Optische Datenkommunikation

Eine moderne Alternative zum Senden (binärer) digitaler Informationen über elektrische Spannungssignale sind optische (Licht-)Signale. Elektrische Signale von digitalen Schaltkreisen (hohe/niedrige Spannungen) können mit LEDs oder Festkörperlasern in diskrete optische Signale (Licht oder kein Licht) umgewandelt werden. Ebenso können Lichtsignale durch die Verwendung von Fotodioden oder Fototransistoren zur Einspeisung in die Eingänge von Gate-Schaltungen wieder in elektrische Form umgewandelt werden.

Die Übertragung digitaler Informationen in optischer Form kann im Freien erfolgen, indem einfach ein Laser auf einen weit entfernten Fotodetektor gerichtet wird, aber es können Interferenzen mit dem Strahl in Form von Temperaturinversionsschichten, Staub, Regen, Nebel und anderen Hindernissen auftreten erhebliche technische Probleme:

Eine Möglichkeit, die Probleme der optischen Datenübertragung im Freien zu vermeiden, besteht darin, die Lichtimpulse über eine hochreine Glasfaser zu senden. Glasfasern „leitet“ einen Lichtstrahl ähnlich wie ein Kupferdraht Elektronen leitet, mit dem Vorteil, dass alle damit verbundenen Probleme der Induktivität, Kapazität und externen Interferenzen, die elektrische Signale stören, vollständig vermieden werden. Optische Fasern halten den Lichtstrahl innerhalb des Faserkerns durch ein Phänomen, das als interne Gesamtreflexion bekannt ist .

Eine optische Faser besteht aus zwei Schichten ultrareinem Glas, jede Schicht aus Glas mit einem etwas anderen Brechungsindex , oder Fähigkeit zum „Biegen“ hell. Bei einer Art von Glas, die konzentrisch um einen zentralen Glaskern geschichtet ist, kann das in den zentralen Kern eingeleitete Licht nicht aus der Faser entweichen, sondern ist auf die Ausbreitung innerhalb des Kerns beschränkt:

Diese Glasschichten sind sehr dünn, die äußere „Hülle“ beträgt typischerweise 125 Mikrometer (1 Mikrometer =1 Millionstel Meter oder 10 ^-6 Meter) im Durchmesser. Diese Dünne verleiht der Faser eine beträchtliche Flexibilität. Um die Faser vor physikalischen Beschädigungen zu schützen, wird sie normalerweise mit einer dünnen Kunststoffbeschichtung versehen, in ein Kunststoffrohr gelegt, zur Zugfestigkeit mit Kevlarfasern umwickelt und mit einem Außenmantel aus Kunststoff ähnlich einer elektrischen Drahtisolierung versehen. Wie elektrische Drähte werden auch Lichtwellenleiter oft innerhalb desselben Mantels gebündelt, um ein einzelnes Kabel zu bilden.

Glasfasern übertreffen die Datenverarbeitungsleistung von Kupferdraht in fast jeder Hinsicht. Sie sind absolut immun gegen elektromagnetische Störungen und haben sehr hohe Bandbreiten. Sie sind jedoch nicht ohne gewisse Schwächen.

Auswirkungen des Mikrobiegens in der Faseroptik

Eine Schwäche von Glasfasern ist ein Phänomen, das als Mikrobiegen bekannt ist . Hier wird die Faser um einen zu kleinen Radius gebogen, wodurch Licht aus dem inneren Kern durch den Mantel entweicht:

Microbending führt nicht nur zu einer verringerten Signalstärke aufgrund des verlorenen Lichts, sondern stellt auch eine Sicherheitsschwäche dar, da ein absichtlich außerhalb einer scharfen Biegung platzierter Lichtsensor digitale Daten abfangen könnte, die über die Faser übertragen werden.

Modi in Glasfaser

Ein weiteres einzigartiges Problem bei Glasfasern ist die Signalverzerrung aufgrund mehrerer Lichtwege oder Modi , mit unterschiedlichen Abständen über die Länge der Faser. Wenn Licht von einer Quelle emittiert wird, gehen die Photonen (Lichtteilchen) nicht alle den exakt gleichen Weg. Diese Tatsache ist offensichtlich bei jeder Lichtquelle, die nicht einem geraden Strahl entspricht, aber auch bei Geräten wie Lasern wahr.

Einzelmodus

Wenn der Faserkern klein genug gemacht wird (ca. 5 Mikrometer Durchmesser), werden die Lichtmoden auf einen einzigen Pfad mit einer Länge beschränkt. Eine Faser, die so konstruiert ist, dass sie nur eine einzige Lichtmode erlaubt, wird als Singlemode-Faser bezeichnet. Da Singlemode-Fasern das bei langen Kabeln auftretende Problem der Impulsdehnung umgehen, ist sie die Faser der Wahl für Langstreckennetzwerke (mehrere Meilen oder mehr). Der Nachteil besteht natürlich darin, dass Singlemode-Fasern mit nur einer Lichtmode nicht so gut leiten wie Multimode-Fasern. Auf lange Distanzen verschärft dies den Bedarf an „Repeater“-Einheiten, um die Lichtleistung zu steigern.

Multimode-Glasfaser

Wenn der Glasfaserkern einen ausreichend großen Durchmesser hat, unterstützt er mehrere Pfade für die Photonenübertragung, wobei jeder dieser Pfade von einem Ende der Glasfaser zum anderen eine leicht unterschiedliche Länge hat.

Impulsdehnung

Ein von der LED emittierter Lichtimpuls, der einen kürzeren Weg durch die Faser nimmt, wird den Detektor früher erreichen als Lichtimpulse, die längere Wege nehmen. Das Ergebnis ist eine Verzerrung der ansteigenden und abfallenden Flanken der Rechteckwelle, die als Pulsdehnung bezeichnet wird . Dieses Problem wird noch schlimmer, wenn die Gesamtfaserlänge erhöht wird: