DGUV Information 203-039 - Umgang mit Lichtwellenleiter-Kommunikations-Systemen (LWKS)

A3.1 Wellenlängenbereiche

520 nm bis 670 nm:

Sendeelemente für Polymer-optische Fasern sind hauptsächlich LEDs im sichtbaren Wellenlängenbereich da die kleinsten Dämpfungen bei 520 nm (grün), 560 nm (gelb) und 650 nm (rot) erreicht werden. Meistens wird das optische Fenster im roten Wellenlängenbereich benutzt.

Beispiele für Systeme mit POF in der Datenkommunikation sind:

• Ethernet (100 MBaud über 50 m)

• ATM (155 MBd über 50 m)

• IEEE1394b (100 MBd über 70 m, 400 MBd über 100 m)

Die hier verwendeten Sender fallen meistens in die Laserklasse 1, 2 oder 2M.

844 nm bis 948 nm:

In diesem Wellenlängenbereich wird üblicherweise auf Multimode-Fasern der Kategorie OM3, 4 oder 5 übertragen. Die verwendeten Laser sind mehrmodige Laser vom Typ VCSEL (vertical cavity surface emitting laser). Die nominelle Wellenlänge beträgt 850 nm. Beim Einsatz von SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing) koppeln 4 VSCEL im Kanalabstand von 30 nm im Bereich von 850 nm bis 940 nm ein.

Beispiele für Übertragungsprotokolle sind:

• Ethernet,

• Fibre Channel,

• Infiniband

980 nm:

Pumplaser für optische Faserverstärker (EDFA, Erbium doped fibre amplifier) oder Faser-Laser emittieren bei 980 nm im Gleichlichtbetrieb. Diese werden nur im Zusammenhang mit einer Datenübertragung bei 1550 nm verwendet.

Pumplaser bei 980 nm emittieren meistens Leistungen, die in die Laserklasse 3B fallen.

1260 nm bis 1380 nm:

In diesem Wellenlängenbereich gibt es sowohl Systeme auf Multimode-Fasern als auch auf Einmodenfasern. Es kommen sowohl mehrmodige Laser (FP-Laser) als auch einmodige Laser (DFB-Laser, distributed feedback laser) als Sender zum Einsatz.

Beispiele für Anwendungen über kürzere Strecken sind lokale Netze (DIN EN 50173-x) in Gebäuden, zwischen Gebäuden, Industrieanlagen und Flughäfen. Im Telekommunikationsbereich sind das Zugangsnetze für Private- (FTTH) und Geschäftsanschlüsse, Anbindung an Mobilfunkstationen und Anlagen z. B. der kommunalen Versorgungsbetriebe (Energie, Wasser, Abwasser usw.)

Die Sender für diese Übertragungssysteme fallen meisten in Laserklasse 1 oder 1M.

1440 nm bis 1530 nm (S-Band):

Pumplaser für Raman-Verstärker werden im Bereich von 1440 nm bis 1510 nm eingesetzt. Diese fallen meist in die Laserklasse 3B oder 4.

Optische Überwachungskanäle, die bei einer Wellenlänge unterhalb des Übertragungsbereichs von 1550 nm Systemen liegen, fallen ebenfalls in diesen Wellenlängenbereich. Die verwendeten Sender werden im Allgemeinen mit einer Leistung bis zur Laserklasse 3B betrieben.

CWDM-Systeme (coarse wavelength division multiplex) mit bis zu 16 Wellenlängen im Abstand von 20 nm reichen vom üblichen Wellenlängenbereich um 1550 nm bis in dieses Wellenlängenfenster hinein. Die Sender für CWDM-Systeme fallen einzeln meist in die Laserklasse 1, aber alle Kanäle zusammen können bis in die Laserklasse 3B fallen.

1480 nm:

Eine zweite Variante von Pumplasern für optische Faserverstärker (EDFA) liegt bei einer Wellenlänge von 1480 nm. Diese werden ebenso wie die Pumplaser bei 980 nm nur im Zusammenhang mit einer Datenübertragung bei 1550 nm verwendet. Diese Pumplaser fallen meist in die Laserklasse 3B.

