Glasfaser

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Eine Glasfaser ist eine aus Glas bestehende lange dünne Faser. Bei der Herstellung werden aus einer Glasschmelze dünne Fäden gezogen und zu einer Vielzahl von Endprodukten weiterverarbeitet.

Glasfasern

Geschichte der Glasfaser[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Ursprung war die Fähigkeit von Glasbläsern aus dem Thüringer Wald, bereits im 18. Jahrhundert sogenanntes Feen- oder Engelshaar herzustellen. Erst nur als Dekorationsmittel genutzt, wurden die Möglichkeiten der Fasern nach Gründung einer Glasfabrik im thüringischen Haselbach von Hermann Schuller nach und nach entdeckt (1896). Dort wurden erstmals spinnbare Glasfäden mit genau definiertem Durchmesser sozusagen als „Rollenware“ hergestellt. Dieses Verfahren wurde in den 1930er Jahren als Stabtrommelabziehverfahren zum Patent angemeldet.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Typischer Aufbau einer Glasfaser:
1 – Kern (engl. core)
2 – Mantel (engl. cladding) mit nK > nM
3 – Schutzbeschichtung (engl. coating und/oder buffer) und
4 – äußere Hülle (engl. jacket). Für die Größenverhältnisse der einzelnen Bereiche siehe Tabelle im Text.

Die in Lichtwellenleiter verwendeten Glasfaser-Kabel bestehen im Inneren aus einem Kern (Quarzglas) (1 – engl. core) und einem umgebenden Mantel (2 – engl. cladding) mit etwas niedrigerem Brechungsindex (nKern > nMantel). Durch die dadurch auftretende Totalreflexion an der Grenzschicht zum Kern wird die Führung der Strahlung bewirkt. Der Mantel besteht dazu meist aus reinem Quarzglas (SiO2) Quarz/Quarz-Fasern (engl. Silica-Silica-Fiber)→Quarzfaser und der höhere Brechungsindex im Kern wird durch Dotierung mit Germanium oder Phosphor erreicht, wodurch im amorphen Siliziumdioxid-Gefüge des Quarzglases zusätzlich geringe Anteile an Germaniumdioxid (GeO2) bzw. Phosphorpentoxid (P2O5) entstehen. Es ist aber auch möglich, den Kern aus reinem SiO2 herzustellen und den Mantel mit Bor oder Fluor zu dotieren, was zu einer Verringerung des Brechungsindexes führt. (Reine SiO2-Kerne sind besser geeignet zur Übertragung von Wellenlängen im blauen und ultravioletten Spektralbereich).

Weiterhin gibt es auch Fasern mit einem Quarzglaskern und einem Mantel aus fluordotiertem Kunststoff, welche als Hard-Clad Silica Fiber (HCS) oder Polymer-Clad Silica Fiber (PCS oder PCF) bezeichnet werden. Sie können zur Verbesserung der mechanischen und thermischen Eigenschaften auch zusätzlich mit einem Coating versehen sein.

Dagegen bestehen APF-Kabel (All Plastic Fiber) aus polymeren optischen Fasern (POF) aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat (PMMA) und seltener aus Polycarbonat (PC).

Der Mantel besitzt weiterhin eine Schutzbeschichtung (3 – engl. coating und/oder buffer), sowie eine äußere Schutzhülle (4 – engl. jacket). Die Mantelbeschichtung ist ein Schutz vor mechanischen Beschädigungen und besteht meist aus einer Lackierung aus speziellem Kunststoff oder Metall, welche die Faser auch vor Feuchtigkeit schützt. Ohne die Beschichtung würden die auf der Faseroberfläche vorhandenen Mikrorisse zu einer erheblichen Verringerung der mechanischen Belastbarkeit führen.

Als Beschichtungsstoffe (Coatings) werden diverse Materialien eingesetzt:[1]

  • Acrylate: -40 °C bis +85 °C
  • Polyimide: -190 °C bis +350 °C, nicht brennbar
  • Nylon: -40 °C bis +100 °C
  • PVC: -20 °C bis +90 °C
  • PBT: -50 °C bis +150 °C
  • Tefzel (ETFE): -40 °C bis +200 °C
  • Edelstahl V2A: -190 °C bis 400 °C
  • Aluminium: -269 °C bis +400 °C
  • Gold: -269 °C bis +700 °C

Die Einheit aus Faser, Primärbeschichtung (coating) und Sekundärbeschichtung (jacket) bezeichnet man als Ader (Einzelleitung).

Spezielle Varianten sind Phosphatglas­fasern,[2] welche Phosphorpentoxid in Form von Tetraedern, die infolge der Fünfwertigkeit des Phosphors nur über drei Ecken räumlich vernetzt sein können, als Glasbildner enthalten. Sowie Fluoridglas­fasern (HMFG),[3] auch die Mottenaugen-Fasern[4] sind eine spezielle Neuentwicklung.

Ein Zweck der Dotierung kann sein, den Brechungsindex (z. B. mit GeO2 oder Al2O3) zu erhöhen oder ihn zu senken (z. B. mit Fluor oder B2O3). Eine Dotierung ist auch mit laseraktiven Ionen (→ seltene Erde-dotierten Fasern) möglich, um aktive Fasern zu erhalten, die z. B. in Faserverstärkern oder Faserlasern verwendet werden.

Die Transmissionseigenschaften einer Glasfaser werden maßgeblich durch deren Gehalt an Hydroxid-Ionen (OH-) bestimmt (Wassergehalt), dieser stellt eine Verunreinigung mit einer starken Absorptionsbande bei ca. 0,94 ptn dar.:

  • Die sogenannte LOH-Faser (Low OH: < 2 PPM) hat nur wenige OH-Gruppen. Dieser Fasertyp wird für NIR-Anwendungen benötigt, da ansonsten die Dämpfung der Wasserbande bereits auf kurzen Strecken für die Messung zu hoch wird.
  • HOH-Fasern (High OH: 600–1000 PPMS) haben entsprechend mehr OH-Gruppen. Die Transmission dieser Fasern ist im UV-Bereich deutlich besser. HOH-Fasern werden daher hauptsächlich für UV/VIS-Anwendungen eingesetzt.
Einsatzgebiete Fasertypen
Fasertyp Kern/Mantel Einsatzgebiet Ausdehnung Datenraten
Glasfaser 9/125 µm

10/125 µm

Telekommunikation mehr als 10 km MBit/s bis GBit/s
Glasfaser 50/125 µm

62,5/125 µm

lokale Netze in mittleren Arealen,

Anlagen, Gebäude, Telekommunikation

bis 4 km < 155 MBit/s
HCS-Faser 200/230 µm lokale Netze in Gebäuden und Industrie bis zu 2 km < 100 MBit/s
Kunststoff (POF) 980/1000 µm lokale Netze in Gebäuden, Industrie und KFZ bis 100 m < 40 MBit/s

Herstellung von Glasfasern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Herstellung von Glasfasern erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird eine sogenannte Preform mittels chemischer Gasphasenabscheidung (englisch chemical vapor deposition, CVD) erzeugt, bei der es sich um einen Glasstab von typischerweise 1 m Länge und 10–50 mm Durchmesser handelt.[5] Die Preform besitzt schon das Brechungsindexprofil der späteren Faser, welche später durch Aufschmelzen aus dieser gezogen wird.

