mini|Kunststoff-Lichtwellenleiter mini|Strahlprofil einer Monomodefaser und einer Multimodefaser (v. l. n. r.) mini|LWL-Patchkabel konfektioniert mit LC- (oben) und ST-Steckern (unten) mini|Aufbau eines Glasfaserkabels
Lichtwellenleiter (LWL) oder Lichtleitkabel (LLK) sind aus Lichtleitern bestehende und teilweise mit Steckverbindern konfektionierte Kabel und Leitungen zur Übertragung von Licht. Das Licht wird dabei in Fasern aus Quarzglas oder Kunststoff (polymere optische Faser) geführt. Sie werden häufig auch als Glasfaserkabel bezeichnet, wobei in diesen typischerweise mehrere Lichtwellenleiter gebündelt werden, die zudem zum Schutz und zur Stabilisierung der einzelnen Fasern noch mechanisch verstärkt sind.
Physikalisch gesehen sind Lichtwellenleiter dielektrische Wellenleiter. Sie sind aus konzentrischen Schichten aufgebaut; im Zentrum liegt der lichtführende Kern, der umgeben ist von einem Mantel mit einem etwas niedrigeren Brechungsindex sowie von weiteren Schutzschichten aus Kunststoff. Je nach Anwendungsfall hat der Kern einen Durchmesser von einigen Mikrometern bis zu über einem Millimeter. Man unterscheidet Lichtwellenleiter nach dem Verlauf des Brechungsindexes zwischen Kern und Mantel (Stufenindex- oder Gradientenindexfasern) und der Anzahl von ausbreitungsfähigen Schwingungsmoden, die durch den Kerndurchmesser limitiert wird.
Multimodefasern, in denen sich mehrere tausend Moden ausbreiten können, haben ein stark strukturiertes Strahlprofil (siehe Bild rechts). In Monomodefasern, die einen sehr kleinen Kerndurchmesser haben, kann sich nur die sogenannte Grundmode ausbreiten, deren Intensität in radialer Richtung näherungsweise normalverteilt ist. Die Anzahl der auftretenden Moden beeinflusst die Signalübertragung, da jede Mode einen unterschiedlich langen Lichtweg nimmt. Deshalb zeigen Multimodefasern mit zunehmender Länge eine stärkere Signalverfälschung (Modendispersion) als Monomodefasern, die somit zur Signalübertragung über weite Strecken besser geeignet sind.
Lichtwellenleiter werden vor allem in der Nachrichtentechnik als Übertragungsmedium für leitungsgebundene Kommunikationssysteme bei Glasfasernetzen verwendet und haben hier, weil sie höhere Reichweiten und Übertragungsraten erreichen, die elektrische Übertragung auf Kupferkabeln in vielen Bereichen ersetzt. Lichtwellenleiter werden aber auch vielfältig in anderen Bereichen eingesetzt, wie unter anderem zur Übertragung von Energie als Lichtleitkabel für den flexiblen Transport von Laserstrahlung zur Materialbearbeitung und in der Medizin für Beleuchtungs- und Abbildungszwecke unter anderem in Mikroskopbeleuchtungen, Lichtleitkabeln und Bildleitern in Endoskopen sowie zur Geräte- und Gebäudebeleuchtung und zu Dekorationszwecken in der Messtechnik als Bestandteil faseroptischer Sensoren, an Spektrometern und anderen optischen Messgeräten.
Geschichte Schon 1870 versuchte John Tyndall, Licht gezielt durch einen Wasserstrahl zu leiten. In den Folgejahren beschäftigten sich Wissenschaftler und Techniker weltweit mit den Möglichkeiten, Lichtsignale durch verschiedene Medien zu übertragen. Mitte der 1950er Jahre wurden optische Leiter vor allem zur Beleuchtung innerer Organe in der Medizintechnik angewandt, für andere Anwendungen war der Lichtverlust im optischen Leiter noch zu groß. Erst mit der Entwicklung des ersten Lasers durch Theodore Maiman 1960 konnte man Licht konzentriert durch ein Medium transportieren. Die gezielte Informationsübertragung über Lichtwellenleiter trat nun aus der experimentellen Phase in die der technischen Realisierung.
