Netzwerke auf der Basis von Lichtwellenleitern (LWL) sind verglichen mit solchen mit Kupferverbindungen störunempfindlicher, abhörsicherer und weisen eine niedrigere Fehlerrate auf. Die LWL-Verbindungen können beispielsweise auch im gleichen Kabelschacht wie etwa die Starkstromleitungen verlegt werden, ohne dass die hiervon ausgehenden Störungen einen Einfluss auf die Netzwerkverbindung hätten.
Beschädigungen durch Überspannungen, statische Entladung oder auch durch Blitzschlag sind bei LWL nicht möglich. Außerdem gibt es hier automatisch eine »galvanische « Entkopplung zwischen der Netzwerkhardware (z.B. Netzwerkkarte) und dem Medium, wofür bei den TP- und Koax-Netzwerkkarten spezielle Übertrager (Transformatoren) notwendig sind. Daher können bei einer optischen Übertragung keine Masseprobleme auftreten.
Die Lichtwellenleiterverbindungen - gewissermaßen die LWL-Kabel, auch wenn es keine Kabel im elektrischen Sinne sind - sind entgegen der oft zitierten Befürchtung äußerst robust, dabei relativ dünn und daher sehr flexibel, was sie in der Handhabung unkritischer erscheinen lässt als TP- oder auch Koaxialkabel.
Dieser Beitrag basiert auf dem Buch „Lokale Netze – Handbuch der kompletten Netzwerktechnik“ von Klaus Dembowski. Dieses Grundlagenwerk der Netzwerktechnik können Sie hier in unserem Partner-Bookshop online erwerben.
SC- und ST-Verbindungen
Prinzipiell gibt es zwar eine Vielzahl von möglichen LWL-Anschlüssen, aber ab Fast- Ethernet auf Glasfaser (100BaseF) hat sich die SC-Verbindung als Standard hierfür erwiesen. Über entsprechende Adapter lassen sich aber auch Verbindungen zwischen den älteren ST- und den SC-Steckverbindern problemlos herstellen.
Crossover-Verbinder, wie sie für TP-Verbindungen erhältlich sind, gibt es für LWL nicht, was bei ST-Verbindungen auch unnötig wäre, denn die TX- sowie die RX-Leitungen können sowohl überkreuz als auch 1:1 miteinander verbunden werden, weil man es hier mit einzelnen Steckern zu tun hat.
Bei SC sind die beiden Connectoren vielfach fest miteinander verbunden (SC-Duplex), so dass hier keine Verwechslungsgefahr zwischen RX und TX gegeben ist. Allerdings werden jedoch auch gekreuzte LWL-LAN-Verbindungen, etwa zwischen Switches, benötigt. Aus diesem Grunde gibt es auch SC-Verbinder, bei denen die beiden Stecker wahlweise zusammengesteckt werden können, wie es in der Abbildung 2 zu erkennen ist.
Funktionsprinzip und LWL-Typen
Bei Lichtwellenleitern wird generell zwischen Monomode-, auch als Singlemode bezeichnet, und Multimodeleitern unterschieden. Bei Multimodefasern findet die Signalübertragung anhand mehrerer Moden (mögliche Signalwege im Kabel) statt, während die viel dünnere Monomodefaser das Licht nur in einer Mode (parallel zur Achse des Mediums, Mode 0) übertragen kann. Dies führt gegenüber Multimodefaser zu geringeren Dämpfungswerten und höheren Bandbreiten.
Bei 10BaseFX sowie 100BaseFX spielt fast ausschließlich die Dämpfung, die durch Reflexion und Absorption des »Transportlichts« verursacht wird, eine Rolle. Demnach hat man es bei Dämpfungsbetrachtungen auf Glasfaser mit einem völlig anderen Effekt zu tun, als dies bei Kupferverbindungen und den dort zugrunde liegenden elektrischen Eigenschaften der Fall ist.
Dämpfungen bei Lichtwellenleiter entstehen in erster Linie durch die auf einer Glasfaserstrecke befindlichen Übergänge (Dosen, Anschlüsse, Adapter usw.) sowie in zweiter Linie durch Verunreinigungen der Faser selbst, was jedoch bei den aktuellen handelsüblichen Glasfasern zu vernachlässigen ist, da sie sich qualitativ als hochwertig genug darstellen.
