Referat 'Glasfaser' ist der zweite Teil meiner Ausarbeitung - Wozu benötigt man Glasfasern?

'Glasfaser' ist der zweite Teil meiner Ausarbeitung.
erste Teil: 'Laser'

Inhaltsverzeichnis

Wozu benötigt man Glasfasern ?

Vorteile von Glasfasern

Glasfasern übertragen Licht

Wie funktioniert ein Lichtwellenleiter ?

Entwicklung der Glasfasertechnik

Meilensteine der Glasfasertechnik

Wozu benötigt man Glasfasern ?

Fast jeder Haushalt und jede Firma besitzt heutzutage mindestens einen Personal Computer (PC). Bis vor kurzem war der PC ein 'isoliertes' Gerät, von der Außenwelt total abgeschirmt. Das änderte sich in den vergangenen Jahren jedoch schlagartig. Internet und Multimedia waren die neuen Schlagwörter.

Plötzlich war man über den PC und dem Telefon mit Hilfe eines Modem mit der ganzen Welt verbunden. Eine unerschöpfliche Informationsfülle steht dem Anwender nun zur Verfügung, die er sich auf den heimischen PC laden kann.

Zu Anfang bestanden diese Informationen meistens nur aus Texten, aber mit Aufkommen des 'World Wide Web' (WWW) begann das Multimediazeitalter im ehemals militärischen Internet. Ab sofort wurden Musik, Filme, bewegte Grafiken und die jetzt aktuellen 'Java-Programme' übertragen. Das ist ja auch alles ganz prima, nur gab es ein Problem, das sich in der Gegenwart zum Hauptproblem entpuppt: Immer mehr Menschen gehen 'ans Netz' und immer mehr Daten werden auf den heimischen PC 'gesaugt'. Alles wuchs explosionsartig (die 'Surfer' genauso wie die 'Server'), nur das Telefon- und Datennetz blieb auf dem Stand von vorgestern. Durch die riesigen Datenmengen, die übertragen werden, wird das Telefonnetz zur Zeit völlig überlastet.

In Deutschland sind die meisten Telefonleitungen einfache Kabel (z.B. Kupferkabel), durch die sich die Daten in Form von elektrischen Signalen ('analog') 'durchquetschen' müssen. Von immer mehr Internet-Nutzern werden immer mehr Informationen durch die Leitungen 'gejagt', und der Flaschenhals 'Telefonnetz' wird immer enger - bis zum absoluten Stillstand.
Doch das soll in Zukunft anders werden. 'Digitalisierung des Telefonnetzes' und 'Austausch der alten Kabel gegen Lichtwellenleiter' sind die neuesten Ziele.

Digitalisierung kann man folgendermaßen kurz erklären:
Informationen, egal ob normale Telefongespräche oder andere Daten, werden nicht mehr durch elektrischen Signale (wie bei der analogen Übertragung) übertragen, sondern digital. Die Übertragung erfolgt binär, d.h. in Form von 1 und 0 (oder auch 'An'/'Aus').

Ein kleiner Vorteil der digitalen Übertragung ist z.B. der Wegfall des 'Leitungsrauschens', das es zur Zeit bei Telefongesprächen noch gibt, und das so manches Modem schon zum 'Absturz' gebracht hat.
In Deutschland gibt es schon seit einigen Jahren ein volldigitalisiertes Netz, welches parallel zum 'normalen' Telefonnetz von der Telekom betrieben wird: ISDN. ISDN steht für 'Integrated Services Digital Network' (= 'Integrierte Dienste im digitalen Netzwerk').

Digitale Informationen können durch Licht (Licht 'An' = 1, Licht 'Aus' = 0) dargestellt werden. Durch Glasfasern wird dieses Licht übertragen. Bis jetzt wurden die Informationen oft unter Verwendung von Radiowellen übertragen, dem die Nachrichten 'aufgeprägt' wurden. Wellen dieser Art waren nicht nur für den Funk (Übertragung durch die Luft) geeignet, sondern nutzten auch die Kabelwege (z.B. Draht) bestmöglich aus. Radiowellen haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Ihre Bandbreite ist begrenzt, d.h. über Radiowellen können nur eine bestimmte Menge an Informationen übertragen werden. Licht dagegen hat eine etwa einhundert mal so große Bandbreite wie die aller Radiowellen zusammen. Es würde sich also hervorragend zur Datenübertragung eignen.

