Lichtwellenleiter

Für schnellste, störungsfreie Datenübertragungen vor allem auf langen Strecken

Lichtwellenleiter als Übertragungsmedium für optische Signale gewinnen zunehmend an Beliebtheit bei der Datenübertragung in Ethernet-Netzwerken. Je nach Einsatzbereich und Art des Lichtwellenleiters erreichen sie dabei höchste Geschwindigkeiten über große Entfernungen und sind zudem durch ihre Erweiterungsfähigkeit das perfekte Argument für nachhaltige Vernetzung. Für Sie klären wir auf, was Lichtwellenleiter sind, wie diese sich unterscheiden und welche Vorteile der Einsatz von Glasfaserkabel mit sich bringt.

Was ist ein Lichtwellenleiter?

Lichtwellenleiter (LWL) sind Leitungen zur Übertragung von Signalen in Form von Licht mittels Fasern aus Quarzglas oder polymeren optischen Fasern (Kunststoffen). Dabei werden die optischen Signale (Lichtsignale) über weite Strecken übertragen.

Im Volksmund werden diese häufig als Glasfaserkabel bezeichnet. Genaugenommen handelt es sich bei einem Glasfaserkabel allerdings um einen speziellen Lichtwellenleiter-Typ, dessen Fasern aus dem Grundwerkstoff Glas bestehen. Lichtwellenleiter hingegen ist der Oberbegriff für alle Leitungen, die Licht leiten, zu denen auch die Glasfaser (Glas Optical Fiber) gehört.

Wie sind Lichtwellenleiter aufgebaut?

Lichtwellenleiter sind mit Faserkernen aus Quarz- oder Kunststofffaser verfügbar. Die optische Übertragung von Signalen in einem Lichtwellenleiter funktioniert dabei nach dem Prinzip der „Totalreflektion“. Damit diese erreicht werden kann wird rund um den lichtleitenden Kern (Core) ein optischer dünnerer Mantel (Cladding) gelegt. An den Grenzflächen zwischen Kern und Mantel wird das Licht reflektiert und so durch den LWL geführt. Ausschlaggebend für die Totalreflektion ist hierbei der, im Vergleich zum Mantelmaterial, höhere Brechungsindex des eingesetzten Fasermaterials im Kern.

Für den mechanischen Schutz der Oberfläche des optischen Mantels (Cladding) wird zudem eine Kunststoffbeschichtung (Coating) als Außenmantel aufgebracht. Damit wird die Leitung vor äußeren Einflüssen geschützt.

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Nummer Bestandteil
1 Beschichtung (Coating)
2 Optischer Mantel (Cladding)
3 Optischer Kern (Core)

Welche Lichtwellenleiter gibt es bei LAPP?

In unserem LAPP-Portfolio bieten wir Ihnen drei übergeordnete Fasertypen für Lichtwellenleiter an:

  • Polymer Optical Fibers (POF)
  • Polymer Cladded Fibers (PCF)
  • Glas Optical Fibers (GOF)

Im Wesentlichen unterscheiden sie sich durch das eingesetzte Material im Kern (Core) und im Mantel (Cladding) sowie der dadurch erreichbaren Maximaldistanzen und Übertragungsgeschwindigkeiten.

Im nachfolgenden Kapitel haben wir Ihnen deshalb die wichtigen Unterschiede hervorgehoben.

POF – Kunststofffaser

Polymer Optical Fibers oder kurz POF bestehen vollständig aus Kunststoff. Durch die optischen Polymerfasern, oder auch Kunststofffasern genannt, sind POF-Lichtwellenleiter unempfindlich gegen elektromagnetische Strahlungen von außen und strahlen auch selbst keine elektromagnetischen Strahlen ab.

POF-Lichtwellenleiter lassen sich deshalb sehr einfach verarbeiten und sind z.B. besonders für den Einsatz in Kabelkanälen mit Starkstromleitungen geeignet. Durch Ihre Flexibilität sind Lichtwellenleiter aus optischen Polymerfasern für die feste Verlegung im Innenbereich oder auch den flexiblen Einsatz in Schleppketten geeignet.

