Lichtwellenleiter Technik

Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen mit einer elektrischen und einer magnetischen Komponente im Bereich von optischen Frequenzen. Die Wellenlängen liegen dabei zwischen 400 nm im violetten und 800 nm im roten Farbbereich. Das menschliche Auge empfindet sichtbares Licht im Teilbereich der optischen Strahlung als Normal Beobachter und bewertet das elektromagnetische Teilspektrum physiologisch als optisches Spektrum. Solche Grössen werden grundsätzlich als lichttechnische Grössen (photometrisch) bezeichnet, während rein physikalische Lichtgrössen als strahlungsphysikalische Grössen (radiometrisch) bezeichnet werden. In der Opto-Elektronik ist es heute üblich, auch Strahlung der dem sichtbaren Licht angrenzenden Spektralbereiche im nahen Infrarot-Bereich von 780 bis etwa 2000 nm oder im nahen Ultraviolett-Bereich unterhalb 380 nm bis etwa 1 nm als Licht zu bezeichnen.

Der Lichtwellenleiter

Der Lichtwellenleiter (LWL) ist eine flexible, sehr dünne lichtdurchlässige Faser aus Quarzglas oder transparentem Kunststoff. Diese Fasern bestehen aus festem Isolierstoff mit hoher Dielekrizitäts-Konstanten, hohem elektrischen Widerstandswert und besitzen eine optisch relativ grosse Brechzahl (Brechungsindex). Ein Lichtwellenleiter besteht aus dem eigentlichen Faserkern und dem Mantelglas bei Quarzglas-Fasern mit Kunststoffschicht. Grundsätzlich werden Quarzglasfasern zur Übertragung hoher Frequenzen über weite Distanzen im Kilometer-Bereich und Kunststoff-Fasern für kleine Distanzen bis zu etwa 100 Metern eingesetzt.

Es wird unterschieden zwischen Lichtwellen-Leitungen, die aus einer einzigen Faser bestehen und solchen, bei denen mehrere Fasern zu einem Bündel zusammengefasst sind. Der Lichtwellenleiter ist zum Schutz gegen äussere mechanische, korrosive und thermische Einflüsse mit Kunststoffhüllen umgeben. Diese wird zur mechanischen Abstützung und für Verlegearbeiten (Druck- und Zug-Beanspruchungen) mit Metallhüllen geschützt, die ihrerseits gegen Feuchtigkeit und Korrosionseinflüsse mit Kunststoff-Schutzmäntel umhüllt sind.

Wirkungsweise der Lichtwellenleiter

Prinzipiell ist der unterschiedliche Brechungsindex des lichtleitenden Materials der Glas- bzw. Kunststoff-Fasern das Unterscheidungs-Merkmal für den Transport-Mechanismus der Lichtwellen in denselben. Ziel ist es meistens, die Lichtwellen bis zu höchsten Frequenzen bei unveränderter Wellenform möglichst dämpfungsarm über grosse Distanzen ohne Zwischenverstärker zu übertragen.

Je nach Aufbau der Lichtwellenleiter wird zwischen Stufenindex- oder Gradientenprofil-Glasfasern unterschieden. Der wesentliche Unterschied liegt im Verlauf der Brechungsindizes in Abhängigkeit vom Radius bzw. vom Durchmesser der Fasern. Während beim Ein- oder Mehrstufen-Verlauf des Brechungsindex (Brechzahl) n bei der Stufen-Profilfaser eindeutig stufenartig ändert, beschreibt er bei der Gradientenfaser vom Rand zur Fasermitte eine kontinuierliche, beispielsweise parabelförmige Kurve, hat also einen graduellen Anstiegsverlauf.