Vorteile der Glasfasern

keine Störbeeinflussung durch elektromagnetische Felder

große Übertragungskapazität bei kleinem Gewicht und geringen Abmessungen

elektrische Isolation zwischen Sender und Empfänger

Vereinfachung der Gerätetechnik, Blitzschutz

keine Funkenbildung bei mechanischem Defekt

in weiten Bereichen frequenz- und temperaturunabhängige Kabeldämpfung

Glasfasern übertragen Licht

Werden Glasfasern haarfein gezogen, verlieren sie eine Eigenschaft, das Glas normalerweise hat: die Zerbrechlichkeit. Glasfasern sind flexibel wie Seide, lassen sich also auch 'um Ecken und Kanten' verlegen.
Das Herstellen solcher Glasfasern ist prinzipiell ganz einfach: Von einem erhitzten Glasstab wird mit Hilfe einer sogenannten 'Glasbläserlampe' ein dünner Faden abgezogen und an einer Trommel befestigt. Diese Trommel rotiert mit etwa 600 bis 700 Umdrehungen in der Minute. Die Trommel zieht nun von dem weiterhin erhitzten Glasstab einen dünnen Faden ab und wickelt ihn auf. Diese so gewonnenen Glasfasern können nun beliebig weiterverwendet werden.

Schon sehr früh wurde dieses Verfahren in Murano bei Venedig angewendet, um Glasfasern herzustellen. Nur wurden sie damals nicht zur Datenübertragung, sondern für Flechtarbeiten und 'Federbüschel' verwendet.
Später kamen die ersten Seidenstoffe auf, bei denen die Naturseide mit der sogenannten Glasseide 'gestreckt' wurde.
Die frühen Fasern waren natürlich noch nicht mit den heutigen Glasfasern zu vergleichen. Das lag vor allem an der Qualität des Glases.

Erst im Jahr 1850 wurde ein neues Glasrezept entwickelt, welches es möglich machte, die Fasern auf Stärken zwischen 1/100 und 6/1000 Millimeter auszuziehen. Heutzutage können die Fasern bis zu einer Stärke von nur 3/1000 Millimeter ausgezogen werden.

Wie funktioniert ein Lichtwellenleiter ?

Im luftleeren Raum bewegt sich das Licht mit ca. 300.000 Kilometer in der Sekunde. Aber eben nur im luftleeren Raum. Jeder andere Stoff 'schluckt' das Licht mehr oder weniger stark. Auch Glas ist ein 'Lichtschlucker'. Diese Dämpfung wird, wie Schall, in Dezibel (dB) gemessen.
Aus diesem Grund müssen die Fasern aus besonders 'durchsichtigem' hochreinen Glas bestehen, um den dB-Wert gering zu halten. Die ersten Glasfasern hatten eine Dämpfung von 20 dB, was bedeutet, daß nach einem Kilometer Faserlänge nur noch 1/100 der eingegebenen Lichtwellenenergie nachweisbar war.
Die folgende Tabelle zeigt die Dämpfung von verschiedenen Materialien:

Heutige Glasfasern haben einen Dämpfungswert von ca. 0,2 dB. Erst nach etwa 30 Kilometern muß das Signal verstärkt werden. Demgegenüber muß das Signal z.B. beim Koaxialkabel etwa alle 2 Kilometer verstärkt werden.

Grundsätzlich bestehen Lichtwellenleiter aus haarfeinen Glasfasern, die mit einem Glasmantel umgeben sind.
Es gibt 3 Glasfasertypen, die sich durch die Art der Fortpflanzung des Lichtes unterscheiden.
'Mehrwellige Multimode-Glasfasern' reflektieren die Lichtimpulse 'zickzackförmig'.
Der nächste Typ sind die 'Gradientfasern', die ebenfalls mehrwellig sind. Durch mehrere, nach abnehmender Dichte angeordnete Glasschichten um den Kern, wird für eine weiche Reflexion der Lichtimpulse gesorgt.
Der dritte Typ sind die besonders dünnen, einwelligen 'Monomode-Glasfasern'. Durch diese Glasfaser wird der Lichtstrahl ohne Reflexion streng geradeaus geführt.

Die Daten werden durch optische Impulse übertragen. Dazu müssen sie, wie schon gesagt, in digitaler Form vorliegen. Bei Computerdaten, die übertragen werden sollen, stellt das auch kein Problem dar, da sie ja grundsätzlich digital sind. Nur analoge Daten (elektrische Signale), z.B. bei Telefongesprächen, müssen von einem A/D-Wandler in digitale Impulse umgewandelt, durch das Kabel geschickt, und am anderen Ende wieder in elektrische Signale umgewandelt werden.

Jede einzelne Glasfaser braucht ihren Sender und Empfänger an den Enden.
Als Sender kommen z.B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode (LD) in Frage, die Lichtimpulse erzeugen.
Die Leuchtdiode (LED) hat eine übertragbare Bitrate von 34 Mbit/s. Ihre Lebensdauer ist extrem hoch und der Preis relativ niedrig. Die Laserdiode (LD) hat eine übertragbare Bitrate von über 2 Gbit/s. Leider hat sie nur eine niedrige Lebensdauer, was auf die hohe Temperatur- und Alterungsabhängigkeit des Laserlichtes zurückzuführen ist. Außerdem ist der Preis sehr hoch (teure Produktionskosten, komplexe Steuerung).
Als Empfänger auf der Gegenseite wird meistens eine Art Fotozelle eingesetzt, die die Lichtimpulse 'in Empfang' nimmt.

Handelt es sich bei den übertragenen Daten um vormals analoge Daten (z.B. ein Telefongespräch), so werden die Impulse durch einen D/A-Wandler wieder in elektrische Signale umgewandelt.

Mit zwei Glasfasern können knapp 2.000 Telefongespräche gleichzeitig übertragen werden. Mehrere Lichtwellenleiter können zu einem Lichtwellenleiterkabel zusammengesetzt werden.

Entwicklung der Glasfasertechnik

Eines der ersten Glasfaserkabel wurde im Jahr 1970 von der amerikanischen Firma Corning Glass Works vorgestellt. Etwa zur gleichen Zeit stellte auch die Firma Nippon Electric Co. in Japan ein 20 dB-Glasfaserkabel vor.
Kurz darauf entwickelte Charles K. Kao von der Standard Telecommunication Laboratories der ITT in England ein Multimode-Glasfaserkabel mit geringer Dämpfung und einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s.
Bereits 1973 brachte Corning Glass Works einen Lichtwellenleiter mit nur 2 dB/km Dämpfung vor. Dieser Wert konnte kurze Zeit später auf 0,85 dB/km verringert werden.
1979 gab es dann Fasern mit einer Dämpfung von nur 0,7 dB/km.
1976 präsentierten die Bell-Laboratories ein Glasfaserkabel, das aus 144 einzelnen Glasfasern bestand und mit dem knapp 50.000 Telefongespräche parallel übertragen werden konnten. Das Kabel hatte nur einen Durchmesser von 1,27 cm.
In der folgenden Zeit wurden viele Versuchsnetze mit Lichtwellenleitertechnik installiert, z.B. in Japan, England und Deutschland.
In Deutschland hieß das Projekt BIGFON (Breitbandiges Integriertes Glasfaser-Fernmelde-Ortsnetz).

Meilensteine der Glasfasertechnik

1979 schafften es die Japaner, die Dämpfung auf 0,2 dB/km 'herabzudrücken'. Zeitgleich gelang es in den Bell-Laboratories, mit Glasfasern eine Übertragungsrate von 200 Gbit/s zu erreichen.
Auch die Entwicklung der Sender schritt voran. Gallium-Arsenid-Laser (GaAs-Laser) wurden eingesetzt. Dieser Laser sendete einen Lichtstrahl aus, der einen Durchmesser von nur 2 Mikrometern hatte. Dieser Lichtstrahl konnte die Monomode-Glasfaser voll ausnutzen.
Auch als Seekabel sollten Lichtwellenleiter eingesetzt werden. 1982 wurde erstmals ein 20 Kilometer langes Glasfaserkabel in Betrieb genommen. Dieses Kabel kam ohne Verstärker zurecht und arbeitete mit 34 Mbit/s.
1985 wurde dann an der Mittelmeerküste ein 80 Kilometer langes Kabel mit einer Übertragungsrate von 140 Mbit/s in Betrieb genommen. Pro Faserpaar konnten 3.840 Telefonkanäle geschaltet werden.

In den 80er Jahren wurde dann ein Transatlantikkabel in Glasfasertechnik (TAT-8) installiert. Dieses Kabel hatte eine Übertragungskapazität von fast 40.000 Telefongesprächen.
Drei Faserpaare wurden verlegt: Eines von den USA nach England und eines von den USA nach Frankreich. Das dritte Kabel, das von den USA bis zu dem Punkt verläuft, an dem sich die Kabel vor der europäischen Küste trennen, ist als Ersatzkabel gedacht, falls in der Hauptleitung ein Fehler auftritt.

In den Labors wird derzeit kräftig weiterentwickelt. Eine Forschungsgruppe von AT&T Bell Laboratories in den USA verbesserte den Verstärkerabstand auf 68,3 Kilometer und die Übertragungsrate auf 20 Milliarden Bit/s. Das entspricht etwa 300.000 gleichzeitig geführten Telefongesprächen; aber es waren eben nur Laborversuche.
1990 experimentierten Wissenschaftler mit zwei Wellenlängen des Lichts auf einem Glasfaserkabel. Dies führte nochmal zu einer Verdoppelung des Datendurchsatzes.

Bis zum Jahr 1990 waren in Deutschland bereits etwa 1 Million, in Großbritannien über 800.000, in Frankreich ca. 500.000 und in Italien ca. 200.000 Kilometer Glasfaserkabel verlegt.