Für den Einsatz im Industrial-Ethernet-Bereich bieten wir bei LAPP Ihnen POF-Lichtwellenleiter für spezielle Netzwerkprotokolle wie z.B. PROFINET und ETHERNET/IP.

POF-Lichtwellenleiter bestehen typischerweise aus PMMA (Acryl), einem Allzweckharz als Kernmaterial, weshalb sie auch als PMMA-Lichtleitfaser bezeichnet werden. Ähnlich wie die Glas-Lichtwellenleiter überträgt POF das Licht durch den Kern der Faser.

Eigenschaften eines POF-Lichtwellenleiters

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POF-Fastertyp Anwendungen
P980/1000
  • SIMPLEX (ein-Ader-Anwendung)
  • DUPLEX (zwei-Ader-Anwendung)

 

Nummer Bestandteil
1 Kern (Core): 980μm
2 Mantel (Cladding): 1000 μm
3 Isolationsschicht (Coating): 2200 μm

Der POF-Fasertyp gibt die Abmessungen des Kerns und des Mantels an (Core/Cladding). POF-Lichtwellenleiter werden wegen der einfachen Konfektionierung und der deutlich geringeren Anschaffungskosten besonders in Kurzstreckenanwendungen einem PCF- oder GOF-Lichtwellenleiter häufig vorgezogen.

Ein wesentlicher Nachteil bei POF-Lichtwellenleitern sind hingegen die hohen Dämpfungswerte, die ohne Verstärkung die maximale Länge der Faser auf etwa 100 bis 120 m einschränken.

PCF – Kunststoffummantelte Glasfaser

Polymer Cladded Fibers oder kurz PCF bestehen aus kunststoffummantelten Glasfasern und sind auch bekannt als „Hard-cladded silica optical fiber (HCS)“.

PCF-Lichtwellenleiter kommen vor allem in industriellen und medizinischen Anwendungen vor und bieten das ideale Kosten-Nutzen-Gleichgewicht zwischen Kunststoff-Lichtwellenleitern (POF) und Glas-Lichtwellenleitern (GOF). Ein PCF-Lichtwellenleiter ist etwas anspruchsvoller in der Verlegung, bietet dafür aber im Vergleich zum POF-Lichtwellenleiter deutlich gesteigerte Bandbreiten und eine bessere Dämpfung. Damit erreichen Sie mit einem PCF-Lichtwellenleiter höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und eine bessere Reichweite.

Unsere PCF-Lichtwellenleiter sichern Ihnen auch bei Übertragungsstrecken bis zu 500 Meter, z.B. in großen Fabriken, eine zuverlässige und sehr schnelle Datenübertragung.

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PCF-Fasertyp PCF-Anwendungen
K200/230
  • SIMPLEX (ein-Ader-Anwendung)
  • DUPLEX (zwei-Ader-Anwendung)

 

Nummer Bestandteil
1 Kern (Core): 200 μm
2 Mantel (Cladding): 230 μm
3 Isolationsschicht (Coating): 500 μm

Der PCF-Fasertyp gibt die Abmessungen des Kerns und des Mantels an (Core/Cladding). Auch PCF-Lichtwellenleiter bieten eine einfache und schnelle Konfektionstechnik und sind daher auch problemlos feldkonfektionierbar.

Bestehende POF-Systeme können Sie in der Regel ohne Austausch der Transmitter/Receiver durch PCF-Lichwellenleiter ersetzen und damit größere Distanzen verbinden, was bei einem Upgrade besonders wirtschaftlich ist.

GOF – Glasfaser

Glas Optical Fibers oder kurz GOF bestehen vollständig aus Glas. Wenn von „Glasfaserkabel“ die Rede ist, dann handelt es sich in der Regel um diesen Fasertyp. Im Gegensatz zu POF- und PCF-Lichtwellenleitern ist die optische Glasfaser nicht einfach zu konfektionieren. Für die Verarbeitung von GOF-Lichtwellenleitern wird ein spezieller Spleißroboter benötigt.

Ein GOF-Lichtwellenleiter ist also die „echte“ Glasfaserleitung, denn bei diesem besteht sowohl das Kernglas als auch das Mantelglas aus Quarzglas bzw. Siliziumoxid.