Herstellung der Preform[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um eine möglichst geringe Dämpfung in Glasfasern zu erzielen, bedarf es einer besonders hohen chemischen Reinheit des erzeugten Quarzglases. Um dies zu erreichen, bedient man sich verschiedener CVD-Prozesse, bei denen sich hochreines Siliziumdioxid (SiO2) aus der Gasphase an der Preform abscheidet. Die eingesetzten Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich darin, ob der Abscheidungsprozess im Inneren oder auf der Außenseite der Preform stattfindet. Bei allen Verfahren wird zur Erzeugung des Glases eine chemische Reaktion von Tetrachlorsilan (SiCl4) und Sauerstoff (O2) zu Siliziumdioxid und Chlor (Cl2) eingesetzt:[6]

.

Für chemische Reaktion bei den gezielt eingebrachten Dotierungen (zur Realisierung des gewünschten Brechungsindexprofils, siehe Aufbau) gilt je nach Wertigkeit ähnliches (Germanium) bzw. in leichten Abwandlungen, z. B. Bor (B) oder Phosphor (P):

.

Outside Vapor Deposition (OVD)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

OVD-Verfahren

Das OVD-Verfahren (engl. outside vapor deposition, dt. ‚außenseitige Gasphasenabscheidung‘) ist die älteste Herstellungsmethode. Sie wurde von Corning entwickelt und wird dort immer noch verwendet. Bei diesem Verfahren wird das Glas auf der Außenseite eines massiven Rundstabes aus Aluminiumoxid oder Graphit aufgebracht, indem die gasförmigen Halogenide und Reaktionsgase kontrolliert in eine Brennerflamme geblasen werden und sich dann die entstehenden Glaspartikel am Glasstab abscheiden. Eine gleichmäßige Schicht wird durch entsprechende Rotation und Vortrieb des Stabes erreicht. Mehrere tausend Schichten können so aufgebracht werden um den gewünschten Brechungsindexverlauf zu erzielen. Durch einen anschließenden Sinterprozess wird die noch poröse Struktur verdichtet und noch vorhandene Gase und Wasserreste entfernt. Der innere Rundstab wird dann entfernt und durch weiteres Erhitzen des entstandenen Hohlstabes wird dieser zur Preform geschrumpft (kollabiert). Während des Kollabierens kommt es typischerweise zu einem Brechungsindexeinbruch in der Mitte des späteren Faserkerns, da es durch die Erhitzung im Innenbereich zu einer Ausgasung des Dotiermaterials Germanium (Ge), in Form von Germanium(II)-oxid (GeO) kommt.[6][7]

Vapor (Phase) Axial Deposition (VAD)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

VAD-Verfahren

Beim VAD-Verfahren (engl. vapor phase axial deposition, dt. ‚axiale Gasphasenabscheidung‘) wird das Glas an der Stirnseite eines rotierenden massiven Stabes abgeschieden, wobei das Brechungsindexprofil durch variable geometrische Anordnung der Gasbrenner bzw. -düsen erreicht wird. Auch hier wird die noch poröse Struktur später durch Sintern verdichtet, aber es ist kein Kollabieren des Rundstabes mehr nötig, und der bei der OVD entstehende radiale Brechungsindexeinbruch im Kern wird vermieden. Mit diesem Verfahren kann gewissermaßen eine endlose Preform erzeugt werden, was die Herstellung besonders langer Fasern ermöglicht.

Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

MCVD-Verfahren

Im Gegensatz zu den ersten beiden Verfahren findet beim MCVD-Verfahren (engl. modified chemical vapor deposition, dt. ‚modifizierte chemische Gasphasenabscheidung‘) der Abscheidungsprozess im Inneren eines Glasrohres statt, aus dem später der äußere Bereich des Mantels wird. Die gasförmigen Halogenide werden dazu, mit einer geeigneten Mischung aus Reaktionsgas (Sauerstoff) und inerten Transportgasen (Argon oder Helium), kontrolliert in das Glasrohr eingeblasen. Von außen wird das Rohr mittels Gasbrenner erhitzt und es kommt an den heißen Zonen zur Abscheidung der Glaspartikel. Durch Rotation des Rohres oder der Brenner bzw. geeignete Positionierung mehrerer Brennerflammen wird die Abscheidung rotationssymmetrisch erreicht. Durch Führung der Brenner entlang des Rohres werden dann gleichmäßige Schichten an der Innenseite erzeugt. Da sich zwischen den Brennerflammen und der Reaktionszonen die Glasrohrwand befindet, wird bei diesem Verfahren der Einschluss von Restgasen und Wasserdampf vermieden. Auch hier schließt sich vor dem Kollabieren ein Sintervorgang an. Ähnlich wie bei dem OVD-Verfahren kommt es auch hier zu einem Brechungsindexeinbruch, da das für den Kern typischerweise benutzte Germanium (Ge) in Form von Germanium(II)-oxid (GeO) während des Kollabierens an der Innenseite entweicht, welche später den Faserkernmittelpunkt bildet.[6][7]

Plasma Chemical Vapor Deposition (PCVD)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim PCVD-Verfahren (engl. plasma(-assisted) chemical vapor deposition, dt. ‚plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung‘) handelt es sich um eine Abwandlung der MCVD, bei dem die Gasbrenner durch Mikrowellengeneratoren (2,5–3 GHz[5][6]) ersetzt werden, welche ein Plasma im Inneren des Rohres erzeugen. Eine zusätzlich elektrische Aufheizung des Rohres auf ca. 1000 °C verhindert mechanische Spannungen zwischen den aufgebrachten Schichten und dem Trägerglas. Bei diesem Verfahren schlägt sich das Glas gleich porenfrei nieder und es kann auf den Sinterschritt verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil ist die relativ hohe Geschwindigkeit und die erzielbare Schichtdicke von unter 1 µm, was die Realisierung von sehr präzisen Brechungsindexverläufen erlaubt.

Ähnliche Verfahren, die synonym als PCVD-Verfahren zu betrachten sind, ist das PECVD-Verfahren (engl. plasma-enhanced CVD), das PICVD-Verfahren (engl. plasma impulsed CVD) und das SPCVD-Verfahren (engl. surface plasma CVD), welche sich weitestgehend nur in der Art der Erzeugung des Plasmas und des verwendeten Druckes im Rohrinneren unterscheiden.[6][7]

Faserziehturm

Ziehen der Faser aus der Preform[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In Faserziehvorrichtungen, sogenannten Faserziehtürmen (engl. fiber draw tower), wird die Preform auf Temperaturen von ca. 2000 °C erhitzt, bei welchen das Glas weich wird und zur Faser gezogen werden kann. Die damit verbundene Durchmesserverringerung im Verhältnis von ca. 200:1 führt zu einer Längenänderung von ca. 1:40000.[5] Damit können aus einem Meter Preform ca. 40 km Faser erzeugt werden. Das Brechungsindexprofil der Preform bleibt während des Ziehvorganges erhalten.

