Das Prinzip der Umwandlung und Übertragung von Informationen über optische Fasern

Moderne Kommunikationsleitungen zur Übertragung von Informationen über weite Entfernungen sind häufig reine optische Leitungen, da diese Technologie eine recht hohe Effizienz aufweist, die sie beispielsweise bei der Bereitstellung eines breitbandigen Zugangs zum Internet seit vielen Jahren erfolgreich unter Beweis stellt .

Die Faser selbst besteht aus einem Glaskern, der von einer Hülle umgeben ist, deren Brechungsindex niedriger ist als der des Kerns. Der Lichtstrahl, der für die Übertragung von Informationen entlang der Leitung verantwortlich ist, breitet sich entlang des Faserkerns aus, wird auf seinem Weg vom Mantel reflektiert und gelangt somit nicht aus der Übertragungsleitung.

Die strahlformende Lichtquelle ist normalerweise Dioden- oder Halbleiterlaser, während die Faser selbst je nach Kerndurchmesser und Brechungsindexverteilung Singlemode oder Multimode sein kann.

Optische Fasern in Kommunikationsleitungen sind elektronischen Kommunikationsmitteln überlegen und ermöglichen eine schnelle und verlustfreie Übertragung digitaler Daten über große Entfernungen.

Grundsätzlich können optische Leitungen ein eigenständiges Netzwerk bilden oder dazu dienen, bereits bestehende Netzwerke zu vereinen – Abschnitte von Glasfaserautobahnen, die physisch auf der Ebene der Glasfaser oder logisch – auf der Ebene der Datenübertragungsprotokolle – verbunden sind.

Die Geschwindigkeit der Datenübertragung über optische Leitungen lässt sich in Hunderten von Gigabit pro Sekunde messen, beispielsweise beim 10-Gbit-Ethernet-Standard, der seit vielen Jahren in modernen Telekommunikationsstrukturen eingesetzt wird.

Als Jahr der Erfindung der Glasfaser gilt das Jahr 1970, als Peter Schultz, Donald Keck und Robert Maurer – Wissenschaftler bei Corning – eine verlustarme Glasfaser erfanden, die die Möglichkeit eröffnete, das Kabelsystem zur Übertragung des Telefonsignals zu duplizieren ohne Repeater eingesetzt werden. Die Entwickler haben ein Kabel entwickelt, mit dem Sie in einer Entfernung von 1 Kilometer von der Quelle 1 % der optischen Signalleistung einsparen können.

Dies war der Wendepunkt für die Technologie. Ursprünglich waren Leitungen für die gleichzeitige Übertragung von Hunderten von Lichtphasen konzipiert. Später wurden einphasige Glasfasern mit höherer Leistung entwickelt, die die Signalintegrität über größere Entfernungen aufrechterhalten konnten. Einphasige Null-Offset-Fasern sind seit 1983 bis heute der gefragteste Fasertyp.

Um Daten über eine Glasfaser zu übertragen, muss das Signal zunächst von elektrisch in optisch umgewandelt, dann über die Leitung übertragen und dann am Empfänger wieder in elektrisch umgewandelt werden.Das gesamte Gerät wird als Transceiver bezeichnet und umfasst neben optischen auch elektronische Komponenten.

Das erste Element einer optischen Leitung ist also ein optischer Sender. Es wandelt eine Reihe elektrischer Daten in einen optischen Strom um. Der Sender umfasst: einen Parallel-Seriell-Wandler mit einem Synchronimpuls-Synthesizer, einen Treiber und eine optische Signalquelle.

Die Quelle des optischen Signals kann eine Laserdiode oder eine LED sein. Herkömmliche LEDs werden in Telekommunikationssystemen nicht verwendet. Der Vorstrom und der Modulationsstrom zur direkten Modulation der Laserdiode werden vom Lasertreiber geliefert. Anschließend wird das Licht über den optischen Stecker in die Faser eingespeist optisches Kabel.

Auf der anderen Seite der Leitung werden das Signal und das Zeitsignal von einem optischen Empfänger (meist ein Fotodiodensensor) erfasst, in ein elektrisches Signal umgewandelt, verstärkt und anschließend das übertragene Signal rekonstruiert. Insbesondere kann der serielle Datenstrom in einen parallelen umgewandelt werden.

Der Vorverstärker ist dafür verantwortlich, den asymmetrischen Strom vom Fotodiodensensor in Spannung umzuwandeln, um ihn anschließend zu verstärken und in ein Differenzsignal umzuwandeln. Der Datensynchronisierungs- und Wiederherstellungschip stellt die Taktsignale und deren Timing aus dem empfangenen Datenstrom wieder her.

Der Zeitmultiplexer erreicht Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s. So gibt es heute folgende Standards für die Geschwindigkeit der Datenübertragung durch optische Systeme:

Wellenlängenmultiplex und Wellenlängenmultiplex ermöglichen eine weitere Erhöhung der Datenübertragungsdichte, wenn mehrere gemultiplexte Datenströme auf demselben Kanal gesendet werden, jeder Strom jedoch seine eigene Wellenlänge hat.

Singlemode-Fasern haben einen relativ kleinen äußeren Kerndurchmesser von etwa 8 Mikrometern. Eine solche Faser ermöglicht die Ausbreitung eines Strahls mit einer bestimmten Frequenz, die den Eigenschaften einer bestimmten Faser entspricht. Wenn sich der Strahl alleine bewegt, verschwindet das Problem der Intermode-Dispersion, was zu einer höheren Leitungsleistung führt.

Die Dichteverteilung des Materials kann stufenförmig oder stufenförmig sein. Die Gradientenverteilung ermöglicht einen höheren Durchsatz. Die Singlemode-Technologie ist dünner und teurer als die Multimode-Technologie, es handelt sich jedoch um die derzeit in der Telekommunikation verwendete Singlemode-Technologie.

Multimode-Fasern ermöglichen die gleichzeitige Ausbreitung mehrerer Übertragungsstrahlen in unterschiedlichen Winkeln. Der Kerndurchmesser beträgt üblicherweise 50 oder 62,5 µm, wodurch die Einbringung optischer Strahlung erleichtert wird. Der Preis für Transceiver ist niedriger als für Singlemode-Transceiver.

Es handelt sich um eine Multimode-Faser, die sich sehr gut für kleine Heim- und lokale Netzwerke eignet. Das Phänomen der Intermode-Dispersion wird als Hauptnachteil von Multimode-Fasern angesehen. Um dieses schädliche Phänomen zu reduzieren, wurden daher speziell Fasern mit einem Brechungsindexgradienten entwickelt, sodass sich die Strahlen entlang parabolischer Pfade ausbreiten und der Unterschied in ihren optischen Pfaden kleiner ist .Auf die eine oder andere Weise bleibt die Leistung der Singlemode-Technologie immer noch höher.