Glasfaserkabel werden heute weithin zur Datenübertragung verwendet. In einigen Bereichen der IT haben sie traditionelle Kommunikationsleitungen auf der Basis von Metallleitern vollständig ersetzt. Optische Leitungen sind besonders effektiv, wenn große Datenmengen über große Entfernungen übertragen werden müssen.
Inhalt
Die physikalischen Grundlagen der Glasfaser
Die physikalischen Prinzipien des Glasfaserbetriebs basieren auf dem Prinzip der Totalreflexion. Nehmen wir zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes n1 und n2, und n2<n1 (z. B. Luft und Glas oder Glas und transparenter Kunststoff) und einen Lichtstrahl in einem Winkel α auf die Grenzfläche richten, dann treten zwei Ereignisse auf.
Ein Strahl (in der Abbildung rot dargestellt), der von oben links (entlang des Pfeils) ausgestrahlt wird, wird teilweise gebrochen und durchläuft ein Medium mit einem Brechungsindex n2 Winkel α1<α - dieser Teil des Strahls ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet.Der andere Teil des Strahls wird von der Grenzfläche im gleichen Winkel reflektiert. Wenn der Strahl in einem flacheren Winkel β (der grüne Strahl in der Abbildung) abgefeuert wird, passiert dasselbe - teilweise Reflexion und teilweise Brechung unter einem Winkel β1.
Wird der Einfallswinkel α weiter verkleinert (blauer Strahl in der Abbildung), so kann der gebrochene Teil des Strahls nahezu parallel zur Mediengrenzfläche „gleiten“ (blaue gestrichelte Linie). Eine weitere Verringerung des Einfallswinkels (ein unter einem Winkel β einfallender grüner Strahl) führt zu einem qualitativen Sprung - der gebrochene Teil fehlt. Der Strahl wird von der Grenzfläche zwischen den beiden Medien vollständig reflektiert. Dieser Winkel wird als Winkel der Totalreflexion bezeichnet, und das Phänomen selbst wird als Totalreflexion bezeichnet. Dasselbe wird bei einer weiteren Verringerung des Einfallswinkels beobachtet.
Optisches Fasergerät
Glasfaser ist auf diesem Prinzip aufgebaut. Es besteht aus zwei koaxialen Schichten mit unterschiedlicher optischer Dichte.
Wenn ein Lichtstrahl in einem Winkel größer als der Lichtreflexionswinkel in das offene Ende der Faser eintritt, wird er von der Kontaktgrenze zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes vollständig reflektiert, mit geringer Dämpfung bei jedem "Sprung".
Der äußere Teil des Lichtwellenleiters besteht aus Kunststoff. Der innere kann auch aus transparentem Kunststoff sein, dann kann er in ausreichend großen Winkeln gebogen (sogar zu einem Ring gerollt werden, und das Licht, das hineinkommt, wird je nach optischen Eigenschaften immer noch von einem Ende zum anderen mit Dämpfung passieren des Kunststoffs und der Länge des Lichtleiters). Bei Backbone-Kabeln, bei denen Flexibilität nicht so wichtig ist, besteht der innere Kern normalerweise aus Glas.Dies reduziert die Dämpfung, reduziert die Kosten der Faser, aber sie wird empfindlich gegenüber Biegungen.
Um den Durchsatz einer optischen Leitung zu erhöhen, wird die Faser in einer Two-Mode- oder Multi-Mode-Version hergestellt. Dazu wird der Aderquerschnitt auf 50 Mikrometer bzw. 62,5 Mikrometer (gegenüber 10 Mikrometer bei Singlemode) erhöht. Durch eine solche optische Faser können zwei oder mehr Signale gleichzeitig übertragen werden.
Dieser Aufbau der optischen Übertragungsleitung hat bestimmte Nachteile. Eine davon ist die Lichtstreuung, die durch den unterschiedlichen Weg jedes Signals verursacht wird. Sie lernten, damit umzugehen, indem sie einen Kern mit einem Gradienten (von der Mitte zu den Rändern wechselnd) Brechungsindex machten. Aus diesem Grund werden die Wege verschiedener Strahlen korrigiert.
Kabel mit Multimode-Fasern werden hauptsächlich für lokale Netzwerke (innerhalb desselben Gebäudes, eines Unternehmens usw.) und mit Singlemode-Fasern für Amtsleitungen verwendet.
Faserleitungsgerät
Der FOCL sendet ein Lichtsignal aus, das von einer LED oder einem Laser erzeugt wird. Im Sender wird ein elektrisches Signal erzeugt. Auch das Endgerät benötigt ein Signal in Form von elektrischen Impulsen. Daher müssen die Originaldaten zweimal transformiert werden. Ein vereinfachtes Diagramm einer Glasfaserleitung ist in der Abbildung dargestellt.
Das Signal des Senders wird in Lichtimpulse umgewandelt und über eine optische Leitung übertragen. Die Leistung der Sender auf der Sendeseite ist begrenzt, daher werden auf langen Leitungen in bestimmten Abständen Geräte installiert, die die Dämpfung kompensieren - optische Verstärker, Regeneratoren oder Repeater.Auf der Empfangsseite befindet sich ein weiterer Konverter, der das optische Signal in ein elektrisches umwandelt.