Während des Ausziehens der Faser wird der Faserdurchmesser ständig überprüft und der Vortrieb der Faser entsprechend geregelt. Die blanke Glasfaser wird nach dem Ausziehen gleich mit einem (typischerweise zweistufigen) Coating aus Kunststoff wie beispielsweise Polyimid, Acryl oder Silikon versehen. Dazu wird die Faser durch einen Extruder geführt und anschließend der Kunststoff durch UV-Bestrahlung ausgehärtet. (Aushärtung durch Heizen ist auch möglich, aber langsamer.) Die Faserziehgeschwindigkeiten liegen im Bereich von einigen hundert bis 2000 m pro Minute[8] und bestimmen in Verbindung mit der Aushärtezeit maßgeblich die Höhe des Faserziehturms.[9] Vor dem Aufwickeln der fertigen Faser wird noch eine Zugfestigkeitsprüfung durchgeführt und es lassen sich somit 40 km Faser in ca. 40 min herstellen (bei 1000 m pro Minute).

Verbindung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Steckverbindungen und Steckertypen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: LWL-Steckverbinder

Die Mehrheit der Steckverbindungen sind Stecker-Stecker-Verbindungen. Die verwendeten Stecker müssen dabei eine möglichst geringe Signaldämpfung (auch Einfügedämpfung, engl. insertion loss) und eine hohe Rückflussdämpfung (engl. return loss), sowie eine hohe Reproduzierbarkeit bzw. Aufrechterhaltung dieser Parameter über mehrere hundert Verbindungszyklen besitzen.

Erzielbare Rückflussdämpfung für verschiedene Endflächenausführungen[10]
Abkürzung Bezeichnung Rückflussdämpfung
PC Physical Contact < −30 dB
SPC Super Physical Contact < −40 dB
UPC Ultra Physical Contact < −50 dB
APC Angled Physical Contact < −60 dB

Erzielt wird dieses durch die Verwendung von federnd gelagerten sehr präzisen zylindrischen Hülsen zur Faseraufnahme (sogenannte Ferrulen), welche in den Steckeraufnahmen in direkten Kontakt gebracht werden, womit eine Einfügedämpfung von 0,1–0,5 dB erreicht wird. Die hauptsächlich aus Metall oder Keramik bestehenden Ferrulen werden mit der eingeklebten Faser speziell angeschliffen bzw. poliert. Heute werden nur noch die sogenannten PC-Stecker verwendet (engl. physical contact), mit einer abgerundeten Endfläche (Radius ca. 10–15 mm[10]), welche beim Stecken einen physischen Kontakt der Faserkerne herstellen.

Immer höhere Anforderungen an die Rückflussdämpfung der installierten Steckverbindungen führten schließlich zu immer besseren Polierqualitäten der PC-Stecker, wozu die Grade SPC (engl. super physical contact) und UPC (engl. ultra physical contact) gehören. Eine weitere Erhöhung konnte dann nur noch durch die sogenannten HRL-Stecker (engl. high return loss) bzw. APC-Stecker (engl. angled physical contact) erreicht werden (Werte für die Rückflussdämpfung siehe Tabelle). Bei dieser Steckerart ist die Steckerendfläche nicht nur ballig ausgeführt, sondern sie ist zusätzlich noch um einige Grad (Standard ist 8°) verkippt zum typischerweise rechten Winkel zur Faserachse. Durch diesen Aufbau wird von der Steckerendfläche reflektiertes Licht aus dem Kern über das Mantelglas in die Luft hinaus gebrochen und kann somit die Datenübertragung nicht mehr stören. Stecker dieser Bauart führen ein APC als Ergänzung in ihrer Bezeichnung (ST/APC, SC/APC, FC/APC, LC/APC, E2000/APC usw.). UPC- und APC-Steckertypen kommen speziell bei Monomodefasern zum Einsatz.

Die am häufigsten verwendeten Steckerarten sind heute LC (engl. local connector) und SC (engl. subscriber connector). Aus älteren Installationen sind auch noch ST (engl. straight tip) und E-2000 weit verbreitet. Der LC-Stecker gehört wie der MU-, LX.5- und der FV-45-Stecker zu den sogenannten small-form-factor-Steckern (SFF-Stecker). Diese besitzen 1,25 mm Ferrulen und ermöglichen durch ihre kleinere Bauform eine höhere Bestückungsdichte als ältere Stecker, wie beispielsweise der SC-, ST- und E-2000-Stecker mit 2,5 mm Ferrulen. Eine weitere Erhöhung der Portdichte kann mit Mehrfasersteckern mit MT-Ferrulen (engl. mechanical transfer) erreicht werden, wie etwa dem MTRJ-, MPO- bzw. MTP-Stecker. In MT-Ferrulen sind typischerweise 2 (MTRJ) bis 16 (MPO/MTP) Fasern pro Reihe (Faserabstand 250-750 µm) untergebracht und die Ausrichtung der Mehrfaser-Ferrule erfolgt durch zwei seitlich angebrachte hochpräzise Führungsstifte.

Spleißverbindungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fusions-Spleißmaschine
(engl. fusion splicer) mit Werkzeug zur Faservorbereitung
Hauptartikel: Spleißen

Das thermische Verspleißen von Glasfasern ist eine sichere und verlustarme Verbindungsmethode, erfordert jedoch eine spezielle Ausrüstung (Spleißmaschine) und Erfahrung. Die Enden müssen vor dem Verspleißen von Coating befreit (mit einem Abisolierer), plan zugerichtet (mit einem Trennwerkzeug zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Faserbrüche) und genau zueinander positioniert werden (erfolgt typischerweise in der Spleißmaschine). Dann folgt eine Aufschmelzung der Faserenden durch einen kurzzeitigen Lichtbogen. Während des Aufschmelzens werden die Glasfaserenden ohne zusätzliches Fügemittel aneinandergeschoben. Danach wird die bruchempfindliche Spleißstelle mit einem Spleißschutz mechanisch und vor Feuchtigkeit geschützt. Die Erstellung einer lösbaren Verbindung, um zum Beispiel innerhalb eines Verteilerfeldes Rangiermöglichkeiten zwischen verschiedenen Strecken zu ermöglichen, erfolgt durch das Verspleißen eines Pigtails mit der Verlegefaser. Ein Pigtail ist ein Lichtwellenleiter, der auf der einen Seite einen konfektionierten Stecker besitzt.

Glasfasermuffe

Glasfasermuffen enthalten mehrere Spleißverbindungen und verbinden zwei oder mehr Kabel mit jeweils mehreren Fasern bzw. LWL miteinander. Hierfür müssen die Glasfaserkabel einzeln gestrippt, verspleißt und in Kassetten eingelegt werden. Diese dienen dazu, dass bei evtl. Störungen einer Faser die restlichen Fasern unbeeinflusst bleiben. Eine Muffe kann über 200 einzelne Fasern aufnehmen, was mehrere Tage Installationszeit beanspruchen kann.

Daneben gibt es Spleißverbindungen sogenannter Ribbon- oder Bändchenkabel. Bei diesen Kabeln sind als Einzelelement bis zu zwölf Glasfasern in einer Klebematrix bandförmig nebeneinander untergebracht. Die zugehörigen Kabel beinhalten bis zu 100 solcher Bändchen, d. h. bis zu 1200 Glasfasern. Die entsprechende Spleißtechnik verspleißt immer die gesamten Bändchen miteinander, d. h. vier, sechs oder zwölf Glasfasern gleichzeitig mittels Lichtbogen.

