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Ratgeber
Die Ansprüche an die digitale Kommunikation sind stark gestiegen: Sie soll schnell, störungsfrei und energieeffizient sein. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind Lichtleiter und Lichtwellenleiter eine gute Option. Sie übertragen Informationen mithilfe von Licht. Wie sie genau funktionieren und was sie voneinander unterscheidet, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Lichtleiter sind Bauelemente aus Glas oder Glas-verwandten Stoffen, die Lichtsignale von einer Eintrittsstelle zu einem Punkt des Lichtaustritts transportieren. Die Lichtsignale können zur Anzeige von Betriebszuständen (Ein/Aus oder Laut/Leise) oder zur Übertragung von analogen oder digitalen Signalen eingesetzt werden.
Wissenschaftliche Anstrengungen, Licht durch transparente Medien zu leiten, gab es schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Ab der Mitte der 1950er Jahre kamen Lichtleiter zur Beleuchtung der inneren Organe des Menschen zum Einsatz – eine Technik, die in Gestalt des Endoskops Einzug in die Medizin fand. Zehn Jahre später wurde durch die Verwendung von Lasern auch die Nachrichtenübertragung per Lichtwellenleiter technisch ermöglicht.
Material und Bauform von Lichtleitern beziehungsweise Lichtwellenleitern richten sich nach den Einsatzbereichen respektive den Aufgaben, die mit dem geleiteten Licht erfüllt werden sollen. Hier werden zwei Bereiche unterschieden.
Lichtleiter werden eingesetzt, um Lichtsignale verlust- und überstrahlungsarm zu einer definierten Lichtaustrittsfläche zu transportieren. Meist handelt es sich um LEDs, die auf Leiterplatten verbaut sind, und deren Lichtstrahl beispielsweise zu einer Gehäusefrontplatte geleitet wird. Das geleitete Licht ist nicht moduliert, das heisst, dass es mit keinen weiteren Signalen „aufgeladen“ ist.
Solche Lichtleiter stellen platzsparende, montagefreundliche und letztlich kostengünstige Lösungen dar. Zugleich ist aufgrund der entfernt liegenden elektronischen Bauteile ein sehr guter Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD-Schutz) geboten, was für den Bediener und die Instandhaltung der Bauelemente gleichermassen von Vorteil ist.
Lichtleiter werden aus langlebigen Hochleistungs-Kunststoffen hergestellt, die eine grosse Lichtausbeute und eine homogene Ausleuchtung ohne Überstrahlung bieten. Sie sind als starre und flexible Ausführungen in verschiedenen Varianten mit diversen Kopfformen an der Lichtaustrittsfläche erhältlich. Damit werden nicht nur technische Informationen zum Nutzer geleitet, sondern die Entwickler können die Darstellung dieser Informationen auch an das jeweilige Gerätedesign anpassen.
Lichtwellenleiter (LWL) übertragen optische Signale, die letztlich in elektrische Signale umgewandelt werden. Zu diesem Zweck wird das Licht moduliert. Die optische Signalübertragung wird in der Regel mittels Glasfaserkabel realisiert. Dazu benötigt man sowohl an der Sende- als auch an der Empfangsstelle einen Umsetzer der elektrischen in optische Signale. Das sorgt zugleich für eine galvanische Trennung der per LWL-Übertragungsstrecke verbundenen elektrischen Komponenten.
