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Ratgeber
In manchen elektrischen oder elektronischen Gehäusen müssen Signallampen an Stellen erscheinen, bei denen das konstruktiv eigentlich unmöglich ist. Dass es dennoch funktioniert, ist speziellen Bauteilen zu verdanken: den Lichtleitern. Ihre Technologie wird zur Beleuchtung von Stellen genutzt, die für normale Lichtquellen unzugänglich sind. Außerdem können sie Bildsignale und Daten übertragen. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie Lichtleiter und Lichtwellenleiter aufgebaut sind, welche Typen es gibt und wie sie funktionieren.
Lichtleiter leiten Licht – zum Beispiel von einer LED – zu einer Stelle, an der das Licht benötigt wird. Sie bestehen in der Regel aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff mit einem Brechungsindex von etwa 1,5.
Im Grenzwinkel der Totalreflexion in den Leiter eingestrahlt, wird das Licht aufgrund der kompletten Reflexion innerhalb des Leiters sozusagen gefangen.
Es bewegt sich zickzackförmig innerhalb des Lichtleiters bis zu dessen Ausgang, der häufig mit einer optischen Linse ausgestattet ist. Lichtleiter können sowohl starr als auch flexibel sein.
Neben massiven Lichtleitern gibt es auch hohle Bauformen, die Hohllichtleiter oder Lichtröhren, sowie Typen mit vielen einzelnen Glasfasern, die sich einerseits für Beleuchtungszwecke, andererseits auch für Bild- und Datenübertragungen nutzen lassen.
Letztere werden in der Regel als Lichtwellenleiter oder kurz LWL bezeichnet, da sie in der Regel unsichtbare elektromagnetische Wellen als Signale im infraroten Spektralbereich transportieren.
Lichtleiter müssen nicht zwangsläufig lang und gerade sein. Sie lassen sich auch zu komplizierten Formen biegen. Sie können sich verjüngen, verbreitern oder ihre Querschnittsform nach Belieben verändern. Durch die zickzackförmige Totalreflexion innerhalb des Leiters – Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel – sind selbst sehr komplizierte Formen möglich. Solche Leiter mit Glasfasern finden sich häufig in der Beleuchtung von Armaturenbrettern in Kraftfahrzeugen, in deren Außenbeleuchtung sowie in Tastaturen von Laptops.
Einige der wichtigsten Lichtleiter sind flache Platten für die Beleuchtung von Displays für Fernseher, Monitore oder Uhren. Das Licht wird von einer oder mehreren Seiten in den Lichtleiter eingespeist, normalerweise mit LEDs. Durch eine sorgfältige Verteilung der Lichtemission wird das gewünschte gleichmäßige Licht erreicht.
Ein Lichtleiter lässt sich auch dazu verwenden, Licht an Stellen zu leiten, an denen die Lichtquelle selbst nur schwer oder gar nicht angebracht werden kann. Zum Beispiel, um eine Lichtquelle von einer extremen Umgebung zu trennen oder um die Lichtquelle und die dazugehörige Elektronik an einem günstigeren Ort zu platzieren. Das geschieht häufig in Kühlschränken. Die Lichtquelle liegt hier außerhalb des Gefrierschranks und erhöht damit die Energieeffizienz der Kühlung. Ein weiteres Beispiel ist die Lichtführung für einen chirurgischen Eingriff. Die Elektronik zur Lichterzeugung kann hier weit außerhalb des Operationsfeldes untergebracht sein.
Lichtleiter können auch die Form einer optischen Faser besitzen. Solche Glasfasern sind sehr dünne, flexible Drähte aus Glas.
Sie enthalten drei konzentrisch angeordnete Elemente: den Kern, den Mantel und die äußere Ummantelung, die oft als Puffer bezeichnet wird.
Der Kern besteht heute überwiegend aus synthetischem Quarzglas, er ist der lichtleitende Teil der Faser. Als Mantel wird ein Material mit einem etwas niedrigeren Brechungsindex als der Kern verwendet.