Verlegung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Verlegung erfolgt oft unterirdisch. Die Kabel werden in bereits bestehenden Schächten, Rohren oder Abwasserkanälen untergebracht und anschließend an den gewünschten Stellen mittels Verteilern zu den einzelnen Gebäuden verlegt. Dies ist kostengünstig, da keine Bauarbeiten nötig sind und durch die Ein- und Ausgangsschächte die jeweiligen Verbindungen schnell und einfach installiert werden können. Bei FTTH (Fibre to the Home) werden die Kabel mit Durchmesser 2 mm in den schon vorhandenen Telefonanschlusskanälen (Elektrokanälen) verlegt.

Glasfaserkabel Bündelader (Erdkabel)

Es werden verschieden Typen unterschieden:

  • Hohlader: Ummantelt man die Glasfaser mit einer losen Hülle, so bezeichnet man eine solche als Hohlader. Man erreicht damit, dass die Faser kräftefrei in der Hülle liegt; Querbelastungen können sich dann nicht mehr auf die Faser auswirken. Ein Schutz gegen Längsbelastungen ist allerdings mit dieser Kunststoffhülle noch nicht gegeben, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient und die dadurch auftretenden Längenänderungen bei Zugbeanspruchung zwischen Quarzglas und Kunststoffen um Größenordnung differieren. Um eine Längswasserdichtigkeit der Hülle und eine definierte Lage der eingelegten Fasern zu erreichen, wird die Hülle mit einem Gel aufgefüllt. Temperaturänderungen führen deshalb zu Unter- oder Überlängen der Faser in der Hülle und damit zu Zugbeanspruchungen und zu Mikrokrümmungen. In einer Hülle werden ein bis zwölf Fasern eingelegt. Sind mehrere Fasern enthalten, bezeichnet man die Einheit aus Hülle und den Fasern als Bündelader (Bündel-Hohlader).
  • Vollader: Die Sekundärbeschichtung kann auch als feste Kunststoffhülle ausgeführt werden. Diese Bauart bezeichnet man als Vollader. Da die Glasfaser und der Mantel fest miteinander verbunden sind, wirken sich mechanisch oder thermisch bedingte Längenunterschiede der Ummantelung direkt auf die Faser aus, was zu Dämpfungszunahmen durch Mikrobiegungen führen kann.
  • Kompaktader: Im Gegensatz zur Festader liegt die Faser ähnlich einer Hohlader leicht distanziert zur Sekundärbeschichtung in einer Gelmasse. Dadurch wirken sich mechanische und thermisch bedingte Längenunterschiede der Ummantelung nicht sofort auf die Faser aus. Diese Konstruktion eignet sich für direkte Steckermontage und Spleisstechnik, da sie sich leicht bis zu 1,5 m absetzen lässt.

Für höherfasrige Kabel werden Bündeladern allenfalls ergänzend mit Blindadern um ein Zentralelement zur sogenannten Kabelseele verseilt. Blindadern sind Kunststoffhüllen mit dem Durchmesser normaler Glasfaserhüllen, die allerdings keine Glasfaser enthalten. Sie werden in Bündeladern eingesetzt und dienen dazu, das Stützelement zentral in der Kabelseele zu installieren, falls die Anzahl der Glasfasern für diesen Zweck nicht ausreicht. Das Zentralelement besteht meist aus einem GFK-Stab, der für die thermische und mechanische Stabilisierung der Kabelseele sorgt. Dieser innere Teil des Kabels, welcher sämtliche Fasern enthält, kann auch aus mehreren Lagen bestehen oder gar in Lagen liegende Bündel enthalten.

Die Verseilung dient der Flexibilität des Kabels und bewirkt auch eine Dehnungsunabhängigkeit der Faser gegenüber dem Kabel. Im Gegensatz zur S- bzw. Z-Verseilung, bei der kontinuierlich in einem Drehsinn verseilt wird, wechselt die Drehrichtung bei der SZ-Verseilung periodisch ab (Zwirnen). Je kleiner die Schlaglänge gewählt wird, um so wirksamer ist der Längenausgleich und damit der zulässige Temperaturbereich. Die Schlaglänge darf aber wiederum nicht zu klein sein, weil sonst starke Makrokrümmungen auftreten. Durch die SZ-Verseilung entfällt die Tendenz des Kabels, sich unter Zug zu verdrehen. Die Hohl- bzw. Bündeladern müssen allerdings in dieser Verseilung durch eine Bandage fixiert werden. Wie schon die einzelnen Bündeladern, erhält die Kabelseele bei Kabeln für Außenanwendungen eine Längswassersperre. Um den Umgebungsbedingungen während des Einzugs- und Einsatzes standzuhalten, wird die Kabelseele mit Zugelementen und Kunststoffmantel versehen.

Das Mantelmaterial hat eine große Bedeutung, denn die Längenänderung des Kabels kann sich wegen thermischer Expansion und Kontraktion als problematisch erweisen. Bei den heute verwendeten Kunststoffen können bei hohen Temperaturschwankungen Längenunterschiede zwischen Mantel und Faser von ca. einem Prozent vorkommen. Durch Zugentlastungs- und Stützelemente werden die dadurch entstehenden Stauch- und Dehnungskräfte aufgefangen. Nicht nur der Temperaturbereich ist bestimmend für die Wahl des für den Einsatzbereich geforderten Mantelmaterials. Auch Hitzeresistenz, Flammwidrigkeit, Abrieb und Kerbverhalten sowie Wetterbeständigkeit und Resistenz gegenüber Lösungsmitteln spielen eine Rolle.

Für Glasfaseraußenkabel wird das bewährte Mantelmaterial Polyethylen verwendet. Zur Erkennung der Glasfaserkabel werden zwei orange Längsstreifen um 180° versetzt mitextrudiert. Erdkabel sind zusätzlich zur mechanischen Stabilisierung im Inneren mit Metalldrähten oder -kabeln versehen, sowie im äußeren Bereich eventuell mit einem Metallgeflecht oder Glas-Filament, -Armierung zum Schutz gegen Beschädigung von außen (wie etwa Tierbiss).

Für das Einziehen ist es wichtig, dass ein Kraftschluss zwischen den Zugelementen und dem Kabelmantel erfolgt. Ansonsten würde der Kabelmantel während des Einziehens über den Verseilaufbau hinweggezogen.

An Glasfaserinnenkabel werden hohe Anforderungen bezüglich Brandverhalten, Brandfortleitung, Rauchentwicklung, Halogenfreiheit und Brandlast gestellt. Obige Anforderungen können mit dem sonst so vorteilhaften PVC nicht erreicht werden. Es sind daher flammwidrige, halogenfreie Mantelmaterialien einzusetzen.

Patchkabel (meist Simplex- oder Duplex-Ausführung) können als Glasfaserkabel ausgeführt sein. Die einzelnen Glasfasern werden bei Patchkabeln durch einen wenige Millimeter dicken Kunststoff- oder Metallmantel geschützt (jacket).

Leitungsverluste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verluste durch fundamentale Materialeigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lichtdämpfung zwischen 700...1700 nm durch fundamentale Materialeigenschaften und Verunreinigungen. Am linken und rechten Rand sind die Ausläufer der Absorptionsbanden im ultravioletten (überlagert von Verlusten durch Rayleigh-Streuung) bzw. infraroten Spektralbereich zu erkennen, welche zusätzlich von den sogenannten Water-Peaks bei 950 nm, 1240 nm und 1380 nm überlagert werden.

