Optische Nachrichtensysteme mit LWL und LASER

Wer glaubt, die Idee Daten via Licht zu überbringen sei erst in der heutigen Zeit aufgekommen, irrt! Denn bereits die Indianer haben mit Rauchzeichen kommuniziert und die Engländer warnten mit Feuern auf Berggipfeln vor den kommenden Spaniern.

Neu an der heutigen Technik sind einerseits die Lichtgeber und andererseits die Medien in denen das Licht übertragen wird. Es sind nur zwei Lichtgeber für die Nachrichtentechnik relevant:

(1) die LED
(2) der LASER

Als Medium zur Übertragung dient entweder die Luft oder vorwiegend der LWL.

Für uns ist natürlich nur der Lichtwellenleiter interessant:

Auch früher hat man zur Übertragung von Daten, der Einfachheit halber, das digitale Prinzip verwendet: Man unterschied zwischen wahr und nicht wahr, zwischen Pause und Signal, zwischen 0 und 1. Die Geschwindigkeit solcher Systeme (z.B. Morse-Systemen) war lange Zeit von der Geschwindigkeit des Menschen abhängig. Erst mit der Erfindung des Computers wurde es interessant, Daten so schnell als möglich zu senden. Man griff auf das Prinzip des guten alten analogen Telefons zurück und übermittelte Daten in Tönen codiert. Wie wir alle wissen, läßt die hier verwendbare Bandbreite zu Wünschen übrig. Die Elite der Nachrichtentechnik schafft es bis etwa 10 GHz (10 Milliarden Schwingungen in der Sekunde) zu übertragen. Ein Laser schafft 100 Billionen (100 THz) Schwingungen in der Sekunde zu erzeugen. Wäre es möglich, ein System mit 100THz aufzubauen, könnten alle Telefongespräche in Österreich über eine Leitung stattfinden!

Nach intensiver Entwicklungsarbeit konnte der erste Lichtleiter vorgestellt werden. Es war ein einfaches Rohr. So schützte man die Lichtwellen von Staub und Schmutz. Wollte man einen Bogen verlegen, so mußte das Licht mit optischen Mitteln (vorerst Spiegeln, später Variation des Gasdruckes) umgeleitet werden.

Früher war es modern, durch eine Kunststofffaser Licht zu leiten. So wurden viele Armaturen gleichmäßig beleuchtet. Es war also bekannt daß Glas- oder Kunststofffasern Licht leiten. Diese Leiter waren jedoch weniger durchsichtig als Wasser und die Verluste entsprechend hoch. Zum Vergleich: wäre das Wasser des Ozeans so rein wie heutige Glasfaserleiter könnte man ohne Probleme sogar an den tiefsten Stellen bis zum Grund blicken.
Aufbau

Ein LWL besteht grundsätzlich aus zwei Schichten:

(1)
dem Kern

(2)
dem Mantel

sowie einem zusätzlichen Schutzmantel Um einen Strahl so weit wie möglich zu leiten muß er zwischen Kern und Mantel vollständig reflektiert werden. Der Kern hat eine höhere Brechzahl als der Mantel. Dadurch werden die Moden an der Grenze reflektiert, wenn sie mit einem geringen Winkel eintreffen.

In diesem Bild sieht man den grundsätzlichen Aufbau eines LWL. n1 und n2 geben die Brechzahl an.

Der Winkel wird auch als Öffnungswinkel bezeichnet. Er bezeichnet den maximalen Winkel mit dem ein Lichtstrahl einfallen darf, damit er reflektiert wird und somit nicht verloren geht. Aufgrund der inneren Struktur eines LWL-Materials und der Welleneigenschaft des Lichtes können Strahlen nur in einer begrenzten Anzahl von Ausbreitungsrichtungen übertragen werden. Alle Anderen Strahlen verlassen den LWL und dienen somit nicht der Übertragung. Die Strahlen im LWL werden auch Moden genannt. Heutige LWL leiten zwischen 100 und 1 Moden.

