Definition Was ist Glasfaser / Was sind Lichtwellenleiter (LWL)?

Ein Lichtwellenleiter ist in der Lage, Daten in Form von Lichtsignalen mit hoher Geschwindigkeit über große Entfernungen zu übertragen. Besteht der Lichtwellenleiter aus Glas, spricht man auch von der Glasfaser. Es existieren verschiedene Typen von Lichtwellenleitern wie Monomode- oder Multimode-LWL.

Die Abkürzung LWL steht für Lichtwellenleiter. Es handelt sich um einen Leiter, der Informationen in Form von Lichtsignalen über große Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit übertragen kann. Lichtwellenleiter ist der Überbegriff für lichtleitende Verbindungen. Sie können aus Materialien wie Glas oder Kunststoff gefertigt sein.

Lichtwellenleiter aus Glas werden als Glasfaser bezeichnet. Oft erfolgt die Verwendung des Begriffs Glasfaser jedoch synonym für Lichtwellenleiter, obwohl der Leiter nicht aus dem Grundstoff Glas, sondern aus Kunststoff besteht.

Im Gegensatz zu kupferbasierten Leitungen übernehmen beim Lichtwellenleiter nicht Elektronen den Transport der Informationen, sondern Lichtteilchen (Photonen). Sollen Daten über einen LWL übertragen werden, ist zunächst die Wandlung der elektrischen Signale in optische Signale notwendig. Diese werden an einem Ende der Glasfaser über Leucht- oder Laserdioden eingespeist und nach der Übertragung wieder in elektrische Signale verwandelt.

Lichtwellenleiter übertreffen Kupferkabel in puncto Bandbreite und überbrückbare Entfernungen bei weitem. Glasfaser bestehen aus einem Kern und einer umgebenden Schicht mit unterschiedlichem optischen Brechungsindex. Dieser Unterschied sorgt für die Reflexion der Lichtsignale und deren Ausbreitung in Längsrichtung des Lichtwellenleiters.

Je nach Verlauf des Brechungsindex, dem Durchmesser des Kerns und des verwendeten Materials existieren viele verschiedene Typen von Lichtwellenleitern. Häufig kommen so genannte Monomode- oder Multimodefasern zum Einsatz. Typische Verwendungsmöglichkeiten für Glasfaser sind Kommunikationsnetzwerke, LANs (Local Area Networks), MANs (Metropolitan Area Networks) und WANs (Wide Area Networks). Netzwerkkomponenten wie Router und Switches sowie Endgeräte wie Server oder Computer lassen sich dank der Glasfaser mit hoher Bandbreite mit einem Netzwerk verbinden.

Das physikalische Funktionsprinzip und der Aufbau von Glasfasern

Aus physikalischer Sicht handelt es sich bei einem Lichtwellenleiter um einen dielektrischen Wellenleiter. Er besitzt einen lichtführenden Kern mit einem bestimmten Brechungsindex, den eine weitere Schicht mit einem etwas niedrigeren optischen Brechungsindex umgibt. Die äußere Schicht ist von einer Schutzschicht aus Kunststoff umgeben.

Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes von Kern und umgebender Schicht tritt an der Grenzschicht Totalreflexion des in den Kern eingespeisten Lichtsignals auf. Es breitet sich im Kern in Richtung der Leitung nahezu verlustfrei aus. Der LWL ist flexibel, kann jedoch bei zu starker Biegung brechen. In einem LWL finden sich keinerlei metallischen Anteile wie in Kupferkabeln. Das Material ist elektrisch nichtleitend. Die umgebende Schutzschicht aus Kunststoff dient dem mechanischen Schutz der Glasfaser und verhindert Schäden durch Umwelteinflüsse.

Je nach verwendetem Kernmaterial kann die Glasfaser Lichtsignale bestimmter Wellenlängen übertragen. Das grundsätzliche Spektrum reicht von 350 bis 2500 Nanometer und umfasst Licht vom Infrarotbereich bis in den ultravioletten Bereich. In Abhängigkeit vom Kerndurchmesser und dem Unterschied der Brechungsindizes können sich im Lichtwellenleiter entweder nur ein Grundmode oder mehrere Moden des Lichtsignals ausbreiten. Man spricht von Monomode- und Multimode-LWL.

Um die Unterschiede im Brechungsindex zu realisieren, kommen bei Glasfasern mit Germanium, Phosphor, Bor oder Fluor dotierte Quarzgläser zum Einsatz (SiO2). Bei Lichtwellenleitern aus Kunststoff wird in der Regel Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) verwendet, das mit Elementen wie Fluor dotiert ist. Es existieren auch Lichtwellenleiter mit einem Glaskern und umgebender Kunststoffschicht. Diese LWL werden als Hard-Clad Silica Fiber (HCS) oder Polymer-Clad Silica Fiber (PCS) bezeichnet.