Die während der Lichtleitung in Glasfasern entstehenden intrinsischen Verluste sind auf fundamentale Materialeigenschaften und unerwünschte Verunreinigungen des verwendeten Glases zurückzuführen.

Absorbtionsverluste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es gibt materialspezifische Absorptionsbanden im ultravioletten und infraroten Spektralbereich. Die Ausläufer erstrecken sich jeweils bis in den dazwischen liegenden Bereich der optischen Datenübertragung (nahes Infrarot, NIR), und würden unter Vernachlässigung der weiter unten beschriebenen zusätzlich auftretenden Verlustmechanismen ein theoretisches Dämpfungsminimum bei ca. 1500 nm ergeben.

Streuverluste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Glas ist physikalisch gesehen eine erstarrte Flüssigkeit. Es muss daher als optisch inhomogenes Material, amorphes Material, angesehen werden, da der Brechungsindex wegen der Dichteänderungen des Materials örtlich schwankt. An diesen Inhomogenitäten wird das Licht gestreut. Einer dieser Streuverluste die Rayleigh-Streuung macht sich bei kleineren Wellenlängen (<1 mm) zunehmend bemerkbar und mit 1/λ4 zu längeren Wellenlängen hin abnimmt. Sie überwiegt im nahen infraroten Spektralbereich bis ca. 1500 nm und trägt entscheidender zur Gesamtdämpfung bei als die Ausläufer der UV-Absorption.[13] Die in Glasfasern ebenfalls auftretende Brillouin- und Raman-Streuung kann bei den meisten Anwendungen typischerweise vernachlässigt werden, da deren Beitrag zur Dämpfung sehr gering ist. Mögliche Beeinflussungen durch nichtlineare Effekte treten bei diesen Streuprozessen erst beim Einsatz hoher optischer Leistungen auf (stimulierte Brillouin- bzw. Raman-Streuung).

Weitere Ursachen sind Verunreinigungen des Fasermaterials, hauptsächlich während des Herstellungsprozesses absorbiertes Wasser, oder des Ausgangsmaterials. Höhere Harmonische der Molekülschwingungen der O-H-Bindungen (Fundamentale um etwa 2800 nm) erzeugen zusätzliche Absorptionsmaxima bei 950 nm, 1240 nm und 1380 nm, Wasserbanden welche auch als water peaks (engl.) bezeichnet werden. Die einzelnen Beiträge zum Energieverlust ergeben einen wellenlängenabhängigen Gesamtverlust, wie er im Bild rechts dargestellt ist. Einfache Fasern werden deshalb in den um die Minima liegenden Spektralbereichen um 850 nm, 1310 nm (O-Band) oder 1550 nm (C-Band) betrieben.

Eine Weiterentwicklung der Standard-Singlemode-Faser (SSMF) sind die sogenannten Low-Water-Peak-Fasern (ITU-T G.652.C und G.652.D[14]) und Zero-Water-Peak-Fasern. Im Gegensatz zur SSMF werden diese Fasern durch verbesserte Herstellungsprozesse und Ausgangsmaterialien (nahezu) wasserfrei hergestellt, wodurch die Dämpfung im Wellenlängenbereich zwischen 1260 nm und 1625 nm stark reduziert werden kann. Mit diesen Fasern wird das sogenannte E-Band (englisch extended band) für die Datenübertragung geöffnet. Dieser Bereich wird überwiegend mit der CWDM-Technologie (engl. coarse wavelength division multiplex, dt. ‚grobes Wellenlängenmultiplexing‘) erschlossen, die es ermöglicht aufgrund der großen Kanalabstände auf sehr kostengünstige, ungekühlte Laser für die Übertragung zurückzugreifen.

Strahlungsverluste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Biegeverluste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verluste durch Biegung von Lichtwellenleitern. Bedingt durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit kommt es an der Außenseite der Biegestelle zum Zurückbleiben der Wellenfront. Dies führt zu einer radialen Komponente des Poynting-Vektors und somit zu einer Abstrahlung von Energie.

Bei Biegeradien der Glasfasern von einigen Zentimetern entstehen Verluste durch Abstrahlung von Leistung aus dem Kern in den Mantel. Für Multimodefasern kann dies strahlenoptisch dadurch erklärt werden, dass der Grenzwinkel für die Totalreflexion an der gebogenen Stelle unterschritten wird und dadurch ein Teil des Lichtes aus dem Glasfaserkern entweicht. Für Monomodefasern gilt die wellenoptische Betrachtungsweise, die aussagt, dass immer ein Teil der transportierten Leistung sich auch auf den Mantel erstreckt. Der Modenfelddurchmesser ist immer größer als der Kerndurchmesser, und nimmt mit der Wellenlänge zu. Im äußeren Bereich der Biegestelle kommt es mit zunehmendem Abstand vom Kern zu einer Wegverlängerung, die ein Zurückbleiben der Phasenfronten verursacht, da die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit im Mantel nicht überschritten werden kann. Durch die nicht mehr ebene Wellenfront kommt es zu einer radialen Komponente des Poyntingvektors, welche eine Abstrahlung von Energie zur Folge hat.[13] Die beschriebenen Effekte machen sich in Form einer Dämpfungserhöhung bemerkbar, welche je nach Leistungsbudget, Streckenlänge und Biegung zum Totalausfall der Übertragung führen kann.

Eine Faustformel von Glasfaser-Herstellern sagt, dass bei Kurzzeitbelastung der Biegeradius der Fasern das 100-fache des Radius der Glasfaser und bei dauerhafter Verlegung das 600-fache nicht unterschreiten sollte.

Speziell für den Bereich Fiber to the Home (FTTH) und den damit verbundenen schlechteren Installationsbedingungen in Wohnhäusern, entwickelten die Glasfaserhersteller in der jüngsten Zeit neue Glasfasern mit reduzierten Biegeverlusten (engl. bending loss). Ziel ist es bei diesen Low-Bending-Loss-Singlemode- und -Multimode-Fasern, den Brechungsindex im Mantel durch geeignete Maßnahmen zu verringern bzw. so zu modifizieren, dass der Modenfelddurchmesser reduziert und somit weniger Leistung in den Mantel abgestrahlt wird. Vorgeschlagene Methoden sind dabei die Einbringung einer ringförmigen mit Fluorid dotierten Schicht im Mantel, in der der Brechungsindex grabenförmig um den Kern verringert wird (engl. trench-assisted), sowie die Einbringung einer ringförmigen Nanostruktur aus Hohlräumen im Cladding (engl. nano-structured), welche auch zu einer Reduzierung des effektiven Brechungsindexes (siehe Wellenleiterdispersion) in den entsprechenden Bereichen führt.[15][16]

Durch solche biegeunempfindlicheren Fasern ist es möglich, auch bei Biegeradien im Bereich von unter 10 mm eine nahezu verlustlose Übertragung sicherzustellen. Im Singlemode-Bereich sind sie spezifiziert nach ITU-T G.657, Kategorie A und B, wobei die Kategorie A die Anforderungen für Standard-Singlemode-Fasern nach ITU-T G.652 erfüllt.[14]

Fehler an der Übergangsfläche Kern/Mantel führen zu weiteren Strahlungsverlusten.

