Glasfasertechnologie: Aufbau, Funktion und Typen

Konzept der Glasfaser (Fiber Optics)

Glasfasern sind dünne Stränge aus Glas oder Kunststoff, die die Breite eines Haares haben. Sie transportieren Nachrichten in Form von Lichtstrahlen, die tatsächlich von einem Ende zum anderen durch sie hindurchlaufen, ohne dass das Filament unterbrochen wird.

Funktionsweise von Glasfasern

Sobald das Lichtsignal die Faser durchlaufen hat, wandelt der Empfänger das Lichtsignal in elektromagnetische Energie um. Glasfasern dienen als Medium zur Übertragung von Lichtsignalen, die von Dioden (LEDs) und Lasern im Sender erzeugt werden. LEDs sind geeignete Lichtquellen für die Glasfaserübertragung, da ihre Produktion präzise gesteuert werden kann. Sie zeichnen sich zudem durch ihre geringe Größe, hohe Helligkeit, spezifische Wellenlänge und den geringen Spannungsbedarf für ihren Betrieb aus.

Komponenten und Geräte in der Glasfasertechnik

Die Hauptkomponenten sind Sender, Empfänger und der Glasfaserleiter:

• Der Sender: Besteht aus einer analogen oder digitalen Schnittstelle, einem Spannungs-Strom-Wandler, einer Lichtquelle und einer Leistungseinheit für die Lichtquelle. Die Lichtquelle kann ein digitales oder ein differenziertes analoges Signal erzeugen.
• Der Glasfaserleiter: Ist ein hochreiner Draht aus Glas oder Kunststoff.
• Der Empfänger: Enthält einen Gerätestecker für den Lichtdetektor der Faser, einen Photodetektor, einen Strom-Spannungs-Wandler, einen Spannungsverstärker und eine analoge oder digitale Schnittstelle.

Die Lichtquelle kann eine LED (Leuchtdiode) oder eine Laserdiode sein, die Licht proportional zum Erregerstrom emittiert. Die Kopplungsvorrichtung für den Lichtdetektor der Faser ist ebenfalls eine mechanische Kopplung.

Aufbau einer Glasfaser

Eine Glasfaser besteht typischerweise aus drei Hauptschichten:

• Der Kern

  Der Kern besteht aus hochreinem Quarzglas, Siliziumdioxid oder Kunststoff und dient der Ausbreitung der optischen Wellen.

• Der Mantel (Cladding)

  Der Mantel (Cladding) umgibt den Kern und besteht in der Regel aus einem ähnlichen Material wie der Kern, jedoch mit Zusätzen, die einen niedrigeren Brechungsindex gewährleisten. Dies ermöglicht die Totalreflexion des Lichts im Kern.

• Die Schutzschicht (Coating)

  Die Schutzschicht (Coating) besteht aus Kunststoff und bietet mechanischen Schutz für die Glasfaser vor Beschädigungen und Umwelteinflüssen.

Arten von Glasfasern

Es gibt verschiedene Arten von Glasfasern, die sich in ihrem Aufbau und ihren Übertragungseigenschaften unterscheiden:

• Singlemode-Faser

  Die Singlemode-Faser (Einmodenfaser) bietet die höchste Informationskapazität und Bandbreite. Sie hat einen sehr kleinen Kerndurchmesser, der nur die Ausbreitung eines einzigen Lichtmodus zulässt, was die Modendispersion minimiert und sie ideal für lange Übertragungsstrecken macht.

• Multimode-Faser (Stufenindex)

  Die Multimode-Faser (Stufenindex) hat einen größeren Kerndurchmesser, der die Ausbreitung mehrerer Lichtmoden ermöglicht. Der Kern besteht aus einem einheitlichen Material mit einem konstanten Brechungsindex, der höher ist als der des umgebenden Mantels. Dies führt zu einer höheren Modendispersion und einer geringeren Bandbreite (typischerweise bis zu 40 MHz pro km), wodurch sie eher für kürzere Distanzen geeignet ist.

• Multimode-Faser (Gradientenindex)

  Die Multimode-Faser (Gradientenindex) hat ebenfalls einen größeren Kerndurchmesser, aber ihr Brechungsindex nimmt vom Zentrum zum Rand des Kerns hin kontinuierlich ab. Dieser „Gradientenindex“ reduziert die Modendispersion erheblich im Vergleich zur Stufenindex-Faser und ermöglicht höhere Bandbreiten (bis zu 500 MHz pro km), was sie für mittlere Distanzen attraktiv macht.