Was ist eine optische Faser und wie ist sie aufgebaut?

Was ist eine optische Faser und wie ist sie aufgebaut?

Dass Sie diese Zeilen jetzt lesen, verdanken Sie dem Internet. Wahrscheinlich sind Sie über eine Suchmaschine wie Google auf diese Seite gelangt, die ein weltweites Netz von riesigen Rechenzentren betreibt, die über leistungsstarke Glasfaserkabel miteinander verbunden sind. Was hat diese hohen Datengeschwindigkeiten ermöglicht? Der Aufbau eines Glasfasernetzes, das seit den 1990er Jahren erfolgreich die Kupferleitungen verdrängt hat. Mehr als 99% der Daten fließen heute über Glasfaserkabel. Die hohen Geschwindigkeiten sollten jedoch als Neuheit betrachtet werden, da sich das Internet erst seit den 1990er Jahren wirklich entwickelt hat. Bereits heute verfügen wir über ein 5G-Netz, das mehr als 100.000 Mal schneller ist als noch vor einigen Jahrzehnten.

Glasfaseroptik ist eine Technologie zur Übertragung von Informationen in Form von Lichtimpulsen durch Glas- oder Kunststofffasern über große Entfernungen. Glasfasern haben ungefähr den Durchmesser einer menschlichen Haarsträhne und können, wenn sie in einem Glasfaserkabel gebündelt sind, mehr Daten über größere Entfernungen und schneller als andere Medien übertragen. Diese Technologie ermöglicht es, Haushalte und Unternehmen mit Glasfaser-Internet, Telefon und Fernsehen zu versorgen.

Was ist Glasfaser, wie funktioniert sie und warum ist sie den Kupferdrähten, die immerhin schon seit mehr als 100 Jahren verwendet werden, so überlegen?

Was ist eine optische Faser?

Glasfaseroptik ist eine Technologie, die Informationen in Form von Lichtimpulsen über eine Glas- oder Kunststofffaser überträgt. Eine Glasfaser ist ein flexibles, transparentes Kabel aus Glasfaser und Kunststoff. Ein Glasfaserkabel kann eine unterschiedliche Anzahl dieser Glasfasern enthalten – von einigen wenigen bis zu mehreren hundert. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es in der Lage ist, Licht zwischen seinen beiden Enden zu übertragen, auch wenn diese Hunderte von Kilometern voneinander entfernt sind. Glasfaserkabel übertragen Signale mit weniger Verlust als herkömmliche Kupferkabel. Glasfaserkabel sind wegen ihrer Vorteile gegenüber Kupferkabeln weit verbreitet. Zu diesen Vorteilen gehören höhere Bandbreiten und Übertragungsgeschwindigkeiten. Sie weisen auch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen auf, die bei Metallkabeln ein großes Problem darstellen. Dank ihrer Eigenschaften können Glasfasern riesige Datenmengen übertragen, was sie zu einer der Spitzenleistungen der Telekommunikationsindustrie macht.

Glasfaser wird in Fern- und Hochleistungsdatennetzen eingesetzt. Auch bei Telekommunikationsdiensten wie Internet, Fernsehen und Telefon wird sie häufig eingesetzt.

Sie sind sicherlich an die Vorstellung gewöhnt, dass Informationen auf unterschiedliche Weise „reisen“. Bei einem Festnetztelefon wird der Ton Ihrer Stimme über ein Kabel an eine Wandsteckdose übertragen, von wo aus ein weiteres Kabel sie an die örtliche Telefonzentrale weiterleitet. Mobiltelefone funktionieren auf andere Weise: Sie senden und empfangen Informationen über unsichtbare Funkwellen – eine Technologie, die drahtlos genannt wird, weil sie keine Drähte verwendet. Lichtwellenleiter funktionieren auf eine dritte Art und Weise. Sie senden Informationen, die in einem Lichtstrahl verschlüsselt sind. Ursprünglich wurde sie in den 1950er Jahren für Endoskope entwickelt, damit Ärzte in den menschlichen Körper hineinsehen können, ohne ihn vorher sezieren zu müssen. In den 1960er Jahren fanden Ingenieure einen Weg, dieselbe Technologie zu nutzen, um Telefongespräche mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen.

