Lichtwellenleiter: Moderne Glasfaser-Technik Erklärt

Datenübertragungen in Lichtgeschwindigkeit

Die Römer müssen an dem Tag, an dem sie vor etwa 2000 Jahren die Bleirohre erfanden, besonders zufrieden mit sich selbst gewesen sein. Endlich hatten sie eine einfache Möglichkeit, ihr Wasser von einem Ort zum anderen zu transportieren. Stellen Sie sich vor, was sie aus modernen Glasfaserkabeln machen würden – „Rohre“, die Telefonate und E-Mails in einer Siebentelsekunde um die Welt tragen können!

Was ist Glasfaser?

Wir sind an die Idee gewöhnt, dass Informationen auf unterschiedliche Weise reisen. Wenn wir in ein Festnetztelefon sprechen, trägt ein Drahtseil die Geräusche unserer Stimme in eine Steckdose in der Wand, wo ein anderes Kabel sie zur örtlichen Telefonzentrale führt. Mobiltelefone funktionieren anders: Sie senden und empfangen Informationen mit unsichtbaren Radiowellen – eine Technologie, die als drahtlos bezeichnet wird, weil sie keine Kabel benötigt. Glasfaser funktioniert in eine dritte Richtung. Es sendet Informationen, die in einem Lichtstrahl kodiert sind, über ein Glas- oder Kunststoffrohr.

Es wurde ursprünglich in den 1950er Jahren für Endoskope entwickelt, um Ärzten zu helfen, in den menschlichen Körper zu sehen, ohne ihn vorher aufschneiden zu müssen. In den 1960er Jahren fanden die Ingenieure einen Weg, mit der gleichen Technologie Telefonate mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen (normalerweise sind das 186.000 Meilen oder 300.000 km pro Sekunde im Vakuum, verlangsamen aber auf etwa zwei Drittel dieser Geschwindigkeit in einem Glasfaserkabel).

Optische Technologie

Ein Glasfaserkabel besteht aus unglaublich dünnen Glas- oder Kunststofflitzen, die als Glasfasern bezeichnet werden; ein Kabel kann nur zwei oder mehrere hundert Litzen aufweisen. Jeder Strang ist weniger als ein Zehntel so dick wie ein menschliches Haar und kann etwa 25.000 Telefonate führen, so dass ein ganzes Glasfaserkabel problemlos mehrere Millionen Gespräche führen kann.

Glasfaserkabel übertragen Informationen zwischen zwei Orten mit vollständig optischer (lichtbasierter) Technologie. Angenommen, Sie wollten Informationen von Ihrem Computer über Glasfaser an das Haus eines Freundes in der Straße senden. Sie könnten Ihren Computer an einen Laser anschließen, der elektrische Informationen vom Computer in eine Reihe von Lichtpulsen umwandelt. Dann würden Sie den Laser über das Glasfaserkabel abfeuern. Nachdem sie das Kabel hinuntergefahren sind, treten die Lichtstrahlen am anderen Ende aus. Ihr Freund würde eine Fotozelle (lichterfassendes Bauteil) benötigen, um die Lichtimpulse wieder in elektrische Informationen umzuwandeln, die sein Computer verstehen könnte. So wäre das ganze Gerät wie eine wirklich ordentliche, High-Tech-Version der Art von Telefon, wie man es aus zwei Baked-Bbean-Dosen und einer Länge Schnur machen kann!

So funktioniert Fiberoptik

Das Licht wandert über ein Glasfaserkabel, indem es immer wieder von den Wänden abprallt. Jedes winzige Photon (Lichtteilchen) prallt über das Rohr wie ein Bob, der eine Eisbahn hinunterfährt. Jetzt können Sie erwarten, dass ein Lichtstrahl, der sich in einer klaren Glasröhre bewegt, einfach aus den Kanten austritt. Aber wenn das Licht in einem wirklich flachen Winkel (weniger als 42 Grad) auf das Glas trifft, reflektiert es sich wieder – als wäre das Glas wirklich ein Spiegel. Dieses Phänomen wird als Total Internal Reflection bezeichnet. Es ist eines der Dinge, die das Licht im Rohr halten.

Die andere Sache, die das Licht im Rohr hält, ist die Struktur des Kabels, das aus zwei getrennten Teilen besteht. Der Hauptteil des Kabels in der Mitte wird als Kern bezeichnet und das ist der Teil, durch den das Licht wandert. Um die Außenseite des Kerns gewickelt ist eine weitere Glasschicht, die so genannte Verkleidung. Die Aufgabe der Verkleidung ist es, die Lichtsignale im Kern zu halten. Es kann dies tun, weil es aus einem anderen Glas als der Kern besteht. (Technisch gesehen hat die Verkleidung einen niedrigeren Brechungsindex.)

