1. Optische Informationsübertragung – Warum verwenden?
1.1 Vorteile der Optischen Informationsübertragung
1.2 Nachteile der Optischen Informationsübertragung
2. Übertragungsmedium - Aufbau und Funktionsweise eines Lichtwellenleiters
2.1 Aufbau eines Lichtwellenleiterkables
2.1.1 Einfaserkabel
2.1.2 Mehrfaserkabel
2.2 Akzeptanzwinkel und numerische Apertur
2.3 Interferenz
3 Lichtleiter und beeinflussende Faktoren
3.1 Arten von Lichtwellenleitern
3.1.1 Stufenindexfasern
3.1.2 Gradientenfaser
3.2 Dispersion
3.2.1 Wellenleiterdispersion
3.2.2 Modendispersion
3.2.3 Materialdispersion
3.3 Dämpfung
4. Elektrische Informationsübermittlung
4.1 Modulator/Demodulator
4.2 Elektrooptische Wandler (Sender)
4.2.1 Light-Emmitting-Diode (LED)
4.2.2 Laserdioden / Halbleiterlaser
4.3 Optoelektrische Wandler (Empfänger)
5. Fazit/Ausbilck
Inhaltsverzeichnis
1. Optische Informationsübertragung - Warum verwenden?
1.1 Vorteile der Optischen Informationsübertragung
1.2 Nachteile der Optischen Informationsübertragung
2. Übertragungsmedium - Aufbau und Funktionsweise eines Lichtwellenleiters
2.1 Aufbau eines Lichtwellenleiterkables
2.1.1 Einfaserkabel
2.1.2 Mehrfaserkabel
2.2 Akzeptanzwinkel und numerische Apertur
2.3 Interferenz
3 Lichtleiter und beeinflussende Faktoren
3.1 Arten von Lichtwellenleitern
3.1.1 Stufenindexfasern
3.1.2 Gradientenfaser
3.2 Dispersion
3.2.1 Wellenleiterdispersion
3.2.2 Modendispersion
3.2.3 Materialdispersion
3.3 Dämpfung
4. Elektrische Informationsübermittlung
4.1 Modulator/Demodulator
4.2 Elektrooptische Wandler (Sender)
4.2.1 Light-Emmitting-Diode (LED)
4.2.2 Laserdioden / Halbleiterlaser
4.3 Optoelektrische Wandler (Empfänger)
5. Fazit/Ausbilck
1. Optische Informationsübertragung - Warum verwenden?
In der heutigen Zeit ist der Austausch von digitalen Daten auf der gesamten Welt enorm, um all diese Informationen zu übertragen, ist die Brandbreite des Kupferkabels als Übertragungsmedium schon lange ausgeschöpft, denn die Übertragungsraten (Max-Standart 10 Gigabit/s) reichen für die Masse an Daten bei weitem nicht mehr aus. Daher werden seit vielen Jahren neue Datenleitungen mit Glasfaserkabeln(sog. Lichtwellenleiter) verlegt die Übertragungsraten von 100 Gigabit/s bidirektional (Datenübertragung in beide Richtungen auf einer Faser) bis zu mehreren Terabit/s mit dem heutigen Stand erreichen können1. Es liegt auf der Hand, dass Glasfasersysteme auch in näherer Zukunft in unsere Häuser einziehen werden, wenn der Bedarf an schnelleren Übertragungsraten gedeckt werden muss. Da wir nun alle, die das Internet benutzen, tägliche Anwender dieses Übertragungsmedium sind, wäre es interessant zu erfahren, wie Glasfaserkabel überhaupt funktionieren und wie über Lichtstrahlen digitale Binärinformationen übermittelt werden können.
Im Rahmen dieser Facharbeit wird der Lichtwellenleiter näher unter die Lupe genommen und anschaulich seine Funktionsweise und die der Komponenten, die zur optischen Übertragung benötigt werden, erklärt. Des weiteren wird auf problematische Faktoren eingegangen, die in der Lichtleitertechnik überwunden werden mussten. Auch werden die Vor- und Nachteile dieses System herausgestellt.
Da nun schon mal die Frage beantwortet ist, warum wir heute optische Informationsübertragung nutzten , wollen wir nun zunächst einen Blick auf die Vor- und Nachteile werfen.
