Glasfasertechnik

1. Die Entwicklung der Glasfasertechnik

Glasfasern herzustellen ist im Prinzip recht einfach. Man nimmt einen erhitzten Glasstab von dem mit Hilfe einer "Glasbläserlampe" ein dünner Faden abgezogen wird. Dieser wird an einer Trommel befestigt die man zum rotieren bringt. Dadurch wird aus dem Glasstab eine dünne Faser gezogen die aufgewickelt wird. Doch verwendete man früher diese Fasern nicht zur Datenübertragung.

Im Jahre 1970 entwickelte erstmals der amerikanische Konzern Corning Glass Works ein Glasfaserkabel. Zur selben Zeit etwa wurde in Japan von der Firma Nippon Electric Co. ein 20 dB-Glasfaserkabel vorgestellt. In der darauffolgenden Zeit entwickelte der Engländer Charles K. Kao ein Glasfaserkabel, welches bereits eine Übertragungsrate von 100 Mbit/s leistete. Die Technik machte zur damaligen Zeit große Fortschritte und bereits 1973 gelang es der Firma Corning Glass Works einen Lichtwellenleiter mit einer Dämpfung von nur 2 dB/km zu entwickeln. Später wurde dieser Wert zuerst au 0,85 dann auf 0,7 dB/km verringert.

1976 wurde erstmals ein Glasfaserkabel präsentiert, welches aus insgesamt 144 einzelnen Glasfasern bestand. Dies ermöglichte, dass 50.000 Telefongespräche parallel geführt werden konnten. Jenes Kabel hatte nur einen Durchmesser von 1,27 cm. Viele Versuchsnetze wurden später eingerichtet so auch z.B. in Japan und in England.

An dieser Stelle noch einige Erfolge in der Entwicklung der Glasfasertechnik, die erwähnt werden sollten: 1979 gelang es den Japanern die Dämpfung auf 0,2 dB/km zu senken. Zur gleichen Zeit gelang es den Bell-Laboratories eine Übertragungsrate von 200 Gbit/s zu erreichen. 1982 nahm man erstmals ein 20 km langes Glasfaserkabel in Betrieb. Drei Jahre darauf wurde an der Mittelmeerküste ein ca. 80 km langes Kabel in Betrieb genommen. Pro faserpaar konnten 3840 Telefonkanäle geschaltet werden. Ebenso wurde in den 80ern ein Transatlantikkabel in Betrieb genommen, welches die Kapazität von 40.000 Telefongesprächen hatte. Es wurden drei Faserpaare verlegt: Eines von den USA nach England ein weiteres von den Staaten nach Frankreich. Das dritte Kabel ist als Ersatzkabel gedacht, falls Fehler in der Hauptleitung auftreten.

Doch ist die Entwicklung auf diesem Gebiet noch keineswegs abgeschlossen. So wurde in Labors der Verstärkerabstand auf 68,3 km verbessert und eine Übertragungsrate von 20 Milliarden Bit/s erreicht. Bei solch einer Übertragungsrate könnte man 300.000 Telefonate gleichzeitig führen. 1990 experimentierte man mit zwei Wellenlängen des Lichtes auf einem Kabel. Dies führte noch einmal zu einer Verdoppelung der Leistung.

2. Das Funktionsprinzip

Das eigentliche Prinzip auf dem Glasfaserkabel beruhen ist ziemlich einfach. Ein Lichtstrahl wird durch eine Glasfaser geschickt aus der er, aufgrund den Gesetzten der Totalreflexion, nicht entweichen kann. Nach einer gewissen Distanz, die das Licht zurückgelegt hat muss das Signal jedoch verstärkt werden, da es sonst nach einiger Zeit vom Glas "geschluckt" wird.

Jede Glasfaser benötigt einen Sender am Anfang und einen Empfänger am Ende des Kabels. Als Sender verwendet man häufig einen Licht- oder Laserdiode, die einen Lichtimpuls erzeugen. Vorteile der Leuchtdiode ist die längere Lebensdauer und die billigern kosten, die bei der Anschaffung anfallen. Jedoch hat die Leuchtdiode nur eine Übertragungsrate von 34Mbits/s. Die Laserdiode hat zwar eine sehr hohe Übertragungsrate (2 Gbits/s), jedoch ist sie extrem teuer und hat nur eine kurze Lebensdauer. Als Empfänger dient eine Art Photozelle, die das Signal empfängt.

