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Dienstag, 12.12.2017

Technik News

Mittwoch 12.03.2014

MXC-Kabel überträgt 800 Gbit/s - Erste Kabel noch 2014 auf dem Markt

Bereits seit einigen Jahren entwickelt Intel in Kooperation mit dem Spezialglashersteller Corning "Silicon Photonics", ein Glasfaserkabel, bei dem Photonen die Datenübertragung übernehmen. Aktuell erreichen die Entwickler damit...[mehr]

Mittwoch 19.02.2014

Flächendeckender Breitbandausbau erfordert deutlich geringere Investitionen als bisher angenommen

Zu diesem Ergebnis kommt eine heute veröffentlichte Studie des Wissenschaftlichen Instituts für Infrastruktur und Kommunikationsdienste (WIK). Statt der bisher prognostizierten 93 Milliarden Euro wäre nach den Modellrechnungen...[mehr]

Mittwoch 19.02.2014

G.fast Standard verspricht Datenübertragungsraten bis zu 1 Gbit/s

Während der Glasfaserausbau vielerorts aufgrund der hohen Kosten nur langsam voranschreitet, arbeiten Alcatel-Lucent und Huawei intensiv an der Standardisierung von G.fast. Der neue Standard nutzt vorhandene Kupferkabelnetze,...[mehr]

Glasfaser als Datenübertragungsmedium

Die physikalischen Eigenschaften der Übertragungsmedien und Phänomene, die durch hohe Frequenzen im Leiter verursacht werden, haben Einschränkungen der Bandbreite zur Folge. Elektrische Leiter werden hauptsächlich durch die Widerstandseigenschaften der Kabel und dem sogenannten Skin Effekt in ihren Ausbreitungseigenschaften beeinträchtigt. Der Ohmsche Widerstand wirkt sich dabei am massivsten aus. Je länger also der Leiter ist, desto mehr nimmt die Dämpfung durch den Widerstand zu. Die Elektronen, die bei der Informationsübertragung fließen kollidieren dabei mit den Atomen des Drahtes. Ein Teil der Signalenergie wird auf dieser Weise in Wärme umgewandelt, geht demzufolge durch Abstrahlung verloren.

Der ohmsche Wiederstand in koaxialen Leitern kann mit Rohm=(ρ*L)/A berechnet werden. Da der Ohmsche Wiederstand in Normalleiter bei steigender Temperatur steigt,  gilt diese Annahme für eine Temperatur von 20°. Man erkennt, dass in Abhängigkeit der Dichte und der Leitungslänge der Wiederstand rasch ansteigt. Dem entgegen wirkt der Leitungsdurchmesser A, der je größer er wird, den ohmschen wiederstand verringert. Damit und mit der Wahl eines geeigneten Übertragungsmediums mit geringer Dichte, wie Kupfer oder Silber, was in der Praxis viel zu teuer wäre, lässt sich Rohm etwas verringern, bzw. die mögliche Leitungslänge positiv beeinflussen.

Rohm=(ρ*L)/A
kleine Dichte ρ (rho) à großer Querschnitt A = fallender Rohm (daher Kupfer, besser Silber)

Dagegen konnte man die Auswirkung des induktiven Widerstandes recht wirkungsvoll kompensieren. Die angelegte Wechselspannung erzeugt ein ständig wechselndes, kreisförmig um den Leiter verlaufendes Magnetfeld. Nach Maxwell erzeugt dieses magnetische Feld eine neue, induzierte Spannung um die Magnetfeldlinien herum welche wiederum ein neues Magnetfeld induzieren. Dieser Effekt wird bei manchen Technologien wie Radio oder CB Funk ausgenutzt, in elektrischen Leitern hingegen ist er unerwünscht, denn die Strahlung der Felder wirkt der Übertragungsenergie entgegen, das Signal wird also mit steigender Leitungslänge schwächer. Um diesen Effekt zu verhindern, verdrillt man zwei Kupferadern miteinander und lässt nun durch beide einen phasenverschobenen Wechselstrom fließen. So entstehen durch oben genannten Effekt zwei entgegengesetzte Magnetfelder, die sich so nahezu ausgleichen.