Einfüge- und Koppelverluste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Einkoppeln des Lichtes in die Faser, sowie beim Verbinden von Fasern mittels Steck- und Spleißverbindungen können Einfüge- bzw. Koppelverluste durch mehrere Faktoren auftreten:

  • Kernexzentrizitäten und unterschiedliche Modenfelddurchmesser der zu verbindenden Fasern
  • longitudinaler und transversaler Versatz sowie Winkelversatz der Faserenden
  • Oberflächenreflexionen an den Faserenden
  • falsche Anpassung der numerischen Apertur und Fokusgröße zwischen Einkoppeloptik und Faser.

Bei Verbindungen von Lichtwellenleitern ist es wichtig, dass die Lage des Faserkerns mittig ist (Kernexzentrizität), sowie die Abmessungen und Rundheit der Fasern genau eingehalten werden und zueinander kompatibel sind. Die Exzentrizität des Faserkerns (Versatz zwischen Mittelpunkt des Faserkerns und Mittelpunkt des Fasermantels) bei heutigen Monomodefaser liegt bei kleiner 0,5 µm. Weitere transversale Versätze können durch Toleranzen bei der Steckermontage entstehen, wo die Faser in eine Aufnahmehülse (engl. ferrule) mit einer Bohrung von zum Beispiel  µm (Monomodefasern) bzw.  µm (Multimodefasern) eingeklebt wird,[10] sowie durch Toleranzen der Führungshülsen der Steckeraufnahmen, welche im Bereich von 1 bis 2 µm liegen. Da das Signal bei Monomodefasern durch einen wenige Mikrometer dicken Kern transportiert wird, führt jede Fehlanpassung zu einer Teilüberlappung und somit zu einem Leistungsverlust.

Der größere Kerndurchmesser von Multimodefasern gestattet größere Toleranzen am Übergang zwischen zwei Fasern. Applikationen wie 10-Gigabit-Ethernet und speziell 40- und 100-Gigabit-Ethernet haben jedoch nur geringe Reserven für Dämpfung und Verluste und zu hohe Toleranzen und Abweichungen können daher auch hier schnell die Grenzen erreichen.

Dispersion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verschiedene Dispersionseffekte tragen dazu bei, dass es während der Übertragung zu einer Verformung der dem Licht aufmodulierten Signalform kommt, was auf unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten verschiedener Signalanteile zurückzuführen ist: Das zur Informationsübertragung genutzte Licht hat eine spektrale Breite, die mindestens so groß ist wie die Bandbreite des aufmodulierten Nutzsignales. Erreichen nun unterschiedliche Wellenlängen den Empfänger mit unterschiedlicher Verzögerung, so verschleift beispielsweise die Signalform eines Rechteckes. Die Verformung ist umso größer, je länger die Faserstrecke ist und je größer ihre Dispersion bei den benutzten Wellenlängen ist.

  • Modendispersion: In Stufenindex-Multimodefasern können sich verschiedene Moden verschieden schnell ausbreiten. Dies hängt vom radialen Verlauf des Brechungsindex ab. Ein parabelförmig nach außen absinkender Brechungsindex senkt die Modendispersion im Idealfall bis auf Null. Für Einmodenfasern entfällt diese Art der Dispersion; es dominiert die
  • chromatische Dispersion: Sie ist die wellenlängenabhängig unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Eine praktische Maßeinheit der chromatischen Dispersion für die Übertragbarkeit digitaler Signale ist Pikosekunden pro Kilometer Faserlänge und Nanometer Wellenlängenunterschied, ps/(km·nm). Die chromatische Dispersion ist die Summe zweier Mechanismen:
    1. Materialdispersion: Anders als im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in Glas abhängig von der Frequenz des Lichts, was auch bei Glaslinsen als chromatischer Fehler zu beobachten ist (chromatische Aberration). Die Materialdispersion wechselt ihr Vorzeichen abhängig von der Glassorte im nahen Infrarot. Das bedeutet, dass bei einer bestimmten Wellenlänge die Materialdispersion verschwindet beziehungsweise dass Materialien gewählt werden können, für die die Materialdispersion bei der gewünschten Wellenlänge null ist.
    2. Wellenleiterdispersion: Der effektive Brechungsindex liegt zwischen dem des Faserkerns und dem geringeren Index des Mantels. Die Gewichtung selbst hängt von der Wellenlänge ab: Je langwelliger, desto tiefer dringt die Mode in den Mantel ein und desto geringer ist der effektive Brechungsindex und somit umso höher die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Wahl des Mantelmaterials nimmt damit Einfluss auf die Dispersion des Lichtwellenleiters - je geringer der Brechzahlunterschied, desto geringer die Wellenleiterdispersion. Aber auch die Numerische Apertur nimmt ab.
  • Polarisationsmodendispersion (PMD): Licht breitet sich in einem doppelbrechenden Medium je nach Polarisation unterschiedlich schnell aus. Eine Glasfaser ist entweder auf Grund ihrer Bauform doppelbrechend oder auf Grund äußerer Einflüsse wie etwa Biegung oder Temperaturschwankungen. Die PMD kann durch polarisationserhaltende Glasfasern (engl. polarization-maintaining optical fiber, PMF) unterdrückt werden, wobei die Lichtquelle dann nur eine Polarisationsmode anregen darf. Dieser Fasertyp kommt aber auf Grund der höheren Dämpfung und höherer Herstellungskosten nur auf kurzen Übertragungsstrecken und in der Messtechnik zum Einsatz. Solche Fasern sind radial gezielt inhomogen, z. B. durch eine geometrische Asymmetrie des Kerns oder durch Stress-Elemente im Fasermantel, die zu Spannungsdoppelbrechung im symmetrischen Kernen führen.

Als Singlemode-Fasern für Weitverkehrsnetze werden heutzutage Non-Zero-Dispersion-Fasern (ITU-T G.655.C[14]) verwendet. Sie verbinden eine sehr geringe Dämpfung mit einer geringen Dispersion im C-Band (engl. conventional band), wodurch im Gegensatz zu Standard-Singlemodefasern (SSMF) Übertragungen über längere Strecken ohne externe Dispersionskompensation möglich sind.

Der Brechungsindex von Glas hängt nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Amplitude des hindurch geleiteten Lichts ab. Für bestimmte, Soliton genannte Signalformen hebt dessen Einfluss die Verformungen durch von der Frequenz abhängige Dispersion auf. Seit über drei Jahrzehnten wird darauf hingewiesen, dass es dadurch im Prinzip möglich ist, eine Faserstrecke über tausende Kilometer ohne Repeater zu betreiben. Eine Signalverstärkung ist jedoch nötig.[17] Praktische Hürden verhindern jedoch bisher einen breiten Einsatz in der Faserkommunikation.[18]

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In Faserrichtung kann sich Licht in Glasfasern nahezu ungehindert ausbreiten. Durch einen radial nach außen abnehmenden Brechungsindex, stetig oder stufig, wird das Licht in der Faser geführt. Diese Eigenschaft wird in vielen technischen Anwendungen genutzt. Sie sind alterungs- und witterungsbeständig, chemisch resistent und unbrennbar. Ihren hohen Elastizitätsmodul nutzt man, um die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen zu verbessern.