Das Licht bewegt sich im Vakuum mit ungefähr 300.000 km/h. Doch diese Geschwindigkeit erreicht es eben nur im luftleeren Raum. Jeder andere Stoff "schluckt" das Licht. So ist dies bei Glas genauso. Der Anteil der geschluckt wird, auch Dämpfung genannt, wird in Dezibel gemessen. Daher hat eine Glasfaser sehr sauber und rein zu sein um ein Minimum dieser Dämpfung zu erreichen. In den Anfängen der Glasfasertechnik hatten diese Fasern noch eine Dämpfung von 20 dB, was bedeutet, dass nach einem km nur noch 1/100 der eingegebenen Lichtwelle nachweisbar war. Aus diesem Grund muss das Signal auch immer wieder Verstärkt werden. Bei der heutigen Technik beträgt die Dämpfung dieser Kabel rund 2 dB das bedeutet, dass man das Signal erst nach 30 km wieder verstärken muss. Die folgende Tabelle zeigt die Dämpfung verschiedener Materialien:

Grundsätzlich besteht ein Glasfaserkabel aus einer haarfeinen Glasfaser, die von einem Glasmantel umgeben ist. Doch gibt es drei verschiedene Arten von Glasfaserkabeln, die sich in der Art der Fortpflanzung des Lichtes unterscheiden. Der erste Typ sind die mehrwelligen "Multimode-Glasfasern". Sie reflektieren das Licht zickzackförmig. Weiters gibt es noch die ebenfalls mehrwelligen "Gradientfasern". Nach abnehmender Dichte sind um den Kern verschiedene Glasschichten angeordnet, wodurch eine weiche Reflexion erzielt wird. Der dritte Typ sind die einwelligen Monomode-Glasfasern. Bei diesen wird ein Lichtstrahl ohne Reflexion geradeaus geführt. Bei dieser Art von Glasfaserkabeln ist die Dämpfung besonders gering.

Die Daten werden durch optische Impulse übertragen, das heißt sie müssen in digitaler Form vorliegen, oder erst in eine solche gebracht werden. Bei Telefongesprächen zum Beispiel muss das analoge Signal von einem so genannten A/D-Wandler zuerst umgewandelt werden. Am Ende des Kabels muss das Signal von einem D/A-Wandler wieder zurückgewandelt werden.

Mit zwei Glasfasern ist es möglich rund 2000 Telefonate gleichzeitig zu übertragen!

3. Anwendungsmöglichkeiten

Seitdem das Internet die Welt des multimedialen Datenflusses öffnete Man war über ein Modem und dem PC schlagartig im Stande sich einen Informationszugang zu verschaffen, der vor einigen Jahren noch wie unmögliche Utopie klang. Seitdem die Datenmengen, die auf den einzelnen Seiten immer mehr werden (Grafiken, Filme, Musik) und die Anzahl der Nutzer explodierte, war dies für das alte Telefonkabelnetz eine große Überlastung. Die meisten Telefonkabel sind einfache Kupferkabel in denen Informationen Analog übertragen werden. Immer mehr Internetnutzer machen es beinahe unmöglich eine annehmbare Übertragungsgeschwindigkeit zu gewährleisten. Aus diesem Grund haben es sich die Telefonbetreiber zur Aufgabe gemacht das Telefonnetz zu digitalisieren und die alten Kabel gegen moderne Lichtwellenleiter auszutauschen. Die eigentliche Aufgabe der Lichtwellenleiter besteht darin Information schnell zu übertragen. Besonders geeignet für die Übertragung von größeren Datenmengen, wie das beim Internet der Fall ist, sind eben Glasfaserleitungen.

4. Vorteile von Lichtwellenleiter

1. Der Lichtwellenleiter ist elektrischer Nichtleiter

keine Erdungsprobleme

keine EMV-Probleme (EMV=Elektromagnetische Verträglichkeit)

2. Geringeres Gewicht und kleinere Querschnitte

problemlose Verlegung

bessere Nutzung von bereits vorhandenen Kabelkanälen

3. Ausgangsmaterial SiO₂ praktisch unbegrenzt verfügbar

kein Engpass durch Rohstoffe

4. Vereinfachung der Geräte

5. Keine Funkenbildung bei mechanischem Defekt

6. Größe Übertragungskapazität

5. Quellenangabe

Optische Nachrichtentechnik (Herter/Graf) Hanser 192 S.

Brockhaus, die Enzyklopädie Band 8 (1996)

www.krref.krefeld.schulen.net (Referat über Glasfaser, Stefan Seebeck)

www.tuwien.ac.at Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik