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Was sind Glasfaserkomponenten? Eine typische Glasfaser besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Kern, der das Licht überträgt; dem Mantel, der den Kern mit einem niedrigeren Brechungsindex umgibt und das Licht enthält; und der Beschichtung, die die empfindliche Faser im Inneren schützt.
Kern
Der Kern , der das Licht überträgt, ist der kleinste Teil der Glasfaser. Er besteht in der Regel aus Glas, manche bestehen aber auch aus Kunststoff. Das im Kern verwendete Glas ist hochreines Siliziumdioxid (SiO2), ein Material, das so klar ist, dass man 8 Kilometer weit hindurchsehen kann, als blickte man durch ein Fenster.
Im Herstellungsprozess werden Dotierstoffe wie Germaniumoxid, Phosphorpentoxid oder Aluminiumoxid verwendet, um den Brechungsindex unter kontrollierten Bedingungen zu erhöhen.
Glasfaserkerne werden in unterschiedlichen Durchmessern für unterschiedliche Anwendungen hergestellt. Typische Glaskerne reichen von 3,7 µm bis 200 µm. In der Telekommunikation werden üblicherweise Kerngrößen von 9 µm, 50 µm und 62,5 µm verwendet. Kunststoff-Glasfaserkerne können deutlich größer sein als Glaskerne. Eine gängige Kunststoffkerngröße ist 980 µm.
Verkleidung
Der Mantel umgibt den Kern und sorgt für den niedrigeren Brechungsindex, der die Funktion der Glasfaser gewährleistet. Bei der Verwendung eines Glasmantels werden Mantel und Kern zusammen aus demselben Material auf Siliziumdioxidbasis dauerhaft verschmolzen hergestellt. Im Herstellungsprozess werden Kern und Mantel unterschiedlich dotiert, um einen Brechungsindexunterschied von etwa 1 % zu gewährleisten.
Ein typischer Kern kann bei 1300 nm einen Brechungsindex von 1,49 aufweisen, während der Mantel einen Brechungsindex von 1,47 aufweist. Diese Werte sind jedoch wellenlängenabhängig. Der Kern derselben Faser hat bei unterschiedlichen Wellenlängen einen anderen Brechungsindex.
Wie der Kern wird auch der Mantel in Standarddurchmessern hergestellt. Die beiden am häufigsten verwendeten Durchmesser sind 125 µm und 140 µm. Der 125-µm-Mantel unterstützt typischerweise Kerngrößen von 9 µm, 50 µm, 62,5 µm und 85 µm. Der 140-µm-Mantel hat typischerweise einen 100-µm-Kern.
Beschichtung
Die Beschichtung ist die eigentliche Schutzschicht der Glasfaser. Sie absorbiert Stöße, Kerben, Kratzer und sogar Feuchtigkeit, die die Ummantelung beschädigen könnten. Ohne Beschichtung ist die Glasfaser sehr empfindlich. Schon ein einziger mikroskopischer Riss in der Ummantelung kann beim Biegen zum Bruch der Glasfaser führen. Die Beschichtung ist für Vollglasfasern unerlässlich und wird ohne sie nicht verkauft.
Die Beschichtung dient ausschließlich dem Schutz. Sie trägt nicht zur Lichtleitfähigkeit der Glasfaser bei. Der Außendurchmesser der Beschichtung beträgt typischerweise 250 µm oder 500 µm. Die Beschichtung ist in der Regel farblos. In manchen Anwendungen ist die Beschichtung jedoch farbig, sodass einzelne Glasfasern in einer Gruppe von Glasfasern identifiziert werden können.
Die Beschichtung einer Glasfaser wird für eine bestimmte Leistung oder Umgebung ausgewählt. Eine der gängigsten Beschichtungsarten ist Acrylat. Diese Beschichtung wird typischerweise in zwei Schichten aufgetragen. Die Primärbeschichtung wird direkt auf den Mantel aufgetragen. Diese Beschichtung ist weich und polstert die Glasfaser beim Biegen. Die Sekundärbeschichtung ist härter als die Primärbeschichtung und sorgt für eine harte Außenfläche. Acrylat ist jedoch in seiner Temperaturbeständigkeit eingeschränkt. Typische Acrylate können Temperaturen bis zu 125 °C standhalten.
