Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung

Für die Übertragung von Nachrichten benötigt man, unabhängig vom verwendeten Verfahren, drei wesentliche Dinge:

Dieses Kapitel beschreibt mit einfachen mathematischen Mitteln die elementaren Grundlagen der Lichtwellenleitertechnik. Kompliziertere Beschreibungsmethoden, die feinere Einzelheiten der Lichtwellenleitereigenschaften verständlich machen, werden in späteren Kapiteln behandelt.

An verschiedenen Stellen des Kapitels 2, z.B. bei der Erklärung der Übertragungsbandbreite einer Faser, wurde deutlich, daß die dort angewandte elementare Mathematik nur für eine oberflächliche Beschreibung der Eigenschaften eines Lichtwellenleiters ausreicht; für eine eingehendere Beschreibung in späteren Kapiteln sind anspruchsvollere mathematische Methoden notwendig. Zu diesen zählt die Systemtheorie [3.1], die sich mit der Beeinflussung von Schwingungsvorgängen beim Durchlaufen eines Systems befaßt. Das Wort „System“ ist dabei ein symbolischer Sammelbegriff, denn der mathematische Formalismus der Systemtheorie kann auf elektrische, mechanische und optische Schwingungen gleich gut angewendet und auch auf vielen anderen Gebieten benützt werden, z.B. in der mathematischen Statistik. Im folgenden werden einige Begriffe und Methoden der Systemtheorie erklärt, die sich für die Beschreibung der Eigenschaften von Lichtwellenleitern und von damit ausgerüsteten Nachrichtenübertragungssystemen als nützlich erwiesen haben.

Die Ausbreitung von Lichtwellen in Lichtwellenleitern wird einerseits durch die Materialeigenschaften der Gläser beeinflußt, aus denen der Lichtwellenleiter aufgebaut ist, andererseits durch die geometrische Form des Lichtwellenleiters und durch sein Brechzahlprofil.

Monomodefasern (neuerdings auch Einmodenfasern genannt) sind als Übertragungsmedium vor allem für Breitbandübertragung über sehr große Entfernungen geeignet. Sie sind ein Sonderfall des in Abschnitt 4.2 behandelten allgemeinen Lichtwellenleiters, bei dem durch einen verhältnismäßig kleinen Kernradius α der υ-Wert (4.60) kleiner als der cutoff-Wert υ_c des zweiten Modus LP₁₁ gemacht wird, sodaß nur der Grundmodus LP₀₁ ausbreitungsfähig ist, s. Bild 4.13 und 4.14. Typische Werte der Parameter von Monomodefasern für λ≈1,3 μm sind 2α≈9μm, A _N≈,0,1 und υ≈2,2. Einzelheiten zur Theorie von Monomodefasern findet man u.a. in [4.10–4.16] sowie in [5.1].

Während Monomodefasern vor allem für Breitbandübertragung über sehr große Entfernungen in Frage kommen, haben Multimodefasern große technische Bedeutung für kostengünstige Übertragungssysteme für kleine bis mittlere Entfernungen und Bitraten (≤10...15 km, ≤140 Mbit/s, Näheres in Abschnitt 7.4). Der Kerndurchmesser 2α und auch die numerische Apertur A _N sind bei Multimodefasern wesentlich größer als bei Monomodefasern; daher sind bei Steckern und Spleißen gröbere mechanische Toleranzen zulässig und als Sender können außer Lasern auch inkohärente Lichtquellen (LED) verwendet werden, weil deren geringere Strahldichte hier ausreicht, um brauchbare Lichtleistungen einzukoppeln. Die meisten Multimodefasern sind Gradientenfasern mit typischen Zahlenwerten von 2α=50 μm, A _N≈0,2, Δ≈0,009, d.h. υ≈37 bei λ = 0,85 μm und υ≈24 bei λ = 1,3 μm. Diese Fasern können nach (4.62) mehrere hundert Moden führen und erreichen Bandbreite-Längenprodukte von einigen GHz·km. Für einfache Kurzstrecken-Übertragungssysteme sind auch Stufenfasern in Gebrauch mit typischen Zahlenwerten von 2α≈100 μm und A _N≈0,3.

Durch ihre hohe Übertragungsbandbreite und ihre geringe Dämpfung sowie durch weitere günstige Eigenschaften, s. Kapitel 1, sind Lichtwellenleiter ein sehr vorteilhaftes Medium für die Übertragung von Breitbandsignalen über große Entfernungen. Zu einem vollständigen Übertragungssystem gehören aber neben dem Übertragungsmedium auch geeignete Sender und Empfänger, die in ihren Abmessungen und Betriebsdaten an das Übertragungsmedium angepaßt sind, sowie zusätzliche Bauteile, wie z.B. Steckverbindungen, Koppel- und Verzweigungselemente. Eine Übersicht über diese Systembestandteile sowie ausführliche Literaturverzeichnisse findet man in [7.1,7.2].