Unterschiede zwischen Lichtwellenleitern und kupferbasierten Leitungen

Im Vergleich zu kupferbasierten Leitungen besitzen LWL eine Vielzahl an Vorteilen und einige Nachteile. Hauptvorteile sind die wesentlich höheren realisierbaren Bandbreiten und überbrückbaren Entfernungen. So sind Datenverbindungen mit Übertragungsraten von mehreren Terabit pro Sekunde über Entfernungen von vielen Kilometer möglich. Lichtwellenleiter sind wesentlich leichter und haben einen geringeren Platzbedarf als Kupferkabel. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Vorteile der LWL gegenüber Kupferkabeln:

• hohe Bandbreiten und Reichweiten

• keine Störungen durch benachbarte Glasfasern (parallele Verlegung von LWL möglich)

• keine Störungen durch elektromagnetische Felder

• galvanische Trennung der mit LWL verbundenen Komponenten (Erdung des Kabels überflüssig)

• keine Schäden durch Kurzschluss möglich

• hohe Abhörsicherheit

• geringere Anzahl an Zwischenverstärkern notwendig

• keine entfernungsabhängigen Verluste durch elektrische Widerstände, Kapazitäten oder Induktivitäten

• geringe Dämpfung der Signale

• hohe Übertragungsraten durch die parallele Verwendung mehrerer Trägerwellen unterschiedlichen Farbspektrums möglich

Diesen Vorteilen stehen einige Nachteile gegenüber. Nachteile sind beispielsweise:

• höhere Sorgfalt und Präzision bei der Verlegung von Lichtwellenleitern erforderlich

• aufwendigere Verbindungstechnik bei der Kopplung von Glasfasern

• höhere Kosten bei der Anschaffung von Lichtwellenleitern

• höhere Kosten für die benötigte Messtechnik

• höhere Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen

• geringere maximale Krümmungsradien bei der Verlegung der LWL

• keine elektrische Energieversorgung über die Glasfaser möglich (Stichwort Power over Ethernet - PoE)

Die Monomode-Faser

Monomode-Fasern, auch Singlemode-Fasern (englisch Single Mode Fiber, SMF) genannt, besitzen einen Gesamtdurchmesser von 125 µm bei einem Kerndurchmesser von lediglich drei bis zehn Mikrometer. Aufgrund des kleinen Kerndurchmessers kann sich nur eine einzige Lichtmode ausbreiten. Da der Kerndurchmesser nur wenige Vielfache der Wellenlänge des Lichts beträgt, sind die höheren transversalen Moden in der Glasfaser nicht ausbreitungsfähig.

Monomode-Fasern besitzen sehr geringe Dämpfungswerte und fast keine Laufzeitverschiebungen. Dank dieser Eigenschaften sind Monomode-Glasfasern für hohe Bandbreiten und große Entfernungen einsetzbar. Allerdings erfordert der Monomode-LWL im Vergleich zur Multimode-Faser aufwendigere und teurere Laser zur Einspeisung des Lichts.

Die Multimode-Faser

Bei der Mulitmode-Faser ist der Kerndurchmesser im Vergleich zur Singlemode-Faser wesentlich größer. Es können sich im Lichtwellenleiter mehrere Moden des Lichts ausbreiten. Grundsätzlich ist bei den Multimode-Fasern eine Unterscheidung in Multimode-Fasern mit Stufenindexprofil und Gradientenindexprofil möglich.

Fasern mit Stufenprofil haben einen Durchmesser zwischen 200 und 500 µm. Der Brechungsindex zwischen Kern und Mantel ist scharf abgegrenzt. Lichtwellen werden an den Kanten zwischen Kern und Mantel hart reflektiert. Es ergeben sich im Vergleich zu einer Faser mit Gradientenindexprofil schlechtere Übertragungseigenschaften. Mögliche Einsatzgebiete für solche Lichtwellenleiter sind Verbindungskabel im Nahbereich wie in einem Patchfeld.

Die Multimode-Faser mit Gradientenindexprofil hat wie die Singlemode-Faser einen Gesamtdurchmesser von 125 µm. Allerdings ist der Kerndurchmesser mit 50 µm wesentlich größer. Auch in dieser Faser sind mehrere Lichtmoden ausbreitungsfähig. Der Brechungsindex des Kerns nimmt zum Mantel hin in Parabelform ab. Eine weiche Reflexion des Lichtsignals im Kern ist die Folge. Es ergeben sich im Vergleich zu einer Multimode-Faser mit Stufenindexprofil bessere Übertragungseigenschaften. Mögliche Einsatzgebiete sind Verbindungen von Switches im Etagen- oder Gebäudebereich.

