Licht und Schatten (Glasfaserkabel)
Der letzte zu behandelnde Leitungstyp ist der Lichtwellenleiter, oder auch das Glasfaserkabel. Der Netzwerker spricht hier von Fiber Optic.
Um diese Art der Leitung zu nutzen muss man zwar zuerst elektrische Signale in Licht umwandeln, aber der Aufwand lohnt sich.
Der Hauptvorteil von Glasfaserkabeln liegt in der sehr hohen Übertragungskapazität des Mediums, die bis zu mehreren Gigabit/s reicht (Die moderne Festplatte bezeichnet sich als Hochleistungsgerät wenn sie reale 80 Megabit/s erreicht.)
Abgesehen davon ist eine Glasfaserübertragung völlig unempfindlich gegen elektrische und elektromagnetische Störungen und lässt sich deshalb gut in elektrisch verseuchten Umgebungen wie in Maschinenhalle einsetzen (Neben einem Plasma-Schweisbrenner ist an eine elektromagnetische Übertragung nicht mehr zu denken.).
Telefongesellschaften lieben Glasfaserkabel aus einem ganz anderen Grund. Sie sind wesentlich leichter als Kupferkabel.
Spieglein, Spieglein an der Wandung
Die physikalische Grundlage für Lichtwellenleiter ist das Prinzip von Brechung und Reflexion. Licht wird beim Übergang von einem optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium vom Einfallslot weg gebrochen. Die Ursache liegt in der sich ändernden Lichtgeschwindigkeit. Dies hat in jedem Medium einen anderen Wert. In einem optisch dichteren Medium bewegt sich das Licht langsamer fort. als in einem optisch dünneren.
Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c zur Lichtgeschwindigkeit in einem anderen Medium v ergibt die Brechzahl c/v.
Bei jedem Medienübergang wird ein Teil des Lichts reflektiert - je stumpfer der Einfallswinkel, desto mehr. Der Anteil des reflektierten Lichts hängt vom Unterschied der optischen Dichten und von Einfallswinkel ab. Erreicht der Einfallswinkel einen kritischen Wert wird das Licht an der Grenzfläche total reflektiert.
Diese Totalreflektion bildet das Prinzip des Lichtwellenleiters. Für genauere Angaben empfehle ich den Abschnitt Optik im nächsten Physikbuch.
Die Aufgabe des Lichtwellenleiters ist es das Licht möglichst verlustfrei über weite Strecken hinweg zu transportieren. Da sich Licht aber geradlinig ausbreitet (Gravitation krümmt nur den Raum, nicht das Licht), muss man es irgendwie einsperren, da sonst bei jeder Biegung des Kabels ein Teil des Lichts austräte, und eine Übertragung über längere Strecken nicht möglich wäre.
Um dies zu verhindern konstruiert man den Lichtwellenleiter als optische Röhre. Im Inneren der Röhre kann sich das Licht ungehindert fortpflanzen und an der Wandung wird es reflektiert. Durch die Reflexion am Mantel wird der Lichtstrahl gezwungen »in der Spur« also im Innern des Leiters zu bleiben.
Von Licht und Moden
Die einfachsten Lichtwellenleiter bestehen aus einem konzentrischen optischen Kern mit einer hohen Brechzahl, der mit einem optischen Mantel niederer Brechzahl versehen ist. Dadurch ist sichergestellt, das Licht das in einem bestimmten Winkelbereich in den Lichtwellenleiter eintritt, durch fortlaufende Totalreflexion am Mantel weiterbefördert wird. Leiter mit diskreten Brechungsindizes nennt man Stufenprofilfasern.
Der Umstand dass das Licht weiterbefördert wird reicht allerdings nicht aus. Wichtig ist auch die Verformung der Lichtimpulse. Licht das in einem Winkel nahe dem maximalen Einfallswinkel in den Lichtwellenleiter eintritt wird auf seinem Weg sehr viel häufiger reflektiert, als Licht das in einem Winkel nahe der Achse des Lichtwellenleiters einfällt. Man nennt Licht das sehr häufig reflektiert wird Licht hohen Modus, Licht das weniger häufig reflektiert wird Licht niedrigen Modus.
Licht hohen Modus legt innerhalb des Leiters einen längeren Weg zurück und braucht entsprechend mehr Zeit. Fällt nun Licht mit nicht genau definiertem Einfallswinkel in den Leiter ein, kommt es zu einer Dehnung des Lichtimpulses wegen der unterschiedlichen Laufzeiten. Diesen Effekt nennt man Dispersion und da er die erreichbare Übertragungsrate beschränkt versucht man ihn zu vermeiden.
Abhilfe schafft hier ein nach außen stetig abnehmender Brechungsindex, durch den sich die Laufzeiten der Signale über die Kabellänge ausgleichen. Diese Lichtwellenleiter nennt man Gradientenprofilfasern.
Die geringste Dispersion weisen Monomode-Fasern auf. Im Gegensatz zu Multimode-Fasern leiten diese nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Ihr Kerndurchmesser ist so gering, das sich das Licht praktisch nur noch entlang der Längsachse ausbreiten kann. Mit diesen Fasern ist also die höchste Übertragungsrate zu erzielen.
