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Definition Was ist ein Singlemode Lichtwellenleiter?

In einem Singlemode Lichtwellenleiter-Kabel kann sich nur ein einziger Lichtmode ausbreiten. Im Vergleich zu einem Multimode LWL-Kabel hat es einen wesentlich kleineren Kerndurchmesser. Singlemode LWL-Kabel werden in der Kommunikationstechnik eingesetzt und eignen sich zur Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit über große Entfernungen.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Alternative Begriffe für Singlemode LWL-Kabel (Lichtwellenleiter-Kabel) sind Singlemode-Faser, Monomode-Faser oder Einmodenfaser. Der englische Begriff lautet Single-Mode Fiber, abgekürzt SMF). Mit Hilfe einer solchen Faser lassen sich Informationen in Form von Lichtsignalen in einem Lichtwellenleiter übertragen.

Im Vergleich zu einem Multimode LWL-Kabel hat die Singlemode-Faser einen wesentlich kleineren Kerndurchmesser. Der typische Kerndurchmesser beträgt 9 µm. Aufgrund dieses geringeren Durchmessers können sich höhere transversale Lichtmoden nicht ausbreiten. Es wird nur ein einziger Grundmode des Lichts unterstützt. Typischer Einsatzbereich eines Singlemode LWL-Kabels ist die Datenübertragung mit hoher Bandbreite über große Entfernungen. Für kürzere Distanzen und geringere Bandbreiten werden häufig günstigere Multimode LWL-Kabel verwendet.

Grundprinzip von Lichtwellenleitern

Für das bessere Verständnis der Funktionsweise einer Monomode-Faser zunächst einige Grundlagen zu Lichtwellenleitern. Es handelt sich um einen in der Netzwerk- und Kommunikationstechnik häufig verwendeten Kabeltyp. Im Gegensatz zu kupferbasierten Kabeln werden die Informationen hier nicht in Form elektrischer Signale, sondern als Lichtsignale übertragen.

Lichtwellenleiter bieten höhere Bandbreiten und ermöglichen die Überbrückung größerer Entfernungen als Kupferkabel. Das Funktionsprinzip 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. Durch diese 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 eine Singlemode-Faser, eine Multimode-Faser, eine Stufenindex-Faser oder eine Gradientenindex-Faser. In den Lichtwellenleitern können sich eine oder mehrere Lichtwellenmoden ausbreiten. 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 möglich
  • Vervielfachung der Datenraten durch Verwendung von mehreren Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge möglich
  • große Entfernungen ohne Zwischenverstärkung überbrückbar
  • unempfindlich gegenüber äußeren elektromagnetischen Störungen
  • kein Ausstrahlen elektromagnetischer Störungen
  • abhörsicher
  • keine Erdungs- und 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 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 Singlemode LWL-Kabels

Damit sich in einem Singlemode LWL-Kabel nur eine Lichtmode ausbreiten kann, darf der Kerndurchmesser nur wenige Vielfache der Wellenlänge des zu übertragenden Lichtsignals betragen. Bei einem Durchmesser von 125 µm des Mantels des LWL-Kabels beträgt der Kerndurchmesser einer Singlemode-Faser typischerweise 9 µm. Die Ausbreitung höherer transversaler Lichtmoden wird dadurch verhindert. Das Lichtsignal kann mit geringer Dämpfung und ohne große Laufzeitverschiebungen über große Entfernungen übertragen werden.

Aufgrund des geringen Kerndurchmessers und der Ausbreitung nur einem Lichtmode sind teure Laser zur Einspeisung des Lichtsignals notwendig. Auch Steckverbindungen und das Spleißen verursachen höheren Aufwand. Es existieren verschiedene Typen von Monomode-Fasern. Sie sind beispielsweise für unterschiedliche Wellenlängen wie 1310 nm, 1383 nm oder 1550 nm geeignet. Eingeteilt sind die Singlemode-Glasfaserkabel in verschiedene Kategorien. Typische Kategorien für Singlemode-Glasfasern sind OS1 und OS2. Sie unterscheiden sich in ihren Übertragungseigenschaften und der Dämpfung.

Abgrenzung zum Multimode LWL-Kabel

Der Kern eines Multimode LWL-Kabels hat einen wesentlich größeren Durchmesser als der eines Singlemode LWL-Kabels. Der Manteldurchmesser beider Kabeltypen ist mit 125 µm gleich. Typische Kerndurchmesser einer Multimode-Faser liegen zwischen 50 µm und 62,5 µm. Aufgrund des größeren Kerndurchmessers können sich mehrere Lichtmoden ausbreiten. Vereinfacht ausgedrückt entstehen unterschiedlich lange Lichtwege. Die Dämpfung ist höher und die Laufzeitverschiebungen des Signals sind größer. Je länger eine Multimode-Faser ist, desto stärker ist die auftretende Signalverfälschung. Multimode-Fasern eignen sich daher nur für kürzere Strecken. Vorteil des größeren Kerndurchmessers ist, dass er mehr Licht aufnehmen kann und die Einspeisung weniger Aufwand erfordert. Zur Einspeisung genügen kostengünstige Lichtquellen wie LEDs. Auch die Steckverbindungen sind einfacher zu realisieren.

Typische Anwendungen für Singlemode LWL-Kabel

Singlemode LWL-Kabel werden in der Kommunikationstechnik zur Datenübertragung mit hoher Bandbreite über große Entfernungen eingesetzt. In vielen Bereich ersetzen sie die bisher üblichen Kupferkabel. Mit Hilfe von Techniken wie Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) oder Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) sind Datenraten im Terabitbereich über Entfernungen von mehreren Kilometern möglich. Typische Anwendungen reichen von lokalen Netzwerken über Weitverkehrsnetze bis hin zu interkontinentalen Seekabeln oder Telefonkabeln. Weiterer Anwendungsbereich ist der Ersatz der kupferbasierten Verkabelung von Internet- und Telefonanschlüssen mit Hilfe von Techniken wie Fibre to the Basement (FTTB), Fibre to the Curb (FTTC) oder Fibre to the Home (FTTH).

Die Vor- und Nachteile der Singlemode LWL-Kabel

Vorteile eines Singlemode LWL-Kabels sind :

  • niedrige Dämpfung des Lichtsignals
  • geringe Laufzeitverschiebungen des Lichtsignals
  • hohe Datenraten realisierbar
  • Übertragung über große Distanzen möglich

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

  • Einspeisung des Lichtsignals mit teuren Lasern
  • aufwendige Steck- und Spleißtechnik
  • teurer in der Herstellung

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