Lichtwellenleiter

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Abkürzung: LWL

Was ist ein Lichtwellenleiter?

Ein Lichtwellenleiter überträgt Daten als Licht statt als elektrischen Strom. Daraus folgen die Eigenschaften, die ihn im Weitverkehrsbereich und im Rechenzentrum zum Standard gemacht haben: Er ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, strahlt selbst nichts ab, trennt beide Enden galvanisch und trägt Bandbreiten über Entfernungen, bei denen Kupfer längst aufgibt.

Die galvanische Trennung ist dabei mehr als ein Nebeneffekt. Zwischen getrennt geerdeten Gebäuden können erhebliche Potentialunterschiede bestehen; eine Kupferverbindung überträgt sie, eine Glasfaser nicht. Das ist einer der Gründe, warum die Primärverkabelung praktisch immer optisch ausgeführt wird.

Der grundsätzliche Aufbau ist bei allen Fasertypen gleich: Ein lichtführender Kern wird von einem Mantel mit geringerer Brechzahl umschlossen, darüber liegt ein schützendes Coating. Das Licht bleibt durch Totalreflexion an der Grenzfläche im Kern.

Singlemode und Multimode

Dies ist die erste und folgenreichste Unterscheidung — und sie fällt beim Verlegen, nicht beim Betrieb.

• Multimode-Faser: Kerndurchmesser 50 oder 62,5 Mikrometer. Viele Lichtwege, sogenannte Moden, breiten sich gleichzeitig aus. Sie legen unterschiedlich lange Strecken zurück, das Signal verschmiert — diese Modendispersion begrenzt Reichweite und Bandbreite. Betrieben wird sie mit LEDs oder VCSELs, was die Übertragungstechnik deutlich günstiger macht.
• Singlemode-Faser: Kerndurchmesser rund 9 Mikrometer, so klein, dass nur ein einziger Ausbreitungsweg möglich ist. Modendispersion entfällt, Reichweiten von über hundert Kilometern sind erreichbar. Als Sender dienen Laserdioden.

Die übliche Kurzschreibweise nennt Kern und Mantel: 9/125 µm für Singlemode, 50/125 oder 62,5/125 µm für Multimode. Der Manteldurchmesser ist mit 125 Mikrometern immer gleich — nur deshalb passen alle Fasertypen in dieselben Steckverbinder und Spleißgeräte.

Multimode ist die kurzstreckige, in der Aktivtechnik günstigere Lösung, Singlemode die langstreckige und praktisch unbegrenzt aufrüstbare. Nachträglich wechseln lässt sich das nicht — die Faser liegt, wo sie liegt.

Brechzahlprofile

Wie die Brechzahl vom Kern zum Mantel übergeht, entscheidet über die Modendispersion.

• Stufenindexfaser: Die Brechzahl springt an der Grenze zwischen Kern und Mantel abrupt. Einfach herzustellen, aber bei großem Kern stark dispersiv. Singlemode-Fasern sind Stufenindexfasern — dort spielt es keine Rolle, weil nur ein Mode geführt wird.
• Gradientenindexfaser: Die Brechzahl nimmt vom Kern zum Mantel kontinuierlich ab. Randnahe Moden legen zwar den längeren Weg zurück, laufen dort aber schneller, sodass sich die Laufzeitunterschiede weitgehend ausgleichen. Alle heutigen Multimode-Fasern sind Gradientenindexfasern.

Die numerische Apertur beschreibt, aus welchem Winkelbereich eine Faser Licht aufnehmen kann. Eine hohe numerische Apertur erleichtert das Einkoppeln, führt aber mehr Moden und damit mehr Dispersion — ein Zielkonflikt, der die Auslegung bestimmt.

Faserklassen

Innerhalb beider Gruppen ordnen genormte Klassen die Leistungsfähigkeit. Sie bestimmen, welche Ethernet-Variante über welche Strecke möglich ist.

• OM1: 62,5/125 µm, die älteste verbreitete Multimode-Faser. Im Bestand vorhanden, für Neuinstallationen ohne Bedeutung.
• OM2: 50/125 µm, für Gigabit-Ethernet ausgelegt.
• OM3: 50/125 µm, laseroptimiert für 850 Nanometer. Die erste Klasse, die 10-Gigabit-Ethernet über nennenswerte Strecken trägt.
• OM4: Wie OM3, mit höherem Bandbreiten-Längen-Produkt und entsprechend größerer Reichweite.
• OM5: Für Wellenlängenmultiplex im Kurzwellenbereich ausgelegt, sodass mehrere Kanäle über eine Faser laufen können.
• OS1: Singlemode für den Innenbereich, mit Vollader-Aufbau.
• OS2: Singlemode mit geringerer Dämpfung, für Außen- und Weitverkehrsstrecken.

Dämpfung und Dispersion

Zwei Effekte begrenzen jede optische Strecke, und sie wirken unterschiedlich.

Dämpfung schwächt das Signal. Sie entsteht durch Streuung und Absorption im Glas, an Spleißen und an jeder Steckverbindung. Angegeben wird sie in Dezibel je Kilometer und ist stark wellenlängenabhängig — die üblichen Fenster bei 850, 1310 und 1550 Nanometern liegen genau dort, wo das Material am wenigsten dämpft. Die Einfügedämpfung beziffert den Verlust einer einzelnen Komponente.

