Kabelgrundlagen: Lichtwellenleiterkabel

Die Größe einer optischen Faser (Lichtwellenleiter) wird im Allgemeinen über den Außendurchmesser des Kerns, des Mantelglases und der Ummantelung angegeben. Beispiel: 50/125/250 steht für eine Faser, bei der der Kern 50 Mikrometer, das Mantelglas 125 Mikrometer und die Ummantelung 250 Mikrometer groß ist. Die Ummantelung wird beim Verbinden von Fasern immer entfernt. Ein Mikrometer (µm) entspricht einem Millionstel Meter. 25 Mikrometer entsprechen 0,0025 cm. (Ein Blatt Papier ist ca. 25 Mikrometer stark).

Eine Faser kann anhand der Art des Pfads, den die Lichtstrahlen (oder Moden) im Faserkern nehmen, identifiziert werden. Es gibt zwei grundlegende Fasertypen: Multimode und Singlemode. Multimode-Faserkerne haben entweder einen Stufenindex oder einen Gradientenindex.

Die Bezeichnung Stufenindex-Multimodefaser leitet sich vom Unterschied der Brechzahl zwischen Kern und Mantelglas ab, die sich quasi um eine Stufe unterscheidet.

Bei der stärker verbreiteten Multimodefaser mit Gradientenindex werden die Lichtstrahlen auch auf unterschiedlichen Pfaden durch die Faser geführt. Doch im Gegensatz zur Stufenindex-Faser enthält ein Gradientenindex-Kern mehr Glasschichten, die – von der Achse nach außen hin gesehen – jeweils niedrigere Brechzahlen haben.

Das führt dazu, dass die Lichtstrahlen in den äußeren Schichten beschleunigt werden, um mit den Strahlen Schritt zu halten, die auf dem kürzeren Pfad direkt entlang der Achse verlaufen.

Das bedeutet, dass eine Faser mit Gradientenindex die Ausbreitungszeiten der verschiedenen Moden ausgleicht, so dass Daten über viel längere Strecken und mit größeren Geschwindigkeiten übertragen werden können, bevor sich die Lichtimpulse überlappen und auf der Empfängerseite nicht mehr unterschieden werden können.

Gradientenindex-Fasern sind mit einem Kerndurchmesser von 50, 62,5 und 100 Mikrometern erhältlich. In einer Singlemode-Faser kann nur ein einzelner Lichtstrahl entlang des Kerns übertragen werden. Damit werden praktisch jegliche Verzerrungen durch überlappende Lichtimpulse ausgeschlossen. Der Kern eine Singlemode-Faser ist extrem klein, nur ca. 5 bis 10 Mikrometer.

Der Singlemode hat eine größere Kapazität als die beiden Multimode-Typen. Untersee-Telekommunikationskabel können beispielsweise 60.000 Sprachkanäle über ein Paar Singlemode-Fasern übertragen.

Designanforderungen

Beim Design eines Lichtwellenleiterkabels müssen viele wichtige Aspekte berücksichtigt werden: Zugfestigkeit, Stabilität, Haltbarkeit, Flexibilität, Größe, Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen, Flammbarkeit, Temperaturbereich und äußeres Erscheinungsbild.

Erste Ebene des Faserschutzes

Die optische Faser ist ein sehr kleiner Wellenleiter. In einer Umgebung, in der keine Belastungen oder externe Kräfte einwirken, überträgt dieser Wellenleiter das zugeführte Licht mit minimalen Verlusten oder Abschwächungen.

Zur Abgrenzung der Faser gegen diese externen Kräfte wurden zwei Maßnahmen für den Schutz der Faser auf der ersten Ebene implementiert: Bündelader und Vollader.

Beim Bündeladeraufbau befindet sich die Faser in einer Kunststoffröhre, deren Innendurchmesser deutlich größer als der Durchmesser der Faser selbst ist. Die Kunststoffröhre ist im Normalfall mit einem Gelmaterial gefüllt.

Durch diesen Aufbau wird die Faser vor den externen mechanischen Kräften abgeschottet, die auf das Kabel einwirken. Bei Mehrfaserkabeln werden mehrere dieser Röhren, die jeweils eine oder mehrere Fasern enthalten, mit Verstärkungselementen kombiniert, um die Faser vor Belastungen zu schützen und die Längung und Schrumpfung zu minimieren.

Durch die Änderung der Faseranzahl in der Röhre während der Verkabelung kann das Ausmaß der Schrumpfung durch Temperaturschwankungen kontrolliert werden. Damit wird die Größe der Dämpfung über einen Temperaturbereich minimiert.

Bei dem anderen Verfahren für den Faserschutz, der Vollader, wird Kunststoff direkt über die Basisummantelung der Faser extrudiert.

Der Volladeraufbau kann viel größere Deformations- und Stoßkräfte standhalten, ohne dass die Faser bricht.

Jedoch ist die Faser beim Volladeraufbau nicht so gut vor Temperaturschwankungen geschützt. Die Vollader ist zwar flexibler als die Bündelader, wenn sie aber mit starken Biegungen oder Drehungen verlegt wird, besteht die Gefahr, dass bedingt durch die Mikrokrümmung die optischen Verluste die Nennwertangaben überschreiten.

Eine verfeinerte Form des Volladeraufbaus ist das Breakout-Kabel. In einem Breakout-Kabel ist die Volladerfaser von einem Aramidgarn und einem Mantel, im Normalfall aus PVC, umgeben. Diese einfasrigen Sub-Unit-Elemente werden dann mit einer gemeinsamen Umhüllung versehen und bilden so das Breakout-Kabel. Dieses „Kabel im Kabel“ bietet den Vorteil der direkten und einfachen Anbringung von Steckverbindern und Verlegung der Kabel.