Datenübertragung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Lichtwellenleiter

Glasfasern werden unter anderem als Lichtwellenleiter in Glasfasernetzen zur optischen Datenübertragung verwendet. Dies hat gegenüber elektrischer Übertragung den Vorteil einer erheblich höheren maximalen Bandbreite. Es können mehr Information pro Zeitspanne übertragen werden. Außerdem ist das übertragene Signal unempfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Störfeldern und bietet eine ziemlich hohe Abhörsicherheit.

Beleuchtung, Dekoration, Kunst und Architektur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In einer Vielzahl von Lampen und Beleuchtungsinstallationen werden Glasfasern heutzutage verwendet, wobei die Fasern nicht nur zum Lichttransport, sondern selbst auch als abstrahlende Elemente benutzt werden. Eine ungewöhnliche Anwendung ist die Herstellung lichtdurchlässigen Betons: durch das Einarbeiten von drei bis fünf Prozent Glasfaseranteil entstehen transluzente Betonelemente, durch die man Licht, Schattenwürfe und Farben noch bis zu einer Wandstärke von 20 cm sehen kann (siehe auch: Litracon).

Beleuchtung und Abbildung in Medizin und Messtechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Glasfasern und Glasfaserbündel werden zu Beleuchtungs- und Abbildungszwecken z. B. an Mikroskopen, Inspektionskameras oder Endoskopen oder auch bei Kaltlichtquellen benutzt (siehe auch: Faseroptik). In den meisten Fällen werden aber zur Beleuchtung polymere optische Fasern eingesetzt, da diese flexibler sind und bei Überdehnung nicht brechen.

Sensoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Glasfasern finden verstärkt Anwendung in der Messtechnik. So dienen faseroptische Sensoren, bei denen die Messgröße nicht wie typischerweise durch eine elektrische Größe repräsentiert bzw. übertragen wird, sondern durch eine optische, zur Messwerterfassung in schwer zugänglichen Bereichen wie Staudämmen oder unter extremen Bedingungen wie in Stahlwerken oder Magnetresonanztomographen. Man unterscheidet zwei Klassen von faseroptischen Sensoren:

Laser[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Faserlaser in Doppelmantelfaser-Aufbau

Zum flexiblen Transport von Laserstrahlung werden Glasfasern in Lichtleitern eingesetzt, um die Strahlung zum einen bei der Materialbearbeitung und in der Medizin zur Bearbeitungsstelle (schneiden, schweißen usw.) und zum anderen in der Messtechnik, Mikroskopie und Spektroskopie zur Probe zu leiten.

In der Lasershowtechnik wird Laserlicht von einer zentralen Quelle über Lichtleitkabel zu verschiedenen im Raum verteilten Projektoren geleitet. Die Leistungen betragen hier einige hundert Milliwatt bis zu zweistelligen Wattbeträgen.

Laserstrahlen können nicht nur in Glasfasern geleitet, sondern auch in ihnen erzeugt und verstärkt werden. So finden z. B. Faserlaser und Erbium-dotierte Faserverstärker Einsatz im Telekommunikationsbereich. Auf Grund der guten Effizienz des Konversionsprozesses und der guten Kühlung durch die große Oberfläche der Faser sowie der sehr hohen Strahlqualität werden Faserlaser mit hoher Leistung in der Materialbearbeitung und Medizin verwendet.

Nutzung der mechanischen Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Typische Eigenschaften von Glasfasern
Dichte 2,45…2,58 g/cm³
Filamentdurchmesser 5…24 µm
Zugfestigkeit 1,8…5 GPa (kN/mm²)
Zug-E-Modul 70…90 GPa
Bruchdehnung < 5 %
Ein Bündel Glasfasern für die Kunststoffverstärkung (Glasfaserroving)

Für mechanische Anwendungen werden die Glasfasern meistens als Roving, Vliesstoff oder als Gewebe zur Wärme- und Schalldämmung, sowie für glasfaserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Diese zählen heute zu den wichtigsten Konstruktionswerkstoffen. Für Profile verwendet man hingegen unidirektionale (nur in eine Richtung verlaufende) Fasern; so werden zum Beispiel Sportpfeile für das Bogenschießen, Stäbe zur Isolation oder z. B. in manchen Regenschirmen aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt.

Da Glasfasern sehr kerbempfindlich sind, werden sie bei der Herstellung bzw. vor dem Verweben mit einer sogenannten Schlichte versehen. Diese Schlichte (z. B. eine Silanschlichte) dient beim Weben als Schmierstoff und wird nach dem Weben chemisch entfernt.[19] Danach wird das sog. Finish auf die Glasfasern aufgetragen, das für die Verwendung in Faserverbundwerkstoffen als Haftvermittler zwischen den Glasfasern und dem Kunstharz wirkt. Finish wird auch als haftmittelhaltige Schlichte bezeichnet. Sie kann bis zu zwei Masseprozent ausmachen, liegt jedoch meist bei 0,3 bis 0,8 Prozent.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe zeigen nur eine sehr geringe Kriech­neigung und nehmen nur sehr wenig Feuchte auf.

Festigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als sprödes Material ist Glas empfindlich gegenüber Spannungsspitzen, wie sie an Fehlstellen wie Kerben auftreten (vergl. Wirkungsweise eines Glasschneiders). Risse setzen sich durch den gesamten Körper fort. Durch die Faserform ist die Fehlstellengröße im Gegensatz zum kompakten Werkstoff auf den Faserquerschnitt begrenzt, die molekulare Festigkeit des Glases wird nutzbar. Die Bruchdehnung einer einzelnen Faser kann bis zu 5 Prozent betragen. Sie sind jedoch anfällig gegenüber Knicken und scharfen Kanten.

Die Zug- und Druckfestigkeit der Glasfaser sorgt für eine besondere Aussteifung des Kunststoffes bei gleichzeitiger Erhaltung einer gewissen Flexibilität dank der (verglichen mit Stahl) hohen elastischen Bruchdehnung. Die Eigenschaften von Glasfasern werden beispielsweise bei der Herstellung von hochfesten und leichten Bauteilen wie Sportbooten, GFK-Profilen, GFK-Bewehrungen oder Angelruten genutzt. Auch Tanks und Rohre für hochkorrosive Stoffe bestehen meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Typischerweise wird für die Konstruktion die mittlere quasistatische Festigkeit einer unverstärkten E-Faser von RG = 1,8 GPa verwendet.

Steifigkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Elastizitätsmodul von Glasfasern unterscheidet sich nur wenig von dem eines kompakten Werkstoffvolumens aus Glas. Anders als Aramidfasern oder Kohlenstofffasern hat die Glasfaser eine amorphe Struktur. Wie beim kompakten Fensterglas ist die molekulare Orientierung regellos. Die Glasfaser hat isotrope mechanische Eigenschaften. Glasfasern verhalten sich bis zum Bruch ideal linear elastisch. Ihre Werkstoffdämpfung ist sehr gering.

Die Steifigkeit eines realen Bauteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff ergibt sich aus Elastizitätsmodul, Richtung und Volumenanteil (Standard: 60 %) der Glasfasern sowie zu einem geringen Anteil aus den Eigenschaften des Matrixmaterials, da meist ein deutlich weicherer Kunststoff verwendet wird. Der Elastizitätsmodul der reinen Glasfaser liegt mit 70 bis 90 GPa etwa in der Größenordnung von Aluminium.

