Was ist ein Glasfaserkabel?

Heute sind Glasfaserkabel für die Datenübertragung weit verbreitet. In einigen IT-Bereichen haben sie die traditionellen metallbasierten Kommunikationsleitungen vollständig ersetzt. Glasfaserkabel eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen große Datenmengen über große Entfernungen übertragen werden müssen.

Physikalische Grundlagen der Faseroptik

Optische Fasern beruhen auf dem physikalischen Prinzip der Totalreflexion. Nimmt man zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes n₁ und n₂, wobei n₂< n₁ (z. B. Luft und Glas oder Glas und transparenter Kunststoff) und projiziert man einen Lichtstrahl in einem Winkel α auf die Grenzfläche, so treten zwei Ereignisse auf.

Der Strahl (in der Abbildung rot markiert), der von oben nach links projiziert wird (Pfeil), wird teilweise gebrochen und bewegt sich durch das Medium mit dem Brechungsindex n₂ unter einem Winkel α₁<α - dieser Teil des Strahls ist durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet. Der andere Teil des Strahls wird von der Schnittstelle im gleichen Winkel reflektiert. Wenn wir den Strahl in einem langsameren Winkel β fallen lassen (der grüne Strahl in der Abbildung), passiert das Gleiche - Teilreflexion und Teilbrechung in einem Winkel β₁.

Wenn der Einfallswinkel α weiter verringert wird (blauer Strahl in der Abbildung), dann "gleitet" der gebrochene Teil des Strahls fast parallel zur Grenzfläche (blaue gestrichelte Linie). Eine weitere Verkleinerung des Einfallswinkels (grüner Strahl, der unter einem Winkel β einfällt) führt zu einem qualitativen Sprung - der gebrochene Teil wird fehlen. Der Strahl wird an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien vollständig reflektiert. Dieser Winkel wird als Totalreflexionswinkel bezeichnet, und das Phänomen wird als Totalreflexion bezeichnet. Das Gleiche gilt, wenn der Einfallswinkel weiter abnimmt.

Konstruktion einer optischen Faser

Optische Fasern beruhen auf diesem Prinzip. Es besteht aus zwei koaxialen Schichten mit unterschiedlicher optischer Dichte.

Tritt ein Lichtstrahl unter einem Winkel, der größer ist als der Lichtreflexionswinkel, in das offene Ende einer Faser ein, so wird er an der Kontaktfläche zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex vollständig reflektiert, wobei er bei jedem "Sprung" nur wenig gedämpft wird.

Der äußere Teil des Lichtwellenleiters besteht aus Kunststoff. Das Innere kann auch aus transparentem Kunststoff bestehen, dann kann es in ziemlich großen Winkeln gebogen werden (sogar zu einem Ring aufgerollt werden, und das Licht, das ins Innere gelangt, wird immer noch von einem Ende zum anderen mit Abschwächung passieren, je nach den optischen Eigenschaften des Kunststoffs und der Länge des Lichtleiters). Bei Langstreckenkabeln, bei denen die Flexibilität nicht so wichtig ist, besteht der innere Kern normalerweise aus Glas. Dadurch werden die Dämpfung und die Kosten der Glasfaser verringert, aber sie wird empfindlich gegenüber Biegungen.

Um die Kapazität einer optischen Leitung zu erhöhen, ist die Faser in einer Dualmode- oder Multimode-Version erhältlich. Zu diesem Zweck wird der Kernquerschnitt auf 50 µm oder 62,5 µm vergrößert (im Vergleich zu 10 µm bei Singlemode). Über diesen Lichtwellenleiter können zwei oder mehr Signale gleichzeitig übertragen werden.

Diese optische Übertragungsstrecke hat einige Nachteile. Eine davon ist die Lichtstreuung, die durch den unterschiedlichen Weg der einzelnen Signale verursacht wird. Sie haben gelernt, dem entgegenzuwirken, indem sie einen Kern mit einem Gradienten (der sich von der Mitte zu den Rändern hin ändert) im Brechungsindex herstellen. Dadurch werden die Wege der verschiedenen Strahlen korrigiert.

Multimode-Glasfaserkabel werden meist für lokale Netze (innerhalb eines Gebäudes, Unternehmens usw.) verwendet, während Singlemode-Glasfaserkabel für Fernübertragungsleitungen eingesetzt werden.

Entwurf einer Glasfaserstrecke

Glasfaserkabel übertragen ein Lichtsignal, das von einer LED oder einem Laser erzeugt wird. In der Sendeeinheit wird ein elektrisches Signal erzeugt. Auch das Endgerät benötigt das Signal in Form von elektrischen Impulsen. Daher müssen die Rohdaten zweimal umgewandelt werden. Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Glasfaserkabels.

Das Signal des Sendegeräts wird in Lichtimpulse umgewandelt und über die optische Leitung übertragen. Da die Leistung der Sender auf der Sendeseite begrenzt ist, werden auf langen Leitungen in bestimmten Abständen Geräte zur Kompensation der Dämpfung - optische Verstärker, Regeneratoren oder Repeater - eingesetzt. Auf der Empfangsseite befindet sich ein weiterer Konverter, der das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt.

