Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter (LWL), auch als Glasfaser bezeichnet, sind spezielle Kabel, die Daten mithilfe von Lichtimpulsen übertragen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kupferkabeln, die elektrische Signale nutzen, leiten Lichtwellenleiter das Licht durch dünne Glasfasern. Das ermöglicht extrem hohe Datenraten über große Distanzen bei minimaler Signaldämpfung.

Die Technologie basiert auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflexion: Licht wird an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex vollständig zurückgeworfen, solange es in einem bestimmten Winkel auftrifft. Dadurch bleibt das Lichtsignal im Faserkern eingeschlossen und kann über Kilometer hinweg transportiert werden.

Aufbau eines Lichtwellenleiters

Eine einzelne Glasfaser besteht aus mehreren konzentrischen Schichten, die jeweils eine spezifische Funktion erfüllen. Der Aufbau ist dabei hochpräzise: Die Faser selbst ist etwa so dünn wie ein menschliches Haar.

Faserkern (Core)

Der Faserkern bildet das Zentrum des Lichtwellenleiters und ist der eigentliche Bereich, durch den das Licht transportiert wird. Er besteht aus hochreinem Quarzglas (Siliziumdioxid, SiO2), das mit Germanium oder Phosphor dotiert ist. Diese Dotierung erhöht den Brechungsindex gegenüber dem umgebenden Mantel.

Der Kerndurchmesser variiert je nach Fasertyp zwischen etwa 8 und 62,5 Mikrometern. Bei Singlemode-Fasern ist er besonders klein (8-10 Mikrometer), bei Multimode-Fasern deutlich größer (50 oder 62,5 Mikrometer).

Fasermantel (Cladding)

Der Fasermantel umgibt den Kern und hat einen niedrigeren Brechungsindex. Dieser Unterschied ist entscheidend: An der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel findet die Totalreflexion statt, die das Licht im Kern hält. Der Manteldurchmesser beträgt standardmäßig 125 Mikrometer und ist damit unabhängig vom Fasertyp gleich.

Schutzschichten

Um die empfindliche Glasfaser herum befinden sich mehrere Schutzschichten. Das Primärcoating ist eine dünne Kunststoffschicht direkt auf dem Glasmantel, die die Faser vor Feuchtigkeit schützt und ihr Flexibilität verleiht. Darüber liegen weitere Schutzhüllen, die mechanische Beschädigungen verhindern. In Kabeln werden mehrere Fasern gebündelt und mit zusätzlichen Armierungen versehen.

Funktionsweise der Datenübertragung

Die Datenübertragung in Lichtwellenleitern erfolgt in drei Schritten: Umwandlung elektrischer Signale in Licht, Transport durch die Faser und Rückwandlung in elektrische Signale.

Am Anfang der Übertragungsstrecke wandelt ein Sender (Transmitter) die elektrischen Datensignale in Lichtimpulse um. Hierfür kommen entweder Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden zum Einsatz. Laserdioden erzeugen monochromatisches Licht mit einer definierten Wellenlänge und eignen sich für hohe Datenraten und lange Distanzen. LEDs sind günstiger, aber nur für kürzere Strecken und niedrigere Datenraten geeignet.

Das Licht breitet sich durch den Faserkern aus. Durch die Totalreflexion am Fasermantel bleibt es im Kern eingeschlossen, auch wenn die Faser gebogen wird. Am Ende der Strecke nimmt ein Empfänger (Receiver) das Lichtsignal auf. Eine Fotodiode wandelt die Lichtimpulse zurück in elektrische Signale, die dann weiterverarbeitet werden können.

Singlemode und Multimode

Lichtwellenleiter werden in zwei Hauptkategorien unterteilt, die sich im Kerndurchmesser und den Übertragungseigenschaften unterscheiden. Die Wahl zwischen Singlemode und Multimode hängt von der Anwendung ab.

Singlemode-Fasern (SMF)

Singlemode-Fasern haben einen sehr kleinen Kerndurchmesser von etwa 8-10 Mikrometern. Dadurch kann sich das Licht nur in einem einzigen Ausbreitungsmodus (der sogenannten Grundmode) durch die Faser bewegen. Das Ergebnis sind minimale Signalverzerrungen und sehr geringe Dämpfung.

Mit Singlemode-Fasern lassen sich Daten über Entfernungen von bis zu 100 Kilometern und mehr übertragen. Sie werden daher vor allem für Fernverbindungen, Telekommunikationsnetze und Backbones eingesetzt. Der Standard ITU-T G.652 definiert die wichtigsten Spezifikationen für Singlemode-Fasern.

Multimode-Fasern (MMF)

Multimode-Fasern besitzen einen größeren Kerndurchmesser von 50 oder 62,5 Mikrometern. Das Licht kann sich in mehreren Moden ausbreiten, die unterschiedliche Wege durch die Faser nehmen. Dies führt zu Modendispersion: Die verschiedenen Moden kommen zeitlich versetzt am Empfänger an, was die maximale Übertragungsdistanz und Datenrate begrenzt.

Multimode-Fasern eignen sich für Strecken bis etwa 2 Kilometer bei hohen Datenraten. Sie werden typischerweise in Rechenzentren, Gebäudenetzen und lokalen Netzwerken (LANs) verwendet. Der größere Kern erleichtert die Handhabung und macht die Komponenten günstiger als bei Singlemode.

