Was ist ein Lichtwellenleiter?

Definition

Ein Lichtwellenleiter ist ein schlanker, flexibler Strang aus Glas (Siliziumdioxid) oder Kunststoff, der speziell für die Übertragung optischer (Licht-)Signale entwickelt wurde. Trotz seines zarten Aussehens hat ein Lichtwellenleiter in der Regel einen größeren Durchmesser als ein menschliches Haar.

Genauer gesagt fungiert ein Lichtwellenleiter als Wellenleiter, der die Übertragung elektromagnetischer Wellen in Form von Licht bei optischen Frequenzen ermöglicht. Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht es ihm, Informationen über weite Strecken mit hoher Effizienz und minimalen Signalverlusten zu übertragen, was ihn zu einem Grundpfeiler moderner Kommunikationstechnologien macht.

Aufbau des Lichtwellenleiters

Ein Lichtwellenleiter besteht im Wesentlichen aus zwei wesentlichen Komponenten: dem Kern und der Mantel. Der Kern, eine zylindrische, dielektrische Struktur, die hauptsächlich aus Glas besteht, dient als Weg für die Lichtausbreitung. In dieser zentralen Region reisen die optischen Signale, geleitet durch das Prinzip der totalen inneren Reflexion. Um den Kern herum befindet sich der Mantel, der in der Regel aus Kunststoff besteht. Der Mantel spielt eine entscheidende Rolle dabei, das Licht im Kern zu halten, um sicherzustellen, dass die optischen Signale intakt bleiben und über weite Strecken ohne signifikante Verluste oder Degradierung übertragen werden können.

Die folgende Abbildung illustriert den detaillierten Aufbau eines Lichtwellenleiters, wobei die unterschiedlichen Schichten des Kerns und des Mantels und ihre jeweiligen Rollen bei der effizienten Lichtübertragung hervorgehoben werden.

Aufbau und Funktionsdetails

Die gesamte Lichtwellenleiteranordnung ist in einer elastischen Hülle eingeschlossen, die als Schutzschicht dient. Diese Hülle schützt den Leiter vor physikalischen Schäden, Umweltfaktoren und mechanischem Stress, um seine Integrität während der Installation, des Betriebs und der Handhabung zu gewährleisten.

Es ist wichtig zu beachten, dass in Lichtwellenleitern der Mantel nicht direkt zur Übertragung von Lichtwellen beiträgt; stattdessen reist das Licht ausschließlich durch den Kern. Allerdings ist die Kombination aus Kern und Mantel entscheidend, um Signalverluste durch Streuung zu minimieren. Dies liegt daran, dass der Unterschied in den Brechungsindizes zwischen den beiden Komponenten die effiziente Leitung von Licht ermöglicht. Speziell muss der Brechungsindex des Kerns höher sein als der des Mantels. Dieser Unterschied in den Brechungsindizes ist das grundlegende Prinzip, das die effektive Übertragung von Licht innerhalb des Leiters ermöglicht.

Übertragung von Licht in Lichtwellenleitern

Lichtwellenleiter sind darauf ausgelegt, Signale in Form von Licht (Photonen) zu übertragen. Die Frage lautet dann: Wie reist das Licht tatsächlich durch einen Lichtwellenleiter? Die Antwort liegt im Phänomen der totalen inneren Reflexion.

Wenn Licht in einen Lichtwellenleiter eindringt, reist es durch den Kern, während es ständig vom Mantel reflektiert wird. Diese Reflexionen sind totale innere Reflexionen, die unter bestimmten Bedingungen auftreten. Wie bereits im Zusammenhang mit der totalen inneren Reflexion besprochen, tritt dieses Phänomen auf, wenn Licht von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex (der dichtere Kern) zu einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex (der dünnere Mantel) bei einem Einfallswinkel größer als der kritische Winkel übertritt.

Bei einem solchen Einfallswinkel wird das Licht anstelle von Refraktion in den Mantel durch fortlaufende Reflexionen weiter im Kern propagiert. Die zylindrische Form des Kerns, mit seinem relativ kleinen Durchmesser, stellt sicher, dass nur eine minimale Menge an Licht an der Schnittstelle zwischen Kern und Mantel reflektiert wird. Dies sorgt dafür, dass der Einfallswinkel des Lichtstrahls konsistent größer bleibt als der kritische Winkel, was die effektive Führung des Lichts entlang der Länge des Leiters ermöglicht.

Fortschreitungsmodi in Lichtwellenleitern

Wenn Licht entlang eines Lichtwellenleiters reist, kann es entweder einen einzelnen Pfad oder mehrere Pfade durch den Kern nehmen. Im Grunde genommen beziehen sich die "Fortschreitungsmodi" auf die Anzahl der verschiedenen Pfade, die ein Lichtstrahl entlang des Leiters nehmen kann. Es gibt hauptsächlich zwei fundamentale Fortschreitungsmodi in Lichtwellenleitern:

Einfachmoden-Faser

In einer Einfachmoden-Faser reisen Lichtstrahlen entlang des Leiters nur durch einen einzigen Pfad. Dieser einzige Pfad der Wellenübertragung reduziert erheblich die Signalverzerrung während des Übertragungsprozesses. Da es keine mehreren Pfade für die Lichtstrahlen gibt, kann die Integrität des Signals über weite Strecken aufrechterhalten werden, was eine hochwertige Kommunikation sicherstellt.

