Definition Was ist ein Multimode Lichtwellenleiter?

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In einem Multimode Lichtwellenleiter-Kabel können sich mehrere Lichtmoden ausbreiten. Im Vergleich zu einem Singlemode LWL-Kabel hat es einen wesentlich größeren Kerndurchmesser. Multimode LWL-Kabel werden häufig in der Netz- und Kommunikationstechnik eingesetzt. Sie eignen sich für die Datenübertragung mit hoher Bandbreite über kurze Entfernungen.

Alternative Begriffe für Multimode LWL-Kabel (Lichtwellenleiter-Kabel) sind Multimode-Faser oder Mehrmodenfaser. Der englische Begriff lautet Multi-Mode Fiber, abgekürzt MMF. Mit Hilfe einer solchen Faser lassen sich Informationen in Form von Lichtsignalen in einem Lichtwellenleiter übertragen.

Im Vergleich zu einem Singlemode LWL-Kabel hat die Multimode-Faser einen wesentlich größeren Kerndurchmesser. Der typische Kerndurchmesser beträgt zwischen 50 µm und 62,5 µm. Aufgrund dieses größeren Durchmessers können sich höhere transversale Lichtmoden im Lichtwellenleiter ausbreiten. Gegenüber einer Singlemode-Faser sind die auftretenden Dämpfungen, Laufzeitverschiebungen und Signalverfälschungen bei zunehmender Kabellänge größer.

Typischer Einsatzbereich eines Multimode LWL-Kabels ist die Datenübertragung mit hoher Bandbreite über kürzere Entfernungen. Die Lichtwellenleiter werden beispielsweise für Verkabelungen innerhalb eines Gebäudes oder als breitbandige Patchkabel verwendet. Für längere Distanzen und größere Bandbreiten ist die Nutzung von Singlemode LWL-Kabeln üblich.

Grundprinzip von Lichtwellenleitern

Für ein besseres Verständnis der Funktionsweise einer Multimode-Faser, zunächst einige Grundlagen zu LWL-Kabeln. Es handelt sich um einen in der Netzwerk- und Kommunikationstechnik häufig verwendeten Kabeltyp. Im Gegensatz zu kupferbasierten Kabeln übertragen sie die Informationen nicht in Form elektrischer Signale, sondern als Lichtsignale. Lichtwellenleiter bieten höhere Bandbreiten und ermöglichen die Überbrückung größerer Entfernungen als Kupferkabel.

Das Funktionsprinzip der Informationsübertragung der aus Kunststoff oder Glas bestehenden Lichtwellenleiter basiert auf unterschiedlichen Brechungsindizes des Kern- und Mantelmaterials. Der Brechungsindex des Kernmaterials ist höher als der des Mantels. Dadurch tritt zwischen Kern und Mantel eine Totalreflexion eines in den Kern eingespeisten Lichtsignals auf. Aufgrund dieser Totalreflexion wird der Lichtstrahl mit geringer Dämpfung, fast verlustfrei innerhalb des Kerns weitergeleitet und tritt am anderen Ende des Lichtwellenleiters wieder aus.

Umgeben sind die Lichtwellenleiter vom Coating, einer Kunststoffbeschichtung zum Schutz des Glasfaser- oder Kunststoffmaterials. Es existieren zahlreiche verschiedene Typen von Lichtwellenleitern. Wichtige Unterscheidungsmerkmale sind der Kern- und der Manteldurchmesser sowie der Verlauf des Brechungsindex. Je nach Typ handelt es sich um Singlemode-Fasern, Multimode-Fasern, Stufenindex-Fasern oder Gradientenindex-Fasern.

Abhängig davon, ob Singlemode- oder Multimode-Faser, breiten sich in den Lichtwellenleitern eine oder mehrere Lichtwellenmoden aus. Die Art der Totalreflexion des Lichts ist vom Verlauf des Brechungsindex abhängig und findet hart direkt am Übergang zwischen Kern und Mantel oder weich mit dem Verlauf des Brechungsindex im Material statt. Lichtwellenleiter lassen sich über spezielle optische Steckverbinder oder per Spleißen verbinden.