22

sin j= n -n

12

NA = AperturNumerische = max. Leistungreeinkoppelb = sin j n( -n)2

12

ifferenzBrechzahld =

2 ? n

1

Dieses Bild zeigt die Ausbreitung von Moden in einem LWL. Moden die einen Einfallswinkel kleiner gleich aufweisen (a und b) werden an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel reflektiert und werden somit ohne Verlust weitergeleitet. Trifft jedoch ein Strahl mit einem zu extremen Winkel auf (c) so wird er nicht reflektiert sondern nur gebrochen und tritt somit aus dem LWL aus.

Aufgrund dieses Öffnungswinkel sind LWL so Biegeempfindlich.

Durch extreme Biegeradien (in der Praxis sollten sie >3cm sein) können auch neue Moden im Leiter angeregt werden. Solche â??falscheâ?? Moden können die Empfängerschaltung empfindlich stören.
Die zwei DISPERSIONsarten

Unter Dispersion versteht man die ungewollte Verbreiterung (Verzerrung) eines Signals.

Es gibt zwei Arten der Dispersion:
(1) Materialdispersion

â??Unter Material-Dispersion versteht man die Änderung der Phasengeschwindigkeit mit der Wellenlänge in einem Medium, dessen Brechungsindex von der Wellenlänge abhängig ist.â??

Das bedeutet: Eine Lichtquelle strahlt in einem gewissen spektralen Bereich ab. Dieser spektrale Bereich wird auch Wellenlängenbereich genannt. In der Nachrichtentechnik wäre er mit einer Bandbreite vergleichbar. Nachdem nun die Phasengeschwindigkeit – also die Geschwindigkeit mit der sich ein Strahl ausbreitet – von der Wellenlänge abhängig ist, werden Strahlen im unteren Teil des Wellenlängenbereichs mit einer anderen Geschwindigkeit übertragen als Strahlen im oberen Bereich. Dies führt zwangsläufig zu einer Verbreiterung des Signals. Würde man nun zwei Signale zu schnell hintereinander absenden, so fließen sie ineinander und man kann kein verwendbares Ergebnis erzielen.
LICHTQUELLE SPEKTRALE VERBREITERUNG
BREITE JE KILOMETER
LED 35nm 65cm (ohne Modendispersion)
1,5*108 Impulse/s übertragbar
LASER 2nm 4cm
3*109 Impulse/s übertragbar

Durch die geringe spektrale Breite eines Laserstrahles können mit einem Laser höhere Frequenzen erreicht werden.
(2) Modendispersion

Wie bereits besprochen, haben die vom LWL aufgenommenen Moden einen Winkel zwischen Â?j, was wiederum bedeutet, daß Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Winkeln in den LWL eintreffen. Nachdem diese wieder mit unterschiedlichen Winkeln reflektiert werden, entstehen Laufzeitunterschiede.

Wie unschwer zu erkennen ist, hat die Mode A einen kürzeren Weg als B und breitet sich somit schneller aus. Durch diese Modendispersion verbreitert sich also das übertragene Signal. Die Modendispersion kann durch zwei Maßnahmen gering gehalten bzw. völlig ausgeschaltet werden. Bevor wir diese zwei Möglichkeiten (1) und (2) besprechen, muß noch das normale, billigen Stufenindexkabel (Mehrmodenfaserkabel, Multi Mode) erklärt werden.