1530 nm bis 1565 nm (C-Band):

Im Wellenlängenbereich um 1550 nm wird nur auf Einmodenfasern übertragen. Es kommen einmodige Laser (DFB-Laser) oder extern modulierte Laser (EML: elektro-absorption modulated laser, MZM: Mach-Zehnder-Modulator) zum Einsatz für hochbitratige Übertragungssysteme und lange Strecken.

Bei den Systemen kann man zwischen Ein-Kanal-Systemen und Wellenlängen-Multiplex-Systemen (WDM-Systeme: CWDM, DWDM) unterscheiden. Für lange Strecken (mehr als 100 km) werden optische Verstärker eingesetzt, so dass hier Leistungen in der Faser auftreten können, die in die Laserklasse 3B oder 4 fallen.

1565 nm bis 1625 nm (L-Band):

Im Bereich von 1565 nm bis 1625 nm arbeiten Wellenlängen-Multiplex-Systeme (WDM-Systeme) für sehr lange Strecken (mehrere hundert Kilometer), die optische Verstärker verwenden. Es kommen sowohl EDFA-Verstärker als auch Raman-Verstärker zum Einsatz. Wie auch bei Systemen, die im sog. "C-Band" arbeiten, treten hier Leistungen in der Faser auf, die in Laserklasse 3B oder 4 fallen. Es können auch beide Arten optischer Verstärker in derselben Übertragungsstrecke vorkommen. Die höchsten Leistungen werden derzeit mit Raman-Verstärkern erzielt.

Beispiele für Anwendungen der Laser-Wellenlängen im C- und L-Band sind Backbone-Verbindungen zwischen Netzknoten, Anbindung der Rechenzentren, Glasfaserstrecken entlang von Bahngleisen, Schifffahrtswegen, Hochspannungsleitungen, Pipelines usw.

A3.2 Optische Verstärker

A3.2.1 EDFA-Verstärker (Erbium doped fibre amplifier)

Ein EDFA-Verstärker ist eine Komponente zur Verstärkung von Lichtsignalen. Das Kernelement des Verstärkers ist eine mit dem Element Erbium dotierte Glasfaser, die sich wie ein Laser verhält. Sie wird durch Pumplicht bei 980 nm oder 1480 nm angeregt und verstärkt dann Signale im 1550 nm Band. EDFAs sind breitbandige optische Verstärker, die im Wellenlängenbereich von 1530 nm bis 1565 nm oder 1565 nm bis 1625 nm arbeiten. Sie finden weite Verbreitung in WDM-Systemen, werden aber auch eingesetzt um in einem Ein-Kanal-Systemen die zu überbrückende Lichtwellenleiterstreckenlänge zu vergrößern.

Bei einem kompletten EDFA-Verstärker ist die Pumpwellenlänge normalerweise nicht zugänglich, sondern am Ausgang nur die im Bereich um 1550 nm oder 1600 nm verstärkte Signalleistung, die am Eingang eingespeist wurde. Diese verstärkte Signalleistung fällt bis in die Laserklasse 3B.

A3.2.2 Raman-Verstärker

Ein Raman-Verstärker ist ein optischer Verstärker, der den so genannten Raman-Effekt ausnutzt, einen nichtlinearen Effekt in optischen Glasfasern. Es wird Pumplicht mit sehr hoher Leistung (bis zu 1,5 W) in die Faser eingekoppelt und damit das optische Signal bei einer Wellenlänge, die etwa 100 nm oberhalb des Pumplichtes liegt, verstärkt. Raman-Verstärker arbeiten sowohl im "C-Band" als auch im "L-Band". Einen breitbandigen Verstärker erzielt man, indem man Pumpquellen bei verschiedenen Wellenlängen unterhalb des Signalbandes überlagert.

Typischerweise wird als Verstärkungsmedium die Übertragungsfaser verwendet, sodass ein verteilter Raman-Verstärker entsteht. Benutzt man eine eigene Faserspule für die Raman-Verstärkung im Endgerät oder Regenerator, erhält man einen "konzentrierten" Raman-Verstärker.

