Wissenswertes über Glasfaserkabel

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Die Leitung macht's – Glasfaser als Leitungsmedium

Heutzutage sind Glasfaserkabel aus der Übertragungstechnik nicht mehr wegzudenken. Im Internet finden Sie eine große Auswahl an Angeboten zu diesem Thema. Der Ursprung der Glasfaserkabel liegt im Thüringer Wald, wo bereits im 18. Jahrhundert sogenanntes Engelshaar produziert wurde, das allerdings zunächst ausschließlich zu Dekorationszwecken genutzt wurde. Ab den 1950er-Jahren wurde die Glasfaser in erster Linie in der Medizin zur Durchleuchtung innerer Organe eingesetzt. Andere Anwendungen kamen aufgrund technischer Schwierigkeiten nicht infrage. Erst mit der Erforschung der Lasertechnik ab 1960 war es möglich, Licht in konzentrierter Form durch ein Material hindurch zu leiten. Damit war der Wissenschaft der Schritt zur gezielten Informationsübertragung über Lichtwellenleiter gelungen. Die Umsetzung in der Praxis und ihre wirtschaftliche Nutzung konnte in Angriff genommen werden.

Die Eigenschaft der Glasfaser, Licht zu leiten, wird heutzutage in vielen technischen Prozessen eingesetzt. Neben anderen Anwendungen werden Glasfasern als Lichtwellenleiter in den entsprechenden Netzen zur Übertragung von Daten auf optischem Wege eingesetzt. Was Sie als Verbraucher besonders beachten sollten: Gegenüber der elektrischen Übertragung hat die optische Übertragung den Vorteil, dass die zu übertragenden Daten mit einer deutlich höheren maximalen Bandbreite versendet werden können. Dies bedeutet, dass wesentlich größere Informationseinheiten in bestimmten Intervallen transformiert werden können. Weitere Pluspunkte der neuen Technik sind, dass eine größere Abhörsicherheit gewährleistet werden kann und dass das übertragene Signal weniger empfindlich gegenüber externen Störfeldern ist.

Glasfaserkabel sind physikalisch betrachtet dielektrische Wellenleiter. Lichtwellenleiter, wie die Glasfaserkabel auch genannt werden, sind nach einem konzentrischen Prinzip angeordnet. Der Licht führende Kern ist umgeben von einer Schicht mit einem niedrigeren Brechungsindex und von weiteren Lagen aus Kunststoff. Fachleute unterscheiden Glasfaserkabel unter anderem nach dem Verhältnis zwischen Brechungsindex von Mantel und Kern.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten der Glasfaser

Glasfaserkabel oder Lichtwellenleiter als Medium zur Übertragung werden in der Nachrichtentechnik hauptsächlich für Kommunikationssysteme eingesetzt, die leitungsgebunden sind. Die Daten werden mithilfe von Glasfaserkabel über sehr hohe Reichweiten und mit sehr großen Frequenzen übertragen. In vielen technischen Gebieten ersetzen Glasfaserkabel die elektrische Übertragung durch Kupferkabel.

Einsatzgebiete für Glasfaserkabel sind recht zahlreich, unter anderem können Lichtwellenleiter zur variablen Übertragung der Laserstrahlung im medizinischen Bereich oder in der Materialbearbeitung und in der Medizin verwendet werden. Daneben werden sie zum Transport von Energie als Lichtleitkabel für Beleuchtungs- und Abbildungszwecke eingesetzt. Lichtwellenleiter finden Anwendung bei Dekorationen und zur Beleuchtung von Gebäuden oder mechanischen Anlagen in der Industrie, als Lichtleitkabel und Bildleiter in Endoskopen sowie in Mikroskop-Beleuchtungen. Darüber hinaus werden Glasfaserkabel in der Messtechnik an Spektrometern, als wesentlicher Teil faseroptischer Sensoren und anderen optischen Messinstrumenten verwendet.

Glasfaserkabel in der Nachrichtentechnik

In der Nachrichtentechnik werden Lichtwellenleiter oder Glasfaserkabel zur Übertragung von Informationen über unterschiedlich große Entfernungen mit großer Bandbreite eingesetzt. Dabei werden die preiswerten sogenannten Multimode-Fasern auf kurzen Distanzen verwendet. Im Gegensatz hierzu werden die sogenannten Monomode-Fasern in Bereichen von mehr als 10 bis über 100 Kilometer ohne Zwischenverstärkung eingesetzt.

Heutzutage finden Glasfaserkabel in lokalen Übertragungssystemen (sogenannten Local Area Networks) bei nahezu allen Netzwerkstandards Verwendung. Im Weitverkehrsbereich von landesweiten Netzen werden Lichtwellenleiter zunehmend eingesetzt. Seit Ende der 1980er-Jahre werden Glasfaserkabel im globalen Verkehrsbereich vor allem als transatlantische Telefonkabel oder überhaupt als interkontinentale Seekabel benutzt. Dies wurde erforderlich, seit die explosionsartige Entwicklung des Internets einen immer höheren Anspruch an die Übertragungsrate sowie an die Bandbreite stellt.