Arten von Glasfaserkabeln

Glasfaser Querschnitt

Optische Fasern tragen Lichtsignale in so genannten Modi nach unten. Das klingt technisch, bedeutet aber nur verschiedene Wege des Reisens: Ein Modus ist einfach der Weg, auf dem ein Lichtstrahl die Faser hinunter folgt. Ein Modus ist, direkt in die Mitte der Faser zu gehen. Eine andere ist, die Faser in einem flachen Winkel nach unten zu prallen. Andere Modi beinhalten das Herunterprallen der Faser in anderen Winkeln, mehr oder weniger steil.

Die einfachste Art von Glasfaser wird als Single-Mode bezeichnet. Er hat einen sehr dünnen Kern von etwa 5-10 Mikron (Millionstel Meter) Durchmesser. Bei einer Singlemode-Faser laufen alle Signale geradeaus in der Mitte, ohne von den Kanten abzuprallen (gelbe Linie im Diagramm). Kabelfernsehen, Internet und Telefonsignale werden in der Regel von Singlemode-Fasern übertragen, die zu einem riesigen Bündel zusammengefasst sind. Solche Kabel können Informationen über 100 km (60 Meilen) übertragen.

Eine andere Art von Glasfaserkabel wird als Multimode bezeichnet. Jede Glasfaser in einem Multimodenkabel ist etwa 10 mal größer als eine in einem Singlemodekabel. Das bedeutet, dass Lichtstrahlen durch den Kern wandern können, indem sie einer Vielzahl von verschiedenen Wegen folgen (gelbe, orange, blaue und cyanfarbene Linien) – mit anderen Worten, in mehreren verschiedenen Modi. Multimode-Kabel können nur über relativ kurze Entfernungen Informationen übertragen und dienen unter anderem dazu, Computernetzwerke miteinander zu verbinden.

Noch dickere Fasern werden in einem medizinischen Gerät namens Gastroskop (eine Art Endoskop) verwendet, das Ärzte jemandem in den Hals stoßen, um Krankheiten in seinem Magen zu erkennen. Ein Gastroskop ist ein dickes Glasfaserkabel, das aus vielen Glasfasern besteht. Am oberen Ende eines Gastroskops befinden sich ein Okular und eine Lampe. Die Lampe strahlt ihr Licht an einem Teil des Kabels in den Bauch des Patienten. Wenn das Licht den Magen erreicht, reflektiert es von den Bauchwänden in eine Linse an der Unterseite des Kabels. Dann fährt es wieder einen Teil des Kabels nach oben in das Okular des Arztes. Andere Arten von Endoskopen funktionieren auf die gleiche Weise und können zur Untersuchung verschiedener Körperteile verwendet werden. Es gibt auch eine industrielle Version des Werkzeugs, das so genannte Fiberskop, mit dem Dinge wie unzugängliche Maschinen in Flugzeugmotoren untersucht werden können.

Versuchen Sie dieses faseroptische Experiment!

Dieses nette kleine Experiment ist eine moderne Nachbildung einer berühmten wissenschaftlichen Demonstration, die der irische Physiker John Tyndall 1870 durchgeführt hat.

Foto mit Glasfaserflasche und Taschenlampe

Am besten in einem abgedunkelten Bad oder einer Küche am Waschbecken oder Waschtisch. Du brauchst eine alte klare Plastikflasche, die hellste Taschenlampe, die du finden kannst, etwas Aluminiumfolie und Klebeband.

  • Nehmen Sie die Kunststoffflasche und wickeln Sie die Aluminiumfolie fest um die Seiten, wobei Ober- und Unterseite der Flasche frei bleiben. Wenn nötig, halten Sie die Folie mit Klebeband fest.
  • Füllen Sie die Flasche mit Wasser.
  • Schalten Sie die Taschenlampe ein und drücken Sie sie gegen den Boden der Flasche, damit das Licht im Wasser aufleuchtet. Am besten funktioniert es, wenn Sie die Taschenlampe fest gegen die Flasche drücken. Sie benötigen so viel Licht wie möglich, um in die Flasche zu gelangen, also verwenden Sie die hellste Taschenlampe, die Sie finden können.
  • Stehen Sie an der Spüle und kippen Sie die Flasche, damit das Wasser zu fließen beginnt. Halten Sie die Taschenlampe fest gegen die Flasche gedrückt. Wenn der Raum abgedunkelt ist, sollten Sie den Wasserauslauf so leicht aufleuchten sehen. Achten Sie darauf, wie das Wasser das Licht trägt, wobei sich der Lichtstrahl beim Gehen biegt! Wenn Sie nicht viel Licht im Wasserauslauf sehen können, versuchen Sie es mit einer helleren Taschenlampe.