Optisches Kabeldesign
Um eine Glasfaserleitung zu organisieren, werden einzelne Fasern als Teil eines optischen Kabels verwendet. Sein Design hängt vom Zweck der Übertragungsleitung und der Verlegemethode ab, enthält jedoch im Allgemeinen mehrere Fasern mit einer individuellen Schutzbeschichtung (vor Kratzern und mechanischen Beschädigungen). Ein solcher Schutz wird normalerweise in zwei Schichten ausgeführt - zuerst eine zusammengesetzte Hülle und darüber eine zusätzliche Beschichtung aus Kunststoff oder Lack. Die Fasern sind von einem gemeinsamen Mantel umgeben (wie herkömmliche elektrische Kabel), der den Umfang des Kabels bestimmt und unter Berücksichtigung der äußeren Einflüsse ausgewählt wird, denen die Leitung während des Betriebs ausgesetzt ist.
Bei der Verlegung in Kabelrinnen besteht das Problem, die Leitungen vor Nagetieren zu schützen. In diesem Fall muss ein Kabel gewählt werden, dessen Außenmantel mit Stahlband oder Drahtpanzerung verstärkt ist. Glasfasern werden auch als Schutz vor Beschädigungen verwendet.
Wird das Kabel in einem Rohr verlegt, ist eine verstärkte Ummantelung nicht erforderlich. Das Metallrohr schützt zuverlässig vor Mäuse- und Rattenzähnen. Die Außenhülle kann leicht gemacht werden. Dies erleichtert das Spannen des Kabels im Rohr.
Soll eine Leitung im Erdreich verlegt werden, erfolgt der Schutz in Form von korrosionsgeschützten Panzerdrähten oder Glasfaserstäben. Es bietet nicht nur einen hohen Widerstand gegen Kompression, sondern auch gegen Dehnung.
Wenn das Kabel in Meeresgebieten, über Flüsse und andere Wasserbarrieren, auf sumpfigem Boden usw. verlegt werden soll, wird ein zusätzlicher Schutz durch ein Aluminium-Polymerband aufgebracht. So wird das Eindringen von Wasser verhindert.
Außerdem enthalten viele Kabel in einem gemeinsamen Mantel:
- Verstärkungsstäbe, die dazu dienen, der Struktur eine größere Festigkeit unter äußeren mechanischen Einflüssen und während einer thermischen Dehnung der Leitung zu verleihen;
- Füllstoffe - Kunststofffäden, die leere Bereiche zwischen Fasern und anderen Elementen füllen;
- Kraftstäbe (ihr Zweck ist es, die Zugbelastung zu erhöhen).
Bei großen Spannweiten hängt die Leitung an einem Kabel, es gibt jedoch selbsttragende Kabel. Das tragende Metallseil ist direkt in die Schale eingebaut.
Als eigenständige Art der Glasfaserleitung ist ein optisches Patchkabel zu nennen. Dieses Kabel enthält eine oder zwei Fasern (Singlemode oder Dualmode), die in einem gemeinsamen Mantel eingeschlossen sind. Auf beiden Seiten ist das Kabel mit Steckern für den Anschluss ausgestattet. Solche Kabel haben eine kurze Länge und sind zum Verbinden von Geräten in kurzer Entfernung oder zum Verlegen von schrankinternen Kommunikationen vorgesehen.
Vor- und Nachteile optischer Kabel
Zu den unbestrittenen Vorteilen optischer Kabel, die die weite Verbreitung solcher Kommunikationsleitungen bestimmt haben, gehören:
- hohe Störfestigkeit - das Lichtsignal wird nicht durch elektromagnetische Strahlung in Haushalt und Industrie beeinträchtigt, und die Leitung selbst emittiert nicht (dies erschwert den unbefugten Zugriff auf die übertragenen Informationen und verursacht keine Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit);
- vollständige galvanische Trennung zwischen Empfangs- und Sendeseite;
- niedriger Dämpfungspegel - viel geringer als bei kabelgebundenen Leitungen;
- lange Lebensdauer;
- großer Durchsatz.
In der modernen Realität kommt es auch darauf an, dass das Kabel keine Metalldiebe anlockt.
Die Optik ist nicht ohne Mängel. Dies ist zum einen die Komplexität der Installation und des Anschlusses, die spezielle Geräte, Werkzeuge und Materialien erfordert und auch erhöhte Anforderungen an die Qualifikation des Personals stellt, das mit der Installation und Wartung von Leitungen befasst ist. Die meisten Fehler in FOCL sind mit Installationsfehlern verbunden, die sich möglicherweise nicht sofort bemerkbar machen. Anfangs waren auch die Kosten für die Linie selbst hoch, aber die Entwicklung der Technologie hat es ermöglicht, diesen Nachteil auf ein wettbewerbsfähiges Niveau auszugleichen.
Optische Kommunikationsleitungen haben einen ernsthaften Sektor auf dem Markt für Kommunikationsmaterialien eingenommen. Ohne einen technologischen Durchbruch sehen sie auf absehbare Zeit keine ernsthafte Alternative.
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