Lichtwellenleiter mit Stufenprofil werden Einmoden-LWL genannt, da in ihnen der Fortpflanzungs-Mechanismus der Lichtwellen mathematisch-physikalisch geradlinig oder durch Totaireflexion mit unterschiedlichen Laufzeiten bei mehreren Lichtstrahlen verläuft. Dieses Prinzip wird bei der Mehrmoden-LWL mit Stufenprofil angewendet. Dagegen wird bei der Gradienten-Profilfaser, bei der die Funktion n(r) graduell verläuft, eine fast gleiche Laufzeit von Lichtstrahlen erreicht. Infolge der sich stetig ändernden Brechzahl im Keroglas werden die Lichtstrahlen entsprechend stetig gebrochen. Die um die Faserachse schwingenden Lichtstrahlen haben gegen den Faserrand zwar immer noch einen längeren Weg zurückzulegen als der Lichtstrahl entlang der Faserachse. Doch wegen der nach dem Rand zu reduzierten Brechungswerte laufen die Aussenstrahlen schneller, wodurch die längeren Wegstrecken kompensiert werden. Das praktische Resultat dieser Faser mit Gradienten-Profil offenbart sich in der grösseren Qualität des Ausgangsimpulses gegenüber der Stufen-lndexfaser.

Sender-und Empfänger-Komponenten

Eine technische Lichtwellen-Übertragungsstrecke besteht grundsätzlich aus dem optischen Sender (Strahlungsquelle), der optischen Übertragungsleitung und einem optischen Empfänger (Strahlungsempfänger, Strahlungssensor). Prinzipiell lassen sich die im Sender gewandelten elektrischen Sendeimpulse auch als elektromagnetische Funkwellen durch Luft als Übertragungsmedium übertragen, was bei zahlreichen Anwendungen ebenso nützlich sein kann, wie die Übertragung elektrischer Signale durch metallische Leiter.

Im Sender wird die elektrische Information in eine optische Strahlungsleistung umgewandelt. Dies geschieht in einem elektro-optischen Wandler. Dieser besteht aus Halbleiter-Baukomponenten wie LEDs oder IREDs. In einer möglichst verlustarmen Stecker-Garnitur wird vom Sender (Transmitter) die hochfrequente Laser-lmpulsfolge auf die Lichtwellen-Übertragungsstrecke gegeben. Schliesslich gelangt die Impulsfolge mit der einfallenden Strahlungsleistung auf die aktive Fläche des Empfangselementes, beispielsweise einer PIN- oder APD-Photodiode. In diesem opto-elekirischen Wandler erfolgt die Rückgewinnung des ursprünglichen elektrischen Signals und in den meisten Fällen dessen Verstärkung durch einen Ausgangsverstärker.

Für gute Übertragungsstrecken ist die Anwendung von Lichtquellen mit möglichst kohärenter Strahlung wichtig. Von diesen Quellen gehen Lichtwellen aus, die konstante oder nahezu konstante örtliche und zeitliche Nulldurchgänge haben. Deshalb arbeiten viele optische Übertragungs-Strecken mit Laser-Sende-Dioden im Infrarot-Bereich. Während bei LEDs Spektralbandbreiten grösser als 40 nm auftreten, besitzen LaserStrahler wesentlich schmälere, konstante Spektral-Mittenbandbreiten bei gleicher Mitten-Wellenlänge. Im Unterschied zur Emission einer LED ist die Laserdiode durch ihre Funktionsweise der stimulierten Emission in der Lage, räumlich und zeitlich kohärentes und damit auch monochromatisches Licht konstanter Wellenlänge auszusenden. Die kurzen Infrarot-Lichtimpulse sind sehr gut für die Digital-Nachrichtentechnik geeignet.

Aber auch analoge Signale, für deren kurvengetreue Übertragung beispielsweise abgesetzte Antennen verwendet werden, benutzen faseroptische Leitungsstrecken. Diese abgesetzten LWL-Kabel sind Antennen-Teilstücke, mit deren Hilfe von einer Basisstation aus eine Versorgungslücke eines Mobilfunksystems durch Ansetzen eines verlängerten Antennen-Arms geschlossen, also ein Funkloch gestopft wird.

Lichtwellenleiter Netzkonfigurationen

Orts-Ebenen mit LWL-Kabelleitungen für Nachrichten-Übertragungen in Ortsnetzen überbrücken gewöhnlich Distanzen von einigen Kilometern bis ca. 20 km und benutzen Gradientenprofil-Glasfasern. Fern-Ebenen haben Übertragungs-Strecken von über 20 km Länge und arbeiten gewöhnlich mit Zwischenverstärkern (Repeatern, Regeneratoren), die in die Lichtwellenkabel eingebaut sind. Heute werden international bereits Übertragungs-Strecken mit einer Leistung von 140 Mbit/s bis 565 Mbit/s über 36 km ohne Zwischenverstärker mit ausreichender Strahlungsleistung im Empfänger übertragen. Die Dämpfungs-Koeffizienten liegen auf diesen Strecken gewöhnlich unter einem Dezibel pro Kilometer bei 850 nm Wellenlänge der Infrarot-Lichtstrahlen.