Der Kern einer Einfachmoden-Faser hat einen sehr kleinen Durchmesser, was die Verwendung eines stark fokussierten Lichtstrahls erfordert. Aus diesem Grund werden hauptsächlich Laserlichtquellen eingesetzt, da sie einen scharfen, kohärenten Strahl emittieren können, der effektiv durch den engen Kern reisen kann, ohne signifikant abzustrahlen oder zu streuen.

Mehrmoden-Faser

Mehrmoden-Fasern haben einen Kern mit einem Durchmesser, der im Vergleich zu Einfachmoden-Fasern beträchtlich größer ist. Dieser breitere Kern ermöglicht es, dass Lichtstrahlen durch mehrere Pfade innerhalb des Kerns reisen. Obwohl diese Eigenschaft es ermöglicht, mehr Licht gleichzeitig zu übertragen, erhöht sie auch die Wahrscheinlichkeit von Signaldispersion und -dämpfung. Signaldispersion tritt auf, wenn verschiedene Lichtstrahlen, die entlang verschiedener Pfade innerhalb des Kerns reisen, am Zielort leicht zeitversetzt ankommen, was das Signal verwischt. Dämpfung, also die Schwächung des Signals, ist in Mehrmoden-Fasern aufgrund von Faktoren wie Streuung und Absorption im größeren Kern auch stärker ausgeprägt. Der breitere Kern bietet jedoch den Vorteil, mehrere Fortschreitungswege für Lichtwellen zu beherbergen, was ihn für Anwendungen geeignet macht, bei denen Einfachheit und geringere Kosten wichtiger sind als extrem lange, hochbandbreitenübertragungen.

Was sind Glasfasern?

Glas ist ein amorphen Festkörper, gekennzeichnet durch seine Härte, Transparenz und Brüchigkeit. Es wird durch das Schmelzen einer Kombination von Materialien und anschließendes schnelles Abkühlen (Erstarren) hergestellt. Im Gegensatz zu kristallinen Festkörpern hat Glas keine gut definierte, regelmäßige molekulare Struktur. Stattdessen sind seine Moleküle in einem unregelmäßigen, willkürlichen Muster angeordnet.

Glas besitzt eine einzigartige Eigenschaft: Änderungen in seiner Materialzusammensetzung führen zu entsprechenden Veränderungen in seinen Eigenschaften. Diese Flexibilität in den Eigenschaften macht Glas zu einem vielseitigen Material, insbesondere, wenn es um die Herstellung von Lichtwellenleitern mit maßgeschneiderten Leistungseigenschaften geht.

Vorteile von Lichtwellenleitern

• Verzerrungsfeste Signalübertragung: Lichtwellenleiter ermöglichen die Propagation von Lichtwellen, wodurch Signale mit bemerkenswerter Immunität gegen Verzerrungen übertragen werden können. Dies stellt sicher, dass die Integrität der übertragenen Informationen, auch über weite Strecken, erhalten bleibt.

• Sichere und langreichweitige Kommunikation: Diese Fasern bieten eine sichere Möglichkeit, Daten über weite Strecken zu übertragen. Die Natur der Lichtwellenübertragung innerhalb des Leiters begrenzt das Signal, verringert das Risiko von Abhörung und Störungen und macht sie ideal für Anwendungen, bei denen die Datensicherheit von großer Bedeutung ist.

• Verlängerte Lebensdauer: Im Vergleich zu anderen Arten von Übertragungskabeln haben Lichtwellenleiter eine deutlich längere Dienstlebensdauer. Ihre Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß tragen dazu bei, dass sie über einen langen Zeitraum hinweg eine zuverlässige Leistung aufrechterhalten, wodurch der Bedarf an häufigen Ersetzungen minimiert wird.

Nachteile von Lichtwellenleitern

• Hohe Installations- und Wartungskosten: Die anfängliche Installation und die laufende Wartung von Lichtwellenleitersystemen können relativ teuer sein. Dies umfasst die Kosten für spezialisierte Ausrüstung, qualifizierte Arbeitskräfte für die Installation und regelmäßige Wartung, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.

• Anfälligkeit für Umweltfaktoren: Aufgrund ihrer zerbrechlichen Natur benötigen Lichtwellenleiter verstärkten Schutz vor Umweltbedingungen. Exposition gegenüber physischem Stress, extremer Temperaturen, Feuchtigkeit und anderen Umweltfaktoren kann potenziell die Fasern beschädigen und die Signalübertragung stören.

• Notwendigkeit von Wiederholern: Obwohl Lichtwellenleiter Signale über weite Strecken mit minimaler Verzerrung übertragen können, sind Wiederholer oft notwendig, um das Signal zu verstärken und zu regenerieren, um jegliche Degradierung, die über Distanz auftritt, auszugleichen. Dies erhöht die Komplexität und die Kosten des Gesamtsystems.

Lichtwellenleiter werden häufig aus Siliziumdioxid hergestellt, aufgrund seiner überlegenen Betriebseigenschaften. Siliziumdioxid ist ein chemisch stabiles Material, das es ermöglicht, harte Umweltbedingungen ohne signifikante Degradierung zu überstehen. Seine Stabilität und optischen Eigenschaften machen es zum Material der Wahl für optische Kommunikationsanwendungen, um eine zuverlässige und effiziente Signalübertragung zu gewährleisten.