Aufbau des optischen Kabels

Einzelne Fasern werden als Teil eines optischen Kabels verwendet, um eine Glasfaserleitung zu bilden. Ihr Aufbau hängt vom Zweck der Übertragungsleitung und der Art der Verlegung ab, aber im Allgemeinen enthält sie mehrere Fasern mit einer individuellen Schutzschicht (gegen Kratzer und mechanische Beschädigungen). Dieser Schutz erfolgt in der Regel in zwei Schichten - zunächst eine Ummantelung aus Compound und dann eine zusätzliche Beschichtung aus Kunststoff oder Lack darüber. Die Fasern sind von einem gemeinsamen Mantel umhüllt (ähnlich wie bei herkömmlichen elektrischen Kabeln), der die Anwendung des Kabels bestimmt und entsprechend den äußeren Einflüssen, denen die Leitung während des Betriebs ausgesetzt sein wird, ausgewählt wird.

Bei der Verlegung in Kabeltrassen stellt sich das Problem des Schutzes der Leitungen vor Nagetieren. In diesem Fall muss ein Kabel gewählt werden, dessen Außenmantel mit Stahlband oder Drahtarmierung verstärkt ist. Glasfasern werden auch als Schutz vor Beschädigungen verwendet.

Wenn das Kabel in einem Rohr verlegt wird, ist der verstärkte Mantel nicht erforderlich. Das Metallrohr schützt zuverlässig vor den Zähnen von Mäusen und Ratten. Der Außenmantel kann leichter gemacht werden. Dies erleichtert das Ziehen des Kabels im Inneren des Rohrs.

Wenn die Leitung im Boden verlegt werden soll, erfolgt der Schutz durch korrosionsgeschützte Drahtbewehrung oder Glasfaserstäbe. Dies sorgt nicht nur für eine hohe Druck-, sondern auch für eine hohe Zugfestigkeit.

Wenn das Kabel in Seegebieten, über Flüssen oder anderen Wasserhindernissen, auf sumpfigem Boden usw. verlegt werden soll, wird ein zusätzlicher Schutz durch Alu-Polymerband verwendet. Auf diese Weise ist das Kabel gegen das Eindringen von Wasser geschützt.

Viele Kabel enthalten auch in ihrem gemeinsamen Mantel:

• Verstärkungsstäbe, die dazu dienen, der Struktur eine höhere Festigkeit zu verleihen, wenn sie äußeren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist und wenn die Leitung thermisch gedehnt wird
• Füllstoffe - Kunststofffäden, die leere Räume zwischen Fasern und anderen Elementen ausfüllen
• Treibstangen (sie dienen der Erhöhung der Zuglast).

Bei großen Spannweiten ist die Leitung an einem Seil aufgehängt, aber es gibt auch selbsttragende Seile. Das tragende Metallkabel ist direkt in den Mantel eingebaut.

Als gesonderte Art von Glasfaserkabel ist das optische Patchkabel zu nennen. Dieses Kabel enthält eine oder zwei Fasern (Singlemode oder Dualmode), die von einem gemeinsamen Mantel umhüllt sind. Beide Seiten des Kabels sind mit Steckern für den Anschluss versehen. Diese Kabel sind sehr kurz und werden für den Anschluss von Geräten über kurze Entfernungen oder für die Verkabelung innerhalb von Schränken verwendet.

Vor- und Nachteile von Glasfaserkabeln

Zu den unbestrittenen Vorteilen von Glasfaserkabeln, die zu ihrer weiten Verbreitung geführt haben, gehören:

• hohe Störfestigkeit - das Lichtsignal wird nicht durch elektromagnetische Strahlung im Haushalt und in der Industrie beeinträchtigt, und die Leitung selbst sendet keine Strahlung aus (dies erschwert den unbefugten Zugriff auf die übertragenen Informationen und verursacht keine Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit);
• vollständige galvanische Trennung zwischen der Empfangs- und der Sendeseite;
• geringe Dämpfung - viel geringer als bei Drahtleitungen;
• lange Lebensdauer;
• hohe Übertragungskapazität.

In der heutigen Zeit ist es auch wichtig, dass das Kabel keine Metalldiebe anlockt.

Die Optik ist nicht ohne Nachteile. In erster Linie ist es die Komplexität der Installation und des Anschlusses, die spezielle Ausrüstung, Werkzeuge und Materialien erfordert sowie höhere Anforderungen an die Qualifikation des Personals stellt, das an der Installation und Wartung der Leitungen beteiligt ist. Die meisten Fehler in Glasfaserkabeln werden durch Installationsfehler verursacht, die sich möglicherweise nicht sofort bemerkbar machen. Ursprünglich waren auch die Kosten für die Leitung selbst hoch, aber dank des technischen Fortschritts konnte dieser Nachteil auf ein wettbewerbsfähiges Niveau reduziert werden.

Optische Leitungen haben auf dem Kommunikationsmarkt einen bedeutenden Marktanteil gewonnen. Auf absehbare Zeit ist keine ernsthafte Alternative in Sicht, es sei denn, es kommt zu einem technologischen Durchbruch.

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