Die Dämpfung bei einer bestimmten Wellenlänge ist die Verminderung der optischen Signalleistung zwischen zwei Querschnittsflächen eines LWL. Ein charakteristisches Beurteilungsmass für die Lichtausbreitung in einem LWL ist das Produkt aus Dämpfungs-Koeffizient a multipliziert mit der Leitungslänge, wodurch sich die Dämpfung ergibt. Moderne Einmoden-LWL haben bei einer höheren Wellenlänge des Infrarot-Lichts, beispielsweise von 1550 nm, eine Dämpfung von 0,2 dB. Das heisst, dass in diesem Falle nur etwa 4,5 % der Lichtleistung pro Kilometer verloren gehen.

Für die Anlagenplanung von Lichtwellenleitungen sind neben den Dämpfungs-Koeffizienten der LWL auch die Dämpfungswerte der Stecker und der Muffen zu beachten.

Local Area Network LAN

Das LAN wurde eingeführt, um ein lokales Netz für bitserielle Übertragung von Informationen zwischen untereinander verbundenen, unabhängigen Endgeräten zu erstellen. Durch die Bezeichnung LAN wird einerseits eine Abgrenzung der Prozesskopplungen (Zentraleinheit mit peripheren Geräten) mit sehr hohen Bitraten über kurze Distanzen gemacht. Anderseits wird eine Abgrenzung gegenüber den öffentlichen Netzen mit grossen Entfernungen vorgenommen (WAN = Wide AreaNetwork). Die einzelnen Stationen eines LAN liegen üblicherweise zwischen etwa 100 m und einigen Kilometern auseinander. Die Bitraten betragen zwischen 100 Kbit/s und 100 Mbit/s.

Die Anwendungen des LAN befinden sich vor allem im Bereich der Bürokommunikation, der PC- und Grosscomputer-Vernetzung, in Firmen und bei Prozesssteuerungen von Kraftwerken und der Industrie.

Wellenlängen-Multiplex (WDM)

Grundsätzlich geht es beim WDM Übertragungsverfahren darum, mehrere Informationen bzw. Bitsequenzen mit verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig über einen Lichtwellenleiter zu übertragen. Im Empfänger werden diese Informationen verschiedener Wellenlänger durch wellenlängen-abhängige Filter wieder getrennt. Gerade für die Übertragung sehr hoher Datenraten über Lichtwellenleiter im Bereich von 1000 Gbit/s für Kurz-Strecken eignet sich das WDM-Verfahren besonders.

Im Gegensatz zum Weg-Multiplex, bei dem die Wellenlängen-ungleichen Informationen über mehrere örtlich parallel verlegte Glasfasern übertragen oder im Gegensatz zum Zeitmultiplex, bei welchem die Daten zeitlich nacheinander über eine Glasfaser gesandt werden, wird beim Wellenlängen-Multiplex eine Glasfaser eingesetzt, um gleichzeitig verschiedene Daten zu übertragen.

Das WDM-Verfahren erfährt neuerdings im Bereich der LAN-Netze und für hochbit-ratige Weit-Verkehrsnetze durch die Anwendung der sogenannten Erbium-Glasfasern vermehrte Anwendung. Diese auf dem Prinzip des optischen Pumpens arbeitende Glasfaser ermöglicht eine faserinterne Verstärkung der Lichtleistung gegenüber normalen Silizium-Dioxid-Fasern. Die physikalisch-technischen Grenzen von sehr schnellen LWL-Strecken ergeben sich aber weiterhin vorwiegend durch ihre Dämpfungswerte, ihre Dispersion (strukturelle Unregelmässigkeiten im Gefüge) oder Inhomogenitäten der Glasfasern.

Parameter der Lichtwellenleiter und ihre Messverfahren

Die technische Qualität der Lichtwellenleiter wird mit normierten Messverfahren überprüft. Folgende Parameter sind wichtig für die Beurteilung der Qualität eines Lichtwellenleiters und werden messtechnischen Prüfverfahren unterzogen.