Vergleich: Singlemode vs. Multimode

Für die meisten Unternehmensanwendungen innerhalb eines Gebäudes oder Campus reichen Multimode-Fasern aus. Singlemode ist die Wahl, wenn große Distanzen überbrückt werden müssen oder maximale Bandbreite gefragt ist.

Verbindungstechniken

Glasfasern müssen präzise miteinander verbunden werden, um Signalverluste zu minimieren. Es gibt zwei grundlegende Verfahren: Steckverbindungen für lösbare Verbindungen und Spleißen für permanente Verbindungen.

Steckverbindungen

LWL-Steckverbinder ermöglichen das einfache Verbinden und Trennen von Glasfasern. Sie werden an Patchpanels, Switches und anderen Netzwerkgeräten eingesetzt. Die gängigsten Steckertypen sind:

• LC (Lucent Connector): Kompakter Stecker mit 1,25 mm Ferrule, heute Standard in Rechenzentren
• SC (Subscriber Connector): Rechteckiger Push-Pull-Stecker mit 2,5 mm Ferrule
• ST (Straight Tip): Bajonett-Verschluss, älterer Standard, noch in Bestandsinstallationen
• MTP/MPO (Multi-fiber Push On): Für Mehrfaser-Verbindungen mit 12 oder 24 Fasern

Spleißen

Beim Spleißen werden zwei Faserenden dauerhaft miteinander verbunden. Das Schmelzspleißen (Fusionsspleißen) ist das gängigste Verfahren: Ein spezielles Gerät richtet die beiden Faserenden präzise aus und verschmilzt sie durch einen Lichtbogen. Die Dämpfung an einer gut ausgeführten Schmelzspleißstelle liegt bei unter 0,1 dB.

Das Spleißen erfordert geschultes Personal und spezielle Ausrüstung. Die Faserenden müssen zunächst von der Beschichtung befreit, gereinigt und präzise gebrochen (gecleaved) werden, um plane Endflächen zu erhalten. Nach dem Spleißen wird die Verbindungsstelle mit einem Schutzschlauch versehen.

Vorteile gegenüber Kupferkabeln

Lichtwellenleiter bieten gegenüber Kupferkabeln wie Twisted-Pair (Ethernet) oder Koaxialkabeln erhebliche Vorteile, die sie zur bevorzugten Wahl für Hochleistungsnetzwerke machen.

• Hohe Bandbreite: Glasfasern übertragen Datenraten von 10 Gbit/s bis zu mehreren Terabit/s
• Große Reichweite: Singlemode-Fasern überbrücken bis zu 100 km ohne Verstärker
• Geringe Dämpfung: Signalverluste sind wesentlich niedriger als bei Kupfer
• Elektromagnetische Störfreiheit: Glasfasern sind immun gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI)
• Keine Erdschleifen: Da kein elektrischer Leiter vorhanden ist, entstehen keine Potentialunterschiede
• Abhörsicherheit: Das Anzapfen einer Glasfaser ist deutlich schwieriger als bei Kupferkabeln
• Geringes Gewicht und Volumen: Glasfaserkabel sind dünner und leichter als Kupferkabel gleicher Kapazität

Einsatzgebiete

Lichtwellenleiter sind das Rückgrat moderner Kommunikationsnetze. Du findest sie in verschiedenen Bereichen der IT-Infrastruktur.

Telekommunikation und Internet

Die Backbones des Internets bestehen nahezu vollständig aus Glasfaserverbindungen. Unterseekabel verbinden Kontinente, und auch nationale Fernnetze setzen auf LWL. Bei Privatanschlüssen ersetzen Glasfasern zunehmend die alte Kupfer-Infrastruktur (FTTH - Fiber to the Home).

Rechenzentren

In Rechenzentren verbinden Glasfasern Server, Storage-Systeme und Netzwerk-Switches miteinander. Die hohen Datenraten und geringen Latenzen sind für Cloud-Computing und virtualisierte Umgebungen unverzichtbar. Moderne Rechenzentren nutzen 100G- und 400G-Verbindungen über Multimode- oder Singlemode-Fasern.

Unternehmensnetzwerke

In größeren Unternehmen und auf Campusgeländen verbinden Glasfasern Gebäudeverteilungen und Etagenverteiler (Backbone-Verkabelung). Die horizontale Verkabelung zum Arbeitsplatz erfolgt meist noch über Kupfer, aber auch hier kommen zunehmend Glasfasern zum Einsatz (Fiber to the Desk).

Industrielle Anwendungen

In industriellen Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen (etwa durch große Maschinen) sind Glasfasern oft die einzige zuverlässige Übertragungstechnik. Sie werden auch in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt, wo Abhörsicherheit wichtig ist.

Lichtwellenleiter in der Praxis

Als Fachinformatiker für Systemintegration wirst du regelmäßig mit Glasfasertechnik arbeiten. Das betrifft sowohl die Planung und Installation von LWL-Strecken als auch die Fehlersuche und Wartung bestehender Verbindungen.

Typische Aufgaben umfassen das Patchen von Glasfaserverbindungen an Patchpanels, die Dokumentation der strukturierten Verkabelung und die Messung von LWL-Strecken mit einem OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). Das Spleißen selbst wird oft von spezialisierten Technikern durchgeführt, aber ein grundlegendes Verständnis der Technik ist für die Zusammenarbeit wichtig.

Quellen und weiterführende Links

• Lichtwellenleiter - Wikipedia
• Glasfaserkabel als Lichtwellenleiter - Telekom
• Lichtwellenleiter (LWL) - Elektronik-Kompendium
• ITU-T G.652 Standard für Singlemode-Fasern