Wer hat die Faseroptik erfunden?

• 1840er Jahre: Der Schweizer Physiker Daniel Colladon (interne Reflexion von Licht in Wasserströmen)
• 1930s: Heinrich Lamm und Walter Gerlach, zwei deutsche Studenten, versuchten, mit Hilfe von Glasfasern ein Gastroskop zu bauen.
• 1950s: In England gelingt es dem Physiker Narinder Kapany und dem Physiker Harold Hopkins, ein einfaches Bild in eine Glasfaser zu übertragen, die aus Tausenden von Glasfasern besteht. Nach der Veröffentlichung zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten wurde Kapany als „Vater der Faseroptik“ bekannt.
• 1957: Drei amerikanische Wissenschaftler von der University of Michigan setzen erfolgreich Glasfasertechnologie ein, um das erste Gastroskop der Welt zu entwickeln.
• 1960: Die Physiker Charles Kao und George Hockham machen eine bahnbrechende Entdeckung. Kao schlug vor, dass ein Glasfaserkabel aus reinem Glas in der Lage sein würde, Telefonsignale über viel größere Entfernungen zu übertragen und erhielt dafür 2009 den Nobelpreis für Physik.
• 1960: Wissenschaftler der Corning Glass Company entwickeln das erste Glasfaserkabel, das Telefonsignale übertragen kann.
• ~1970: Donald Keck und seine Kollegen bei Corning finden einen Weg, um Signale viel weiter (mit weniger Verlusten) zu senden, was zur Entwicklung der ersten optischen Fasern führt.
• 1988: Das erste transatlantische Glasfaser-Telefonkabel, TAT8, wird zwischen den Vereinigten Staaten, Frankreich und dem Vereinigten Königreich verlegt.

In den 1980er Jahren wurde die Glasfasertechnik erstmals in großem Umfang eingesetzt und ermöglichte die Datenübertragung über Entfernungen von 100 km. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie hat zu einer Reichweite von bis zu 1.000 km mit einer Geschwindigkeit von 10 GB/s geführt.

Glasfaserkabel vs. Kupferkabel

Vor Jahren waren Kupferdrahtkabel eine der wichtigsten Optionen in der Telekommunikations-, Netzwerk- und Kabelverbindungsindustrie. Im Laufe der Zeit haben sich jedoch Glasfaserkabel zu einer gängigen Alternative entwickelt. Die meisten Fernleitungen der Telefongesellschaften bestehen heute aus Glasfaserkabeln.

Glasfaser überträgt mehr Informationen als herkömmliche Kupferkabel, da sie eine höhere Bandbreite und höhere Geschwindigkeiten ermöglicht. Da Glas keine Elektrizität leitet, sind Glasfasern nicht anfällig für verschiedene Arten von elektromagnetischen Störungen und der Signalverlust wird minimiert.

Vorteile der Glasfasertechnik.

• Sie unterstützen höhere Durchsatzraten.
• Das Licht kann weiter reisen, ohne dass eine Signalverstärkung erforderlich ist.
• Sie sind weniger anfällig für Störungen, wie zum Beispiel elektromagnetische Interferenzen.
• Sie können in Wasser getaucht werden.
• Glasfaserkabel sind stärker, dünner und leichter als Kupferdrahtkabel.
• Eine Wartung oder ein Austausch ist nicht erforderlich.

Was macht die Glasfasertechnik?

Das Glasfasernetz wird nicht ohne Grund mit dem Straßennetz verglichen. Die Faser selbst ist klein, etwa so groß wie der Durchmesser einer menschlichen Haarsträhne – und die Bewegung erfolgt in Form von Licht. Glasfasern übertragen Daten in Form von Lichtteilchen oder Photonen, die durch das Glasfaserkabel transportiert werden. Der Kern und der Mantel der Glasfasern haben unterschiedliche Brechungsindizes, die das einfallende Licht in einem bestimmten Winkel ablenken. Wenn Lichtsignale durch ein Glasfaserkabel übertragen werden, prallen sie in einer Reihe von Zickzack-Reflexionen an Kern und Mantel ab, ein Prozess, der als interne Totalreflexion bezeichnet wird. Die Lichtsignale bewegen sich aufgrund der dichteren Glasschichten nicht mit Lichtgeschwindigkeit, sondern etwa 30% langsamer als die Lichtgeschwindigkeit.