Typische Vorteile der Lichtwellenleiter gegenüber kupferbasierten Kabeln sind:

• hohe Datenraten erzielbar

• Vervielfachung der Datenraten durch Verwendung von mehreren Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge möglich

• größere Entfernungen ohne Zwischenverstärkung überbrückbar

• unempfindlich gegenüber äußeren elektromagnetischen Störungen

• kein Ausstrahlen elektromagnetischer Störungen

• abhörsicher

• keine Erdungs- oder Masseprobleme

Diesen Vorteilen stehen einige Nachteile gegenüber. So sind Lichtwellenleiter in der Herstellung teurer als Kupferkabel und aufwendiger zu verlegen. Beispielsweise sind bestimmte maximale Biegeradien beim Verlegen zu berücksichtigen und mechanische Belastungen zu vermeiden. Auch die Verbindungstechnik per Spleißen oder optischen Steckern ist aufwendiger. An den Enden der LWL-Übertragungsstrecke muss eine Signalwandlung von optisch nach elektrisch und umgekehrt stattfinden.

Funktionsprinzip und Aufbau eines Multimode LWL-Kabels

Mit 50 µm beziehungsweise 62,5 µm ist der Kerndurchmesser eines Multimode LWL-Kabels wesentlich größer als der eines Singlemode LWL-Kabels mit seinen typischen 9 µm Kerndurchmesser. Der größere Kerndurchmesser erlaubt die Ausbreitung mehrerer Lichtmoden. Da sich die Lichtmoden unterschiedlich ausbreiten, treten mit zunehmender Kabellänge größere Dämpfungen, Laufzeitverschiebungen und Signalverfälschungen auf. Die maximal überbrückbare Entfernung sinkt mit steigender Datenrate. Das ist der Grund dafür, dass Multimode-Fasern für kürzere Distanzen im LAN- und Campusbereich eingesetzt werden.

Ein zusätzliches Unterscheidungsmerkmal der Multimode-Fasern ist der Verlauf des Brechungsindex innerhalb des Kabel. Es gibt Multimode LWL-Kabel mit Stufenindexprofil oder mit Gradientenindexprofil. Das Stufenindexprofil sorgt für eine harte Reflexion des Lichtsignals am Übergang zwischen Kern- und Mantelmaterial, da sich dort auch die Brechungsindizes hart abgrenzen. Bei einem Multimode LWL-Kabel mit Gradientenindexprofil findet hingegen eine weiche Reflexion des Lichtsignals statt. Der Verlauf des Brechungsindex zeigt eine Parabelform. Die weichere Reflexion führt zu besseren Übertragungseigenschaften der Gradientenindex-Faser.

Im Telekommunikationsbereich eingesetzte Multimode-Fasern mit 50 µm- oder 62,5 µm Kerndurchmesser haben einen üblichen Manteldurchmesser von 125 µm. Umgeben sind sie vom so genannten Coating, das Kern und Mantel schützt. Es existieren verschiedene Kategorien für Multimode-Fasern wie OM1, OM2, OM3, OM4 und OM5. Je nach Kategorie haben die Fasern unterschiedliche maximale Übertragungsreichweiten und Bandbreiten. Typische Wellenlängen des Lichtsignals in einer Multimode Faser sind 850 nm oder 1300 nm.

Typische Anwendungen für Multimode LWL-Kabel

Typische Anwendungen für Multimode LWL-Kabel sind breitbandige Verbindungskabel im Nahbereich. Während Multimode-Fasern mit Stufenindexprofil aufgrund ihrer schlechteren Übertragungseigenschaften beispielsweise für Patchkabel verwendet werden, eignen sich Multimode LWL-Kabel mit Gradientenindexprofil für größere Distanzen wie sie im LAN-Bereich für Inhouse- oder Campusverkabelungen von Netzwerkkomponenten wie Routern oder Switches auftreten. Maximale Übertragungsraten von Multimode-Fasern liegen im dreistelligen Gigabitbereich.

Die Vor- und Nachteile der Multimode LWL-Kabel

Vorteile eines Multimode LWL-Kabels im Vergleich zu einem Singlemode LWL-Kabel sind:

• günstiger in der Herstellung

• geringerer Aufwand für die Verbindungs- oder Spleißtechnik

• Nutzung kostengünstiger Lichtquellen wie LEDs zur Einspeisung der Signale

Als Nachteile der Multimode LWL-Kabel gegenüber Singlemode LWL-Kabel lassen sich aufführen:

• höhere Dämpfung des Lichtsignals

• größere Laufzeitverschiebungen und Signalverfälschung des Lichtsignals mit zunehmender Datenrate und Kabellänge

• niedrigere Datenraten realisierbar

• Übertragung über kürzere Distanzen

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