Beim konzentrischen Leitern (Koaxialkabel) gelingt die Aufhebung des induktiven Widerstands etwas besser. Koaxialkabel bestehen aus einem hohlen Außenleiter und einem darin befindlichen Innenleiter (Seele), welche durch ein Dielektrikum voneinander isoliert  sind. Die Magnetfelder sind zwar anders geartet, das Prinzip ist jedoch das Gleiche. Je dicker der Innenleiter und je dichter die Abschirmung, desto besser ist die Auslöschung.

Der Skin Effekt hingegen ist ein Phänomen, welches durch hohe Frequenzen im Leiter verursacht wird. Denn bei entsprechend hohen Frequenzen fließt der Strom nicht mehr durch den gesamten Querschnitt eines zylindrischen  Kupferleiters, sondern nur noch an der Oberfläche (Haut = Skin). Dieser Effekt ist auf wieder auf die induktiven Eigenschaften der elektrischen Leitung zurückzuführen. Die Fläche des Leiters wird aufgrund der fließenden Wechselspannung von sich ständig ändernden, kreisförmig umgebenen Magnetfeldern durchdrungen. Zusätzliche werden elektrische Wirbelfelder erzeugt, deren Richtung dem angelegten elektrischen Feld entgegen wirkt. Das führt dazu, dass sich die induzierte Feldstärke auf die angelegte Feldstärke aufaddiert und das resultierende Feld im Leiter somit vom Kern her ständig zunehmen lässt. Bei hinreichend hohen Frequenzen verdrängt dieses Feld den gesamten Strom beinah vollständig an die Oberfläche. Betrachtet man nun den ohmschen Widerstand, der wie oben beschrieben bei abnehmender Fläche des Querschnitts, zunimmt, wird dieser unter Berücksichtigung des Skin Effekts sehr groß. Zum besseren Verständnis, kann man sich hier vorstellen, die Fläche durch den Umfang zu ersetzen.

Für die Übertragung von hochfrequenten Signalen im Zentimeter-Wellenbereich (und darunter; 3 GHz – 200 GHz) benutzt  man hier also statt Volldrähten Hohlleiter. Rechteckige Hohlleiter können aufgrund ihrer Geometrie sogar Frequenzen von 109 Hz bis 1511 Hz übertragen.

Koaxialkabel

Koaxialkabel bestehen aus oberflächlich versilberter Innenleiter (Seele), dem Dielektrikum/ Isolationsschicht und einem Außenleiter Drahtgeflecht (auch Abschirmung, Strahlschutz). Eine besonders ungewünschte Eigenschaft koaxialer Leiter ist die Signalreflektion an offenem Ende einer Koaxialverbindung. Die über die Leitung übertragenen Signale werden hier einfach zurückgeworfen und überlagern nachfolgende Nutzdaten derart, dass diese unbrauchbar, also nicht verwertbar, werden. Um das zu vermeiden, muss das offene Ende durch einen Widerstand terminiert werden. Dieser Wiederstand muss gleich dem Wellenwiderstand (Koaxial- oder BNC- Leitungen ca. 50-75Ω) der Leitung sein, damit das Signal terminiert/ geschluckt wird. Der Wellenwiederstand berechnet sich aus den Grenzwerten der gemessenen Kurzschlussimpedanz und der Leerlaufimpedanz nach ZW= (Z0-Zk)².

Um hochfrequente in Koaxialleitern verlustarm zu übertragen gilt es zudem den oben beschriebenen Skin Effekt zu minimieren. Dies geschieht heutzutage mit hochwertigen Koaxialkabellösungen, welche statt massiven Innenleiters eine Litze, also gebündelte, voneinander isolierte Drähte, verwenden. Der Skin Effekt fällt somit nicht mehr so gravierend ins Gewicht, da durch die vermehrte Anzahl von Leitern mehr Oberfläche entsteht.