Die Ausgangsleistung eines Raman-Verstärkers und auch die verstärkte Signalleistung fallen meist in die Laserklasse 3B oder 4.

A3.3 Erläuterungen zu Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter (LWL) sind meistens Glasfasern (außer POF) und ähnlich wie Koaxialkabel aufgebaut. Die Glasfaser besteht aus einem Kern und einem Mantel mit anderen optischen Eigenschaften (einem kleineren Brechungsindex im Mantel), vgl. auch Anhang 2, Pkt. 2.23, numerische Apertur. Die in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtstrahlen werden beim Auftreffen auf die Grenzschicht zwischen Kern und Mantel in den Kern total reflektiert. Bei stumpferen Auftreffwinkeln auf die Grenzschicht kann es auch zu einer Brechung des Strahls in den Mantel hineinkommen. Dies ist z. B. bei sehr kleinen Biegeradien der Faser der Fall und führt zu höheren Transportverlusten (Dämpfung) bis hin zum Strahlaustritt.

Abb. A3.1
Lichtstrahlführung in einem Lichtwellenleiter

Die Glasfaser wird von einer Primärbeschichtung umgeben, die zum Schutz vor mechanischen und optischen Einflüssen dient und meist aus einem Kunststoffmaterial besteht. Insbesondere für die Verlegung als Kabel werden die Lichtwellenleiter mit weiteren Schutzhüllen umgeben, von denen jede eine spezielle Funktion ausübt.

Abb. A3.2
Aufbau eines Glasfaserkabels

Die übertragbaren Bandbreiten und überbrückbaren Streckenlängen werden wesentlich durch die Dämpfung und die Dispersion des Lichtwellenleiters mitbestimmt. Ursache für die Dämpfung sind vorwiegend Streuung, Absorption im LWL und Verluste in Steck- und Spleißverbindungen. Die Dämpfung ist vom Fasertyp und von der Wellenlänge abhängig und wird in Dezibel [dB] angegeben: Eine Dämpfung von 3 dB entspricht einer Halbierung der Lichtleistung.

Abb. A3.3
Dämpfungsverlauf bei Glasfasern für LWL

Die chromatische Dispersion ist eine Eigenschaft des Lichtwellenleiters, die zu einer Laufzeitstreuung führt. Sie entsteht dadurch, dass die Sendeelemente eine endliche spektrale Bandbreite aufweisen und die Brechzahl des Lichtwellenleiters wellenlängenabhängig ist. Dieser Effekt führt zu einer Pulsverbreiterung, die die Bandbreite und die Bitrate der Übertragung je nach Fasertyp begrenzt.

A3.3.1 Einmodenfaser (Single-mode fibre, SMF)

Einmodenfasern haben einen sehr kleinen Kerndurchmesser (im Bereich von 10 µm), der bewirkt, dass nur eine Mode (der Grundmode) geführt wird. Es gibt verschiedene Typen von Einmodenfasern, die sich in ihren Eigenschaften bzgl. der Dispersion unterscheiden. Einmodenfasern ITU G.652 C/D haben typischerweise eine Dämpfung von 0,4 dB/km bei 1310 nm bzw. 0,3 dB/km bei 1550 nm.

• Standard-Einmodenfaser (ITU-T G.652)

• Dispersionsverschobene Einmodenfaser (ITU-T G.653, ITU-T G.655)

• Einmodenfasern nach ITU-T G.654

Abb. A3.4
Brechzahlprofil der Einmodenfaser

A3.3.2 Mehrmodenfaser (Multi-mode fibre, MMF)

In Mehrmodenfasern sind mehrere Moden ausbreitungsfähig, was zu einer Modendispersion mit entsprechender Pulsverbreiterung und damit zu einer Bandbreitenbegrenzung führt.

A3.3.2.1 Gradientenindex-Faser

Die Gradientenindex-Faser (siehe auch ITU-T G.651, OM3/4/5) hat einen gradientenförmigen Verlauf des Kern-Brechungsindex, wodurch Laufzeitunterschiede der einzelnen Moden weitgehend kompensiert werden. Verglichen mit der Einmodenfaser ist die Bandbreite jedoch geringer und die Dämpfung höher. Der Kerndurchmesser beträgt 50 µm oder 62,5 µm. Die Dämpfung liegt typischerweise bei 3,5 dB/km bei 850 nm und 0,6 dB/km bei 1300 nm.