Verwendung für Lichtwellenleiter

Das Schießen von Licht in eine Rohrleitung scheint ein ordentlicher wissenschaftlicher Partytrick zu sein, und man könnte nicht glauben, dass es viele praktische Anwendungen für so etwas geben würde. Aber so wie Strom viele Arten von Maschinen antreiben kann, können Lichtstrahlen viele Arten von Informationen tragen – also können sie uns in vielerlei Hinsicht helfen. Wir bemerken nicht, wie alltäglich Glasfaserkabel geworden sind, weil die lasergespeisten Signale, die sie übertragen, weit unter unseren Füßen, tief unter Büroetagen und Stadtstraßen flackern. Die Technologien, die it-Computer-Netzwerke, Rundfunk, medizinisches Scannen und militärische Ausrüstung (um nur vier zu nennen) nutzen, sind so völlig unsichtbar.

Computernetzwerke

Glasfaserkabel sind heute die Hauptart der Informationsübertragung über weite Strecken, da sie drei sehr große Vorteile gegenüber herkömmlichen Kupferkabeln haben:

  • Weniger Dämpfung: (Signalverlust) Informationen werden etwa zehnmal weiter transportiert, bevor sie verstärkt werden müssen – was die Bedienung und Wartung von Glasfasernetzwerken einfacher und kostengünstiger macht.
  • Keine Störungen: Im Gegensatz zu Kupferkabeln gibt es kein „Übersprechen“ (elektromagnetische Interferenz) zwischen den Glasfasern, so dass sie Informationen zuverlässiger und mit besserer Signalqualität übertragen.
  • Höhere Bandbreite: Wie wir bereits gesehen haben, können Glasfaserkabel weitaus mehr Daten übertragen als Kupferkabel mit gleichem Durchmesser.

Du liest diese Worte jetzt dank des Internets. Wahrscheinlich haben Sie diese Seite mit einer Suchmaschine wie Google gefunden, die ein weltweites Netzwerk von riesigen Rechenzentren betreibt, die durch Glasfaserkabel miteinander verbunden sind (und nun versucht, schnelle Glasfaserverbindungen mit dem Rest von uns herzustellen).

Nachdem Sie auf einen Suchmaschinenlink geklickt haben, haben Sie diese Webseite von meinem Webserver heruntergeladen und meine Worte haben den größten Teil des Weges zu Ihnen durch mehr Glasfaserkabel gepfiffen. In der Tat, wenn Sie schnelle Glasfaser-Breitband, Glasfaser-Kabel sind fast die ganze Arbeit tun, jedes Mal, wenn Sie online gehen. Bei den meisten Hochgeschwindigkeitsbreitbandanschlüssen ist nur der letzte Teil der Informationsreise (die so genannte „letzte Meile“ vom faserverbundenen Schrank auf Ihrer Straße zu Ihrem Haus oder Ihrer Wohnung) mit altmodischen Leitungen verbunden.

Es sind Glasfaserkabel, nicht Kupferdrähte, die heute „likes“ und „tweets“ unter unseren Straßen, durch eine wachsende Zahl von ländlichen Gebieten und sogar tief unter den Ozeanen tragen, die Kontinente verbinden. Wenn man sich das Internet (und das World Wide Web, das darauf reitet) als globales Spinnennetz vorstellt, sind die Litzen, die es zusammenhalten, Glasfaserkabel; nach einigen Schätzungen decken Glasfaserkabel über 99 Prozent der gesamten Laufleistung des Internets ab und übertragen über 99 Prozent des gesamten internationalen Kommunikationsverkehrs. In Deutschland ist das Glasfasernetz allerdings immernoch verhältnismäßig schlecht ausgebaut was die Anbindung von Wohnhäusern angeht. Das Angebot von Seiten österreichischer Glasfaserunternehmen sieht nicht besser aus. Seltsam, wo doch so starke Industrienationen sind. Andere Länder sind da viel weiter, in Korea beispielsweise sind Glasfaserheimanschlüsse eher standard.

Je schneller Menschen auf das Internet zugreifen können, desto mehr können und werden sie online handeln. Die Einführung des Breitband-Internets ermöglichte das Phänomen des Cloud Computing (bei dem die Menschen ihre Daten aus der Ferne speichern und verarbeiten und Online-Dienste anstelle eines Heim- oder Geschäfts-PCs im eigenen Haus nutzen).