Charakterisierung Lichtwellenleiter

Die Lichtwellenleitertechnik basiert auf dem Prinzip der Totalreflektion und Interferenz. Bei in einem Winkel φ einfallendem Lichtstrahl auf die Grenzschicht zwischen zwei Stoffen mit der Brechzahl n1 und n2, bricht sich dieser im Medium mit der niedrigeren Brechzahl. Die Brechzahl ist der Faktor, um welchen die Lichtgeschwindigkeit geringer ist als im Vakuum (~ 300.000Km/s). Der Winkel φ2 des nun gebrochenen Strahls berechnet sich nach sin φ1/sin φ2=n2/n1 . Bei Einfallswinkeln über kritischen Wertc, bei dem φ2=90° ist, sich also nach sin φc=n2/n1 berechnet, tritt Totalreflexion ein und es gilt: φ12.

Material für den Lichtleiter sind Glas- Kunststoff oder Quarzfasern.

Bandbreite Glasfaser

Bandbreite = Frequenzoben - Frequenzunten

~ 18×1016Hz – 15×1011Hz = 1,8×1017Hz (Vergleich Kupfer 1,2×1011 (120 Milliarden) mehr Frequenzen)

Bandbreite Sprachübertragung Kupfer

50Hz– 4000Hz = 3750Hz

Bandbreite Datenübertragung Kupfer

1500000Hz – 4000Hz = 1496000Hz

- ca. 14.960.000 mögliche Frequenzen zur Modulation eines Rechtecksignals

Frequenzen Licht

fLichtleiter ~ fLicht =  ~ 1012 Hz à THz (Infrarotbereich)
                 bis zu ca. 1016 Hz à 1015 = PHz

Frequenzen sichtbares Licht

Lichtsichtbar = 385×1012Hz bis 790×1012Hz

Lichtwellenleiter arbeiten, wie der Name schon sagt, mit den Frequenzen des Lichts vom Infrarot- bis zum Ultraviolett- A Bereich. Die Realisierung elektromagnetischer Strahlung aus dem UV-A Bereich gestaltet sich aufgrund des enormen Energiebedarfs für das Emittieren als praktisch schwierig. Dennoch wird anhand dieser Zahlen das Potential der LWL-Technik deutlich.

Vorteile der Glasfaser

  • sehr hohe Übertragungsraten (mehrere TBits/s) möglich
  • die Übertragung ist ohne ‚Auffrischung‘/ Verstärkung des Signal über weite Distanzen möglich
  • LWL Materialkosten sind im Gegensatz zu Kupfer/ Golde/ Silber eher gering
  • ebenso geringes Volumen und geringe Leitungsdurchmesser
  • keine Störung durch elektromagnetische Felder oder auftretende Induktionen
  • LWL Leitungen sind relativ abhörsicher, da anhand Leistungsverlusts etwaige Angriffe sofort registriert werden
  • keine Energieübertragung, keine Kurzschlüsse und damit keine Gefahr für Falschanschluss und damit potentiell verbundenen Gerätezerstörung

Nachteile der Glasfaser

  • keine Energieübertragung, Endgeräte benötigen eigene Stromzufuhr
  • Blick in das eingespeiste Licht birgt hohes Verletzungsrisiko der Netzhaut
  • Temperaturschwankungen haben Änderungen des Brechungsindex zur Folge, was zur Folge hat, das Lichtdaten den Kern ‚verlassen‘ können und eine fehlerfreie Übertragung damit unmöglich wird
  • teure Hausanschluss- und Kabelverbindungstechnik

Die Nutzung von LWL als Übertragungsmedium, bzw. die dafür notwendige Transformation der elektrischen Signale in optische ist aufwendig und damit auch teuer.

Wie  bei der elektrischen Signalübermittlung ist auch bei optischen Übertragungsverfahren sowohl analoge als auch digitale Signalübermittlung möglich. Dabei wird der analoge Signalpegel in Helligkeitsgrade gewandelt. Bei dieser Signalumwandlung werden die Spannungsschwankungen (die durch ein Mikrofon auf die Grundspannung aufgesetzt werden) direkt als Helligkeitsschwankung übertragen. Vorteil dieser Technologie ist die einfach zu realisierende Schaltung, da das Signal direkt als Betriebsspannung, beispielsweise an einer LED, anliegt. Die Nichtlinearität von Sender, Empfänger und Medium sind hingegen ein Nachteil. Besonders beim Laser steigt die Lichtintensität unregelmäßig (nicht proportional) zur Eingangsleistung, was die zur massiven Verfälschung der Signale führen kann.