GOF-Lichtwellenleiter werden oftmals auch als „Silica Clad Silica (SCS)“ oder als „All Glass Fiber (AGF)“ bezeichnet. Sie besitzen eine sehr geringe Dämpfung und dadurch, vor allem im Singlemode, eine hohe Datenrate (bis zu 40 Gbps) und Reichweite (bis zu 40 km).

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GOF-Fasertyp
  • Singlemode-Faser, SM, E9/125 OS2
  • Multimode-Faser, MM, G50, G62,5/125 OM

 

Nummer Bestandteil
1 Kern (Core): 9,50 oder 62,5 μm
2 Mantel (Cladding): 125 μm
3 Isolationsschicht (Coating): 250 μm

Aufgrund der geringen Dämpfung ist ein Singlemode-GOF-Lichtwellenleiter gut für große Entfernungen geeignet. Der Faserkern (Core) hat hier einen Durchmesser von 9 µm, während der Durchmesser des Mantels (Cladding) 125 µm beträgt (Schreibweise: 9/125).

Bei einem Multimode-GOF-Lichtwellenleiter wird hingegen Licht unterschiedlicher Wellenlängen übertragen. Aufgrund höherer Dämpfung sind Multimode-Glasfaserleitungen eher für kürzere Strecken beziehungsweise für das lokale Netz geeignet. Der Faserkern (Core) hat hier einen Durchmesser von 50 µm (bzw. 62,5 µm) und der Mantel (Cladding) einen Durchmesser von 125 µm (Schreibweise 50/125 bzw. 62,5/125).

Was ist der Unterschied zwischen Lichtwellenleiter und Kupferleitung?

Über Lichtwellenleiter werden mittels dünner Kunststoff- oder Glasfasern optische Signale in Form von Licht übertragen. Der Transport der Daten erfolgt dabei über Lichtteilchen, die sogenannten Photonen. In Kupferleitungen hingegen werden die Daten in Form von Elektronen durch die Leitung transportiert.

Lichtwellenleiter weisen dabei wesentliche Vorteile gegenüber Kupferleitungen auf, weshalb sie in der heutigen Übertragungstechnik nicht mehr wegzudenken sind und sogar als Übertragungsmedium der Zukunft angesehen werden.

Vorteile von Lichtwellenleitern gegenüber Kupferleitungen:

Vorteile LWL DE

Lichtwellenleiter sind unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, denn optische Signale sind weder Induktivitäten, Kapazitäten noch Widerständen ausgesetzt und erfahren deshalb auch auf lange Entfernungen kaum Verluste.

Die Bandbreite eines einzelnen Lichtwellenleiters beträgt rund 60 THz. Durch das Hinzufügen weiterer Wellenlängen im nahezu unbegrenzten Farbspektrum sind damit enorm hohe Bandbreiten realisierbar und die Kapazitäten lassen sich jederzeit fast beliebig aufstocken.

Elektronen, die in Kupferleitungen den Datentransport ermöglichen, bewegen sich etwa mit einem Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Photonen, die die Daten in Lichtwellenleitern transportieren, erreichen hingegen Geschwindigkeiten von etwa 70 % der Lichtgeschwindigkeit. Das ist in Lichtwellenleitern der Tatsache geschuldet, dass die Photonen durch den Brechungsindex im Leiter etwas länger zu Ihrem Ziel benötigen und deshalb nie exakt die Geschwindigkeit des Lichts erreichen.

Doch allein dieser kleine Vergleich zeigt, welche Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Kupferleitungen und Lichtwellenleitern bestehen.

Neben den wichtigen und wesentlichen Vorteilen weisen Lichtwellenleiter auch einige Nachteile im Vergleich zu Kupferleitungen auf.

Nachteile von Lichtwellenleitern gegenüber Kupferleitungen:

Lichtwellenleiter sind kompakter in den Abmessungen, leichter im Gewicht und schneller in der Datenübertragung, doch das bringt auch höhere Anschaffungskosten in der Herstellung und bei den Steckverbindern mit sich.

Je nach Fasertyp werden zum Teil auch spezielle Spleißroboter für die Verbindung und Konfektionierung der Lichtwellenleiter benötigt.