In ähnlicher Weise wird der stetige Ausbau von Glasfaser-Breitband (typischerweise 5-10 mal schneller als herkömmliches DSL-Breitband, das normale Telefonleitungen nutzt) es für die Menschen viel alltäglicher machen, Dinge wie das Streamen von Filmen online zu tun, anstatt Fernsehsendungen zu sehen oder DVDs zu mieten. Mit mehr Faserkapazität und schnelleren Verbindungen werden wir viele weitere Aspekte unseres Lebens online über das sogenannte Internet der Dinge verfolgen und kontrollieren.

Aber es sind nicht nur öffentliche Internetdaten, die über Glasfaserleitungen übertragen werden. Computer wurden einst über weite Strecken über Telefonleitungen oder (über kürzere Strecken) Kupfer-Ethernet-Kabel verbunden, aber Glasfaserkabel sind immer häufiger die bevorzugte Methode, um Computer zu vernetzen, weil sie sehr erschwinglich, sicher, zuverlässig und mit viel höherer Kapazität sind. Anstatt seine Büros über das öffentliche Internet zu verbinden, ist es für ein Unternehmen durchaus möglich, ein eigenes Glasfasernetz aufzubauen (wenn es sich das leisten kann) oder (eher) Flächen in einem privaten Glasfasernetz zu kaufen. Viele private Computernetzwerke laufen auf so genannten Dark Fiber, was etwas unheimlich klingt, aber einfach die ungenutzte Kapazität in einem anderen Netzwerk ist (Glasfasern, die darauf warten, beleuchtet zu werden).

Das Internet wurde intelligent entwickelt, um jede Art von Informationen für jede Art von Nutzung zu übertragen; es beschränkt sich nicht nur auf die Übertragung von Computerdaten. Während Telefonleitungen einst das Internet trugen, führt das Glasfaser-Internet heute stattdessen Telefon- (und Skype-) Anrufe. Wo früher Telefonate über ein kompliziertes Patchwork aus Kupferkabeln und Mikrowellenverbindungen zwischen Städten geführt wurden, werden heute die meisten Ferngespräche über Glasfaserleitungen geführt.

Seit den 1980er Jahren wurden große Mengen an Fasern verlegt; die Schätzungen sind sehr unterschiedlich, aber die weltweite Gesamtzahl wird auf mehrere hundert Millionen Kilometer geschätzt (genug, um die Vereinigten Staaten etwa eine Million Mal zu durchqueren). Mitte der 2000er Jahre wurde geschätzt, dass bis zu 98 Prozent davon ungenutzte „Dark Fiber“ waren; heute, obwohl viel mehr Glasfaser verwendet wird, wird immer noch allgemein angenommen, dass die meisten Netzwerke zwischen einer dritten und einer halben Dark Fiber enthalten.

Sendeübertragungen

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts entstand die Radio- und Fernsehübertragung aus einer relativ einfachen Idee: Es war technisch recht einfach, elektromagnetische Wellen von einem einzigen Sender (bei der Rundfunkstation) bis zu Tausenden von Antennen zu Hause durch die Luft zu schießen. Heutzutage, während das Radio noch durch die Luft strahlt, ist es genauso wahrscheinlich, dass wir unseren Fernseher über Glasfaserkabel bekommen.

Kabelfernsehunternehmen leisteten seit den 1950er Jahren Pionierarbeit und benutzten ursprünglich Koaxialkabel (Kupferkabel mit einer Ummantelung aus Metall, die um sie gewickelt war, um Übersprechstörungen zu vermeiden), die nur eine Handvoll analoger Fernsehsignale trugen. Da immer mehr Menschen, die mit dem Kabel verbunden waren, und die Netzwerke eine größere Auswahl an Kanälen und Programmen boten, mussten die Kabelbetreiber von Koaxialkabeln auf Glasfasern und von analogem auf digitales Fernsehen umsteigen.

Glücklicherweise haben die Wissenschaftler bereits herausgefunden, wie das möglich sein könnte; bereits 1966 hatten Charles Kao (und sein Kollege George Hockham) die Mathematik gemacht und bewiesen, wie ein einziges Glasfaserkabel genügend Daten für mehrere hundert Fernsehsender (oder mehrere hunderttausend Telefonate) liefern könnte. Es war nur eine Frage der Zeit, bis die Welt des Kabelfernsehens auf sich aufmerksam machte – und Kaos „bahnbrechende Leistung“ wurde bei der Verleihung des Physik-Nobelpreises 2009 richtig gewürdigt.

