Verspleißungen erfolgen mit Hilfe von Spleißgeräten.

Steckerformen von Lichtwellenleitern

Im Folgenden werden kurz die gängigsten Steckerformen erläutert. Es gibt darüber hinaus noch weitere LWL-Stecker.

SC-Stecker

"SC" steht für Subscriber Connector. Der SC-Stecker verfügt über einen Verriegelungsmechanismus (Push-Pull), damit das Kabel einen festen Halt hat und sich nicht löst: Der Stecker verriegelt sich beim Einstecken automatisch und entriegelt sich beim Abziehen wieder. Der SC-Stecker ist sowohl singlemode- als auch multimodefähig (zu Single- und Multimode siehe weiter unten).

LC-Stecker

Der LC-Stecker, von engl. Local Connector, ist der Nachfolger des SC-Steckers und wird oft in größeren Rechenzentren eingesetzt. Er ist ein Small-Form-Factor-Stecker. Durch seine kompakte Bauform ist es leicht, ihn im Netzwerkschrank zu installieren. Er benötigt weniger Platz und erlaubt damit eine höhere Portdichte.

ST-Stecker

Der ST-Stecker (Straight Tip) besitzt eine geringe Dämpfung und ist wegen seines Bajonett-Verschlusses auch als BFOC-Stecker bekannt (engl. Bayonet Fiber Optic Connector). Er hatte damals den F-SMA Stecker abgelöst, wurde vor Allem im LAN-Bereich verwendet und war noch um 2002 herum der Standardstecker. Doch auch heute wird er noch häufig in lokalen Netzwerken eingesetzt. Der ST-Stecker ist sowohl singlemode- als auch multimodefähig (zu Single- und Multimode siehe weiter unten).

LSH-Stecker / E-2000

E-2000 ist die Handelsmarke für den normierten LSH-Stecker. Er ist ein weit verbreiteter Standard-Stecker. Ähnlich wie der LC-Stecker wird er über einen Hebel entriegelt. Die integrierte Kappe schützt den Stecker vor Staub und Schmutz sowie vor schädlichen Laserstrahlen. Er kann für Monomode- und Multimode-Fasern verwendet werden.

MTRJ-Stecker / Buchse

Ansicht von zwei Seiten und schematische Frontansicht einer LWL Kupplung mit MTRJ Buchse

Der Name des Mehrfaserkonnektors MTRJ beruht erstens auf der MT-Ferrule (Mechanical Transfer) für zwei Fasern, die er besitzt; und zweitens auf der Form eines RJ45-Steckers. Er ähnelt diesem auch in seinen Abmessungen und der Art der Verriegelung. Der MTRJ-Stecker / die MTRJ-Buchse eignet sich sowohl für Monomode- als auch für Multimodefasern. Der Konnektor kann kann bis zu acht Fasern gleichzeitig aufnehmen.

MPO-Stecker

MPO-Stecker mit Schutzkappe / Frontansicht Stecker mit 24 Fasern für eine Hochgeschwindigkeitsleitung *

Der MPO (Multipath Push-On) oder Multi-Fiber Push-On ist ein Mehrfaserstecker für Monomodefasern und Multimodefasern, der 4, 8, 12, 24, 36, 48, 72, 96 oder 144 Lichtwellenleiter aufnehmen kann. MPO-Stecker sind ihrer Größe nach vergleichbar mit dem RJ45-Stecker. MPO-Stecker zeichnen sich durch eine sehr hohe Dichte aus, benötigen nur wenig Platz, vereinfachen das Netzwerk-Design und haben eine extrem hohe Anschlussdichte.

(* Bildnachweis MPO-Stecker Frontansicht: Lizensiert unter der Creative Commons License, Urheber: Reichle & De-Massari, Quelle Bilddatei hier, Angabe zur Bearbeitung: freigestellt)

Faserarten bei LWL und deren Kategorien

Es gibt zwei Arten von Glasfaserkabeln: Singlemode und Multimode-Fasern. Diese zwei Arten sind in verschiedene Kategorien eingeteilt, um die Übertragungseigenschaften und Anwendungsbereiche der verschiedenen Fasern spezifizieren zu können. Für Singlemode-Fasern existieren die Kategorien OS1 und OS2, für Multimode-Fasern die Kategorien OM1, OM2, OM3, OM4 und OM5. Die Kategorien unterliegen internationaler Normung.