Der Einsatz von Lichtwellenleitern erfordert meist auch den Einsatz kompatibler Hardware, die es ermöglicht das volle Geschwindigkeitspotential auszuschöpfen.

In den Vorteilen ist zudem die nicht vorhandene Möglichkeit der Zwischenspeicherung von optischen Signalen genannt, da diese dadurch nur schwer abgehört werden können. Dies hat aber auch zur Folge, dass die optischen Signale zur Zwischenspeicherung, Verstärkung oder Weiterverarbeitung immer erst in elektrische Signale umgewandelt werden müssen.

Wo werden Lichtwellenleiter eingesetzt?

Lichtwellenleiter sind heutzutage aus nahezu keinem Bereich der Datenübertragungstechnik mehr wegzudenken. Durch die hohen Reichweiten und Übertragungsraten ersetzen sie zudem in vielen Bereichen zunehmend die elektrische Übertragung mittels Kupferleitungen.

In der industriellen Kommunikation eignen sich Lichtwellenleiter meist durch ihre Resistenz gegen äußere elektromagnetische Einflüsse besonders bei der Verlegung in unmittelbarere Nähe von Starkstromleitungen, Elektromotoren, Pumpen, Wechselrichtern und Frequenzwandlern. Ihr Vorteil dabei: keine Signalstörungen und Datenverluste bei der Netzwerkkommunikation.

Doch nicht nur in der Datenübertragungstechnik spielen Lichtwellenleiter Ihre Trümpfe aus, sondern werden in der Energieübertragung als Lichtleitkabel für den Transport von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung in Laserschneidanlagen oder in der Medizintechnik als Bild- oder Lichtleiter für Mikroskope, Endoskope und zur Geräte- bzw. Gebäudebeleuchtung eingesetzt.

Ein weiterer Einsatzzweck sind z.B. faseroptische Sensoren, Spektrometer oder andere optische Messgeräte in denen Lichtwellenleiter für die Messtechnik zur Distanzermittlung oder Datenübertragung eingesetzt werden.

Wir bei LAPP bieten Ihnen Lichtwellenleiter für nahezu jede Branche und Anwendung. Für Sie verfügen wir über ein breites Sortiment an halogenfreien, ölbeständigen oder hitzebeständigen Leitungen für unterschiedliche Fasertypen zur Verlegung im Innenraum oder im Außenbereich. Konfektioniert, feldkonfektionierbar und mit großer Auswahl an Zubehör und Werkzeug speziell für Sie.

Was muss bei der Auswahl eines Lichtwellenleiters beachtet werden?

Die richtige Lichtwellenleitung für Ihre Anwendung hängt von einigen Faktoren ab. So sind neben dem Einsatzbereich und den sich daraus ergebenden Eigenschaften an die Robustheit, Langlebigkeit und Bewegungs- bzw. Torsionstoleranz der Leitung auch die Distanz zwischen Sender und Empfänger sowie die Verlegungsbedingungen und die Datengeschwindigkeit maßgebliche Faktoren bei Ihrer Entscheidungsfindung.

Achten Sie daher besonders auf folgende Kriterien:

  • Außenmantelwerkstoff der Leitung
  • Fasertyp und Mode der Leitung
  • Erreichbare Maximaldistanzen der Leitung
  • Erreichbare Übertragungsgeschwindigkeiten der Leitung

Ein Beispiel: Lichtwellenleiter mit PUR-Außenmantel sind halogenfrei, hitzebeständig und ölresistent und daher bestens für brandgefährdete Bereiche oder den Einsatz im Kontakt mit Schneid- und Kühlölen geeignet.

Je nach Ausführung erreichen diese als POF-Lichtwellenleiter z.B. Geschwindigkeiten bis zu 100 Mbps auf maximal 50 m Distanz und sind dabei problemlos feldkonfektionierbar. PCF-Lichtwellenleiter hingegen erreichen diese Geschwindigkeiten auch noch bei 100 m Distanz. Glasfaserleitungen (GOF) erreichen wiederrum im Singlemode Geschwindigkeiten von bis zu 40 Gbps auf bis zu 40 km Distanz, sind aber wiederum nicht ohne spezielle Spleißroboter direkt vor Ort konfektionierbar.

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