Aufgrund der Sicherheit und Geschwindigkeit spielt die digitale Übertragung eine bedeutendere Rolle. Nicht zuletzt, da durch den logischen Aufbau der Übertragung  eine Fehlerkorrektur anhand von Checksummen durchgeführt werden kann, die Übertragung somit sehr ausfallsicher ist. Zudem fällt, im Gegensatz zur elektromagnetischen Datenübertragung, die aufwendige Transformation vom sinusförmigen zum rechteckigen Signalverlauf weg.

Multimode

Glasfasern bestehen aus einem Faserkern (Core) und einem umgebenden Mantel (Cladding)  gleichen Materials, jedoch unterschiedlicher Brechungszahl. Diese ist ein Faktor zur Beschreibung der Lichtleitungseigenschaft eines Materials im Maßstab zur Ausbreitung im Vakuum. Umgeben wird die Faser von einem Coating (0,25 mm), einer auf die Faser aufgetragenen Kunststoffschicht, welche die Faser vor mechanischen Einflüssen schützen und ihr zusätzliche Stabilität bringen soll. Eine weitere Kenngröße ist der Akzeptanzwinkel. Dieser beschreibt die Neigung, unter welcher der Lichtpuls in die Leitung eingekoppelt werden muss um übertragen zu werden. Einen zahlenmäßigen Wert für den Unterschied der Brechungszahlen des Cores, bzw. des Claddings ist die numerische Apertur. Bei singlemodefasern liegt diese bei 0,1 bei Multimodefasern bei ca. 0,3.

An einer üblichen Datenübertragung im Lichtwellenleiter sind viele Moden beteiligt. Moden beschreiben die Wege, die die Lichtstrahlen innerhalb eines Leiters zurücklegen und legen sinnbildlich einen ‚zickzack‘- Weg zurück. Dabei kommt es üblicherweise an den Leiterwänden zu Reflektionen, welche auf den Weg zum Empfänger durchaus ungewollte Laufzeitunterschiede zur Folge haben. Aus diesem Grund wird für die Langstreckenübertragung auf Singlemodefasern zurückgegriffen. Hier wird der Core derart klein dimensioniert (3 bis 9 µm), dass das Licht in nur einer Wellenlänge und nur innerhalb eines bestimmten Öffnungswinkels in die Faser eingeleitet werden kann. Dann ist also nur ein einziger (Single) Mode übertragbar. Zur gleichzeitigen Übertragung verschiedener Moden dient die sogenannte Multimodefaser, welche man zudem in Stufenindexfasern und Gradientenindexfasern unterscheidet. Bei Stufenindexfasern ändern sich die Brechzahlen abrupt, also in einer Stufe, währen sich bei Gradientenfasern die Brechungszahl ab den Corerand sukzessive und kontinuierlich in Form einer Parabel ändert. Der Core von Multimodefasern hat einen Durchmesser von 50 bis 1500 µm. In Europa sind 50 µm Gradientenindexfasern gebräuchlich, in Nordamerika werden 62,5 µm Fasern bevorzugt.

Bandbreiteneinschränkungen durch Länge und Material

Analog zum Ohmschen Widerstand des Kupferdrahtes ist bei Lichtwellenleitern der Verlust der Energie durch teilweises Austretend er Lichtstrahlen problematisch. Dies betrifft vor allem Stecker- und Spleißverbindungen. Weitere Dämpfungen des Lichtleiters sind sowohl verlegebedingter, als auch materialbedingter Natur. Essentiell ist hier das Vermeiden eines zu geringen Biegeradius. In einem Kabelknick ändert sich der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche der Materialien verschiedener optischer Dichte trifft (Multimodefaser). Durch so entstehende Totalreflexionen wirken der  Übertragungsenergie entgegen und schwächt damit die Signalqualität.