Unterschiede zwischen Singlemode und Multimode-Fasern

Die Unterschiede zwischen Singlemode- und Multimode-Fasern liegen 1. in der Distanz, 2. in der Lichtquelle und Wellenlänge, 3. im Kerndurchmesser und 4. in der Bandbreite.

1. Distanz

Singlemode-Fasern werden für größere Entfernungen bis mehrere Kilometer und Multimode-Fasern für kürzere Entfernungen bis einige hundert Meter verwendet. Tendenziell eignen sich Glasfaser-Verkabelungsanwendungen mit Singlemode-Fasern eher für Datenübertragungssysteme mit großer Reichweite. Multimode-Glasfaser-Verkabelungssysteme hingegen werden aufgrund ihrer geringeren Reichweite vornehmlich in Firmen, Rechenzentren und LANs angewendet.

2. Lichtquelle und Wellenlänge

Singlemode-Fasern ermöglichen die Ausbreitung und Übertragung jeweils eines Lichttyps. Multimode-Fasern können mehrere Lichttypen (= Modi) übertragen. Die Wellenlängen von Singlemode-Fasern betragen in der Regel 1310 bis 1550 nm (Nanometer*), die Wellenlängen von Multimode-Fasern 850 bis 1310 Nanometer.

* Ein Nanometer entspricht dem Milliardstel eines Meters, bzw. dem Millionstel eines Millimeters. Anders gesagt, 1 Million Nanometer ergeben einen Millimeter. Bildlicher Vergleich: Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer Haselnuss zum Durchmesser unseres Planeten Erde.

3. Kerndurchmesser

Multimode-Fasern haben in der Regel einen Kerndurchmesser von 50 µm (Mikrometer*). Der typische Kerndurchmesser von Singlemode-Fasern ist mit 9 µm sehr viel kleiner. Der Manteldurchmesser ist mit 125 µm bei beiden Faserarten gleich.

* Ein Mikrometer entspricht dem Millionstel eines Meters (1 µm = 0,000 001 m), bzw. dem Tausendstel eines Millimeters (1 µm = 0,001 mm). Anders gesagt, eintausend Mikrometer ergeben einen Millimeter.

4. Bandbreite

Die höchste Bandbreite beträgt bei Multimodefasern 28000 MHz * km. Diese ist erreichbar bei Multimode-Fasern der Kategorie OM5. Die Bandbreite der Singlemode-Glasfaser ist unbegrenzt: Ein Lichtmodus geht durch sie hindurch.

Singlemode- / Monomode-Fasern

Singlemode-Fasern, auch Monomode-Fasern genannt, sind durch einen äußerst geringen Durchmesser des Faserkerns gekennzeichnet. Dieser Kerndurchmesser beträgt in der Regel 9 µm (Mikrometer) und ist damit nur um ein wenig Vielfaches größer als die Wellenlänge des Lichts. Singlemode-Fasern haben eine sehr geringe Dämpfung bei der Übertragung und ermöglichen sehr hohe Distanzen und Bandbreiten.

Singlemode-Fasern Kategorien OS1 und OS2

Singlemode-Fasern werden in OS1 und OS2 kategorisiert, wobei OS jeweils für Optical Singlemode steht. Die OS1 Faser ist für den Einsatz im Innenbereich mit kürzeren Distanzen geeignet, z.B. in Datenzentren mit einer maximalen Entfernung von 10 km. Die OS2 Faser besitzt eine Bündelader-Konstruktion, die für den Einsatz im Außenbereich und längere Entfernungen bis maximal 200 km ausgelegt ist.

Multimode-Fasern

Im Vergleich zu den Singlemode-Fasern ist der Kerndurchmesser bei den Multimode-Fasern wesentlich größer. Er beträgt in der Regel 50 oder 62,5 µm und erlaubt die Ausbreitung mehrerer Lichtmodi. Sie werden auf kurzen Distanzen eingesetzt. Multimode-Fasern haben eine höhere Dämpfung und eine geringere Bandbreite als Singlemode-Fasern.

Multimode-Fasern Kategorien OM1, OM2, OM3, OM4, OM5

Es gibt fünf Arten von Multimode-Glasfaserkabeln: OM1, OM2, OM3, OM4 und OM5. Die Buchstaben OM stehen für Optical Multimode. Jede Multimode-Faser hat eine minimale Modal Bandwidth (MBW) Anforderung.