Zwischen Mantel und Kern ist ein Stufenverlauf der Brechzahl n zu erkennen. Durch diese Stufe werden die Moden abrupt reflektiert. Dies ist die einfachste Form um die Strahlen im Leiter zu behalten. Solche LWL sind billig zu erzeugen, haben aber schlechte Modendispersionswerte.
Nun zu den zwei Möglichkeiten die Modendispersion zu beeinflussen:

(1) Einzelmodefasernkabel (Singel Mode) Spezialtyp des Stufenindexkabels

Dieser Kabeltyp hat einen Kerndurchmesser von 10µm. Durch diesen Aufbau kann sich nur 1 Mode ausbilden. Diese LWL sind jedoch entsprechend teuer und schwer zu verlegen. Denn ein Kern von 10µm ist schnell beschädigt! Nachdem sich nur eine Mode ausbildet, kann die Dispersion vernachlässigt werden. Dies führt zu einer viel höheren Bandbreite.

(2) Gradientenindexkabel

Bei diesem Kabel wird der Brechungsfaktor (n) nicht in einer Stufe zwischen Kern und Mantel gewechselt sondern kontinuierlich (am besten parabelförmig) vom Kernmittelpunkt aus verringert. Zwischen Brechungsfaktor und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes besteht folgender Zusammenhang: Je geringer der Brechungsindex ist, desto schneller breitet sich der Strahl aus. Nähert sich bei einem solchen Kabel also ein Strahl dem Manteläußeren wir er automatisch schneller. Aus diesem Grund entsteht hier keine so große Dispersion als bei dem normalen Stufenindexkabel.

Warum empfiehlt sich nur eine digitale Signalübermittlung?

Wird ein Signal analog (also durch Variation der Laserintensität) übertragen, so entstehen durch Dispersionen sowie durch die Dämpfung und Verstärkung des Signals starke Verzerrungen.

Wird ein Signal jedoch digital übertragen, so fallen bei Beachtung der Grundregeln der Dispersion keine Verzerrungen des Endsignals an, denn die Verzerrung des digitalen Signals kann vernachlässigt werden da der Decodierer nur zwischen 0 und 1 entscheidet. Als Grundregel ist jedoch die maximale Anzahl der Bits/s zu beachent! Diese Werte hängen von der verwendeten Lichtquelle (Laser od. LED) bzw. deren spektralen Breite und dem LWL ab. Entsprechende Tabellen werden von den Herstellern aufgelegt.
Welche Lichtquelle sollte verwendet werden?

Wie wir bereits bei der Materialdispersion gesehen haben, hängt die Phasengeschwindigkeit von der Wellenlänge des zu leitenden Lichtes ab. Das bedeutet daß der LWL verschiedenen Lichtquellen unterschiedliche Widerstände entgegensetzt.

Realistische Dämpfungswerte sind 1 bis 3 dB/km (3dB Dämpfung entspricht der Signalverringerung um die Hälfte!). Im obigen Bild ist die Dämpfung einer Gradientenindexfaser in Abhängigkeit zur Wellenlänge der Lichtquelle aufgetragen. Wie unschwer zu erkennen ist, gibt es drei Fenster in denen eine Übertragung empfohlen wird. In Zukunft will man neben dem I. Fenster auch das II. und das III. nützen.
Aufbau eines LWL

Dieses Glasfaserkabel enthält 144 Glasfasern von denen jeweils 2 ein Paar (Hin und Rück) bilden sowie 6 Paare zu einem flachen Band zusammengelegt sind. Bei einer Frequenz von 44,7 Millionen Impulsen pro Sekunde kann ein Glasfasernpaar 672 Telefongespräche gleichzeitig übertragen.

1kg Glasleiter kann so viele Gespräche übertragen wie 10.000kg Kupferleiter.

Zur Erzeugung von LWL gibt es zwei Methoden:

(1) Die Doppeldüsenmethode Die Fasern werden unmittelbaren aus der hochreinen Glasschmelze gezogen. (Stufenprofilfaser)

(2) Das Dampfniederschlagsverfahren Vorerst wird ein Quarzrohr erzeugt. Dann werden verschiedene Quarzglasdämpfe durch

das Rohr gelassen. Sie Dampfen auf der Innenseite des Rohres auf. Durch erhitzen und auseinanderziehen des Rohres wird ein Kabel erzeugt. (Gradientenprofilfasern)