Silikon-, Kohlenstoff- und Polyimidbeschichtungen finden sich auf Glasfasern, die in rauen Umgebungen wie der Avionik, der Luft- und Raumfahrt und dem Weltraum eingesetzt werden. Sie können auch auf Glasfasern für den Bergbau oder die Öl- und Gasförderung verwendet werden.
Normen
Obwohl viele Kombinationen von Kern- und Mantelgrößen möglich sind, sind Standards notwendig, um sicherzustellen, dass Steckverbinder und Geräte richtig aufeinander abgestimmt sind. Dies ist besonders wichtig bei so kleinen Komponenten wie denen in der Glasfasertechnik, wo selbst geringfügige Fehlausrichtungen das gesamte System unbrauchbar machen können.
Zwei Organisationen veröffentlichen Standards, die die Leistung von Glasfasern in der Telekommunikationsbranche definieren: die Telecommunications Industry Association (TIA) und die International Telecommunications Union (ITU). TIA und ITU veröffentlichen zwar zahlreiche Standards für Glasfasern, die wichtigsten Standards, die Sie kennen sollten, sind jedoch ANSI/TIA-568-C.3, ITU-TG.653, ITU-TG.655 und ITU-T G.657.
Der Standard ANSI/TIA-568-C.3 gilt für Glasfaserkabelkomponenten in Gebäuden. Die ITU-Standards gelten für Singlemode-Glasfasern und -Kabel. Im Folgenden finden Sie ihre Beschreibungen:
>ITU-TG.652: Eigenschaften einer Singlemode-Glasfaser und eines Singlemode-Kabels
>ITU-T G.655: Eigenschaften einer dispersionsverschobenen Singlemode-Glasfaser und eines Kabels
>ITU-T G.657: Eigenschaften einer nicht-null dispersionsverschobenen Singlemode-Glasfaser und eines Kabels
Diese Normen enthalten wichtige Informationen, die die Leistungsfähigkeit der Glasfaser, des Glasfaserkabels und der Komponenten wie Stecker und Spleiße definieren.
Materialien
Optische Fasern bestehen üblicherweise aus einem Glaskern und einem Glasmantel. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, wenn die Leistung der Faser mit den Kosten für Installation, Anschluss und Schutz gegen Beschädigungen in Einklang gebracht werden muss. In vielen Fällen müssen Fasern nur über kurze Distanzen verlegt werden, und die Vorteile hochwertiger Glasfasern sind dann weniger wichtig als die reine Kostenersparnis. Es gibt auch Umstände, unter denen die Fasern rauen Bedingungen wie Vibrationen, extremen Temperaturen, wiederholter Handhabung oder ständiger Bewegung ausgesetzt sind. Um unterschiedlichen Bedingungen, Kostenfaktoren und Leistungsanforderungen gerecht zu werden, haben sich verschiedene Faserklassifizierungen entwickelt.
Die wichtigsten Faserklassifizierungen nach Material sind :
Glasfasern : Diese bestehen aus einem Glaskern und einem Glasmantel. Sie werden eingesetzt, wenn hohe Datenraten, lange Übertragungsdistanzen oder eine Kombination aus beidem erforderlich sind. Glasfasern sind die empfindlichsten der verschiedenen verfügbaren Typen und müssen daher in Umgebungen installiert werden, in denen sie keiner übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt sind. Alternativ müssen sie durch spezielle Kabel oder Gehäuse geschützt werden, um Beschädigungen zu vermeiden.
Glasfasern werden häufig in Anwendungen für Datenfernübertragungen sowie für Netzwerkanwendungen zwischen Gebäuden und Büros eingesetzt.