Je nach Wellenlänge des verwendeten Lichts stellt sich die Dämpfung über Glasfaser unterschiedlich dar, und da sie bei 850 nm, 1300 nm sowie 1500 nm minimal ist, werden genau diese Wellenlängen für LWL-Netzwerke verwendet. Sie werden von entsprechenden (Laser-)Dioden auf den Netzwerkkarten und den Koppeleinheiten (Hubs, Switches) erzeugt und von den »Gegenstücken«, den dazu passenden Photodioden der Einheiten, wieder empfangen.
LED und Laser-Dioden als Sender
Leuchtdioden (Light Emitting Diode, LED) strahlen das Licht gleichförmig in mehrere Richtungen ab. Das grundsätzliche Prinzip des Lichttransports über Lichtwellenleiter beruht dabei auf der Totalreflexion an den Grenzschichten der Materialien unterschiedlicher Dichte.
Bei der Verwendung einer LED wird das Licht unterschiedlich oft an der Oberfläche reflektiert, es legt unterschiedliche Wege zurück, was zu den verschiedenen Moden führt. Für das Datensignal bedeutet dies, dass es zu unterschiedlichen Laufzeiten und damit zu Signalverzerrungen kommt, die von der Länge der Lichtwellenleiterstrecke abhängig ist. Diesen Effekt, der zum einen durch den Leiter selbst und zum anderen auch durch die Lichtquelle hervorgerufen wird, bezeichnet man als Dispersion, und er ist insbesondere ab Gbit-Ethernet ein ausschlaggebendes Kriterium.
Ab 100BaseFX werden statt LEDs vielfach Laserdioden (LD) verwendet, die ein stärker gebündeltes Signal generieren und bei denen der überwiegende Anteil der Lichtintensität über den direkten, gradlinigen Weg abgestrahlt wird, so dass auch Entfernungen über mehrere Kilometer überbrückbar sind, wobei die Faser selbst eine wichtige Rolle spielt. Generell werden drei grundsätzliche Typen unterschieden:
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Lambda-Multimode-Faser mit Stufenindex-Profil (100 MHz x km)
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Lambda-Multimode-Faser mit Gradienten-Profil (1 GHz x km)
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Lambda-Monomode-Faser (10 GHz x km)
Für die Klassifizierung von Lichtwellenleitern wird ein Produkt von Bandbreite und Länge angegeben, da die Dispersion von der Länge der Glasfaser abhängig ist. Bei einer Angabe wie 100 MHz x km kann daher eine LAN-Verbindung mit 100 MHz über 1 km oder 50 MHz über 2 km oder beispielsweise auch 200 MHz über 500 m realisiert werden. Die typischen Richtwerte sind in Klammern bei den drei Fasertypen angegeben.
Klassifizierung und Faseraufbau
Allen drei Fasertypen ist gemein, dass sie von einem Kunststoffmantel (Buffer Coating) umgeben sind, der dem Glasmantel (Cladding) nach außen hin als Schutz dient. Ganz im Innern ist der eigentliche Kern der Faser (Core) untergebracht. Core und Cladding bestehen zwar meist beide aus Quarzglas (SiO2), allerdings unterscheiden sich dabei die jeweiligen Brechungsindizes. Der Brechungsindex beschreibt generell das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (ca. 300.000 km/s) zur Lichtgeschwindigkeit im Medium.
Der mehr oder weniger gebündelte Strahl wird an der Grenzfläche der beiden Glasmaterialien reflektiert und somit in der Faser gehalten. Neben Glas werden auch unterschiedliche Kunststofffasern (meist bei 650 nm Wellenlänge) verwendet, die preiswerter und einfacher zu fertigen sind, allerdings noch nicht die Qualität der Glasfasern erreichen, höhere Dämpfungen aufweisen und demnach auch nur kürzere Strecken überbrücken können. Außerdem werden auch Glas- und Kunststofffasern miteinander kombiniert, was zu einem besonders günstigen Preis/Leistungsverhältnis führen soll. Wenn man also von Glasfaser redet, kann es sich auch um eine Kunststofffaser handeln, so dass Lichtwellenleiter (LWL) vielleicht die treffendere Bezeichnung ist.
Beim Stufenindex-Profil besteht zwischen Kern und Mantel ein abrupter Übergang von einem zum anderen Brechungsindex. Der Brechungsindex (n) ist dabei im Cladding geringer als im Core (ncore > ncladding = totale Reflektion). Da die Lichtstrahlen der Quelle (LED) in unterschiedlichen Winkeln auftreffen, ergibt sich ein Zickzackverlauf des Lichtes, was eine Verbreiterung des Ausgangsimpulses gegenüber dem Eingangsimpuls zur Folge hat und für typische Längen bis hin zu 200 m durch eine Photodiode noch als eindeutiger Impuls (High) zu detektieren ist.
Bei einer Faser mit Gradientenindex-Profil wird eine abgestufte Veränderung der Brechungsindizes realisiert, so dass sich für die Lichtstrahlen gekrümmte Bahnen ergeben und sich das Licht im Mittel eher auf dem optimalen, gradlinigen Weg bewegt. Der Ausgangsimpuls ist dadurch ausgeprägter, wodurch größere Entfernungen als mit Stufenindex-Profil- Faser (bis zu 10 km) überbrückbar sind.
Monomode-Lichtwellenleiter und LWL-Durchmesser
Monomode-Lichtwellenleiter entsprechen im Prinzip dem Aufbau einer Faser mit Stufenindexprofil, nur ist der Core hier wesentlich dünner als bei den Multimodefasern ausgeführt und der Brechungsindex des Mantels ist genau auf eine bestimmte Wellenlänge angepasst. Das Licht wird dabei ohne Brechung und Reflexion achsenparallel transportiert, was zu exakten Ausgangsimpulsen über sehr große Längen (50 km) führt. Bei Monomode-Fasern werden generell Laser-Dioden verwendet.
Wie es der Abbildung 5 zu entnehmen ist, bestehen bei den jeweiligen Durchmessern des Kerns und des Mantels erhebliche Unterschiede. In Deutschland werden bei den meisten LANs Multimode-Gradienten-Index-Fasern mit 62,5/125 µm verwendet, die sich sowohl für Standard- (850 nm), Fast-Ethernet (1300 nm) als auch für Gbit-Ethernet eignen.
Demnach kann bei einer entsprechenden Umrüstung das LWL-Medium beibehalten werden, sofern man in der Vergangenheit die richtige Entscheidung für die Verlegung des entsprechenden Lichtwellenleitertyps getroffen hat. Monomode-Fasern (9/100 µm) werden vorwiegend für WAN-Verbindungen sowie für Gbit- und 10 Gbit-Ethernet eingesetzt.
Verlegung von LWL
Die Verlegung von Lichtwellenleitern ist wegen ihrer Flexibilität und Unempfindlichkeit gegenüber Störungen verhältnismäßig einfach und unterscheidet sich in der grundsätzlichen Vorgehensweise nicht von der Verlegung der anderen Medien. Besondere Beachtung verdient aber auch hier die Konfektionierung der Übergänge von der festen Verlegung (z.B. im Kabelschacht) zu den Anschlussdosen und auch in den Verteilern (Patchpanels). Hier können natürlich nicht Stecker aufgelötet oder aufgequetscht werden, sondern die Fasern des Leiters bedürfen einer besonderen Behandlung wie dem Schneiden, Spleißen, Kleben und Polieren.
Für diese Arbeiten gibt es spezielle Werkzeuge, mit deren Hilfe sich die Fasern möglichst optimal verschweißen oder auch in einem LWL-Anschlussstecker verkleben lassen. Ein guter Übergang weist dabei eine Dämpfung von 0,1-0,2 dB auf, ein schlechter hingegen über 1 dB. An diesen Stellen muss also besonders sorgfältig gearbeitet werden, um auch die spezifizierten Längen mit der Faserstrecke überbrücken zu können. Die Ausführungen der LWL-Anschlüsse und die Qualität der Faser selbst spielen eine wichtige Rolle für die Bandbreiten- und Dämpfungsbetrachtungen.
Vielfach kommt man jedoch auch mit den Standardlängen von Lichtwellenleitern aus, die typischerweise bis hin zu 50 m reichen, mit fertigen Anschlüssen (TS, SC) versehen sind und sich mit Kupplungsstücken (siehe Abbildung 6) entsprechend verlängern lassen.
Selbstherrstellung von LWL-Verbindungen
Seit einiger Zeit sind außerdem LWL-Anschlüsse für die - relativ einfache - Selbstmontage verfügbar, wie die LightCrimp-Verbinder der Firma AMP. Im ersten Schritt werden Faser und Ader mit der speziellen Crimp-Zange gefasst, die Faser wird definiert gebrochen, und dann wird die Zugentlastung des Kabels mit dem Stecker gecrimpt (gequetscht).
Klebstoff kommt dabei nicht zum Einsatz, und es sollen sich durch diese Verbindungsart im Mittel Dämpfungen von unter 1 dB ergeben. Für größere Installationen ist dieses Verfahren jedoch aus Kostengründen nicht geeignet, zumal sich nur ganz bestimmte LWL-Fasern und Stecker damit verbinden lassen. Des Weiteren lassen sich hiermit auch keine Verbindungen von mehradrig ausgeführten LWL-Kabeln realisieren, so dass sich dieses Verfahren eher für Reparaturen und kleinere Installationen eignet, zu denen kein LWL-Techniker herangezogen werden soll.
Im Backbone werden vorzugsweise mehradrige LWL-Verbindungen verlegt, weil diese preiswerter sind als etwa 10 einzelne Leitungen, die jeweils über einen eigenen Kunststoffmantel verfügen müssen. Wie es auch mit Twisted Pair-Kabel üblich ist, werden die Adern dann in einem Patchpanel in die einzelnen Verbindungswege aufgeteilt, die beispielsweise in die Büros führen. Dort wird jeweils eine LWL-Anschlussdose montiert, von der aus dann mit einem LWL-Patchkabel die Verbindung mit einem Medien-Converter (LWL auf TP) oder einem LWL-Switch, der über TP-Ports verfügt, hergestellt wird.
Überprüfung und Fehlersuche
Für die Überprüfung von LWL-Verbindungen werden so genannte OTDR-Messgeräte verwendet. Anhand der Optic Time Domain Reflectometry ist es nicht nur möglich, die Dämpfung, sondern auch die Position der einzelnen Komponenten in einer Lichtwellenleiterstrecke zu ermitteln.
Ein derartiges Gerät ist zwar verhältnismäßig teuer; es gehört jedoch zur Standardausrüstung eines LWL-Technikers, damit die Strecken nach der Installation durchgemessen werden können und ein entsprechendes Prüfprotokoll angefertigt werden kann, welches dem Kunden als Beleg für die Erfüllung der zugrunde gelegten LWL-Spezifikation dann auszuhändigen ist.
Die Fehlersuche in einem LWL-Netzwerk kann für den Anwender prinzipiell nur nach den Kriterien, wie sie auch bei TP-Kabel gültig sind, vorgenommen werden, was zunächst die Kontrolle der Kabel auf ihre Unversehrtheit hin und die der Anschlüsse (RX, TX) bedeutet. Anschließend kann dann per Software (z.B. mit Ping) versucht werden, die schadhafte Stelle im Netz zu lokalisieren.
Einfacher optischer LWL-Test
Das Licht der verwendeten Wellenlängen lässt sich nicht mit bloßem Auge erkennen, sondern nur mit Hilfe von speziellen Detektoren. Allerdings sind in einigen Einheiten zusätzliche LEDs eingebaut, die rotes, sichtbares Licht transportieren und genau diesem Zweck - der Identifizierung von korrekten Übertragungsstrecken - dienen.
Leider lässt sich jedoch anhand der Beschreibungen zu den Einheiten nicht immer feststellen, ob diese nützliche Option gegeben ist oder nicht. Hersteller wie beispielsweise Hewlett- Packard (HP) realisieren diese zusätzliche Funktion allerdings bei vielen Einheiten, wie in ihren Switches. Außerdem werden vielfach die elektro/optischen Kopplungselemente (Transmitter, Receiver) von HP, deren Bauelemente seit einiger Zeit unter Agilent firmieren, auf Netzwerkkarten und anderen LWL-LAN-Elementen eingesetzt, und dann ist die Wahrscheinlichkeit recht groß, dass hier ebenfalls eine zusätzliche LED eingebaut ist. Verlassen kann man sich aber nicht darauf.
Für den Test einer optischen Übertragungsstrecke eignet sich im Übrigen auch ein handelsüblicher Laserpointer, mit dem man in die Faser hineinleuchten könnte. Bei der Inaugenscheinnahme sollte man aber stets vorsichtig sein, wenn man nicht genau weiß, was einen erwartet, denn das (Laser-)licht kann bekanntlich Sehstörungen und sogar Beschädigungen der Augen zur Folge haben. Allerdings entsprechen zumindest die optischen LAN-Komponenten der Laser Klasse 1, die laut Definition unter den vorhersehbaren Bedingungen sicher ist. (ala)
Dieser letzte Teil der Miniserie zur Netzwerkverkabelung basiert auf dem Buch „Lokale Netze – Handbuch der kompletten Netzwerktechnik“ von Klaus Dembowski. Dieses Grundlagenwerk der Netzwerktechnik können Sie hier in unserem Partner-Bookshop online erwerben.