Einsatzmöglichkeiten von Lichtwellenleitern

Aufgrund der besseren Übertragungseigenschaften im Vergleich zu Kupferkabeln sowie den höheren möglichen Bandbreiten und Reichweiten kommen Lichtwellenleiter für Übertragungsstrecken mit großem Bandbreitebedarf zum Einsatz. Innerhalb einer Zeiteinheit lassen sich wesentlich mehr Informationen über die Glasfaser als über ein Kupferkabel übertragen. Das Signal ist gegenüber Störungen unempfindlich und die Verbindung abhörsicher.

Um die Glasfasern untereinander zu koppeln oder mit anderen Komponenten zu verbinden, kommen verschiedene Steckertechnologien und Spleißverbindungen zum Einsatz. Das Spleißen verschweißt (verschmilzt) zwei Glasfaserenden mit einem Lichtbogen miteinander. Es handelt sich um einen so genannten Fusions-Spleiß, da im Gegensatz zu Verbindungstechniken wie Löten kein zusätzliches Material hinzugefügt wird.

Während die kostengünstigeren Multimode-Fasern eher auf kurzen Strecken und im Nahbereich zu finden sind, lassen sich mit den hochwertigeren Singlemode-Fasern Strecken von zehn bis 100 Kilometern und mehr ohne einen Zwischenverstärker überbrücken. In lokalen Netzwerken (LANs) wie dem Ethernet und anderen Netzwerkstandards wie FDDI, Fibre-Channel oder Infiniband dienen LWL als Verbindungskabel.

Mit Hilfe von Medienkonvertern können Übergänge zwischen Kupferkabeln und Glasfasern hergestellt werden. Die Medienkonverter sorgen für die Umsetzung der elektrischen Signale in Lichtsignale und umgekehrt. Im Weitverkehrsbereich sind interkontinentale Seekabel auf Basis von Glasfaserleitungen realisiert. Das Wide Area Netzwerk (WAN) verwendet ebenfalls in vielen Bereichen Lichtwellenleiter.

Häufig handelt es sich bei den genutzten Übertragungsverfahren um DWDM-Verfahren (Dense Wavelength Division Multiplex), die die Übertragungskapazität der Lichtwellenleiter nochmals enorm erweitern. DWDM überträgt mehrere Signale gleichzeitig auf einer einzigen Glasfaser, indem Laser Licht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen. Die Faser erhält mehrere Kanäle in Form verschiedener Lichtfarben.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Realisierung von schnellen Internetanbindungen für Privat- oder Geschäftskunden. Hierbei führen Glasfaser entweder bis zum Gebäude (Fiber To The Home, FTTH) oder bis zu einem Straßenverteiler (Fiber tot he Curb, FTTC). Endet die Glasfaser in einem Straßenverteiler, lässt sich die letzte Verbindungsstrecke zum Kunden auf einer kupferbasierten Leitung überbrücken. Diese Technik findet beispielsweise bei VDSL Anwendung.

Dark Fiber

Häufig fällt im Zusammenhang mit Lichtwellenleitern der Begriff „Dark Fiber“ oder „Dark Fibre“. Es handelt sich bei Dark Fiber um eine LWL-Leitung, die von einem Anbieter bereitgestellt wird und angemietet oder gekauft werden kann. Die LWL ist unbeschaltet und verbindet zwei Standorte miteinander. Sie wird ohne jeglichen Dienst als reine Punkt-zu-Punkt-Verbindungen angeboten.

Für die Übertragung von Signalen muss der Käufer oder Mieter selbst die benötigte Übertragungstechnik bereitstellen. Hierfür stattet er die Glasfaserverbindung an ihren Enden mit den optischen und elektrischen Komponenten aus, mit denen sie an die Netzwerktechnik angeschlossen wird. Die realisierbare Übertragungsrate ist von der Auswahl der Beschaltungskomponenten abhängig.

Der Name Dark Fiber geht auf den Umstand zurück, dass die Glasfaser im unbeschalteten Zustand keine Lichtsignale führt und quasi dunkel ist. In vielen Fällen verlegen Energie- und Versorgungsunternehmen Dark Fiber bei der Realisierung von Stromtrassen parallel zu Starkstromkabeln. Damit eine Beschädigung einer einzelnen Glasfaser nicht zum Komplettausfall der Verbindung führt und der Betrieb sichergestellt ist, werden Dark Fiber in der Regel mit zusätzlichen redundanten Lichtwellenleitern verlegt.

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