Optische Übertragungstechnik (1)
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Informationstechnik Optische Übertragungstechnik (1) Grundlagen und Physik F. Brandt, L. Otten Mit dieser Serie gehen wir auf die optische Übertragungstechnik mittels Lichtwellenleitern ein. In Anlehnung an die Serie »Verkabelung und Messtechnik für HighspeedNetzwerke« (»de« 21-2006 bis 23/242006) leiten wir hier über zur optischen Übertragungstechnik. Themen wie Grundlagen, Normen, Fasertypen, Steckertechnik sowie die Messtechnik sollen hier zur Sprache kommen. Wir beginnen mit den physikalischen Zusammenhängen der Übertragungstechnik, was die Lichtwellenleitertechnik anbetrifft. Finn Brandt, Lehrer und Studienleiter, Bildungszentrum für Technik u. Gestaltung, Oldenburg, Lars Otten, Lehrer, Berufsbildungszentrum, Dithmarschen S chon seit langer Zeit werden Nachrichten auch optisch übertragen. Lichtsignalübertragung mittels Spiegeln oder Feuer oder die Zeichengebung durch optische Telegraphen scheiterten an den Witterungsbedingungen (z. B. Nebel, Regen). Das Medium Luft ist in seinen Übertragungseigenschaften starken Schwankungen unterworfen. Etwa 1970 begann man mit der Erprobung und Anwendung von Glasfasern zur Übertragung von optischen Signalen. Damit garantiert man nahezu konstante Übertragungseigenschaften auch über sehr lange Entfernungen. Die optische Übertragung von Informationen basiert ebenso wie die elektrische Übertragung auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. weise mit dem Auge als optische Strahlung, also als Licht, wahr. Signalgeschwindigkeit Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals hängt stark vom verwendeten Übertragungsmedium ab. Im Vakuum, also z. B. im Weltraum, beträgt diese als höchste Geschwindigkeit c0= 300 000 km/s Für die Beschreibung der Übertragungseigenschaften in einem optischen Medium bezieht man sich auf die Brechzahl n. Sie beschreibt das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c0 zur Lichtgeschwindigkeit im verwendeten Medium cm. n= Frequenzspektrum Für die optische Nachrichtenübertragung verwendet man einen Frequenzbereich deutlich oberhalb von Funkwellen (Bild 1). Diesen Bereich nehmen wir teil- c0 cm Tabelle 1 stellt Beispiele für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts und die Brechzahl verschiedener Medien dar. Interessant ist der Vergleich der erzielbaren optischen Ausbreitungsge- Bild 1: Frequenzspektrum elektromagnetischer Wellen 66 de 8/2007 Informationstechnik schwindigkeiten mit denen der elektrischen Signalübertragung. So beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals auf einem Kupferleiter nahezu Lichtgeschwindigkeit. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines optischen Signals in einem Lichtwellenleiter ist erheblich geringer. Brechung Durchläuft ein Lichtstrahl verschiedene Medien mit unterschiedlichen Brechzahlen, so beschreibt er eine Ablenkung (Bild 2). Je nach Auftreffwinkel des Lichts auf die Grenzfläche der beiden Medien kommt es zu unterschiedlichem Verhalten. Die Basis für die Übertragung von Lichtsignalen über einen Lichtwellenleiter stellt die Totalreflexion des Lichtstrahls dar. Er verbleibt damit immer vollständig innerhalb des Leiters. Kenngrößen einer optischen Übertragungstrecke Eine optische Übertragungsstrecke wird durch mehrere Kenngrößen beschrieben. Moden Der Eintritt des Lichts in den Lichtwellenleiter kann unter verschiedenen Winkeln geschehen. In Abhängigkeit vom Kerndurchmesser eines optischen Leiters überträgt dieser nur eine begrenzte Anzahl von Wellenlängen. Diese Wellenlängen bezeichnet man als »Moden«. Ein Lichtwellenleiter beschreibt man also durch die Anzahl der übertragbaren Moden. Modendispersion Die Lichtstrahlen in einem Lichtwellenleiter reflektieren in der Regel bei ihrer Übertragung ständig an den Grenzflächen. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Signallaufzeiten der jeweils reflektierten Strahlen. Es kommt zu einer Verbreiterung des ursprünglich ausgesendeten Impulses am Ende des Übertragungsweges. Bei der Verwendung von Single-Mode-Fasern wird nur eine Mode ausgesendet. Eine Modendispersion tritt deshalb dort nicht auf (Bild 3). Materialdispersion Optische Signale sind nicht auf eine einzige Wellenlänge begrenzt. Sie bestehen immer aus einem bestimmten Bereich. Dieser Bereich wird als Bandbreite B bezeichnet. Sie beträgt bei Leuchtdioden etwa 70 nm und bei Laserdioden etwa 1 nm. Da, wie oben erläutert, die Geschwindigkeit eines Signals von der Wellenlänge abhängt, kommt es zu unterschiedlichen Signallaufzeiten innerhalb des eingekoppelten Gesamtsignals. Die Auswirkungen sind abhängig von der Brechzahl des Mediums. Wie Bild 2: Brechung des Lichtes beim Übergang zwischen verschiedenen Medien: Brechung, Grenzwinkel und Totalreflexion Ausbreitungsgeschwindigkeiten Medium c in km/s Brechzahl n Vakuum 300000 1,000 0 Luft 299000 1,000 3 Wasser 225000 1,333 Quarzglas 200000 1,5 Kunststoffglas 197000 1,53 Tabelle 1: Vergleich verschiedener Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Licht in verschiedenen Medien de 8/2007 67 Informationstechnik Bild 3: Die Eigenschaften einer »dicken« (Multimode-) und »dünnen« SingleMode-Faser: In einer Multimode-Faser »verschwimmen« die Moden bei der Modendispersion auch kommt es deshalb auch hier zu einer Verbreiterung des ursprünglich ausgesendeten Signals. Damit es nicht zu einer Überlagerung zweier Signale kommt, müssen die Signale einen zeitlichen Mindestabstand haben. Die Materialdispersion begrenzt deshalb die erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit bzw. hat entscheidenden Einfluss auf die maximale Übertragungsentfernung. Dämpfung Auch bei der Übertragungstechnik mit Licht definiert man den Begriff der Dämpfung. Für das Verhältnis zwischen de 8/2007 eingekoppelter und ausgekoppelter Sendeleistung gilt: ap = 10lg Pein Paus Bei Lichtwellenleitern beruht die Dämpfung auf folgenden Ursachen: • Streuung (Ablenkung des Lichts im Material), • Absorption (Aufnahme des Lichts im Leiter; ein Teil der Lichtenergie wird in Wärme umgesetzt), • Übergänge an Spleiß- und Steckverbindungen: Bei einem Versatz der Fasern und Grenzflächen in den Steckverbindungen absorbiert das Übertra- BUCHTIPP Net IT F. Brandt, L. Otten, 418 S., geb., mit CD-ROM, 30,80 €, ISBN 978-3-58203636-0, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg Dieses Buch befasst sich umfassend mit der Übertragungstechnik und versteht sich als Lehr- und Lernmittel für alle technischen und kaufmännischen Ausbildungsberufe. Ein vertiefender Einsatz ist vor allem in den IT-Berufen und den neu geordneten Elektroberufen sinnvoll. gungssystem einen Teil der Lichtleistung. Bei Lichtwellenleitern gibt man üblicherweise den Dämpfungskoeffizient an, der die Dämpfung auf die Länge der Leitung bezieht: Die Einheit ist dB/km. (Fortsetzung folgt) 69