1.1 Vorteile der Optischen Informationsübertragung
Einige Vorteile der Lichtleiter im Gegensatz zum Kupferkabel sind :
- Es lassen sich sehr hohe Übertragungsraten, bis zu mehreren Tbit/s, erreichen
- Oft sind die Fasern hauch dünn wie Haare oder dünner, dadurch haben Lichtleiter ein geringes Volumen und Gewicht
- Ein- und Ausgang sind galvanisch getrennt, somit entfallen Erdungsprobleme
- Es können weite Entfernungen ohne Repeater zurückgelegt werden(bis zu 100km, bei Koaxialkabeln nur etwa 1,5 km)
- Der Lichtleiter ist im Vergleich zum Kupferkabel ein sicheres Übertragungsmedium, denn ein unbemerktes Abhören der gesendeten Signale ist nicht möglich , da eine Leistungsentnahme aus der Faser sofort entdeckt werden kann
- Im Preisverhältnis zwischen Kupferkabel und Lichtleiterkabel, schneidet der Lichtleiter billiger ab
- Lichtleiter sind unempfindlich gegen Stromschlag und Kurzschlüsse , sowie auch elektromagnetische Felder oder Störspannungen (Sicher gegen Blitzschlag)
1.2 Nachteile derOptischen Informationsübertragung
- Verbindungen von Lichtleitern mit Geräten oder anderen Lichtleitern sind verhältnismäßig aufwendig und teuer
- "Fiber to the Desk"(Glasfaser bis zum Schreibtisch) bedeutet eine Verlegung des Glasfaserkabels bis zum Anwender selbst ohne Kupferkabel dazwischen. Diese Anschaffung ist bis heute mit hohen Kosten verbunden2
- Glasfasern können nicht genügend Energiemengen zur Stromversorgung übertragen , was zur Folge hat , dass Repeater mit einer eigenen Stromversorgung ausgestattet werden müssen
- bereitet Schwierigkeiten beim Verlegen: Bei starker Krümmung kann die Faser im Kabel brechen 3 4 5
2. Übertragungsmedium - Aufbau und Funktionsweise eines Lichtwellenleiters
Um Informationen über Lichtwellenleiter zu versenden, bedient man sich der physikalischen Eigenschaften von Glasfasern und Licht. Man nutzt dabei die Totalreflexion und Interferenz zur Übertragung.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Totalreflexion basiert auf der Eigenschaft, dass wenn ein Lichtstrahl auf zwei Materialien mit verschieden Brechungszahlen trifft (wobei [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] l.a), der Lichtstrahl beim Eintreten in das Material mit der geringeren Brechungszahl gebrochen wird. Wenn man die Abbildung betrachtet, würde sich der Winkelßgemäß dem Snelliusschen
Brechungsgesetz aus dem Einfallwinkel a wie folgt berechnen lassen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Ist der Einfallswinkel gleich dem sogenannten „kritischen Winkel“ beträgtß= 90°.
Bei Einfallswinkel über diesem „kritischen Winkel“ tritt Totalreflexion auf, dabei wird der Lichtstrahl mit dem selben Einfallswinkel gespiegelt wieder ins Medium reflektiert. Die
Abbildung i.b Totalreflexion im Lichtleiter
Lichtwelle, auch Mode genannt, wird dann wie durch einen Tunnel im Leiter reflektiert( dazu Abb. l.b). Diesen „kritischen Winkel“ kann man errechnen, falls man die beiden
Brechungszahlen desMaterialskennt Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.
Damit diese Eigenschaft ausgenutzt werden kann, muss der Lichtwellenleiter ein speziellen Aufbau haben. Diesen wollen wir uns nun näher anschauen.6
2.1 Aufbau eines Lichtwellenleiterkables
Das Kabel des Lichtwellenleiters besteht aus einem Kern(Core), einem Mantel (Cladding) und einer Beschichtung (Primär Coating).7 Der Kern führt die Lichtwellen und überträgt somit das Signal. Der Mantel ist zwar auch lichtführend, aber enthält die niedrige Brechungszahl ( n2 ) , welche für die Totalreflexion benötigt wird.
Die Umhüllung wirkt als Schutzschicht vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen. Da diese Beschichtung meistens nicht ausreicht, gibt es eine weitere
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Schutzschicht, das Sekundär Coating, die aus verschiedenen Kunststoffen besteht. Basismaterial für Kern und Mantel ist Quarz. Da Repeater eine Stromversorgung benötigen, sind im Lichtwellenleiterkabel auch Kupferkabel enthalten, sodass die Repeater Strom auch auf transatlantischen Strecken erhalten können.
2.1.1 Einfaserkabel
Das Einfaserkabel ist wohl der einfachste Art8 der Lichtleiter. Dieses Kabel besteht nur aus einem Kern der mit dem Prinzip der Monomodefaser funktioniert. Im Klartext bedeutet es, dass sich im Kern des Lichtwellenleiters nur eine Lichtstrahlfrequenz befindet. Da diese Übertragungsbrandbreite sehr hoch ist wird es häufig auf langen Strecken genutzt. (Siehe 3.1.1 Stufenindexfasern) Ein Einfaserkabel finden wir meistens im Privatanwenderbereich, wo Computer mit dem Router verbunden werden.
2.1.2 Mehrfaserkabel
Mehrfaserkabel hingegen besitzen mehrere9 Lichtwellenleiter in einem Kabel, wie Beispielsweise Abbildung 3 die 49 Lichtleiter beinhaltet. Diese Kabelart wird auf transatlantischen Strecken verwendet, auch hierbei wird die Monomodefaser genutzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[...]
1 Vgl. http://www.searchdatacenter.de/themenbereiche/management-planung/allgemein/articles/151140
2 Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtwellenleiter#Vor-_und_Nachteile_der_LWL- _gegen.C3.BCber_der_Kupfertechnik
3 Vgl. Optical Fiber Communications (S.7-9)
4 Vgl .http://www.planet-digital.at/1024/html/lwl infos.pdf (S.3 ff)
5 Vgl. https://net.tgm.ac.at/fileadmin/verkabelung/Steinmetz LWL Grundlagen.pdf (S.3)
6 Vgl. http://public.beuth-hochschule.de/~breede/medien/ss2002/download/glasfaser.pdf (S.2) - http://www.planet-digital.at/1024/html/lwl infos.pdf iS. 8,9) Bilder aus Optical Fiber Communications (S. 16)
7 Vgl. http://public.beuth-hochschule.de/~breede/medien/ss2002/download/glasfaser.pdf (S.4)
8 Vgl.http://www.planet-digital,at/1024/html/lwl infos.pdf (S.5,6)
9 Vgl. http://www.planet-digital.at/1024/html/lwl infos.pdf (S.5,6)
- Quote paper
- Carsten Lopuszynski (Author), 2012, Optische Informationsübertragung mittels Lichtwellenleitern, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/199110