Das erste optoelektronische Lichtwellenleiter-System erfand 1965 Manfred Börner.Joachim Hagenauer: 50 Jahre Informationstechnik – Ein Goldenes Zeitalter in Wissenschaft und Technik. ITG Festveranstaltung in der Paulskirche Frankfurt am 26. April 2004 (), Zitat: „Er (Börner) gilt als der visionäre Erfinder der Glasfaserübertragung, einer Technik, die heute das Rückgrat der weltweiten Kommunikation darstellt.“ Er entwarf ein optisches Weitverkehrs-Übertragungssystem, das Laserdioden, Glasfasern und Photodioden kombinierte. 1966 meldete er das System für das Unternehmen AEG-Telefunken zum Patent an. Alle optischen Weitverkehrs-Übertragungssysteme arbeiten noch heute nach diesem von Manfred Börner vorgeschlagenen Systemprinzip. Für seine Erfindung wurde Börner 1990 mit dem Eduard-Rhein-Preis ausgezeichnet.
1966 entdeckten Charles Kuen Kao und George Hockham, dass vor allem Unreinheiten im Glas zu Verlusten bei der Übertragung führen. Für seine Pionierarbeiten im Bereich der Glasfaseroptik wurde Kao 2009 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. 1970 produzierte und entwickelte das amerikanische Unternehmen Corning Inc. den ersten Lichtwellenleiter, der in der Lage war, Signale auch über eine längere Strecke ohne größere Verluste zu übertragen. Die Nutzung von Lichtwellenleitern zur Übertragung von Telefonsignalen wurde von nun an stetig vorangetrieben, und bereits 1978 verband die Deutsche Bundespost die Vermittlungsstellen in der Aßmannshauser Straße und in der Uhlandstraße in Berlin-Wilmersdorf über eine etwa 4 km lange Verbindungsstrecke aus mehreren Glasfasern. In den folgenden Jahren wurden die Lichtwellenleiter immer weiter verbessert, über immer längere Strecken konnten immer höhere Datenmengen mit immer höheren Datenraten übertragen werden. 1985 zum Beispiel übertrug die British Telecom erstmals Signale ohne Zwischenverstärkung über eine Strecke von 250 km.
1987 entwickelte Heraeus ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem, synthetischem Quarzglas aus der Gasphase. Durch synthetisches Quarzglas konnten metallische Verunreinigungen und Feuchtigkeitsspuren des natürlichen Quarzglases um mehrere Größenordnungen reduziert werden. Die von Heraeus produzierten Quarzglas-Vorformen machen rund 95 Prozent der Glasfasern für die optische Nachrichtenübertragung aus.
Anfangs hatten Lichtwellenleiter im Vergleich zu elektrischen Koaxialkabeln zu hohe Dämpfung, was ihren Einsatz für längere Strecken ausschloss. Dies hat sich im Laufe der Jahre ins Gegenteil verkehrt. Lichtwellenleiter umspannen heute unseren Planeten und bilden das Rückgrat der globalen Kommunikation und Informationsübertragung. AT&T, NEC und Corning stellten im Mai 2009 einen neuen Weltrekord auf. Auf einer einzelnen Glasfaser übertrugen sie über eine Entfernung von 580 km mit einer Datenübertragungsrate von 114 Gigabit pro Sekunde auf jedem Kanal und erzielten so auf 320 Kanälen eine Gesamt-Datenübertragungsrate von 32 Terabit pro Sekunde. AT&T – News Room, 11. Mai 2009. Abgerufen am 15. November 2011.Die Angaben sind nicht stimmig: Bei 114 GBit/s Einzeldatenrate benötigt man 280 Kanäle für eine Gesamdatenrate von 32 TBit/s bzw. man erhält bei 320 Kanälen 36,5 TBit/s.
Aufbau mini|Typischer Aufbau einer Glasfaser: 1 – Kern (engl. ) 2 – Mantel (engl. ) mit nK > nM 3 – Schutzbeschichtung (engl. und/oder ) und 4 – äußere Hülle (engl. ). Für die Größenverhältnisse der einzelnen Bereiche siehe Tabelle im Text. mini|Aufbau eines Glasfaser-Erdkabels
Die als Lichtwellenleiter bezeichneten Glasfasern bestehen im Inneren aus einem Kern (1 – engl. ) und einem umgebenden Mantel (2 – engl. ) mit etwas niedrigerem Brechungsindex (nKern > nMantel). Durch die dadurch auftretende Totalreflexion an der Grenzschicht zum Kern wird die Führung der Strahlung bewirkt. Der Mantel besteht dazu meist aus reinem Quarzglas (SiO2). Der höhere Brechungsindex im Kern wird durch Dotierung mit Germanium oder Phosphor erreicht, wodurch im amorphen Siliziumdioxid-Gefüge des Quarzglases zusätzlich geringe Anteile an Germaniumdioxid (GeO2) bzw. Phosphorpentoxid (P2O5) entstehen. Es ist aber auch möglich, den Kern aus reinem SiO2 herzustellen und den Mantel mit Bor oder Fluor zu dotieren, was zu einer Verringerung des Brechungsindexes führt. (Reine SiO2-Kerne sind besser geeignet zur Übertragung von Wellenlängen im blauen und ultravioletten Spektralbereich.)