materialbedingte Dämpfung

Materialbedingte Einflüsse auf die optische Übertragung sind in der Regel abhängig von den Wellenlängen der Strahlen. Bereiche minimaler Dämpfung liegen bei einer Wellenlänge von 1300 nm und 1550 nm. Jenseits von 1600 nm steigt die Dämpfung aufgrund von Lichtabsorption linear (nochmal prüfen). Grund dafür sind Verunreinigungen des Materials durch OH- und Schwermetallionen (Kupfer, Eisen, …), welche die optische Energie in thermische umwandeln. Besonders OH- Ionen finden Beachtung, da sie ein fester Bestandteil von Glas sind.

materialbedingte Lichtabsorption

Ab bestimmten Wellenlängenbereich treten in Lichtwellenleitern Resonanzeffekte auf. Die so absorbierte Energie wandelt sich in Wärme um. Das für Lichtwellenleiter benutzte Material ist höchst reines Silikatglas, welches  jedoch erst zwischen 10000 nm und 20000 nm Wellenlänge derartige Resonanzen aufweist. Wie oben beschrieben steigen aufgrund von Verunreinigungen im Glas ab 1600 nm Wellenlänge steigen die Verluste durch Dämpfung deutlich an. Dank moderner Technologien spielen Verunreinigungen heute wenig bis keine Rolle mehr.

materialbedingte Lichtstreuung

Lichtstreuungen entstehen durch Unreinheiten im Material, welche sich insbesondere im Schmelz- und Abkühlprozess gebildet haben. Im zur Übertragung von Daten genutzten Wellenlängenbereich, lässt sich eine stärkere Dämpfung feststellen. Somit werden Streuverluste bei größer  werdenden Wellenlängen am geringsten.

Dispersion

Bei der Übertragung von Lichtsignalen in einer hohen Frequenz, kann Dispersion als Folge auftreten. Bei Übertragung in der Glasfaser, werden die Lichtpulse aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten immer breiter und gehen so beinah ineinander über. Mit steigender Leitungslänge werden die Signale so immer unschärfer, bis sie nicht mehr interpretiert werden können.

Materialdispersion

Weißes Licht ist bekanntlich die additive Mischung aller Spektralfarben des sichtbaren Lichtes. Leitet man einen weißen Lichtstrahl durch ein Prisma, wird aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen das Licht in seine einzelnen Spektren und in verschiedene Winkel aufgebrochen. Ein optischer Sender sendet jedoch ausschließlich in einem einzelnen Frequenzbereich. Somit laufen Signale mit bestimmten Wellenlängen länger im Leiter als andere, da sie in einem unterschiedlichen Winkel gebrochen werden. Das hat Laufzeitunterschiede zur Folge und resultiert bei entsprechender Leitungslänge in unscharfen Signalen, welch dann unter Umständen nicht mehr interpretiert werden können. Dies lässt sich jedoch einfach  vermeiden, indem der Sender lediglich in einem kleinen Frequenzbereich und anstatt Leuchtdioden, mit Laserdioden sendet.

Modendispersion

In Multimodekabeln können Laufzeitunterschiede der eingespeißten Lichtenergie vorkommen. Dieses Problem lässt sich allgemein durch Gradientenfasern minimieren (Gradientenfaser hat einen vom Kern nach außen hin abnehmenden Brechungsindex). Generell liegt die Modendispersion in etwa derselben Größenordnung wie die Materialdispersion. Bei Stufenindexfasern überwiegt die Modendispersion.

Wellenleiterdispersion, chromatische Dispersion

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines eingespeisten Pulses ist abhängig von seiner Wellenlänge. Das ist auch der Grund, warum sich die einzelnen Spektralanteile im Leiter auch unterschiedlich schnell ausbreiten. Dies führt wiederum zu einer Verbreiterung/ Verschwammen des Lichtpulses. Diese Dispersionsform ist bei Multimodefasern ggü. anderer Dispersionsarten vernachlässigbar. Dafür spielt sie bei Singlemodeleiter eine große Rolle. Nicht zuletzt, da Singlemodefaser zur Überbrückung großer Distanzen benutzt werden. Dafür treten hier bei Singlemodefasern keine Modendispersion auf.