Für das menschliche Auge erscheint das Licht weiß, aber es besteht in Wirklichkeit aus vielen Farben. Glasfasern bestehen in der Regel aus reinem Siliziumdioxid (Glas), da dieses die Eigenschaft hat, eine totale innere Brechung zu bewirken, ein Effekt, der die Grundlage der Glasfaserkommunikation bildet.

Das Licht wandert den Kern hinunter, der durch eine Beschichtung geschützt ist, die verhindert, dass das Licht entweicht. Aufgrund der Eigenschaften des Siliziumdioxids wird das Licht im Inneren des Kerns reflektiert, anstatt wie bei einem Spiegel zu entweichen. Dies kann sogar bergauf geschehen, wobei Lichtimpulse erzeugt werden, die eine Datenübertragung innerhalb des Lichtwellenleiters ermöglichen. Zum Schutz vor Beschädigung und Feuchtigkeit wird eine Beschichtung verwendet.

Glasfaserkabel können jetzt Signale mit bis zu 10 Gbit/s unterstützen. Je höher die Kapazität eines Glasfaserkabels, desto teurer wird es in der Regel.

Wie ist eine Glasfaser aufgebaut?

Die grundlegendste optische Faser besteht aus:

• Ein inneres Element mit einem hohen Brechungsindex, der sogenannte Kern;
• Ein zentrales Element mit einem niedrigeren Brechungsindex, genannt Mantel;
• Eine äußere schützende Polymerschicht (Polyurethan oder PVC), die als Schutzschicht bezeichnet wird.

Bei Glasfasern variiert der Kerndurchmesser zwischen 10-600 Mikrometern, die Mantelstärke zwischen 125-630 Mikrometern. Bei POF liegen alle Durchmesser zwischen 750-2000 Mikrometern. Wie Sie sehen, besteht einer der Hauptunterschiede zwischen Glas- und Kunststofffasern in ihrem Durchmesser. Das macht POF einfacher zu handhaben.

Zu den Materialien, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, gehören reines Glas, Kunststoff oder eine Kombination aus beidem. Die Verwendung des einen oder des anderen Materials wird durch Faktoren wie Qualität und Wirtschaftlichkeit bestimmt.

Optische Kunststofffasern (POF) haben den Vorteil, dass sie aus billigeren Materialien als Glas hergestellt werden und im sichtbaren Spektrum arbeiten. Allerdings weisen sie hohe Verluste auf, so dass ihre Anwendungen auf die Übertragung über kurze Entfernungen beschränkt sind. Trotzdem werden POF häufig in medizinischen und industriellen Instrumenten eingesetzt, und derzeit wird an der Verwendung von POF als Ersatz für Kupferkabel zur Datenübertragung in Autos geforscht.

Arten von optischen Fasern

Es gibt in der Tat viele Arten von Glasfasern, d.h. Kabel, die die Form von Bündeln aus vielen miteinander verbundenen Fasern haben. Die Grundtypen unterscheiden sich durch die Art und Weise, wie die Lichtstrahlen übertragen werden. Die Lichtsignale in einer optischen Faser werden in Mods übertragen. Ein Mod ist der Weg, den der Lichtstrahl auf seinem Weg durch die optische Faser nimmt. In dieser Hinsicht werden Glasfasern in Singlemode und Multimode unterteilt.

