Lichtfaser vs. Koaxialkabel | Unterschiede in Signalart, Struktur und Anwendung

Sowohl Glasfaser als auch Koaxialkabel sind Arten von geführten Übertragungsmedien. Allerdings unterscheiden sich die beiden durch mehrere wesentliche Faktoren. Der grundlegendste Unterschied liegt in dem Signal, das sie übertragen: Glasfaser ist darauf ausgelegt, optische (Licht-)Signale zu übertragen, während Koaxialkabel für die Übertragung von elektrischen Signalen verwendet wird.

Definition der Glasfaser

Glasfasern sind flexible, transparente Wellenleiter, die dazu dienen, Lichtsignale mit minimalen Verlusten von einem Ende zum anderen zu übertragen. Sie bestehen hauptsächlich aus hochreinem Glas (meist Siliciumdioxid) oder manchmal aus Kunststoff und haben eine Kern- und Mantelstruktur.

Der Kern ist die zentrale, innerste Region, die aus ultrareinem Siliciumdioxidglas besteht, durch das das Licht propagiert. Er ist umgeben von einer Schicht, dem Mantel, der ebenfalls aus Glas, aber mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern, hergestellt ist. Dieser Unterschied im Brechungsindex ermöglicht die totale interne Reflexion, wodurch das Licht über lange Distanzen mit geringem Dämpfungswert reisen kann.

Um die zerbrechliche Glassektion vor physischen Schäden, Feuchtigkeit und Umweltbelastungen zu schützen, wird die gesamte Faser in einer schützenden äußeren Schicht, bekannt als Pufferüberzug oder Kunststoffmantel, eingeschlossen.

Die folgende Abbildung zeigt die schematische Struktur einer Glasfaser:

Ein optisches Signal wird über eine Glasfaser mithilfe des Prinzips der totalen internen Reflexion (TIR) übertragen. Wenn Licht in die Faser eingeführt wird, propagiert es sich durch den Kern, indem es an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel aufeinanderfolgende Reflexionen erfährt.

Damit die totale interne Reflexion auftritt, muss der Brechungsindex des Kerns höher sein als der des Mantels. Dieser Indexunterschied ist entscheidend, um das Licht effizient entlang der Faser mit minimalen Verlusten zu leiten.

Gemäß dem Prinzip der TIR wird ein Lichtstrahl, der in einem dichteren Medium (dem Kern) reist und die Grenze zu einem selteneren Medium (dem Mantel) unter einem Winkel größer als dem kritischen Winkel trifft, vollständig in das dichtere Medium zurückreflektiert, anstatt herausgebeugt zu werden. Dieses Phänomen ermöglicht es, das Licht im Kern einzuschränken.

Wenn ein Lichtstrahl in den Kern eindringt, reist er, bis er die Grenze zwischen Kern und Mantel erreicht. Aufgrund des Unterschieds in den Brechungsindizes und vorausgesetzt, dass der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet, wird der Strahl in den Kern zurückreflektiert, anstatt in den Mantel einzutreten. Dieser Prozess wiederholt sich kontinuierlich entlang der Faserlänge, was es dem Lichtsignal ermöglicht, in Zickzackform durch den Kern zu reisen und von einem Ende der Faser zum anderen mit hoher Effizienz und geringer Dämpfung zu gelangen.

Die totale interne Reflexion ist also der grundlegende Mechanismus, der die langstreckige, hochbandbreiten optische Kommunikation über Glasfasern ermöglicht.

Definition des Koaxialkabels

Koaxialkabel, oft als "Coax" bezeichnet, sind eine Art von geführtem Übertragungsmedium, das zur Übertragung von elektrischen Signalen über eine Distanz verwendet wird. Sie bestehen aus elektrischen Leitern, die den Fluss von Elektronen ermöglichen, meist aus Kupfer, da es eine ausgezeichnete Leitfähigkeit besitzt.

Ein Koaxialkabel besteht aus mehreren Schichten: einem zentralen Kupferleiter (massiv oder gestrickt), umgeben von einer dielektrischen Isolierschicht, die dann von einem zylindrischen Schild umhüllt wird, der meist aus gekreuztem Kupfer oder Aluminiumfolie besteht. Diese geschichtete Struktur wird weiterhin durch einen äußeren Isoliermantel geschützt, der mechanische Stabilität und Umweltschutz bietet.

Der Begriff "koaxial" stammt daher, dass der innere Leiter und der äußere Schild die gleiche geometrische Achse teilen. Diese Konstruktion hilft, elektromagnetische Störungen (EMI) und Signalausfälle zu minimieren, was Koaxialkabel für die Übertragung von Hochfrequenzsignalen mit guter Integrität geeignet macht.

Die folgende Abbildung zeigt ein Koaxialkabel, das zur Übertragung von elektrischen Signalen verwendet wird:

Glasfaser:

Glasfasern werden zur Übertragung von Signalen in optischen Frequenzen (Licht) verwendet. Aufgrund ihrer hohen Bandbreite, Immunität gegenüber elektromagnetischer Störung und geringen Signaldämpfung finden sie weite Anwendung in High-Definition-Fernsehen (HDTV), Telekommunikationsnetzen, Rechenzentren, medizinischer Bildgebung und chirurgischen Systemen (wie Endoskopie) sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Koaxialkabel:

Koaxialkabel werden hauptsächlich zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen (RF) verwendet. Sie sind in Kabel-TV-Verteilungssystemen (CATV), Breitband-Internetverbindungen (z.B. Kabelmodems), Telefonnetzen und verschiedenen Funkkommunikationssystemen, einschließlich Antennenanschlüssen und Netzwerkgeräten, weit verbreitet.

Fazit

Sowohl Glasfaser als auch Koaxialkabel sind wesentliche geführte Medien für die Signalübertragung, unterscheiden sich jedoch grundsätzlich in dem Signal, das sie tragen – Glasfasern übertragen Lichtsignale, während Koaxialkabel elektrische Signale tragen. Diese Unterschiede führen zu unterschiedlichen Leistungsmerkmalen, die jedes für bestimmte Anwendungen geeignet machen. Daher werden sie in komplementären, nicht austauschbaren Rollen in modernen Kommunikations- und Elektroniksystemen eingesetzt.