Dieser Unterschied in der Brechung führt dazu, dass an der Grenze zwischen Kern und Mantel über die gesamte Länge der Faser – die mehrere Hundert Kilometer betragen kann – eine interne Totalreflexion auftritt.
Das Licht wird komplett durch die Faser übertragen und tritt nicht an den Seiten der Faser aus.
Die verschiedenen Wege beziehungsweise Frequenzen, über die sich ein Lichtstrahl innerhalb eines LWL-Kabels bewegen kann. Sie werden Ausbreitungsmodi genannt. Es gibt derzeit zwei Modi: Multimode und Singlemode.
In einem Multimode-Glasfaser-LWL können Lichtstrahlen mehrere Pfade nutzen, teilweise bis zu 1000 verschiedene. Multimode-Glasfasern-LWL sind in der Regel für kurze Entfernungen von weniger als 2 Kilometer gedacht, die Verbindungen sind einfach zu konstruieren und wirtschaftlich.
Ein Singlemode-Glasfaser-LWL enthält optische Fasern, in denen sich jeweils nur ein einziger Lichtmodus ausbreitet. Dies wird erreicht, indem der Durchmesser des Faserkerns auf eine Größe von 8,3 bis 10 Mikrometer reduziert wird, die nur eine Ausbreitungsart zulässt. Die Übertragung erfolgt parallel zur Faserachse. Im Gegensatz zu Multimode-Fasern können mit Singlemode-Fasern große Entfernungen bis zu 400 Kilometern überbrückt und hohe Raten der elektrischen Signale beziehungsweise der optischen Signale übertragen werden.
Als Sender der Lichtimpulse sind überwiegend Infrarot-LEDs im Einsatz, Infrarot-Hochleistungslaser können dabei Übertragungsraten zumindest über kurze Strecken von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde erreichen.
Mit welcher Wellenlänge arbeiten Glasfaserkabel am effizientesten?
Die Datenrate in Lichtwellenleitern ist von der Dämpfung des Kabels abhängig, diese wiederum von der Wellenlänge des Lasers. Übliche Wellenlängen liegen im infraroten Bereich zwischen 850 und 1625 Nanometern, die geringste Dämpfung ergibt sich bei Wellenlängen von 1064, 1310, 1550 und 1625 Nanometern. Zum Vergleich: Die Laser in DVD-Laufwerken arbeiten mit 657 Nanometern.
Was bedeuten bei Lichtwellenleitern die Angaben OM1 bis OM5?
Dieser Code steht für die Faserqualität des LWL-Kabels, klassifiziert in der ISO/IEC 11801. Für Multimode-Glasfaser-LWL mit einfachen Infrarot-LEDS reichen die Qualitäten OM1 und OM2. OM3 bis OM5 beziehen sich auf Infrarot-Laserdioden.
OM1 und OM2 unterstützten 1-Gigabit-Ethernet, OM3 10-Gigabit Ethernet bis zu 300 Metern. Bis zu 150 Meter lässt sich 40-Gigabyte-Ethernet mit OM4 nutzen. Wird ein oberflächenemittierender Laser – kurz VCSEL – genutzt, sind sogar 100 Gigabit bis zu einer Distanz von 100 Metern möglich. Bei OM5 werden Übertragungen mit 40 Gigabit bis zu 440 Metern erreicht, unter VCSEL-Bedingungen sind sogar 100 Gigabit pro Sekunden über eine Entfernung von bis zu 150 Metern übertragbar.
Was ist unter einem optischen Energiesender zu verstehen?
Ein optischer Energiesender ist Teil der Optoelektronik rund um LWL-Übertragungsstrecken. Er ist mit einem Modulator ausgestattet, der das eingehende elektronische Signal in die von der Lichtquelle akzeptierte Frequenz umwandelt, in der Regel in die Übertragungsfrequenz der Laserdiode.