Glasfasertechnik: Was steckt hinter der Gigabit-Faser?

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Datum 15.10.2018
Lesezeit 4 Min.

Glasfasertechnik: Was steckt hinter der Gigabit-Faser?

Ein leuchtendes Wunderwerk katapultierte die Informationswelt ins digitale Zeitalter: Glasfasertechnik macht die Übertragung riesiger Datenmengen mit Lichtgeschwindigkeit möglich. Was ist das Geheimnis der Gigabit-Faser und woher kommt die Glasfasertechnik? Wir werfen einen Blick in den Kern dieses technischen Meilensteins.

Störungsresistent, witterungsbeständig, unbrennbar und so leistungsstark wie hundert Kupferkabel – ziemlich beeindruckend für eine winzige Faser, die kaum dicker ist als ein menschliches Haar. Glasfasertechnik hat den modernen Datentransfer revolutioniert. Mitte der 1960er Jahre ließ sich bereits erahnen, dass die existierende Infrastruktur aus Kupferdraht nie genügend Bandbreite liefern würde, um den immer größer werdenden Datenverkehr der Zukunft bewältigen zu können. Eine Lösung musste her.

Glasfasertechnik: Mit Lichtgeschwindigkeit ins digitale Zeitalter

Im Jahr 1966 schlugen die britischen Ingenieure Charles Kao und George Hockham erstmals die Übertragung von Informationen mittels Glasfaser vor. Drei Wissenschaftler der Firma Corning tüftelten und testeten vier Jahre lang, bis sie 1970 die erste verlustarme Kommunikations-Glasfaser präsentieren konnten. Fast zeitgleich stellte auch die japanische Firma Nippon Electric Glass ein 20 dB-Glasfaserkabel vor. Statt mit elektrischen Impulsen konnten Daten nun in Form von optischen Signalen über weite Strecken verbreitet werden – mit Lichtgeschwindigkeit und in großer Menge. Die Erfindung kam gerade rechtzeitig: Der Fortschritt des Internets Mitte der 1970er Jahre ließ den Bedarf an hohen Übertragungsraten quasi explodieren.

Ein Lichtwellenleiter macht noch kein Glasfaserkabel

Bereits vor diesem Durchbruch experimentierten Forscher in den 1950er Jahren mit Lichtwellenleitern für die Medizintechnik. Lichtwellenleiter (LWL) sind Verbindungen, die Licht in Fasern aus Quarzglas oder Kunststoff (polymere optische Fasern) leiten. Besteht der Lichtwellenleiter aus Glas, spricht man auch von einer Glasfaser. Deren Herstellung erfordert zwar enorme Präzision, ist aber allein durch den Verzicht auf wertvolle Rohstoffe wie Kupfer deutlich kostengünstiger. Je nach Einsatzzweck werden Glasfasern aus einer Preform (Vorform) oder aus einer Glaswanne durch beheizte Düsen gezogen. Die Ausgangstemperatur und Ziehgeschwindigkeit beeinflussen den späteren Durchmesser – und der entscheidet am Ende über die Gigabit-Qualität der Faser. Ein Glasfaserkabel bündelt wiederrum bis zu 144 Lichtwellenleiter.

Gigaspeed durch Totalreflexion: So funktioniert Glasfaser

Im Gegensatz zu kupferbasierten Leitungen übernehmen beim Lichtwellenleiter keine Elektronen den Transport der Informationen, sondern Lichtteilchen (Photonen). Bei dieser optischen Variante können deutlich mehr Information pro Zeiteinheit übertragen werden – und das ohne Signalverstärkung über mehrere Hundert Kilometer. Physikalische Grundlage dafür ist die Totalreflexion, die wiederrum durch den Glasfaser-Aufbau und den unterschiedlichem Brechungsindex zweier Glasarten entsteht. Im Zentrum jeder Glasfaser liegt ein lichtführender Kern, der von einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex sowie weiteren Schutzschichten aus Kunststoff umgeben ist. Der Unterschied des optischen Brechungsindex sorgt für die Reflexion der Lichtsignale und deren „wellenförmige“ (eher gezackte) Ausbreitung in Längsrichtung des Lichtwellenleiters.

Glasfaser Kabeltypen: Der Kern entscheidet über die Leistung

Im Laufe der Jahre wurden mehrere Glasfasertypen entwickelt, die sich in erster Linie durch den Durchmesser ihres Kerns unterschieden. Für Datennetze sind heute drei Hauptgrößen geläufig: 50/125, 62,5/125 und 8,3/125. Die Zahlen geben jeweils den Durchmesser des Faserkerns sowie des Mantels in Mikrometern an und verweisen zugleich auf die unterschiedlichen Eigenschaften der Glasfaser-Kabeltypen. Bei Infrastrukturen aus Kupfer gilt: Je dicker das Kabel, desto geringer ist der Widerstand und umso höher ist die Kapazität. Bei Glasfasertechnik ist genau das Gegenteil der Fall.

Multimode-Kabel: Viele Wege streuen das Lichtsignal

Die kostengünstigeren Multimode-Glasfaserkabel mit 50/125 und 62,5/125 Mikrometern sind die gebräuchlichsten Typen in Datennetzwerken. Durch ihren größeren Kerndurchmesser breiten sich die Lichtstrahlen in mehreren sogenannten Moden aus. Das führt zu einer Streuung und somit zur Verschlechterung des Signals, da die Lichtstrahlen das Ziel zeitversetzt erreichen. Dieses Phänomen wird als intermodale Dispersion bezeichnet (auch Differential Mode Delay, kurz DMD). Multimode-Glasfasern eignen sich daher eher für Verbindungskabel im Nahbereich.

Monomode-Kabel: Glasfaser für das Gigabit-Zeitalter

Was ist die effektivste Lösung, um die intermodale Dispersion zu umgehen? Ganz einfach: Es gibt nur einen Ausbreitungsmodus. Genau das ist bei Monomode-Fasern (auch Singlemode-Fasern, englisch Single Mode Fiber, SMF) der Fall. Mit einem Kerndurchmesser von lediglich drei bis zehn Mikrometern gibt es hier fast keine Laufzeitverschiebungen. Damit haben sich Monomode-Glasfasern als bisher beste Lösung für Gigabit-Anwendungen entpuppt.

Glasklares Plus: Ein Netz für alle Fälle

Digitalisierung braucht Bandbreite. Glasfasernetze können sie liefern. Neben der extremen Leistungsfähigkeit liegt ein wesentlicher Vorteil der Glasfasertechnik aber auch in der Unempfindlichkeit und Sicherheit. Da Glas kein elektrischer Leiter ist und keinerlei elektromagnetische Strahlung verursacht, sind Glasfaserkabel nahezu überall einsetzbar. Selbst in kritischen Umgebungen wie in einem Chemiewerk oder direkt neben einer Hochspannungsleitung sind Kurzschlüsse, Brände, Explosionen oder Überspannungen ausgeschlossen. Hinzu kommt: Es ist praktisch unmöglich, ein Glasfaserkabel anzuzapfen, um den Datenverkehr mitzulesen.

Auch nach fast 50 Jahren ist die Evolution der Glasfasertechnik noch nicht abgeschlossen. Mit seiner Gigabit-Offensive beschleunigt Vodafone den flächendeckenden Ausbau des Glasfasernetzes und bringt Gigaspeed-Internet zu Unternehmen im ganzen Land. Zusammen mit 5G, dem Mobilfunkstandard der fünften Generation, und dem Maschinennetz Narrowband-IoT (NB-IoT) wird Glasfasertechnik zur zukunftssicheren Grundlage für das Gigabit-Zeitalter.

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