Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium

Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium

 

Die heutigen Computernetzwerke orientieren sich in ihren Funktionen meistens am OSI-Schichtenmodell, wobei die unterste Schicht (Bitübertragungsschicht) ausschließlich zur Datenübertragung dient. Obwohl meist Kupferleitungen als Übertragungsmedium für diese Netzwerke dienen, ist es heute durch die Entwicklungen im optischen Bereich möglich, Daten auch mithilfe von Lichtimpulsen zu übertragen. Dabei stellt ein Lichtimpuls die logische »1« dar, und kein Impuls die logische »0«. Dadurch, dass sichtbares Licht eine Frequenz von 10⁸ MHz hat, kann eine sehr hohe Übertragungsrate erreicht werden. Die Lichtübertragung findet in Lichtwellenleitern statt. Diese runden Fasern aus Quarzglas (Glasfasern, Außendurchmesser bis 125 mm) sind sehr leicht und dünn und können sehr schlecht angezapft werden, d. h., sie sind wesentlich sicherer als Kupferleitungen. Andererseits sind sie mechanisch sehr empfindlich. Sie müssen daher mit einer Beschichtung als Schutzhülle versehen werden.

 

 Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium

 

In einem optischen Übertragungssystem ist das Übertragungsmedium eine Faser aus Glas oder Quarz. An den Enden sitzen elektrooptische bzw. optoelektronische Wandler, die analoge oder digitale Signale in Lichtimpulse und wieder zurück umsetzen. Als Sender werden entweder LEDs (englisch light emitting diode, Leuchtdiode) oder Laserdioden eingesetzt, und als Empfänger Photodioden, die die eintreffenden Lichtimpulse wieder in elektrische Impulse umwandeln. Beim Übergang des Lichtstrahls von Quarz in Luft wird der Strahl je nach einfallendem Winkel an der Grenzfläche reflektiert. Diese Brechung wird durch den Eintrittswinkel und die Brechungsindizes der Materialien bestimmt. Beim Lichtwellenleiter poliert man die Eintrittsfläche und sorgt dafür, dass der Eintrittswinkel oberhalb eines bestimmten Winkels liegt. So werden die Lichtstrahlen totalreflektiert und sind in der Faser gefangen. Reduziert man den Durchmesser der Faser auf die Wellenlänge des Lichtstrahls, dann breitet sich das Licht ohne Reflexion entlang einer geraden Linie aus. Diese Fasern nennt man Einmodemfasern. In Verbindung mit Laserdioden als Sender können so Übertragungsraten von 1000 Mbps (1000 × 1024 Bits pro Sekunde) über eine Strecke von 1 km erzielt werden. Leistungsstarke Laser sorgen dafür, dass ohne Repeater (Verstärker) sehr große Strecken überbrückt werden können.

 

Es ist auch möglich, Lichtwellenleiter in lokalen Netzwerken einzusetzen. Die Technologie ist aber sehr komplex, da es schwierig ist, hinzukommende Glasfasern mit den bereits vorhandenen zu verschmelzen. Um dieses Problem zu umgehen, baut man ein Ringnetz auf, das die Computer von Punkt zu Punkt verbindet. An jedem Computer befindet sich eine Schnittstelle, die die Lichtimpulse bei Bedarf weiterleiten kann und zusätzlich als Verbindung zum Computer dient, damit dieser auch senden und empfangen kann. Die Schnittstelle kann entweder passiv sein oder aus aktiven Repeatern bestehen. Bei passiven Schnittstellen sind zwei Anzapfungen mit der Hauptfaser verschweißt, die mit einer Diode bzw. Photodiode verbunden sind. Fällt eine Schnittstelle aus, funktioniert das Netz zwar weiter, aber der Computer ist dann ohne Verbindung (»offline«). Bei aktiven Repeatern wird das Signal jedes Mal regeneriert (erneuert), sodass die Verbindung von Computer zu Computer mehrere Kilometer lang sein kann. Fällt eine Schnittstelle aus, ist das Netz unterbrochen. Außer diesem Ring können auch andere Netzstrukturen realisiert werden, wie z.B. ein Stern.

 

 Lichtwellenleiternetzwerke

 

Lichtwellenleiter, insbesondere Glasfasern, werden immer häufiger für Hochleistungsnetzwerke eingesetzt. Ein weit verbreitetes Netzwerk ist FDDI (englisch fiber distributed data interface), ein lokales Netzwerk, das bis zu 100 Computer über Entfernungen bis 200 km mit 100 Mbps verbindet. Es kann wie ein normales lokales Netzwerk benutzt werden, wird aber häufig als »Backbone« (Stütze) zur Verbindung von herkömmlichen Netzwerken eingesetzt. Zur Verkabelung von FDDI-Netzwerken werden zwei Glasfaserringe eingesetzt, von denen einer mit dem Uhrzeigersinn und einer entgegen den Uhrzeigersinn überträgt. Sollte ein Ring ausfallen, kann der andere als Sicherung dienen. Beim Ausfall beider Ringe an der gleichen Stelle können diese zu einem großen Ring verbunden werden. Dazu besitzt jede Station Relais, welche zur Verbindung der beiden Ringe oder zur Umgehung der Station verwendet werden. Um die Kosten niedrig zu halten, werden LEDs eingesetzt. Außerdem gibt es Stationen, die jeweils nur mit einem Ring verbunden sind.

 

Durch die zunehmende Verbreitung der Lichtwellenleiter werden zukünftig immer mehr Netzwerke auf der Basis der Glasfaser aufgebaut werden, auch ohne Aufbau von speziellen Lichtwellenleiternetzwerken.