Abb. A3.5
Brechzahlprofil der Gradientenindex-Faser

A3.3.2.2 Stufenindex-Faser

Die Stufenindex-Faser hat ein stufenförmiges Brechzahl-Profil. Der Kerndurchmesser ist wesentlich größer als bei der Einmodenfaser (im Bereich von 50 µm bis 200 µm). Die Übertragung wird begrenzt durch die hohe Dispersion (geringe Basisbandbreite und Bitrate) und hohe Dämpfung auf kurzen Strecken. Die Stufenindex-Faser hat eine Dämpfung von 5 - 12 dB/km bei 850 nm.

Abb. A3.6
Brechzahlprofil der Stufenindex-Faser

A3.3.3 Polymer-Optische Faser (POF)

Ein Kern aus PMMA (Polymethylmethacrylat) mit einem Durchmesser von 1 mm ist von einem dünnen Mantel (10 µm) aus floriertem Polymer umgeben. Durch Totalreflexion wird das Licht im Kern geführt. Die POF ist eine Mehrmoden-Faser, die mit verschiedenen Brechzahlprofilen hergestellt wird (Stufenindex-Profil, Doppel-Stufenindex-Profil, Multi-Stufenindex-Profil, Multi-Kern-Profil, Gradienten-Index-Profil). Wie bei anderen Mehrmodenfasern auch kommt es durch die Modendispersion (unterschiedliche Laufzeit verschiedener Lichtstrahlen) zu einer Pulsverbreiterung, sodass die möglichen Bitraten auf etwa 100 Mbit/s über 100 m beschränkt sind. Gegenüber der Glasfaser hat die POF wesentlich höhere Dämpfungswerte.

Abb. A3.7
Brechzahl der Polymer-Optischen-Faser (Quelle: POF-AC)

Bei den polymeren optischen Fasern gibt es neben den rein polymeren Fasern hybride Fasern, die eine Kombination aus Glasfaser und Plastikummantelung enthalten, wie die Plastic Cladding Silica Fibre (PCF).

Abb. A3.8
Dämpfungsverlauf der Polymer-Optischen-Faser (Quelle: POF-AC)

Polymerfasern werden für Kurzstreckenübertragungen z. B. in Kraftfahrzeugen und Flugzeugen, der Unterhaltungselektronik, auf Rechnerplatinen oder in der Gebäudeautomation eingesetzt.

A3.3.4 Verbindung von Lichtwellenleitern

Lichtwellenleiter können mittels lösbarer Steckverbindungen (siehe Tabelle A3.1) oder dauerhaft durch Spleiße miteinander verbunden werden. Spleiße werden bevorzugt beim Aufbau von LWLKS-Netzen verwendet, Steckverbindungen kommen beim Anschluss so genannter Leitungsendgeräte (optische Sender/Empfänger) und Zwischenregeneratoren zum Einsatz. Zwischenregeneratoren regenerieren die optischen Signale auf längeren Übertragungsstrecken.

A3.3.4.1 Optische Steckverbinder

Bei einer optischen Steckverbindung kommt es darauf an, dass die Steckerstirnflächen präzise zueinander ausgerichtet und sauber sind, damit die Steckerstirnflächen beim Verbinden ohne störenden Luftspalt aufeinandergepresst werden können. Daneben ist für eine verlustarme Verbindung eine exakte Justierung der beiden Faserkerne erforderlich, was mit Hilfe einer Präzisionshülse im Steckeradapter geschieht. Optische Steckverbinder sind empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, wie Verschmutzung oder mechanischer Belastung. Die Einfügedämpfung von Steckverbindungen ist nach DIN EN 61755-2-2: in Leistungsklassen von A bis D unterteilt.

