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Netzwerk-Know-how: Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter (auch LWL, Glasfaser oder Fibre) übertragen Daten im Gegensatz zu Kupferleitungen nicht mit Elektronen, sondern durch Lichtsignale mittels Photonen. Diese Art der Datenübertragung erfolgt über Glasfaser oder Kunststoff und ist wesentlich schneller und störungsfreier. Während die LWL früher ausschließlich im gewerblichen Umfeld genutzt wurden, gewinnen sie auch zunehmend für den Privatnutzer an Bedeutung.

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Worin liegen die Vorteile der LWL?


Das Übertragungssignal von Netzwerkkabeln aus Kupfer nimmt angesichts der höheren Dämpfung schon auf kurze Distanz ab. Zwar gibt es Kupfer-Patchkabel, die aufgrund einer speziellen Schirmung (aus Draht und/oder Kunststoff) wesentlich weitere Strecken überbrücken können, dennoch sind die Glasfaserkabel hier eindeutig im Vorteil. Die Lichtwellenleiter sind bedeutend weniger anfällig für Signalstörungen als Kupferleiter, da sie nicht von elektrischen oder von elektromagnetischen Spannungsfeldern gestört werden können. Sie lassen sich daher auch ohne Probleme neben anderen stromführenden Kabeln und Geräten verlegen, ohne dass die Signalstärke leidet. Verbindungen durch LWL sind grundsätzlich abhörsicherer als Kupferdrahtverbindungen, daher ist der Einsatz von Glasfaserkabeln insbesondere bei sicherheitskritischen Installationen den Kupferkabeln vorzuziehen. Da die Signale von LWL über Licht geleitet werden, sind sie vor Blitzschlag oder Kurzschluss geschützt. Zudem sind Glasfasern sehr dünn und platzsparend, deshalb können sie auch nachträglich weniger aufwändig verlegt werden.

Vergleich TwistedPair Glasfaser

Wie sind Lichtwellenleiter aufgebaut?

Die Konstruktion und die Art eines optischen Netzwerkkabels können sich stark auf die Verbindungsqualität, die Bandbreite sowie die Langlebigkeit auswirken und ist somit nicht zu unterschätzen. Das Glasfaserkabel besteht aus Quarzglas und dessen Kern ist von einem Glasmantel (Cladding) sowie von einer Schicht aus Kunststoff (Primär-Coating) umhüllt. Über den Glasmantel werden die Lichtwellen transportiert, die Kunststoffschicht übernimmt dabei eine stabilisierende und schützende Funktion. Ohne diese Schicht wären die Glasfasern sehr anfällig für Brüche oder Risse und aufgrund ihrer Starrheit kaum verlegbar.

Wie funktioniert ein Glasfaserkabel?

Der YouTube Kanal Physik – simpleclub erklärt es:

Faserstärken

Der Querschnitt eines Faserkerns für den Telekommunikationsbetrieb kann 9,50 oder 62,5 Mikrometer (µm) betragen. Die Beschichtung ist 125 Mikrometer groß und Bestandteil der Beschreibung eines Glasfaserkabels (beispielsweise 9/125µm oder 50/125µm).

Faserarten

9/125µm – Singlemode (Monomode) Fasern

Diese Fasern können weite Distanzen überbrücken und kommen daher auch im Außenbereich zum Einsatz. Singlemode Fasern haben sehr geringe Dämpfungsverluste bei der Übertragung, deshalb ermöglichen sie sehr hohe Distanzen und Bandbreiten.60/125µm und 62,5/125µm – Multimode Fasern

Diese Fasern werden zur Verlegung in Gebäuden genutzt und erreichen deutlich niedrigere Strecken als die Singlemode-Fasern. Die Faserstärke 62,5/125µm wird vorwiegend in Nordamerika genutzt und ist in Europa kaum verbreitet. Multimode Fasern haben eine größere Dämpfung und eine kleinere Bandbreite.

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Innen- oder Außeneinsatz?

Die Auswahl des passenden Kabels für die Installation eines Glasfaser-Netzwerks richtet sich zuallererst nach der Distanz, die mit welcher Geschwindigkeit überwunden werden soll. Es sollte zudem geklärt werden, welchen Bedingungen die Kabel ausgesetzt sein werden (spezielle Verlegung, Temperaturen, Wasser etc.). Man unterscheidet Glasfaser-Innenkabel (Breakout-Kabel) und LWL-Kabel für den Außeneinsatz (Loose-Tube-Kabel). Universalkabel sind für den Innen- sowie Außenverlegung geeignet.