Abgesehen davon, dass sie eine viel höhere Kapazität bieten, leiden Glasfasern weniger unter Interferenzen, so dass sie eine bessere Signalqualität (Bild und Ton) bieten; sie benötigen weniger Verstärkung, um Signale zu verstärken, damit sie über lange Strecken reisen können; und sie sind insgesamt kostengünstiger. In Zukunft könnten die meisten von uns mit Glasfaser-Breitband fernsehen, vielleicht durch Systeme wie IPTV (Internet Protocol Television), das die übliche Art der Datenübertragung im Internet („Paketvermittlung“) nutzt, um Fernsehprogramme und Filme auf Abruf zu bedienen. Während die Kupfer-Telefonleitung immer noch der primäre Informationsweg in die Häuser vieler Menschen ist, wird unsere Hauptverbindung zur Welt in Zukunft ein Glasfaserkabel mit hoher Bandbreite sein, das alle Arten von Informationen trägt.

Medizin

Medizinische Geräte, die Ärzten helfen könnten, in unseren Körper zu schauen, ohne sie zu öffnen, waren die erste richtige Anwendung von Glasfasern vor über einem halben Jahrhundert. Heute sind Gastroskope (wie diese Dinge genannt werden) nach wie vor wichtig, aber Glasfaseroptik bringt immer wieder wichtige neue Formen der medizinischen Abtastung und Diagnose hervor.

Eine der neuesten Entwicklungen heißt Labor auf einer Faser und beinhaltet das Einführen von hauchdünnen Glasfaserkabeln mit integrierten Sensoren in den Körper eines Patienten. Diese Art von Fasern sind ähnlich groß wie die in Kommunikationskabeln und dünner als die relativ klobigen Lichtleiter, die in Gastroskopen verwendet werden. Wie funktionieren sie? Licht fällt von einer Lampe oder einem Laser durch sie hindurch, durch den Teil des Körpers, den der Arzt untersuchen möchte. Wenn das Licht durch die Faser pfiff, verändert der Körper des Patienten seine Eigenschaften auf eine bestimmte Weise (z.B. durch eine sehr geringe Änderung der Intensität oder Wellenlänge des Lichts).

Durch die Messung der Lichtveränderungen (mit Techniken wie der Interferometrie) kann ein am anderen Ende der Faser angebrachtes Instrument einen kritischen Aspekt der Funktionsweise des Körpers des Patienten messen, wie z.B. seine Temperatur, seinen Blutdruck, seinen Zell-pH-Wert oder die Anwesenheit von Medikamenten in seinem Blutkreislauf. Mit anderen Worten, anstatt einfach nur Licht zu benutzen, um in den Körper des Patienten zu sehen, verwendet diese Art von Glasfaserkabel Licht, um es zu erfassen oder zu messen.

Militär

Es ist einfach, sich Internetnutzer vorzustellen, die durch riesige Netze von Glasfaserkabeln miteinander verbunden sind; es ist viel weniger offensichtlich, dass die High-Tech-Streitkräfte der Welt auf die gleiche Weise verbunden sind. Glasfaserkabel sind preiswert, dünn, leicht, hochkapazitiv, robust gegen Angriffe und extrem sicher, so dass sie perfekte Möglichkeiten bieten, Militärbasen und andere Anlagen, wie z.B. Raketenstartplätze und Radarortungsstationen, zu verbinden.

Da sie keine elektrischen Signale übertragen, geben sie keine elektromagnetische Strahlung ab, die ein Feind erkennen kann, und sie sind robust gegen elektromagnetische Störungen (einschließlich systematischer feindlicher „Jamming“-Angriffe). Ein weiterer Vorteil ist das relativ geringe Gewicht von Glasfaserkabeln im Vergleich zu herkömmlichen Drähten aus schwerfälligem und teurem Kupfermetall.

Panzer, Militärflugzeuge und Hubschrauber haben alle langsam von Metall- auf Glasfaserkabel umgestellt. Teilweise geht es darum, Kosten und Gewicht zu sparen (Glasfaserkabel wiegen fast 90 Prozent weniger als vergleichbare „Twisted-Pair“-Kupferkabel). Aber es verbessert auch die Zuverlässigkeit; im Gegensatz zu herkömmlichen Kabeln in einem Flugzeug, die sorgfältig abgeschirmt (isoliert) werden müssen, um sie vor Blitzeinschlägen zu schützen, sind Glasfasern völlig immun gegen diese Art von Problemen.

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