Für die Herstellung von Kabeln aus Glasfaser werden hochreine Kunststoffe verwendet. Die Durchmesser der optischen Fasern reichen von 3,5 bis 1.500 Mikrometer, je nach Wellenlänge des Lichts. Eine Glasfaser besteht aus einem Kern und einem Mantel als umgebende Wand sowie weiteren Schutzschichten. Die Lichtführung erfolgt durch Totalreflexion an den Glasfaserwänden. Bei einer Totalreflexion wird Licht fast ohne Verlust an einer Fläche reflektiert. Der Durchmesser ist so gewählt, dass bei einer definierten Wellenlänge der Einfallswinkel an der Faserwand so gering bleibt, dass kein Licht die Faser verlässt. Die Übertragung via Glasfasern ist sehr verlustarm, was wiederum lange Übertragungswege im zweistelligen Kilometerbereich ermöglicht. Mithilfe von Singlemode-Fasern können Signale sogar bis zu 100 Kilometer weit übertragen werden. Multimode-Fasern sind hingegen eher für kürzere Distanzen geeignet. Sie haben einen grösseren Durchmesser, wodurch sie zwar mehr Daten übertragen können, allerdings kommt es auch vermehrt zur Lichtbrechung in den Fasern. Das hat bei grösseren Distanzen eine Signalverschlechterung beziehungsweise -verfälschung zur Folge.
Die Wellenlänge des Lichts ermöglicht sehr hohe Datenraten bis in den Gigahertz-pro-Sekunde-Bereich. Sicherheit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen ist dabei ebenfalls gegeben. Allerdings sind Glasfaserkabel empfindlich gegenüber starker Biegung. Der Mantel der Fasern kann schnell Beschädigungen davontragen. Diese Eigenschaft macht man sich zunutze, um LWL-Kabel für Messaufgaben einzusetzen. Daraus wurde der Zweig der faseroptischen Sensoren entwickelt, mit denen sich fast jede beliebige Überwachungs- oder Regelaufgabe in Forschung und Entwicklung sowie Industrie und Haushalt lösen lässt. LWL-Übertragungsstrecken sind zuverlässig und langlebig, sie aufzubauen ist jedoch mit höheren Kosten verbunden.
Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften von Lichtwellenleitern ist es empfehlenswert, spezielle Werkzeuge für die Konfektionierung zu verwenden. Mit LWL-Technik und Zubehör ist das Abmanteln, Spleissen und Crimpen von Glasfasern mit den entsprechenden Verbindern ebenso leicht möglich wie bei Kupferkabeln.
Lichtleiter kommen überall dort zum Einsatz, wo Zustands- oder Verlaufsinformationen technischer Prozesse visualisiert werden sollen. Das können beispielsweise Schaltzustände von Elektrogeräten, optische Informationen eines Fahrzeug-Bordcomputers oder aus hermetisch abgeschlossenen Elektrokomponenten herausgeführte Bedienerinformationen sein.
Lichtwellenleiter werden für die leitungsgebundene Kommunikation eingesetzt. Wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften haben sie an vielen Stellen das klassische Kupferkabel ersetzt. So werden heutige Kommunikationssysteme mit kompletten Glasfasernetzen aufgebaut.
Des Weiteren dienen Lichtwellenleiter dem flexiblen Transport von Laserlicht mit definierter Wellenlänge. Darauf fussen beispielsweise Geräte in der Medizintechnik oder für die Materialbearbeitung. LWL kommen auch in der Messtechnik zum Einsatz. Hier werden faseroptische Sensoren für vielfältige und hochpräzise Messanforderungen genutzt. Beleuchtungen für Mikroskope und andere Arbeitsgeräte sowie Gebäude- und Dekorationsbeleuchtungen werden ebenfalls oft mithilfe von LWL realisiert.
Lichtwellenleiter dürfen bei der Verlegung nicht stark geknickt werden. Der Biegeradius sollte zwei Zentimeter nicht unterschreiten, um Beschädigungen zu vermeiden. Beim Einziehen der LWL-Kabel darf auch kein zu starker mechanischer Zug auf das Kabel ausgeübt werden. Manche Kabel besitzen bereits eine integrierte Zugentlastung. Bei Verlegung in Schutzrohren oder auf Montageträgern muss das LWL-Kabel ebenfalls vor scharfen Kanten und Abknickungen geschützt werden.
Die Oberfläche von Lichtleitern sollte nicht beschädigt werden, damit kein Licht an falscher Stelle austritt und die gewünschte Lichtabstrahlung am definierten Austrittsort nicht gemindert wird.