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  Glasfaser (Datenübertragung)



Aufgabe

Tausende kleiner Glasfasern teilen das Licht einer einzigen Lichtquelle in winzige Punkte. Im Kraftfahrzeug verspricht man von diesen leichten Kabeln eine Datenübertragung mit Lichtgeschwindigkeit (über 300.000 km/s). Noch wird diese Geschwindigkeit an den Knoten herabgesetzt. Dort müssen die Lichtsignale in Stromsignale umgesetzt werden und umgekehrt. Photonische Kristalle versprechen hier direkte Weitergabe und damit eine erhebliche Erhöhung der Übertragungsrate. Für das Kraftfahrzeug ist dies jedoch unwichtig, müssen Glasfaserkabel doch nur alle 400 km verstärkt werden.
Es kommt als Vorteil hinzu, dass Lichtleiter auch nicht von magnetischen Feldern beeinflusst werden können. Und die Flexibilität von Glasfaserkabeln steht solchen aus Kupfer kaum nach.

Funktion

Die ersten Versuche wurden mit Leuchtdioden gemacht, die ihr Licht in die Glasfaser brachten. Um jedoch die Dämpfung durch den LED-Träger auszuschließen, wird/werden
- stark bündelnde Laserdioden mit großer Schwingungskonstanz eingesetzt,
- Glasfasern aus besonders reinem Quarzsand verwendet,
- Licht mit größerer Wellenlänge als die des sichtbaren angewandt,
- die Strahlung direkt in die Faser eingeleitet.
Damit sind Entfernungen weit jenseits des im Auto Üblichen möglich.

Voraussetzung für all den Aufwand ist Quarzglas mit einer Lichtdurchlässigkeit, die 15.000 mal größer ist als die von Fensterglas. Es kommt also nicht so sehr auf die Lichtstärke an. Hauptsache, der Empfänger erkennt sicher, ob ein Bit gesetzt ist oder nicht. Natürlich darf die für ein gesetztes Bit festgelegte Lichtstärke nicht unterschritten werden. Dann nennt man das Signal indifferent. Größer ist allerdings die Gefahr, dass sich die Bits überholen (Dispersion). Auch dürfen Sender und Empfänger nicht zu stark von den im Kfz vorkommenden Temperaturunterschieden abhängig sein.

Was gläserne Leitungen leisten, kann man an Übersee-Kabeln erkennen. Da wird Licht über Tausende von Kilometern gesendet und kommt mit relativ geringer Dämpfung an. Allerdings sind die Kabel selbst von anderem Kaliber. Innen gibt es ganz viele Lichtwellenleiter mit Parafin von den nächst folgenden Kupferschicht getrennt. Es folgt ein wasserdichter Mantel aus Polycarbonat von Aluminium umhüllt. Zugkräfte werden von wiederum ganz vielen Stahlseilen aufgenommen. Ganz außen Polyethylen mit einer Zwischenschicht aus PET-Folie zu den Stahlseilen hin.

Nun darf man sich moderne Systeme nicht so vorstellen, als würde eine bestimmte Folge von Nullen und Einsen von der Laserdiode ausgesandt und von einer Art Fotodiode mit IC wieder in elektrische Signale umgewandelt. Die dadurch erzielbaren Bitraten reichen den Technikern nicht. Hier setzt das schon lange in Kupfernetzen übliche Multiplexen ein. Es werden gleichzeitig mehrere Bitfolgen mit verschiedener Wellenlänge (Farben vergleichbar) übertragen. Dazu sind mehrere Laserdioden und mehrere Empfänger nötig. Zusätzlich Bausteine, die einzelne Fasern zu einer zusammenfassen und andere, die verschiedene Wellenlängen wieder trennen. Die gemeinsame Wegstrecke wird durch eine gezielt verunreinigte Faser zurückgelegt. Hierbei können sich allerdings (wie elektrische Signale) auch Lichtwellen stören.

Es kommt also auch in hohem Maße auf das verwendete Kabel an. Es gibt zwei verschiedene Ausführungen. Das Kabel mit 1/100 mm Kerndurchmesser (Monomode) erlaubt dem Strahl fast nur einen geraden Durchgang. Es tritt keine Reflexion an dem den Kern umgebenden Glasmantel (bis zu 5/100 mm Durchmesser) mit einer anderen Brechung auf. Dies trifft nur für Kabel mit bis zu 5/100 mm Durchmesser (Multimode) zu. Die Kerne bestehen wegen der sehr geringen Dämpfung tatsächlich aus Glas, das auch entsprechend zerbrechlich wäre, wenn da nicht die spezielle Umhüllung wäre, die eine eventuelle Knickbelastung so geschickt verteilt, dass Biegeradien bis zu einem Minimum von 1 mm (!) erlaubt sind. Allerdings sollten man sie nicht so verlegen. Die kritischen Verbundstellen müssen mit einer Toleranz von bis zu 1/1000 mm gefertigt werden und sind entsprechend teuer. Es kommt auf sehr genaue Justierung der Kabelenden zueinander an, die auch exakt senkrecht abgeschnitten werden müssen. Um die Dämpfung so wenig wie möglich zu erhöhen, werden die Enden bisweilen zusammengeschweißt, natürlich nur nach Justierung unter einer Art Mikroskop. Und die Schweißstelle muss natürlich wieder umhüllt werden, um auch hier die Bruchgefahr drastisch zu reduzieren. 03/13



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