• Singlemode-Glasfasern – die in den Telekommunikationsnetzen der Welt am weitesten verbreiteten – sind für die Übertragung von Lichtenergie auf einem einzigen Weg über große Entfernungen konzipiert. Ihr Kern ist klein – nur 8 Mikrometer im Durchmesser. Sie wird am häufigsten in Langstreckennetzen verwendet. Da es nur einen Lichtweg unterstützt, ist die Gefahr von Signalüberschneidungen und -verzerrungen geringer. Es wird am häufigsten in Telefon- und Internetnetzen sowie im Kabelfernsehen eingesetzt.

• Multimode-Glasfasern hingegen haben einen größeren Kern mit einem Durchmesser von bis zu 62,5 Mikrometern. Sie sind für Lichtsignale gedacht, die auf vielen verschiedenen Wegen gleichzeitig übertragen werden müssen. Sie werden u.a. für die Verbindung von Computernetzwerken verwendet, da sie sehr große Datenmengen platzsparend verarbeiten können.

Außerdem sollten Sie wissen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, Glasfasernetze aufzubauen. Die schnellsten Netze sind FTTH (Fibre to the Home) und FTTP (Fibre to the Premisses). Hier wird das Glasfaserkabel direkt zum Empfänger verlegt und bietet die schnellstmöglichen Geschwindigkeiten. Die gesamte Kommunikation mit der Außenwelt basiert auf Glasfasern. Bei FTTC (Fibre to the Node) werden die Glasfasern zu einem Knotenpunkt in der Nähe der Nutzer verlegt, die sich ihrerseits über herkömmliche Kupferkabel mit einem solchen Knotenpunkt verbinden.

Glasfasertechnik nicht nur in der Telekommunikation

Die Telekommunikation ist natürlich die Hauptanwendung von Glasfasern. Mehr als 99% der weltweiten Daten werden bereits über Glasfaserkabel übertragen. Aber das ist noch nicht alles.

Nur zwei Jahre nachdem die ersten modernen Glasfasern patentiert wurden, landeten sie auf dem Mond (ein Grundbestandteil der von der NASA verwendeten Fernsehkameras). Ihre Verwendung wurde sogar geheim gehalten. Bis heute werden Glasfasern auch im Militär eingesetzt (Ortung feindlicher Schiffe als Teil von Sonarsystemen). Auch Seismographen basieren auf Glasfasertechnik. Manchmal haben sie aber auch ganz bodenständige Anwendungen – zum Beispiel für Lichtinstallationen. Weitere Informationen zu den Anwendungen finden Sie weiter unten.

Faseroptische Anwendungen

Computer-Netzwerke

Computernetzwerke – wegen ihrer Fähigkeit, Daten zu übertragen und eine hohe Bandbreite zu bieten. Auch in der Elektronik werden Glasfasern häufig eingesetzt, um eine bessere Konnektivität und Leistung zu erzielen.

Internet und Kabelfernsehen

Internet und Kabelfernsehen sind zwei der häufigsten Anwendungen für Glasfaserkabel. Glasfaserkabel können installiert werden, um Fernverbindungen zwischen Computernetzwerken an verschiedenen Orten herzustellen.

Meeresgebiete

Glasfaserkabel werden in ungewöhnlicheren Umgebungen eingesetzt, wie z.B. bei Unterseekabeln, da sie in Wasser getaucht werden können und nicht häufig ausgetauscht werden müssen.

Militär und Raumfahrt

Auch das Militär und die Raumfahrtindustrie nutzen Glasfaserkabel als Mittel zur Kommunikation und Signalübertragung, zusätzlich zu ihren Fähigkeiten zur Temperaturmessung. Glasfaserkabel können aufgrund ihres geringeren Gewichts und ihrer Größe vorteilhaft sein.

Medizinisch

Glasfasern werden häufig in verschiedenen medizinischen Instrumenten verwendet, um eine präzise Beleuchtung zu ermöglichen. Auch biomedizinische Sensoren stehen zunehmend zur Verfügung, um bei minimal-invasiven medizinischen Eingriffen zu helfen. Da Glasfasern keinen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, eignen sie sich ideal für verschiedene Tests wie MRT-Scans. Weitere medizinische Anwendungen für Glasfasern sind die Röntgenbildgebung, die Endoskopie, die Lichttherapie und die Operationsmikroskopie.

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