OM1 Faser Diese hat in der Regel eine orangefarbene Ummantelung bei einer Kerngröße von 62,5 µm. Diese Art Faser kann 10 Gigabit Ethernet bei Längen bis 33 Meter unterstützen. Sie wird am häufigsten für 100-Megabit-Ethernet-Anwendungen verwendet.

OM2 Faser Besitzt ebenso einen orangefarbenen Mantel, jedoch eine kleinere Kerngröße von 50 µm statt 62,5 µm. Die Faser unterstützt 10 Gigabit Ethernet bei Längen bis zu 82 Metern. Häufiger aber wird sie für 1-Gigabit-Ethernet-Anwendungen verwendet.

OM3 Faser Diese Faser hat die Mantelfarbe Aqua und eine Kerngröße von 50 µm. Sie unterstützt 10 Gigabit Ethernet bei Längen bis zu 300 Metern. Zudem ist sie in der Lage, 40 Gigabit-und 100 Gigabit-Ethernet bis zu 100 Meter zu unterstützen. Am häufigsten wird sie für 10 Gigabit Ethernet verwendet.

OM4 Faser Diese Art Faser besitzt auch die Mantelfarbe Aqua oder auch einen Erika-Violett-farbenen, und einen 50 µm Kern. Sie unterstützt 10 Gigabit-Ethernet bei Längen bis zu 550 Metern. Darüber hinaus unterstützt sie 100 Gigabit-Ethernet bei Längen bis zu 150 Metern.

OM5 Faser Der große Unterschied zwischen OM1 bis OM4 und OM5 ist, dass die ersten vier Faserarten mit nur einem Wellenlängenbereich arbeiten. Bei OM5 hingegen wird zusätzlich die Videoband Multimode Fibre Technologie (WBMMF) eingesetzt, wodurch mehrere Wellenlängen übertragen werden können. Das wiederum ermöglicht Übertragungsraten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde, bei Längen bis zu 150 Metern. OM5 Kabel haben eine lindgrüne Mantelfarbe.

Potentielle Fehlerquellen bei LWL-Übertragungen

Bei einer Glasfaserverbindung können aus vielerlei Gründen Probleme auftreten. Hier einige häufige Ursachen:

  • Zu kleiner Biegeradius - es kommt zu Lichtaustritt
  • Schlechte Spleißverbindung
  • Beschädigungen oder Verschmutzungen der Beschichtung
  • Schlechtes Dämpfungsverhältnis (kleine Risse in der Faseroberfläche)

LWL Zubehör von Delock

Im Bereich Lichtwellenleiter bietet Delock neben Kabeln, Kupplungen und Adaptern auch Anschlussdosen, Kassetten, Patchpanel und Verteiler. Darüber hinaus gibt es Artikel für die Reinigung und sonstiges Zubehör. Im Folgenden einige Beispiele.

Produktbild Delock Art. 86840 und 86841

Art. 86840
Reinigungsstift für Steckverbinder 1,25 mm Hülse

Reinigungsstifte eignen sich zur schnellen und gründlichen Reinigung von LWL Steckverbindern (LC und MU), um Schmutzpartikel wie z. B. Staub in den Hülsen der Stecker zu beseitigen.

Auch erhältlich als Art. 86841 mit 2,50 mm Hülse.

Produktbild Delock Art. 87217

Art. 87217
Durchgangsprüfer 10 mW für SC / LC / ST / FC Steckverbinder

Mit dem LWL Tester für Single- und Multimode-Fasern können Verbindungen überprüft und exakt gemessen werden. Er erkennt, ob der Lichtstrahl korrekt übertragen wird und findet schnell Bruchstellen, Verschmutzungen oder Risse im Glasfaserkabel.

Produktbild Delock Art. 87285

Art. 87285
Reinigungskassette für Steckverbinder mit 1,25 und 2,50 mm Hülse

Diese praktische Reinigungskassette beseitigt schnell und gründlich Verunreinigungen und Schmutzpartikel wie z. B. Staub in den Hülsen der Stecker. Geeignet für SC, LC, FC MU und E2000 Verbinder; für bis zu 550 Reinigungsvorgänge.

Produktbild Delock Art. 90552

Art. 90552
Abisolierzange für LWL Kabel

Die Metallzange mit weichem Griff aus rutschfestem Material verfügt über drei Öffnungen, mit dem der 2 mm dicke Außenmantel, die 900 µm Vollader- sowie die 250 µm Akrylat Beschichtung entmantelt werden können.

Der LWL Produktbereich von Delock wird ständig erweitert. Das komplette Sortiment rund um Lichtwellenleiter hier.

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