Die Grundlage der modernen Kommunikationsnetze bilden nahezu ausschließlich Netze, die aus Lichtwellenleitern bestehen. Dabei wird der direkte Anschluss der Endverbraucher über Glasfaserkabel weiter vorangetrieben.

Die Bestandteile einer auf Glasfaserkabeln basierenden Übertragungsstrecke sind die Sender, die die Umwandlung der elektrischen in optische Signale vollziehen, das Übertragungsmedium selbst, die Elemente, die der Kopplung, Modulation, Signalregeneration und Verzweigung dienen, sowie der Empfänger, der die optischen in elektrische Signale transformiert.

Weitere Anwendungsgebiete der Glasfaserkabel

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Glasfaserkabel ist die störungsfreie Audio-Verbindung, die in erster Linie durch die sogenannte TOSLINK-Verbindung ermöglicht wird. Der Vorteil optischer Verbindungen im Bereich der Audiotechnik besteht in der Unterdrückung von Signalstörungen durch magnetische und elektrische Felder sowie durch Masseschleifen.

Lichtwellen werden ebenfalls bei der stromlosen Signalübertragung eingesetzt. Hier finden sie bei Leistungselektronik- und Hochspannungsanlagen Verwendung, um Steuersignale auf die sogenannten Thyristoren zu transportieren. Darüber hinaus dienen Lichtwellenleiter der Übertragung von Mess-Signalen in Hochspannungsanlagen oder in Umgebungen, die andere Messinstrumente elektromagnetisch beeinflussen könnten. Die Verwendung von Glasfaserkabeln, um medizinische Geräte an lokale Netzwerke anzubinden, ist besonders für Patienten interessant.

Lichtwellenleiter in der Messtechnik

Glasfaserkabel kommen in der Messtechnik an schlecht erreichbaren Stellen wie beispielsweise in Staumauern oder unter extremen Temperaturverhältnissen, in giftiger oder von nuklearer Strahlung verunreinigter Umgebung zum Einsatz. Hierbei werden die Techniker in die Lage versetzt, eine Vielzahl von physikalischen Größen wie Druck, Festigkeit oder Temperatur zu messen. Auch Spektrometer besitzen häufig LWL-Anschlüsse. Darüber hinaus lassen sich Glasfaserspektrometer in verkleinerter Form produzieren. Mit dem Lichtaustrittskegel einer Glasfaser lässt sich das optische Gitter direkt beleuchten. Damit werden keinerlei zusätzliche Abbildungsoptiken benötigt. Hierdurch wird die Transformation der Mess-Daten weniger anfällig gegenüber beispielsweise elektromagnetischen Feldern. Fachleute des Arbeitsschutzes wissen zu schätzen, dass damit auch der Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung möglich ist.

Lichtwellenleiter bei Hochleistungs-Lasern

Meist wird die Strahlung von Hochleistungs-Lasern im nahen Infrarot durch eine bestimmte Art von Glasfaserkabeln, sogenannten Lichtleitkabeln, geleitet. Hierdurch sollen sie wirkungsvoller an den Bestimmungsort herangeführt werden. In den verwendeten Glasfaserkabeln sind Multimodefasern verbaut, sodass Leistungsstärken bis zu mehreren Kilowatt fast verlustfrei über kurze Entfernungen transportiert werden können. Transportmedien dieser Art sind, um Arbeitsunfälle auszuschließen, mit einer Faserbruchüberwachung versehen. Hierbei eingesetzte Fasern sollten hohe thermische Verlustleistungen wegen der Streustrahlung oder Rückreflexionen aushalten.

Neben dem Einsatz in der Materialbearbeitung werden Hochleistungs-Laser in der Lasershowtechnik eingesetzt. Dabei wird das Laser-Licht von einer zentralen Einheit über Glasfaserkabel zu verschiedenen im Show-Room installierten Projektoren geleitet. Die hierbei verwendeten Leistungen können bis zu zweistellige Wattzahlen erreichen. Dabei ist zu beachten, dass kleinste Verunreinigungen wegen der hohen Leistungsflussdichten zur unmittelbaren Zerstörung führen können.

Lichtwellenleiter bei der Abbildung, Beleuchtung und Dekoration

Glasfaserkabel, Fasern und Faserbündel werden ebenfalls zur Beleuchtung, Abbildung und Dekoration verwendet. Im medizinischen Bereich werden Mikroskop- oder Endoskop-Lichtquellen eingesetzt, um das Licht einer Halogenglühlampe zum Krankheitsherd zu transportieren. Daneben dienen diese als Bildleiter in flexiblen Endoskopen.

