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"Glasfaser" ist der zweite Teil meiner Ausarbeitung.
Den ersten Teil, der sich mit dem Thema "Laser" beschäftigt, finden Sie auch
auf meiner Homepage (siehe Menü links !)
Auch im zweiten Teil darf der folgende Hinweis nicht fehlen:
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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.
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- 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
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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.
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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:
Medium |
Dämpfung in dB/Km |
Eindringtiefe bei 30 dB
in Meter |
Fensterglas |
50.000 |
0,6 |
optisches Glas |
3.000 |
10 |
dichter Nebel |
500 |
60 |
Atmosphäre über Stadtgebiet |
10 |
3.300 |
Lichtleiter |
< 3 |
> 10.000 |
Einmodenfasern |
0,1 |
300.000 |
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.
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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).
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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.
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