Arten von Verstärkungsfasern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Glas, aus dem die Verstärkungsfasern hergestellt sind, beeinflusst die Eigenschaften des Kompositwerkstoffs. Daher sind unterschiedliche Qualitäten der Verstärkungsfasern im Handel:[20]

  • E-Glas (E = Electric): gilt als Standardfaser, ca. 90 % des Marktes, wird in basischer und saurer Umgebung angegriffen.
  • S-Glas, R-Glas (S = Strength, R = Résistance): Faser mit erhöhter Festigkeit
  • M-Glas (M = Modulus): Faser mit erhöhter Steifigkeit (E-Modul)
  • C-Glas (C = Chemical): Faser mit erhöhter Chemikalienbeständigkeit
  • ECR-Glas (englisch E-Glass Corrosion Resistant): Faser mit besonders hoher Korrosionsbeständigkeit
  • D-Glas (D = Dielectric): Faser mit niedrigem dielektrischen Verlustfaktor, z. B. die Radome einer Radarstation
  • AR-Glas (AR = Alkaline Resistant): Zur Bewehrung von Faserbeton entwickelte Faser, die mit Zirconium(IV)-oxid angereichert ist. Sie ist gegenüber einer basischen Umgebung weitgehend resistent.
  • Q-Glas (Q = Quarz): Faser aus Quarzglas (SiO2). Eignet sich für die Anwendung bei hohen Temperaturen von bis zu 1450 °C
  • Hohlglasfasern: Fasern (meist E-Glas) mit einem Hohlquerschnitt

Bemerkung: R-, S- und M-Glas sind alkalifrei und haben eine gesteigerte Feuchtebeständigkeit.

Anwendung von Verstärkungsfasern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Glasfasern werden Beton beigemischt, bei dem sie als Bewehrung dienen. Glasfaserverstärkter Beton wird bei Wellplatten, Fassadenplatten oder bei verlorenen Schalungen eingesetzt. Ebenso wird Glasfaser im Estrich verwendet. Außerdem wird Feinbeton mit Glasfasertextilien bewehrt, das heißt dann textilbewehrter Beton.

Eine große Bedeutung haben Glasfasern in glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) (Luft- und Raumfahrt, Leiterplatten, Boote, Bobschlitten usw.). In der Luft- und Raumfahrt werden aus Langglasfasern überwiegend tragende Strukturen gebaut (z. B. Segelflugzeug Schleicher ASK 21). In der Automobilindustrie werden zurzeit Langglasfasern noch hauptsächlich zur Versteifung von thermoplastischen Bauteilen (z. B. Verkleidungen) genutzt. Es geht aber hier ein Trend zu tragenden Bauteilen.

In der Verfahrenstechnik werden Glasfasern hauptsächlich in gewickelten Rohren genutzt. Hier zeichnet sich die Glasfaser durch ihre sehr gute Medienbeständigkeit und elektrische Isolierwirkung aus.

In der Elektrotechnik werden Glasfasern als Verstärkungsfasern in Leiterplatten oder in elektromagnetisch transparenten Verkleidungen (Radome) genutzt. Die Hochspannungstechnik nutzt die hohen Festigkeiten und die Isoliereigenschaft der Fasern in Isolatoren.

Beim manuellen Technischen Zeichnen auf Zeichenfolie und zur Reinigung werden Glasfaserradierer verwendet.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Glasfaser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Optical Fibers auf fiberguide.com, abgerufen am 5. März 2017.
  2. Phosphatglas auf materialarchiv.ch, abgerufen am 5. März 2017.
  3. Fluoride Fibers auf rp-photonics.com, abgerufen am 5. März 2017.
  4. Motheye-Fibre auf opli.net, abgerufen am 5. März 2017.
  5. a b c Fedor Mitschke: Glasfasern – Physik und Technologie. Elsevier – Spektrum Akademischer Verlag, 2005, ISBN 3-8274-1629-9, S. 93–98. (6.2 Die Herstellung von Glasfasern)
  6. a b c d e L. Cognolato: Chemical Vapour Deposition for Optical Fibre Technology. In: JOURNAL DE PHYSIQUE IV (Colloque C5, supplement au Journal de Physique 1). Band 5, 1995, S. 975–987 (PDF).
  7. a b c Phillip Bell, Todd Wiggs: Multimode Fiber and the Vapor Deposition Manufacturing Process (Outside Vapor Deposition vs. Inside Vapor Deposition). In: Corning Guide Lines. Volume 10, 2005. (PDF)
  8. Kyoungjin Kim: Analysis of Capillary Coating Die Flow in an Optical Fiber Coating Applicator. In: World Academy of Science, Engineering and Technology. Band 79, 2011, S. 384–388 (PDF).
  9. Bishnu P. Pal: Fundamentals of fibre optics in telecommunication and sensor systems. New Age International, New Delhi, 1992, ISBN 978-81-224-0469-2, S. 224–227 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. a b c A. B. Semenov, S. K. Strizhakov, I. R. Suncheley und N. Bolotnik: Structured Cable Systems. Springer, Berlin, Heidelberg 2002, ISBN 978-3-540-43000-1, S. 206–231 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  11. C. R. Pollock, Clifford Pollock, Michal Lipson: Integrated Photonics. Springer Netherlands, 2003, ISBN 1-4020-7635-5, S. 166–174. (2. Intrinsic Absorption Loss)
  12. Nevill Francis Mott, Edward A. Davis: Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. 2. Auflage. Oxford University Press, 1979, ISBN 978-0-19-964533-6, S. 272–304 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). (6.7 Non-Crystalline Semiconductors – Optical Absorption)
  13. a b Fedor Mitschke: Glasfasern – Physik und Technologie. Elsevier – Spektrum Akademischer Verlag, 2005, ISBN 3-8274-1629-9, S. 75–80. (5. Verluste)
  14. a b c Mike Gilmore: AN OVERVIEW OF SINGLEMODE OPTICAL FIBRE SPECIFICATIONS. FIA – The Fibreoptic Industry Association 2010 (PDF)
  15. R. Krähenbühl, H. Schiess, C. Cecchin: Compatibility of Low Bend Singlemode Fibers. HUBER+SUHNER AG – Fiber Optics Division, White Paper 2010 (PDF)
  16. M.-J. Li u. a.: Ultra-low Bending Loss Single-Mode Fiber for FTTH. In: Journal of Lightwave Technology. Vol. 27, Issue 3, 2009, S. 376–382, doi:10.1109/JLT.2008.2010413, (PDF, Corning Inc., OFC/NFOEC 2008).
  17. Ramgopal Gangwar, Sunil Pratap Singh, Nar Singh: Soliton Based Optical Communication. In: Progress In Electromagnetics Research. Band 74, 2007, S. 157–166, doi:10.2528/PIER07050401 (PDF [abgerufen am 17. August 2011]).
  18. Christopher Tagg: Soliton Theory in Optical Communications. In: Annual Review of Broadband Communication. International Engineering Consortium, 2006, ISBN 978-1-931695-38-1, S. 87–93, (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  19. Neuartige Glasfasern mit innovativen Beschichtungen für Riemenanwendungen (PDF; 845 kB), auf ifte.de, abgerufen am 5. März 2017.
  20. Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth: Faserverbundbauweisen. Fasern und Matrices. Springer-Verlag, 1995, ISBN 3-540-58645-8 Abschnitt 2.3.3.