Auch in einer großen Anzahl von Leuchten, Lampen oder komplexen Installationen finden Lichtwellenleiter Verwendung. Hierbei können die einzelnen Fasern nicht nur dem Lichttransport dienen, sondern auch an sich als abstrahlende Objekte benutzt werden. Auch Sie kennen vielleicht den sogenannte „Sternenhimmel“, bei dem mehrere Fasern eines Bündels vor der Verteilung mit einer Halogenglühlampe angestrahlt werden. Bei an Bauwerken angebrachten Beleuchtungsinstallationen werden sogenannte Seitenlichtfasern verwendet, die – wie der Name sagt – eine seitliche Abstrahlung aufweisen.

Bei den beschriebenen Anwendungen werden ausschließlich Multimode-Fasern verwendet. Der Singlemode-Betrieb ist wegen vieler unterschiedlicher und meist gleichzeitig übertragener Wellenlängen nicht möglich.

Installation und Verlegung von Glasfaserkabeln

Die Verlegung von Glasfaserkabeln über größere Entfernungen erfolgt oft unterirdisch. Die Lichtwellenleiter werden dabei in bereits vorhandene Rohre oder Schächte verbaut. Im Anschluss hieran werden die Glasfaserkabel an den gewünschten Abzweigen unter Zuhilfenahme von Verteilern zu den einzelnen Hausanschlüssen geleitet. Für den Verbraucher fallen hier die Pluspunkte auf der Kostenseite ins Gewicht, da kaum zusätzlich Bauarbeiten anfallen.

Verbindungstechniken bei Glasfaserkabeln

Glasfaserkabel lassen sich mithilfe von Steck- oder Spleiß-Verbindungen untereinander oder mit anderen Geräten verbinden. In der Medizintechnik, Spektroskopie oder Messtechnik sind dies zum Beispiel Sensoren, Laser oder Detektoren, in der Nachrichtentechnik handelt es sich eher um Verstärker, Sender oder Empfänger. Sogenannte optische Schleifringe oder Drehübertrager werden bei der Verbindung von rotierenden Teilen verwendet, die eine kontinuierliche Übertragung von analogen oder digitalen Messwerten von stehenden auf rotierende Bauelemente ermöglichen. In der Praxis werden diese in Computertomografen oder Industrierobotern verbaut.

Fehlerquellen bei der Glasfaserübertragung

Die Eigenschaften der Glasfaserkabel werden sowohl durch die Entfernung der Übertragungsstrecke wie auch durch die Übertragungsfrequenz limitiert. Die maximale Länge der Übertragung erkennen Sie bei digitalen Signalen, wenn die Flanken des Signals nicht mehr eindeutig zu bestimmen sind. Wenn das Signal zu schwach ist bzw. wenn die Signalform zu stark verzerrt ist, können Sie davon ausgehen, dass dieser Punkt erreicht ist. Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Verluste pro Kilometer ausfallen, desto größer kann die Entfernung sein, mit der ein Signal übertragen werden kann, bevor es nachlässt. Ferner ist das Spektrum eines Signals ist umso größer, je höher seine Taktrate ist. Die Stärke der Dispersion hat Einfluss darauf, wie stark sich Wellenzüge bei der Übertragung verformen.

Die sogenannten intrinsischen Verluste, die während der Lichtleitung in den Lichtwellenleitern entstehen, sind durch elementare Eigenschaften der Materialien und unerwünschte Verschmutzungen des eingesetzten Glases begründet. Wenn Glasfasern um einige Zentimeter gebogen werden, müssen Verluste durch Abstrahlung eines Teils der Leistung aus dem Kern in den Mantel hingenommen werden. Bei Multimodefasern kann es bei Verbiegungen dazu kommen, dass ein Teil des Lichtes aus dem Glasfaserkern entweicht. Bei Monomodefasern gehen Experten davon aus, dass sich ein bestimmter Anteil der transportierten Leistung immer auch auf den Mantel auswirkt.

Steck- oder Spleiß-Verbindungen sind die Schwachstellen des Transportmediums und daher besonders anfällig. Sowohl beim Einkoppeln des Lichtes in die Faser sowie beim Verbinden von Fasern mittels Steck- und Spleiß-Verbindungen können Verluste durch mehrere Faktoren auftreten. Hierbei nennen Fachleute unter anderem unterschiedliche Modenfelddurchmesser der zu verbindenden Fasern, Winkelversatz der Faserenden oder Oberflächenreflexionen an den Faserenden.

Glasfaser hat die moderne Übertragungstechnik revolutioniert, durch sie ist die Datenkommunikation des 21. Jahrhunderts erst möglich geworden.

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