Licht-Anregungsbedingungen

Die Einkopplung der Lichtstrahlung in den LWL ist für die weitere Verteilung und Fortleitung der Lichtleistung oder Strahlungsleistung in der Glas- oder Kunststoff-Faser sehr aufschlussreich, denn die Leistung der in die Faser eingekoppelten Lichtimpulse verteilt sich entlang der Wegstrecke der Faser entsprechend deren physikalisch-technischen Eigenschaften. Diese hängen vom Verhältnis der Brechzahlen des Kerns und des Mantels der Faser für den Physiker und zur Modenbestimmung von der Lösung der Maxwell'schen Gleichung für den Mathematiker ab. Die Art und Weise der sogenannten Anrequngsbedingungen der angewendeten Licht-Einkopplung bestimmen die im LWL weitergeführte Lichtleistung.

Dämpungswerte

Bei der Fortleitung der Lichtstrahlen tritt ein Energieverlust durch Absorption und Streuung auf. Natürlich wird angestrebt, diese beim Durchlauf im LWL so niedrig wie moglich zu halten, um grosse Entfernungen ohne Zusatzverstärkung zu überbrücken. Die Grösse der Lichtverluste hängt auch von der Wellenlänge des benutzten Lichts ab, wobei der Dämpfungskoeffizient a mit steigender Wellenlänge im Wesentlichen absinkt. Daher ist es nützlich, die Dämpfung eines LWL in Abhängigkeit der Wellenlänge zu messen. Während der Anteil der Absorption nur bei bestimmten Wellenlängen der Lichtstrahlen auftritt, nimmt die Streuung des Lichts im Faserinneren in guter Näherung mit der 4. Potenz der Wellenlänge ab. Um den Dämpfungs-Koeffizienten a in dB/km eines LWL zu bestimmen, muss die Lichtleistung an zwei Punkten des LWL gemessen werden, wobei ein stationärer Zustand über die Leitungslänge vorausgesetzt wird. Eine Gesamtmessung über die LWL-Länge kann nachteilig sein, wenn sie keinen Aufschluss über örtliche Dämpfungsänderungen längs des LWL gibt. Prinzipiell können mit diesem Verfahren auch bestimmte Leitungsabschnitte des LWL gemessen werden, allerdings für die Glasfaserstrecke selbst nicht, ohne die Glasfaser zu durchtrennen.

Beim sogenannten Ruckstreuverfahren zur Dämpfungsmessung, das auch als Back Scattering Technique bezeichnet wird, wird im Gegensatz zum Durchlicht-Verfahren an einem Ende der Lichtwellenleiter-Strecke Licht sowohl eingekoppelt als auch empfangen. Das Verfahren besteht darin, dass sich der Hauptanteil der Lichtleistung nach der Einkopplung von einer Seite der Lichtübertragungs-Strecke aus geradeaus bewegt, während der kleinere Anteil zur Einkopplungsseite zurück gelenkt wird. Diese sogenannte Rückstreu-Lichtleistung erfährt auf ihrem Weg eine bestimmte Dämpfung. Dieser verbleibende Rest der Lichtleistung wird nun von einem Strahl-Teiler - beispielsweise mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegelsystems - in einen Lichtdetektor geleitet und gemessen. Aus dem Diagramm Rückstreuleistung als Funktion der Streckenlänge L ergibt sich mit dem Auswertungssystem wie bei einer Längenortung an jedem Punkt der LWL die gesuchte Dämpfung der Glasfaser, messbar in der Sendestation.

Aus der ebenfalls gemessenen Rücklaufzeit kann zusammen mit dem Dämpfungsanteil das gesamte Rückstreuverhalten des LWL auch oszillographisch bestimmt werden. Neben der Messung des Dämpfungs-Koeffizienten lassen sich mit dieser Methode auch Störstellen, Unterbrüche und Spleiss-Stellen orten und die Länge der Lichtwellenstrecke selbst messen.