Der Mantel besitzt weiterhin eine Schutzbeschichtung (3 – engl. und/oder ), sowie eine äußere Schutzhülle (4 – engl. ). Die Mantelbeschichtung ist ein Schutz vor mechanischen Beschädigungen und besteht meist aus einer Lackierung aus speziellem Kunststoff (etwa Polyimid, Acryl oder Silikone), welche die Faser auch vor Feuchtigkeit schützt. Ohne die Beschichtung würden die auf der Faseroberfläche vorhandenen Mikrorisse zu einer erheblichen Verringerung der mechanischen Belastbarkeit führen.
Patchkabel (meist Simplex- oder Duplex-Ausführung) und mehradrige Erdkabel können als Glasfaserkabel ausgeführt sein. Die einzelnen Glasfasern werden bei Patchkabeln durch einen wenige Millimeter dicken Kunststoff- oder Metallmantel geschützt (), und Erdkabel sind zusätzlich zur mechanischen Stabilisierung im Inneren mit Metalldrähten oder -kabeln versehen, sowie im äußeren Bereich eventuell mit einem Metallgeflecht zum Schutz gegen Beschädigung von außen (wie etwa Tierbiss).
Der Kern von polymeren optischen Fasern (POF) besteht meist aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und seltener aus Polycarbonat (PC). Der Mantel wird bei diesen Fasern leicht mit Fluor dotiert, um einen geringeren Brechungsindex zu erhalten. Auf das Coating kann bei den POF verzichtet werden, da das verwendete Material unempfindlicher ist gegen mechanische Beanspruchung als Quarzglas. Weiterhin gibt es auch Fasern mit einem Quarzglaskern und einem Mantel aus fluordotiertem Kunststoff, welche als (HCS) oder (PCS) bezeichnet werden. Sie können zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften auch zusätzlich mit einem Coating (mitunter aus Ethylen-Tetrafluorethylen – ETFE) versehen sein.
Funktionsweise und Arten mini|Mögliche Lösung der Maxwell-Wellengleichung in der Stufenprofil-Multimode-Faser. Es handelt sich hierbei um die mini|
Lichtwellenleiter sind dielektrische Wellenleiter zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung vom UV- (ca. 350 nm) bis in den IR-Spektralbereich (ca. 2500 nm). Abhängig von Geometrie und Beschaffenheit können sich in ihnen nur bestimmte Schwingungsmoden ausbreiten, die sich voneinander durch die räumliche Verteilung der elektrischen und magnetischen Feldstärke unterscheiden. In metallischen Wellenleitern sind die Moden transversal-elektrisch (TE) und transversal-magnetisch (TM), das heißt, dass deren elektrische bzw. magnetische Feldstärke überall rein transversal zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist, die entsprechende longitudinale Feldkomponente verschwindet (TE-Moden = Ey,Hx,Hz [Ez=0] bzw. TM-Moden = Hy,Ex,Ez [Hz=0]). Im Gegensatz zu metallischen Wellenleitern treten die TE- und TM-Moden in Lichtwellenleitern im Allgemeinen nicht voneinander getrennt auf, und als Folge des rotationssymmetrischen Brechungsindexverlaufs existieren sogenannte Hybrid-Moden, bei denen immer beide Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung vorhanden sind. Diese werden nach den vorhandenen Hauptfeldkomponenten, als HE- (Ey,Hx,Hz) oder EH-Moden (Hy,Ex,Ez) bezeichnet.
mini|hochkant=2.5|LPl,m-Moden in LichtwellenleiternDie Indizes charakterisieren die Struktur der Intensitätsverteilung: m Nullstellen in radialer Richtung (vertikale Bildreihe)2 · l Nullstellen bei 360°-Umlauf der Winkelkoordinate (l Knotenpaare; horizontale Bildreihe).Schwarz sind Bereiche negativer Feldstärke; die zum Quadrat der Feldstärke proportionale Intensität (Helligkeit) ist dort ebenso groß wie in den weißen Bereichen.Nur an den Übergängen geht die Intensität auf null (Nullstelle der Feldstärke).