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Informationstechnik

Die polymere optische Faser in der optischen Signalübertragung (1)

Zum Verständnis dieser Technik sind einige Grundlagen der Optik nötig, die für alle Lichtwellenleiter gelten: Reflexion, Brechung und Totalreflexion. Immer wenn Licht auf die Grenzfläche zweier Stoffe mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften fällt, wird ein Teil des Lichtes reflektiert und ein Teil absorbiert bzw. gebrochen und im zweiten Medium weitergeleitet.

  • Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Das reflektierte Licht verlässt die reflektierende Fläche unter dem gleichen Winkel a, in dem der ankommende Lichtstrahl gegen eine Senkrechte, das »Einfallslot«, auf die reflektierende Fläche trifft (Bild 1).
  • Lichtbrechung: Trifft ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren Medium (hier: Luft) schräg auf ein optisch dichteres Medium (hier: PMMA, kurz für Polymethylmethacrylat oder Acrylglas), so wird er zum Einfallslot hin gebrochen. Trifft ein Lichtstrahl umgekehrt von einem optisch dichten Medium kommend schräg auf ein optisch dünneres Medium, so wird er vom Einfallslot weg geknickt. Die Brechung entsteht, da sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in Abhängigkeit von der Brechzahl ändert (Bild 1).
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  • Optische Dichte, Brechzahl, Brechungsindex: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes (der elektromagnetischen Welle) in einem Medium hängt von der optischen Dichte des Mediums ab. Das Maß dieser optischen Dichte ist der Brechungsindex, der die Brechungseigenschaften des Mediums bezogen auf Vakuum beschreibt. Die Brechzahl gibt gleichzeitig das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit im betreffenden Medium an. Dies wird nach dem Snellius´schen Brechungsgesetz folgendermaßen beschrieben
GiG_1208_114_Formel01
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Daraus ergibt sich für die Darstellung:

GiG_1208_114_Formel02
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und die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium PMMA:

GiG_1208_114_Formel03
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n = Brechzahl c0 = Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum = 300 000 km/s (gerundeter Wert)

  • Totalreflexion von Licht: Beim Übergang vom optisch dichteren Medium (PMMA) in das optisch dünnere Medium (Luft) kommt es zur Totalreflexion, wenn der Winkel des auftreffenden Lichtstrahls genügend flach ist (Bild 2). Nach dem Snellius’schen Brechungsgesetz gilt:
GiG_1208_114_Formel04
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Kurzprofil POF

Lichtwellenleiter aus PMMA – sog. POF – verwendet man zur Signalübertragung über kurze bis mittlere Entfernungen. Zu den bekanntesten Anwendungen gehören die digitale Audioschnittstelle S/P-DIF bei Geräten der Unterhaltungselektronik, die Datenübertragung im Automobil oder Feldbussysteme wie Profibus in der Automatisierungstechnik. Neuerdings werden POF auch für breitbandige Datennetzanwendungen in Wohn-, Büro- und Industrieumgebungen nach den Ethernet-Standards sowie der in der Automatisierungstechnik mit Profinet eingesetzt. Mit POF lassen sich Entfernungen bis zu 70 m überbrücken, mit einigen Aktivkomponenten 150 m. Typische Übertragungsraten am Markt verfügbarer Produkte betragen derzeit 100 Mbit/s bei einer Länge bis 100 m. Komponenten mit Gbit-Schnittstellen werden derzeit vorgestellt.

GiG_1208_114_02

 

Vorteile von Polymerfasern

POF-Kabel sind im Vergleich mit Kupfer-Datenkabeln wesentlich dünner, leichter und flexibler. Wie Glasfaserkabel sind sie unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen und strahlen auch keine elektromagnetischen Felder ab. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den Kupfer-Kommunikationskabeln, bei denen ein sehr hoher Aufwand für die Abschirmung von elektromagnetischen Feldern betrieben werden muss. Polymerfasern sind dielektrisch und realisieren eine galvanische Trennung, so dass keine Ausgleichsströme fließen können. Weiter sind bei POF-Kabeln keine Schutzmaßnahmen gegen das Auftreten einer zu hohen Berührungsspannung oder Überspannungen erforderlich. Es sind auch keine Mindestabstände zu Energiekabeln einzuhalten. POF-Kabel können daher zusammen mit dem Stromkabel, z. B. in einem gemeinsamen Leerrohr, verlegt werden. Sie können sogar gemeinsam mit den Adern für die Stromversorgung im gleichen Kabel geführt werden.

 

GiG_1208_114_Tab01
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Bei den in diesem Beitrag beschriebenen Standard-Polymerfasern wird sichtbares Licht für die Übertragung verwendet. Das erleichtert die Durchgangsprüfung der Fasern und ist ungefährlich für das menschliche Auge (Tabelle 1). 

Über den Autor
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Werner Stelter

Dozent am BFE-Oldenburg und leitet dort die Seminare in der Produktgruppe »Lichtwellenleitertechnik«

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