Kunststoffummantelte Silikafasern (PCS) : Diese Fasern bestehen aus einem Glaskern und einem Kunststoffmantel. Der Kern ist dicker als bei Vollglasfasern; typischerweise 200 µm bei einer Manteldicke von 50 µm. Wie bei silikonbeschichteten Glasfasern wird die Kunststoffummantelung einer PCS-Glasfaser typischerweise mit einem thermoplastischen Puffer verwendet, der den Kunststoffmantel umgibt. Eine typische PCS-Faserspezifikation wäre 200/300 µm. Der Kunststoffmantel dient gleichzeitig als Schutzschicht für den Glaskern, sodass die bei Vollglasfasern übliche Beschichtung bei PCS-Fasern fehlt. PCS-Fasern werden typischerweise in industriellen Sensoranwendungen sowie in der Medizin- und Zahnmedizin eingesetzt.
Hard-Clad Silica (HCS) : Diese Fasern ähneln PCS-Fasern, haben aber einen Glaskern mit einem Mantel aus hartem Polymer oder einem anderen Material, das typischerweise stärker ist als andere Mantelmaterialien. Hard-Clad Silica-Fasern werden häufig dort eingesetzt, wo Robustheit eine wichtige Rolle spielt, wie z. B. in der Fertigung, der Fabrikautomation und anderen Bereichen, in denen Stöße und Vibrationen herkömmliche Glasfasern unzuverlässig machen würden. HCS-Glasfasern sind typischerweise deutlich dicker als Glasfasern. Eine sehr beliebte Größe ist 200/230 µm.
Kunststofffasern : Diese Fasern bestehen aus einem Kunststoffkern und einer Kunststoffummantelung. Sie werden aufgrund ihrer geringen Kosten, Robustheit und Benutzerfreundlichkeit ausgewählt und dort eingesetzt, wo hohe Bandbreiten und lange Übertragungsdistanzen nicht erforderlich sind. Kunststofffasern sind zwar nicht für Hochleistungsübertragungen über große Entfernungen geeignet, können aber dennoch Signale mit brauchbaren Datenraten über Distanzen von weniger als 100 m übertragen. Eine sehr gängige Größe ist 980/1000 µm. Kunststofffasern sind typischerweise für sichtbare Wellenlängen im 650-nm-Bereich ausgelegt. Typische Einsatzgebiete für Kunststofffasern sind Home-Entertainment-Systeme, die Automobilindustrie und Fertigungssteuerungssysteme. Sie können auch in Verbindungen zwischen Computern und Peripheriegeräten sowie in medizinischen Geräten eingesetzt werden.
Die Vorteile von Kunststoff-Glasfasern mit großem Kern
Die hohe Bandbreite und die Fernübertragungskapazität von Glasfasern sind leicht zu begeistern. Sie übertreffen eindeutig jedes andere Medium. Viele Anwendungen erfordern jedoch keine hohe Bandbreite über große Entfernungen. Glasfasern lassen sich in Ihrem Zuhause vielseitig einsetzen. Vielleicht haben Sie bereits ein Home-Entertainment-System mit Kunststoff-Glasfasern oder ein Auto, an das Audiogeräte oder ein DVD-Wechsler über Kunststoff-Glasfasern angeschlossen werden. Keine dieser Anwendungen erfordert eine hohe Bandbreite über große Entfernungen. Diese Anwendungen eignen sich ideal für Kunststoff-Glasfasern mit großem Kern. Kunststoff-Glasfasern sind typischerweise für den Betrieb bei einer sichtbaren Wellenlänge um 650 nm ausgelegt. Dass man das Licht beim Austritt aus der Glasfaser sehen kann, hat einen erheblichen Vorteil: Es sind keine teuren Testgeräte erforderlich. Um das Licht zu messen, das im Infrarotbereich aus einer Glasfaser austritt, ist ein Leistungsmesser erforderlich. Leistungsmesser können mehr kosten als Ihr Home-Entertainment-System.
Der große Kern der Kunststoff-Lichtleitfaser hat gegenüber kleinen Glasfasern einen weiteren Vorteil: Er lässt sich leicht mit einer anderen Faser, einer Lichtquelle oder einem Detektor ausrichten. Stellen Sie sich vor, Sie richten zwei menschliche Haare so aus, dass sich ihre Enden berühren und perfekt zentriert sind. Stellen Sie sich nun vor, Sie machen dasselbe mit zwei ungekochten Spaghetti.
Kunststoff-Lichtwellenleiter eignen sich hervorragend für die Integration von Audio- und Videoelektronik in Haushalte und Fahrzeuge.
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