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Werkstoffe: 'Glasfasern' aus Kunststoff

Optische Leiter müssen nicht aus Glas sein. Andere Werkstoffe lassen sich einfacher verarbeiten, haben aber ihre Grenzen.


Optische Leiter bestehen meist aus extrem dünnen, aber recht teuren Glasfasern. Doch es gibt schon preiswertere Konkurrenz: Für Strecken von wenigen Metern nutzt man auch Kunststoff-Leitungen, und für Entfernungen bis zu 500 Metern wurde vor kurzem eine mit Kunststoff ummantelte Glasfaser entwickelt (polymer cladded fiber, PCF).

Ein herkömmlicher "Lichtwellenleiter" (LWL) besteht aus Mantel und Kern von jeweils hochreinem Quarzglas, das Licht kaum absorbiert und somit ein Signal nur wenig schwächt. Dotieren, also Zugeben von Fremdstoffen wie Germaniumdioxid oder Bortrioxid, stellt die jeweilige Brechzahl ein. So genannte Monomode-Fasern mit Durchmessern von weniger als zehn Mikrometern (tausendstel Millimetern) sind am besten für die Übermittlung extrem hoher Datenraten über große Entfernungen geeignet. Der derzeitige, von Siemens-Ingenieuren gehaltene Weltrekord liegt bei sieben Terabit (7 x 10E12 Bit) pro Sekunde über 50 Kilometer – das entspräche 100 Millionen gleichzeitig geführter Telefongespräche.

Lichtwellenleiter aus Kunststoff-Kern und -Mantel kommen bei wenigen hundert Megabit (Millionen Bit) pro Sekunde bescheidener daher, sind aber wesentlich billiger und flexibler in der Handhabung. Sie lassen sich nahezu beliebig biegen, schneiden, wieder zusammenfügen und mit Steckern versehen. Allerdings dämpft der Kunststoff ein Signal ungleich stärker als Quarzglas, so dass Konstrukteure diese Alternative nur für Entfernungen von maximal zwei Metern verwenden, was beispielsweise im Automobil vollkommen ausreicht.

Sprinter für die Kurzstrecke


Die PCF-Faser bietet einen Kompromiss: Der Kern besteht aus Glas (Durchmesser 200 Mikrometer), der Mantel aus Kunststoff (30 Mikrometer). Sie dämpft das Licht zwar stärker als eine Quarzglasfaser, aber etwa 18-mal weniger als ein Kunststoff-Lichtwellenleiter – eine PCF-Faser eignet sich deshalb für Übertragungsstrecken bis zu 500 Metern, wie man sie etwa in Industrieanlagen vorfindet. Wird, wie allgemein üblich, das Licht einer Leuchtdiode bei 660 Nanometer verwendet (bei Glas-LWL braucht man hingegen die teureren Infrarotlaser), so lassen sich etwa 500 Megabit pro Sekunde über ein 100 Meter langes PCF-Kabel übertragen.

In Produktionsanlagen konkurriert dieser Werkstoff deshalb mit dem herkömmlichen Leiter aus Glas, denn er ist leichter zu handhaben: Auf Grund ihrer dünnen Kerne erfordern Glasfasern präzise aufgesetzte Stecker und exakt beschliffene Stirnflächen, damit Licht optimal ein- und ausgekoppelt werden kann. Eine solche Genauigkeit gelingt nur maschinell in der Fabrik. Glasfasern werden deshalb unter Angaben der Längen und der benötigten Stecker vom Kunden bestellt und fertig konfektioniert ausgeliefert. Stimmen die Vorgaben nicht oder werden Kabel beim Verlegen geknickt oder anders beschädigt, muss Ersatz geordert werden. Bei PCF-Leitungen ist ein derartiger Aufwand nicht nötig. Sie werden auf Kabeltrommeln geliefert und lassen sich auf der Baustelle mit einfachen Werkzeugen fast so leicht konfektionieren wie Kunststoff-Leiter.

Die Übertragung hoher Datenraten gelingt auch auf kürzeste Distanzen mit Wellenleitern, die als Strukturen in den Leiterplatten der Elektronik erzeugt werden. Solche Kanäle aus transparenten Kunststoffen sollen den Datentransfer auf den Leiterplatten, beispielsweise zwischen einem Mikroprozessor und seinen Speicherbausteinen, beschleunigen.

Derartige optische Wellenleiter entwickelt beispielsweise der Paderborner "Think-Tank" C-Lab. Sie sind derzeit 0,1 Millimeter dick und haben einen 0,05 Millimeter dünnen Mantel. Ein Problem ist, die erforderlichen photonischen Bauteile wie Laserdioden zur Wandlung von elektrischen in optische Signale auf den Leiterplatten auf 0,01 Millimeter genau zu positionieren. Das gelingt vor allem durch konstruktive Tricks wie selbstjustierende Stecker. Das C-Lab-System vermag bereits drei Gigabit pro Sekunde über eine Leiterplatte zu jagen, das sind 20-mal mehr, als es elektrische Leitungen ermöglichen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2001, Seite 89
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
6 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 6 / 2001

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