Dispersion verschmiert das Signal, ohne es zu schwächen. Die Modendispersion in Multimode-Fasern ist der bekannteste Fall; hinzu kommen chromatische Dispersion, weil unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich schnell laufen, und Polarisationsmodendispersion auf sehr langen Strecken.

Der Unterschied ist praktisch relevant: Dämpfung lässt sich durch Verstärkung ausgleichen, Dispersion nicht. Sie muss kompensiert oder durch kürzere Strecken vermieden werden.

Pegel werden in dBm angegeben, also als logarithmisches Maß bezogen auf ein Milliwatt. Sende- und Empfangspegel eines Transceivers spannen zusammen mit den Streckenverlusten das Leistungsbudget auf, das eine Verbindung tragen muss.

Spleißen und Konfektionierung

Zwei Fasern dauerhaft zu verbinden heißt Spleißen. Zwei Verfahren stehen zur Wahl:

• Fusionsspleiß: Die Faserenden werden im Lichtbogen verschmolzen. Das Ergebnis ist dauerhaft und dämpfungsarm, erfordert aber ein Spleißgerät.
• Mechanischer Spleiß: Die Enden werden mechanisch ausgerichtet und fixiert, meist mit einem brechzahlangepassten Gel. Schneller und ohne Spezialgerät, aber mit höherer Dämpfung und begrenzter Langzeitstabilität.

Für den Übergang von der verlegten Faser zum Steckverbinder dient das Pigtail: ein kurzes Faserstück mit werkseitig montiertem Stecker, das an die Installationsfaser gespleißt wird. Die aufwendige Steckermontage findet damit in der Fabrik statt und nicht im Verteilerraum.

Steckverbinder

• LC: Der Standard im Rechenzentrum. Klein genug, um zwei Fasern nebeneinander in einem SFP-Modul unterzubringen, meist als Duplex-Ausführung.
• SC: Größerer Steckverbinder mit Push-Pull-Verriegelung, im Bestand und in der Telekommunikation weit verbreitet.
• ST: Rundstecker mit Bajonettverschluss, überwiegend historisch.
• MPO/MTP: Bündelt zwölf, vierundzwanzig oder mehr Fasern in einem Gehäuse und ist die Grundlage der Paralleloptik — etwa bei 40- und 100-Gigabit-Ethernet, wo mehrere Fasern gleichzeitig senden.

Ebenso wichtig wie der Steckertyp ist der Schliff der Stirnfläche. UPC ist plan poliert und leicht gewölbt, APC um acht Grad angeschrägt. Der schräge Schliff lenkt reflektiertes Licht aus dem Kern heraus und erreicht dadurch eine deutlich bessere Rückflussdämpfung — nötig etwa bei analogen Videosignalen und in optischen Zugangsnetzen. Beide Typen lassen sich nicht mischen: Ein APC-Stecker in einer UPC-Kupplung berührt sich nur an der Kante, mit hoher Dämpfung und mechanischem Schaden. Farbcodierung hilft dabei — APC ist grün, UPC meist blau.

Transceiver

Die Wandlung zwischen elektrischem und optischem Signal übernehmen steckbare Module.

• GBIC: Der Vorläufer, ausgelegt für Gigabit-Ethernet und Fibre Channel. Nur noch im Bestand anzutreffen.
• SFP: Der kompakte Nachfolger, der GBIC verdrängt hat. Die Weiterentwicklungen SFP+ und SFP28 erreichen 10 beziehungsweise 25 Gigabit je Sekunde; QSFP-Module bündeln vier Kanäle für 40 und 100 Gigabit.

Der Wellenlängenbereich, die zulässige Faserart und die Reichweite stecken im jeweiligen Modul, nicht in der Faser. Dieselbe Singlemode-Strecke trägt je nach Transceiver zehn oder achtzig Kilometer.

Kunststofffasern

Nicht jede optische Übertragung braucht Glas. POF, Polymer Optical Fiber, besteht aus Polymethylmethacrylat und hat mit typisch einem Millimeter einen sehr großen Kern. Die Dämpfung ist um Größenordnungen höher, die Reichweite entsprechend gering — dafür lässt sich POF mit einfachem Werkzeug ablängen und mit günstigen LEDs betreiben. Anwendung findet sie in der Fahrzeug- und Automatisierungstechnik sowie in der Heimvernetzung.

Praxis

Die häufigste Ursache für optische Verbindungen, die im Datenblatt funktionieren und in der Anlage nicht, ist Verschmutzung. Bei einem Kerndurchmesser von neun Mikrometern genügt ein einzelnes Staubkorn, um eine Verbindung unbrauchbar zu machen — und beim Stecken wird der Schmutz in die Kupplung eingepresst, wo er beide Stirnflächen beschädigt.

Reinigung und Sichtprüfung mit einem Faserendflächenmikroskop sind deshalb kein Randthema, sondern Standardvorgehen. Schutzkappen gehören auf jeden ungenutzten Stecker und in jede offene Kupplung, nicht in die Werkzeugkiste.

Zwei weitere Punkte aus der Praxis: Der zulässige Biegeradius ist einzuhalten, weil zu enge Radien Licht aus dem Kern austreten lassen — bei modernen biegeunempfindlichen Fasern weniger kritisch, aber nie belanglos. Und in ein aktives System darf nicht hineingesehen werden: Infrarotes Licht ist unsichtbar, das Auge schließt sich nicht reflexartig, und die Leistung reicht zur Netzhautschädigung.