Bandbreite und Dispersion

Neben der Dämpfung ist die Bandbreite der zu übertragenden Frequenz der Lichtstrahlen der zweite wichtige Parameter zur Kennzeichnung der Übertragungseigenschaften eines LWL. Die Bandbreite stellt ein Mass für das Dispersions-Verhalten eines LWL dar. Infolge der verschiedenen strukturellen Materialaufbauten innerhalb des Glases bzw. des Kunststoffes der Fasern ergeben sich geringfügige Verschiedenheiten der Brechzahlen in den Fasern beim Durchlauf der Lichtstrahlen, wenn das Licht nicht nur exakt mit einer einzigen Wellenlänge den LWL durchquert. Die Lichtimpulsbreiten sind mit einer spektralen Breite um die Hauptwellenlänge verteilt. Dadurch breiten sich die einzelnen Licht-Anteile innerhalb von Wellenlängen verschieden schnell aus und es kommt zu Laufzeit-Unterschieden in der Faser. Mit der Dotierung des Glases im Kern lässt sich in bestimmten Grenzen die Materialdispersion für die Hauptwellenlänge verändern. In der Praxis der LWL-Anlagenplanung wird günstigerweise das Produkt Bandbreite x Länge als Projektierungs-Grundlage verwendet, meist in der Form MHz x km.

Einsatz von Erblum-Glasfasern

In neuerer Zeit werden Glasfasern als LWL eingesetzt, deren Silizium-Glasstruktur mit Atomen des chemischen Elementes Erbium gedopt worden sind. Erbium-dotierte Glasfasern heissen EDFAs (Erblum doped optical ampliflers) und haben eine Schlüsselfunktion bei der Übertragung von Lichtwellen über grössere Entfernungen. Ihnen wird eine Verstärkerwirkung zugeschrieben, obschon kein materieller Verstärker im Übertragungssystem vorhanden ist. Diese Verstärkerwirkung berubt auf dem physikalischen Effekt der stimulierten Emission, ähnlich dem Laser-Effekt, wenn einfallende Lichtstrahlung, beispielsweise eines Pumplasers die Erbium-Faser durchläuft. Der Faserkern des LWL wird mit einem Pump-Laserlicht von beispielsweise 980 nm Wellenlänge angeregt. Die kontinuierliche Lichtenergie-Zufuhr gibt diesem Verfahren die Bezeichnung optisches Pumpen. Durch diesen Vorgang werden bestimmte Elektronen des Erlons auf ein diskretes Energieniveau über ihren Grundzustand angeregt. Dadurch ergibt sich eine Licht-Emission mit einer bestimmten Wellenlänge. Dieses Phänomen wird gleichzeitig von einer spontanen Elektronen-Emission begleitet, bei dem einige Elektronen in den Grundzustand zurückkehren. Dieser stochastische Vorgang wird als optisches Rauschen bezeichnet und im Glas der Erblum-Faser ebenso verstärkt wie das Nutzsignal, ein Vorgang der natürlich minimiert werden soll.

Wesentliche Eigenschaften des Verstärkungsvorgangs

Im LWL-Leitungssystem mit Erbium-Fasern wird also das Leitersignal nicht wie beim Einsatz von Regeneratoren neu erzeugt oder regeneriert, sondern verstärkt. Hierbei soll möglichst keine Veränderung der Impulsform auftreten und andererseits entlang der Faserstrecke die Entstehung des Rauschens in tolerablen Grenzen gehalten werden. Folgende technische Bedingungen für die Fortpflanzung der optischen Signale in der LWL-Strecke sollen für eine gute Informationsübertragung über grosse Distanzen erfüllt werden:

Messtechnik für ER-Dotierte Glasfasern

Im Messaufbau bestehend aus einem abstimmbaren Laser, der den Pumplaser simuliert, und der LWL-Strecke mit der Er-Glasfaser werden die Lichtimpuls-Verhältnisse des resultierenden Signals in Oszillogramm-Form dargestellt. Ohne die Zuführung des Nutzsignals würde die Lichtenergie des Pumplasers in eine spontane Emission verwandelt, die eine optische Rauschquelle darstellt. Im Oszillogramm werden diese Verhältnisse gut ersichtlich. Fehlt das Eingang-Nutzsignal, so geht die Nutzlicht-Energie praktisch verloren. Erst durch das Eingeben des Nutzsignals im Sender bewirkt die Pump Energie des Lasers eine nutzbringende Ausnutzung der optischen Verstärkung und Entstehung eines verstärkten nadelförmigen Lichtimpulses.

Quelle: TECHICA 22/2000 (Dr. sc. Techn. G. Schwickardi, Windisch)