Grundlagen der Glasfasertechnologie Glasfasernetze einfach erklärt

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Das Interesse an Glasfaserverbindungen ist groß, sowohl in der Wirtschaft als auch bei Privatnutzern, die von Geschwindigkeiten im Gigabitbereich profitieren können. Neben Fragen des Netzausbaus spielen technologische Innovationen eine wichtige Rolle. Nokia erläutert die Grundlagen.

Für die Informationsübertragung nutzt man heute ausschließlich die optische Übertragungstechnik über Singlemode-Glasfasern. Lediglich in der Zugangstechnologie – auch „letzte Meile“ genannt – konkurrieren drei physikalische Medien: Kupfer wurde erstmals in den 1820er Jahren für Telegrafen verwendet und ist noch immer das am weitesten verbreitete kabelgebundene Medium im Zugangsbereich. Zweitens steht als Medium die Luft zur Verfügung, und die Vernetzung mittels Funkwellen ist aktuell die am schnellsten wachsende Vernetzungstechnologie. Schließlich gibt es als dritten Verbreitungsweg die Glasfasertechnologie, die in der Weitverkehrstechnologie der Stand der Technik ist und die wegen der sonst vorhandenen Kupferzugangskabel nur bei Neubaugebieten eingesetzt wird. Beim Netzzugang unterscheidet man grundsätzlich noch zwischen der Glasfaser bis in die Wohnung („Fiber to the Home“) oder in den Netzanschlusskasten in der Straße oder in den Keller eines Mehrfamilien-/Hochhauses („Fiber to the Curb“).

Glasfaser oder Kupfer?

Der Glasfaserkern ist nicht dicker als ein menschliches Haar und kann Lichtimpulse und damit Informationen um ein vielfaches kosteneffizienter übertragen. Bei der Entscheidung für Kupfer oder Glasfaser in der Zugangstechnologie ist es also wichtig, die Kosten, die erwartete Informationsmenge und die möglichen Energieeinsparungen abzuwägen. Technologische Innovationen ermöglichen nun, dass Glasfaser immer häufiger auch für lokale Anwendungen genutzt wird, etwa für die schnelle Internetanbindung von Haushalten, als optische LAN-Verbindungen in Firmen oder bei der Vernetzung von Rechenzentren.

Wie werden Daten auf Glasfasern übertragen?

Glasfasern sind lange Stränge aus Glasfäden. Sie übertragen Licht über große Entfernungen mithilfe von Lasern, die Lichtimpulse durch das Glas schicken. Jeder Impuls ist entweder eine „Null“ oder eine „Eins“, also binäre Datenbits. Dafür musste man zunächst technische Hürden lösen, darunter die Signalabschwächung, die durch Rauschen oder Unvollkommenheiten im Glas entsteht. Als 1975 das Unternehmen Corning Glass das Problem lösen konnte, war das auch die Geburtsstunde der Glasfaserkommunikation. So konnten die ersten optischen Netze ab Ende der 1970er Jahre kommerziell für die Datenübertragung (damals primär Telefonie) genutzt werden. Ursprünglich wurde nur eine Lichtfarbe auf einer Glasfaser gesendet. Doch in den 1980er Jahren fanden Forscher u.a. bei den Nokia Bell Labs eine Möglichkeit, mehrere Lichtfarben durch dieselbe Glasfaser zu senden (Wellenmultiplexing, WDM). So konnte eine einzige Glasfaser statt eines Kanals mit einer Farbe gleich mehrere Kanäle übertragen. Spätere Entwicklungen wie Dense WDM (DWDM) konnten die Informationskapazität einer einzelnen Faser gar um ein Vielfaches erhöhen.

Wie erhöhen kohärente Übertragungs­tech­no­lo­gien die Geschwindigkeit?

Neben den Glasfasern selbst sind die Technologien der Sender und Empfänger von entscheidender Bedeutung, um die Datenkapazität weiter zu steigern. Je nach Anwendungsgebiet und erforderlicher Übertragungsrate kommen unterschiedliche Technologien der Sender und Empfänger zum Einsatz. Forscher waren über die Jahre z.B. in der Lage, durch sogenannte kohärente Übertragungstechnologien die Geschwindigkeit enorm zu steigern. Auch hier spielten die Nokia Bell Labs eine wichtige Rolle. Durch die Kombination von digitalen Signalprozessoren und sogenannten Phasenmodulationstechniken bei optischen Signalen (die auch in Mobilfunknetzen üblich sind) hat die Technologie seit ihrer Einführung vor einem Jahrzehnt eine 100-fache Steigerung der Datenrate ermöglicht.

Wie bringen steckbare digitale kohärente Optiken (DCO) Licht an den Netzwerkrand (Edge)?

Mit dem Fortschritt bei den optischen Übertragungstechnologien konnten Forscher auch die Komponenten, die das Licht übertragen, wie z.B. Laser und Detektoren, so stark verkleinern, dass sie in kleine, stromsparende und steckbare („pluggable“) Gehäuse passen. So kann man alle benötigten optoelektronischen Geräte als ein einziges Modul in eine optische Schnittstelle in einen Router oder Switch stecken. Das hat den Vorteil, dass man bei einem Ausfall einfach das optische Modul austauschen kann und nicht die komplette Übertragungseinheit. Im Netz werden diese neuen steckbaren, kohärenten Transceiver aktuell für Routerschnittstellen mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 GBit/s eingesetzt und werden bald noch höhere Geschwindigkeiten erreichen. Die Coherent-Routing-Lösung von Nokia beispielsweise verwendet steckbare kohärente Transceiver in ihren Hochgeschwindigkeitsroutern, um eine direkte Router-zu-Router-Verbindung zwischen Rechenzentren zu ermöglichen.

Was die Zukunft bringt

Die neueste Glasfasertechnologie arbeitet heute bis zu einem Dezibel (dB) unter der sogenannten Shannon-Grenze. Sie wurde ursprünglich von Claude Shannon von den Bell Labs beschrieben als die maximale Rate an fehlerfreien Daten, die ein Kanal übertragen kann. Um diese physikalischen Grenzen zu überwinden, braucht es viele weitere Innovationen, damit die Glasfasertechnik die wachsenden Anforderungen erfüllen kann. Die Forschung in diesem Bereich reicht von Hohlkernfasern bis hin zum Einsatz von maschinellem Lernen zur Verbesserung der Signalverarbeitung.

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