Geschwindigkeiten LWL

Kabelarten


Damit LWL-Label besser vor äußeren Einflussfaktoren geschützt sind, verfügen alle Fasern über einen Primärschutz (Primär-Coating). Dieser primäre Schutz kann allerdings den tatsächlichen Bedingungen beim Verlegen der Kabel oftmals kaum standhalten. Demzufolge werden die Fasern zusätzliche mit einem Zweitschutz (Sekundär-Coating) versehen. Der benötigte Schutz kann je nach Anwendungsgebiet variieren:

  • Vollader: die zweite Schutzschicht ist direkt auf der primären Schutzschicht angebracht und bietet sehr guten Schutz vor Biegungen, Erschütterungen und Druck.
  • Kompaktader: die zweite Schutzschicht ist nicht starr mit der Faser verbunden.
  • Hohlader: bei den Hohladern aus Hartplastik wird die primär geschützte Faser von einem Kunststoffröhrchen umgeben, so dass zwischen Faser und Hülle ein Hohlraum verbleibt.
  • Bündelader: besondere Form der Hohlader mit 24 Fasern und einer Größe von über 900μm.

Weiterhin können Zugentlastungsfäden das Kabel vor Beschädigungen durch Zugkräfte schützen. Auch der Kabelmantel schützt die Glasfasern vor Außeneinflüssen wie Nässe, Druck, Chemikalien, Hitze, Abrieb und Nagetieren.

Je nach Einsatzgebiet können unterschiedliche Schutzmechanismen verwendet werden. Zur Klassifizieren von (Schutz) Eigenschaften sind die Kabel mit unterschiedlichen Kurzzeichen 1 bis 14 nach DIN VDE 0888 gekennzeichnet. In Gebäuden sind LWL-Kabel nur geringen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Hier eignen sich Volladerkabel, da sie eine höhere Stabilität sowie Biegegrad haben.

Störfaktoren bei LWL-Übertragung


Optische Fenster

Die Dämpfung wird in sogenannten optische Fenster unterteilt in: 850, 1.300 und 1.550nm. Kabel des 850er Fensters sind relativ günstig und werden hauptsächlich in lokalen Netzwerken genutzt, wo keine allzu große Distanzen überwunden werden müssen. Das zweite optische Fenster weist eine geringere Dämpfung auf und kommt daher für große lokale Netzwerken in Frage. Das dritte optische Fenster wird im WAN (Wide Area Network) verwendet, welches sich über Städte und große geographische Gebiete erstrecken kann.

Dispersion

Unter Dispersion versteht man Laufzeitverzögerung, die durch Überlappungen von einzelnen Lichtstrahlen entsteht. Das Dispersionverhalten bestimmt grundlegend über die Bandbreite einer Multimode-Glasfaser. Die Dispersion ist abhängig von der zurückgelegten Strecke und wird in der Maßeinheit ns/km angegeben. Die Bandbreite von Multimode-Kabeln wird in MHz*km (Bandbreiten-Längen-Produkt) angegeben.

Verschmutzung

Schmutz und kleinste Staubpartikel von wenigen Mikrometern können die Datenübertragung stark beeinflussen, sogar unmöglich machen. Staubpartikel können sich an der Stirnfläche auf dem Faserkern absetzen und behindern so den Lichtstrahl.

Biegeverluste

Bei Biegung eines Glasfaserkabels büßt das Signal Qualität ein. Man sollte daher darauf achten, dass die Kabel exakt und gerade verlegt werden.

Verbindungsmethoden

Je nach Verbindung der Glasfasern kann die Signalgebung eingeschränkt werden.

Dämpfung

Obwohl das Dämpfungsverhältnis (Abschwächung des eingespeisten Lichtsignal) vergleichsweise gering ausfällt, spielt es auch bei Glasfaserkabeln eine Rolle. Hierbei kommt es auf die Materialien des LWL an. Die Dämpfung ist von der Länge des Lichtwellenleiters abhängig und wird in Dezibel pro Kilometer angegeben (db/km). Je höher die Dämpfung, desto mehr büßt das Signal an Qualität ein. Sie entsteht durch winzig kleine Risse der Faseroberfläche, Lichtstreuung oder Absorption.

Verbindungsmethoden von Glasfasern


Die Verbindung von Lichtwellenleitern geschieht entweder mithilfe von Steckverbindungen oder durch das Spleißverfahren.

Steckverbindungen

Die Verwendung von Steckern stellt eine einfache Methode zur Verbindung von Lichtwellenleitern dar. Stecker haben allerdings den Nachteil der Signaldämpfung und daher sollte – je nach Anwendungszweck – auf die richtigen Stecker geachtet werden. Man unterscheidet:

F-SMA und FC Stecker

F-SMA und FC sind ältere Lichtwellenleiter, F-SMA wurde bereits in den 1970ern entwickelt. Für den Betrieb von Telekommunikationsanlagen kommen derartige Verbindungen bei Neuinstallationen nicht in Frage, lediglich in alten Systemen sind sie noch vorzufinden. Die F-SMA-Stecker kommen allerdings heutzutage immernoch in Laboren, in der Medizin und Messtechnik sowie in militärischen Bereichen zum Einsatz. Das liegt daran, dass diese Stecker sehr robust und teilweise sogar IP65 genormt sind.

ST (Straight Trip)

Diese Steckerart weist eine geringe Dämpfung auf uns wurde/wird oft in lokalen Netzwerken (LAN) eingesetzt. Er ist auch heutzutage noch der am häufigsten installierter Stecker.