Abb. A3.9
schematische Darstellung der Kontaktflächen bei Steckverbindungen

Abb. A3.10
Beispiel einer Lichtwellenleiter Steckverbindung mit Adapter SC/APC zu SC/APC

Eine Verschmutzung der Steckerstirnfläche kann bei hoher Laserleistung dazu führen, dass die Glasfaser zerstört wird. Der Staub wird durch die hohe Leistung erhitzt, wobei eine so hohe Temperatur entsteht, dass auch die Glasfaser an der Stirnfläche schmilzt.

Abb. A3.11
Darstellung eines Mehrfaser-Steckers

In der Tabelle A3.1 auf folgender Seite sind einige Beispiele für optische Steckverbinder aufgeführt.

Tabelle A3.1
Beispiele für optische Steckverbinder

Steckverbinder mit PC (Physical Contact; 0° Schliff)
SC/PC Push-Pull 2,5 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
LC/PC Push-Pull 1,25 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
ST/PC Bajonettverschluss und Führung gegen Verdrehen 2,5 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
Steckverbinder mit APC (Angled Physical Contact; 8° Schliff)
SC/APC Push-Pull 2,5 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
FC/APC Verschraubung mit Führung gegen Verdrehen 2,5 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
DIN APC Verschraubung mit Führung gegen Verdrehen 2,5 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
LSH/APC E2000/APC Push-Pull mit Verriegelung und Schutzkappe 2,5 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
LC/APC Push-Pull 1,25 mm Ferrulen- bzw. Stiftdurchmesser
Mehrfaser Steckverbinder mit PC (Physical Contact)
MPO/PC Mehrfaser Steckverbinder mit MT Ferrule bzw. Stift

A3.3.4.2 Spleißverbindung

Ein Spleiß ist eine nicht lösbare Verbindung zwischen zwei Lichtwellenleitern, die sich durch geringste Dämpfungswerte auszeichnet. Spleißverbindungen können mechanisch (z. B. in einer V-Nut oder in einem eng tolerierten Röhrchen, Crimp-Spleiß), durch Kleben oder durch Schmelzen mittels eines Lichtbogens (Fusions-Spleiß) hergestellt werden. Ziel ist es dabei, die Stirnflächen beider Faserkerne möglichst präzise und dauerhaft voreinander zu fixieren.

Abb. A3.12
Fusions-Spleißgerät

Abb. A3.13
Vorrichtung zur Herstellung eines mechanischen Spleißes

Abb. A3.14
Glasfasertrenngerät

Generell werden bei der Schmelz-Spleißtechnik (Fusions-Spleiß) zwei Faserenden mittels eines Lichtbogens miteinander verschweißt. Bevor ein Spleiß ausgeführt werden kann, muss die Beschichtung, die aus Primär- und Sekundärbeschichtung besteht, vom Lichtwellenleiter entfernt werden. Anschließend werden die Faserenden planparallel gebrochen und für den Spleiß axial justiert. Das eigentliche Verschmelzen der beiden Fasern erfolgt durch einen Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden erzeugt wird. Der Fusions-Spleiß zeichnet sich durch niedrige Dämpfungswerte im Bereich von 0,1 dB aus und hat eine hohe Langzeitstabilität.

Abb. A3.15
Arbeitsplatz zum Herstellen eines mechanischen Spleißes (tragbarer Tisch für Außendienstmonteure)

A3.3.4.3 Steckbuchten, "Receptacles"

Neuere optische Sende- und Empfangsbauteile (Transceiver) sind in einem Gehäuse mit Steckbuchten ("receptacle") integriert, sodass diese Bauteile keine Glasfasern mit Stecker mehr als Anschluss enthalten. Stattdessen werden die Verbindungskabel des LWLKS zur bzw. von der Übertragungsstrecke oder zum bzw. vom Lichtwellenleiterverteiler direkt in die Steckbuchten des sog. Transceivers gesteckt. Diese kann man sich wie ein halbe Stecker-Kupplung vorstellen.

Die Dämpfung vom Sender zur Glasfaser oder von der Glasfaser zum Empfänger kann dabei höher sein als bei einer Steckverbindung mit zwei optischen Steckern und einer Kupplung, da oft der freie Strahl aus dem Sender in den Stecker der Glasfaser eingekoppelt wird.

Abb. A3.16
Beispiel für ein Optisches Transceiver Modul (SFP)