Jede Aufbauform hat ihre Vorteile. Bei der Bündeladerröhre ist die Kabeldämpfung bei einer Mikrokrümmung einer Faser geringer. Zudem bietet sie eine bessere Abgrenzung gegen externe Krafteinwirkungen. Unter mechanischer Dauerbelastung weist die Bündelader eine stabilere Übertragungscharakteristik auf.

Der Volladeraufbau macht die Realisierung kleinerer und leichterer Designs bei einer ähnlichen Faserkonfiguration möglich. Außerdem sind die Kabel in der Regel flexibler und deformationsbeständiger.


Bündel und Vollader – Vor- und Nachteile

Physische Auswahl – Mit der Auswahl des Bündelader- oder des Volladeraufbaus hat der Systemarchitekt eine Entscheidung im Hinblick auf die Vor- und Nachteile bezüglich der Mikrokrümmung und der Flexibilität getroffen. Ziel dabei ist es, den bestmöglichen optischen Betrieb für die konkrete Anwendung sicherzustellen.

Für die Verlegung eines Kabels müssen mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Stoßbeständigkeit sowie Dehn- und Biegefestigkeit berücksichtigt werden. Im Hinblick auf die Umgebungseinflüsse sind Kriterien wie die Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit sowie andere atmosphärische oder bodenspezifische Bedingungen wichtig.

Mechanischer Schutz

Die übliche Belastung des Kabels bei seiner Verlegung kann bereits eine enorme Zugbeanspruchung für die Faser bedeuten.

Je nach Höhe dieser Beanspruchung können Mikrokrümmungsverluste auftreten, die zu einem Anstieg der Dämpfung und zu potenziellen Ermüdungseffekten führen können.

Um die Beanspruchung während der kurzen Zeit bei der Kabelverlegung und später im langfristigen Einsatz abzuführen, werden verschiedene interne Verstärkungselemente in die optische Kabelstruktur eingebaut.

Diese Verstärkungselemente bieten Zugbelastungseigenschaften, die denen von elektronischen Kabeln ähneln, und halten die Fasern frei von jeglichen Belastungen, indem sie die Längung und Schrumpfung minimieren. In manchen Fällen fungieren sie auch als Temperaturstabilisierungselemente.

Optische Fasern dehnen sich nur sehr wenig. Die Verstärkungselemente müssen also eine geringe Längung bei den erwarteten Zugbelastungen aufweisen.


Vergleich der Verstärkungselemente

Bei der Auswahl der Verstärkungselemente müssen die Stoßbeständigkeit und die Dehn- und Biegefestigkeit sowie andere mechanische Faktoren berücksichtigt werden.

Zu den Verstärkungselementen, die in der Regel bei Lichtwellenleiterkabeln zum Einsatz kommen, gehören Aramidgarn, Glasfaser-Epoxidharz-Stäbe (FGE) und Stahldraht. Geht man vom Leistungsgewicht aus, ist Aramidgarn fünf Mal stärker als Stahl. Das Armadigarn und die Glasfaser-Epoxidharz-Stäbe werden häufig eingesetzt, wenn ein dielektrischer Aufbau benötigt wird.

Stahl oder FGE sollten für Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen verwendet werden, da diese Materialien eine bessere Temperaturstabilität besitzen.

Die Belden-Lichtwellenleiterkabel für Innenanwendungen erfüllen die Anforderungen der National Electrical Code-Spezifikation (NEC/CSA) für die Kabelverlegung im Plenum, in Steigleitungen und in senkrechten Kanälen. Belden bietet auch Kabel an, die den heutigen Spezifikationen für halogenfreie Umgebungen entsprechen.

Faseranzahl
Bei der Festlegung der Faseranzahl in der Kabelanlage muss der Systemarchitekt auch die in Zukunft zu erwartenden Netzwerkanforderungen berücksichtigen. In Abhängigkeit von der Anzahl und der Art der Anwendungen im Netzwerk und von der benötigten Redundanzstufe kann die Anzahl der Fasern im Backbone oder zu jedem Verkabelungsschrank von 2 bis zu mehr als 100 reichen. In der folgenden Tabelle werden die Faseranforderungen für verschiedene Anwendungen aufgeführt.

Heute werden, bedingt durch die Kosten für Multiplex-Equipment, in der Regel für jede Anwendung separate, dedizierte Fasern verwendet. Wenn beispielsweise zwei Gebäude mit einem FDDI-Backbone vernetzt werden sollen, würden in dem Kabel, das die Gebäude miteinander verbinden, vier Fasern benötigt werden – zwei zum Senden und zwei zum Empfangen. Es wird empfohlen, mindestens die doppelte Anzahl der tatsächlich benötigten Fasern im Backbone einzuziehen, um auf künftige Erweiterungen eingestellt zu sein.

Als Veranschaulichungsbeispiel werden auf jeder Etage 3 Anwendungen implementiert:

1. FDDI-Daten (4 Fasern)
2. Interaktives Video (2 Fasern)
3. CCTV-Sicherheit (1 Faser)

Diese Anwendungen würden zusammen 7 Fasern in jedem Verkabelungsschrank benötigen. Es wird empfohlen, die doppelte Anzahl von Fasern zu jedem Verkabelungsschrank zu legen, um eine problemlose Erweiterung des Netzwerks in der Zukunft zu ermöglichen.

Für manche Systeme wird zwar klar und deutlich die Anzahl der benötigten Fasern angegeben, das sind aber in der Regel keine verbindlichen Vorgaben. Wenn neben der tatsächlich erforderlichen Faseranzahl weitere Fasern als Reserve verlegt werden, kann die Kabelanlage auch neue Anforderungen in der Zukunft flexibel abdecken.