SC-Stecker (Subscriber Connector)

Der Nachfolger des ST-Steckers verfügt über einen zusätzlichen Verriegelungsmechanismus, damit das Kabel einen festen Halt und sich nicht löst. Er hat ein rechteckiges Kunststoffgehäuse und ist schnell und einfach montiert. Der SC-Stecker kann sowohl für Multimode als auch für Monomodefasern verwendet werden.

LC (Local Connector)

Der LC- ist der Nachfolger des SC-Steckers und findet sein Einsatzgebiet oftmals in größeren Rechenzentren. Durch seine kompakte Bauform erleichtert dieser die Installation und wird aufgrund seiner hohen Packungsdichte oftmals für LWL-Switches eingesetzt.

E2000

Der E2000 ist ein Standard-Stecker, der sich mehr und mehr verbreitet. Ein bedeutsamer Vorzug dieses Steckers sind seine (Laser-)Schutzkappen und die sehr geringe Dämpfung.

Toslink

Toslink Verbindungen werden insbesondere in der Audiotechnik und innerhalb von Heimkino-Systemen genutzt. Das Kabel besteht aus Lichtwellenleitern mit transparentem Kunststoff und hat einen Kerndurchmesser von einem Millimeter. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt in etwa 20 MB/s.

Verbindungen durch Verspleißen

Glasfasern können durch die sogenannte Verspleißung dauerhaft miteinander verbunden werden. Diese Verspleißung erfolgt mithilfe von Spleißmaschinen, welche die Kabel erhitzen und miteinander verschmelzen. Nach diesem Schmelzverfahren sind die heißen Fasern recht spröde und werden daher durch die sogenannten Schrumpfschlauchtechnik oder eine klebrige Masse (Crimp) gesichert. Der Vorteil an verspleißen Glasfasern sind die geringe Verlustrate und die erhöhte Stabilität der Verbindung. Gespleißte Verbindungen sind aufwändiger und benötigen spezielles Werkzeug und Maschinen, die Verbindungsqualität ist jedoch gegenüber Steckverbindungen verbessert.

Entscheidung für den Einsatz von LWL


Lichtwellenleiter werden insbesondere dort verwendet, wo die Übertragungsgeschwindigkeit und die Bandbreite sehr hoch sein müssen. Bei Neuinstallationen spielen auch sehr häufig die baulichen Gegebenheiten eine maßgebende Rolle hinsichtlich der verwendeten Kabeltechnologie. Liegen bauartbedingt Störfaktoren (z.B. anderweitige stromführende Geräte/Kabel) vor, kann die Installation mit Kupferdrahtkabeln aufwendig werden. Ein ausschlaggebender Faktor bei der Entscheidung für oder gegen das Glasfaserkabel sind sicherlich die höheren Kosten, wenngleich diese immer weiter sinken. Bei großen Installationen machen sich diese Preisunterschiede allerdings stark bemerkbar.

Vorteile

  • höhere Bandbreiten und sehr große Reichweite
  • Abhörsicherheit
  • geringeres Gewicht und Platzbedarf
  • keine Brandgefährdung
  • Signale werden weniger gedämpft
  • weniger störungsanfällig
  • Brandgefahr ist ausgeschlossen

Nachteile

  • kostenintensiv
  • mechanische Empfindlichkeit (durch Brüche)
  • Verlegung kann aufgrund Biegungsverlusten schwierig sein
  • Stecktechnik mit Schwachstellen (Verschmutzung,Justage)
  • keine PoE-Fähigkeit (Stromversorgung von externen Geräten über das Netzwerkkabel)

Zusammenfassung


Bei der Auswahl des passenden Glasfaserkabels sollte man den individuellen Einsatzzweck bereits im Vorhinein analysieren. Folgende Leitfragen könnte man sich stellen:

  • welche Distanzen müssen überbrückt werden?
  • wie hoch muss die Bandbreite sein?
  • welchen Bedingungen werden die Kabel ausgesetzt sein?

Vielen (privaten) Nutzer genügt derzeit noch ein Standard DSL-Anschluss. Da das genutzte Datenvolumen unserer Gesellschaft allerdings kontinuierlich steigt und Anwendungen wie beispielsweise IPTV oder Online-Gaming immer höhere Bandbreiten benötigen, wird auch der Privatmann in absehbarer Zeit auf höhere Geschwindigkeiten nicht verzichten können. Es sind aber insbesondere die Unternehmen, die mit den stetig wachsenden Anforderungen an Ihre IT-Infrastruktur konfrontiert werden. Ein leistungsfähiger Internetanschluss wird daher unverzichtbar, um wettbewerbsfähig sein zu können. Glasfasernetzwerke sind nahezu unbegrenzt skalierbar und bieten hohe Flexibilität. Ein bedeutsamer Stellenwert ist zudem dem Thema Datensicherheit beizumessen. Die Leitungen innerhalb von Firmennetzwerken müssen abhörsicher und verlässlich sein.

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