Wissenswertes über Glasfaserkabel

Glasfaserkabel sind Lichtwellenleiter (LWL), die Signale optisch übertragen. Sie werden vor allem in der Nachrichtentechnik für die leitungsgebundene Übertragung bei Kommunikationsnetzwerken verwendet. Glasfasernetze sind Kupferkabeln auf langen Strecken und in der Bandbreite um einiges überlegen. Andere Anwendungsbereiche sind optische Übertragungen zum Beispiel an Messgeräten und Endoskopen, Lasertechniken in der Medizin oder dekorative Lichtelemente.

Wie funktionieren Glasfaserkabel?

Die Lichtleiter im Inneren von Glasfaserleitungen sind transparente Fasern aus Quarzglas oder Kunststoffen, deswegen der Name Glasfaserkabel. In einem Glasfaserkabel befinden sich oft mehrere Lichtwellenleiter (LWL).

Glasfaserkabel übertragen optische Signale durch Lichtwellen. Vor der Übertragung muss ein Sender am Anfang des Kabels die elektrischen Signale in Licht umwandeln. Das Glasfaserkabel dient sodann als Übertragungsmedium. Eventuell können auf dem Weg durch das Kabel weitere Kopplungen, Verzweigungen oder Signalmodulationen durch Verstärker vorgenommen werden. Der Empfänger am anderen Ende des Glasfaserkabels muss die optischen Signale in elektrische Signale zurückwandeln.

Unser Praxiswissen:

Glasfasern sind sogenannte dielektrische Leiter. Das heißt, sie sind schwach bis gar nicht elektrisch leitend. Zur Übertragung in Glasfaserkabeln müssen die elektrischen Signale deshalb in optische Signale umgewandelt werden. Als Lichtquellen am Sender kommen meist Leuchtdioden, bei längeren Strecken Laserdioden zum Einsatz.

Unterschiedliche Brechungsindexe für Kern und Mantel einer Glasfaserleitung werden durch die Dotierung der Glasfasern mit chemischen Substanzen wie beispielsweise Germanium, Phosphor, Siliziumoxid, Bor oder Fluor erreicht. Durch den niedrigeren Brechungsindex des Mantels um den Kern wird eine Totalreflektion des Lichts an der Grenzschicht angestrebt, wodurch die Lichtwellen durch den Lichtleiter geführt werden.

Der Aufbau eines Glasfaserkabels von außen nach innen :

  1. Außenhülle: An die Schutzbeschichtung des Lichtleiters schließt sich oft eine weitere Außenhülle an. In der Regel ist diese aus Kunststoff. Sie bietet weiteren mechanischen Schutz für den Lichtleiter.
  2. Verstärkungsfasern
  3. Schutzbeschichtung: Die einzelnen Lichtwellenleiter aus Kern und Ummantelung haben jeweils eine Schutzbeschichtung. Meist besteht diese aus einem Kunststofflack. Die Ummantelung soll die Glasfasern vor Feuchtigkeit schützen. Außerdem der Bildung von Mikrorissen an der Oberfläche vorbeugen, die sonst durch mechanischen Verschleiß die Funktionsfähigkeit des Lichtwellenleiters erheblich beeinträchtigen würden. Die Isolierung mit Kunststoff macht die Glasleitung überdies zu einem berührungssicheren Kabel.
  4. Ummantelung: Die Lichtleitungen sind jeweils umschlossen von einem Mantel mit einem niedrigeren Brechungsindex, damit sich das Licht wellenförmig durch die Leitung ausbreitet. Diese Ummantelung besteht ebenfalls aus Glasfasern.
  5. Lichtführender Kern: Im Kern eines Glasfaserkabels befinden sich eine oder mehrere lichtführende Leitungen aus Glasfasern.

 

Da Glasfaserkabel oft unter der Erde verlegt werden, ist die abschließende Außenhülle in vielen Fällen mit besonderen Strukturen gegen schädliche Umwelteinflüsse versehen. Zusätzlich angebracht sind beispielsweise steife Metalldrähte, die eine Biegung des Kabels verhindern und so für die gerade Ausbreitung der Lichtwellen sorgen; harte Materialien, die dem Druck der Erdmassen über dem Kabel standhalten sollen oder Metallnetze gegen Tierbisse.

Wofür werden Glasfaserkabel verwendet?

Glasfaserkabel werden in der Nachrichtentechnik sowohl auf langen als auch auf kurzen Strecken verwendet. Sie spielen für schnelles Internet und höhere Übertragungsraten beim Download und Upload eine große Rolle. Glasfaserkabel sind Kupferkabeln in der Bandbreite der möglichen Datenübertragung deutlich überlegen.


Weite Strecken:

Monomodefasern können ohne Zwischenverstärker Daten über 10 bis 100 Kilometer übertragen. Durch Zwischenverstärker lässt sich die Gesamtreichweite noch erheblich steigern. Deswegen sind interkontinentale Seekabel seit Ende der 1980er Jahre Glasfaserleitungen. Auch bei den landesweiten Wide Area Networks und Metropolitan Area Networks wird zukünftig auf den Ausbau von Glasfasernetzen gesetzt. Einzelne Haushalte erhalten ebenfalls einen Glasfaser-Anschluss.


Lokale Verteilung:

Bei lokalen Datenübertragungsnetzen im Nahbereich lösen Glasfaserkabel die Kupferkabel ebenso stetig ab. Sowohl Ethernet als auch Fibre Channel und Infiniband sind Netzwerkstandards, die auch für Glasfaserkabel ausgelegt sind. Die Kombination einer Kommunikationsleitung aus alten Kupferkabeln mit modernen Glasfaserkabeln ist durch Medienkonverter möglich.

Welche Glasfaserkabel gibt es?

Die Lichtleiter in Glasfaserkabeln werden unterschieden in Monomodefasern und Multimodefasern. Sie unterscheiden sich im Kerndurchmesser und in der Differenz des Brechungsindex vom Mantel zum Kern.

Monomodefasern: In einer Monomodefaser kann sich nur eine Grundmode mit einem bestimmten Wellenlängenbereich ausbreiten. Diese Fasern werden im Englischen als single-mode fiber (SMF) bezeichnet. Sie sind teurer, werden aber auf langen Strecken bevorzugt.

Multimodefasern: In Multimodefasern können sich mehrere hundert bis mehrere tausend Moden mit unterschiedlichen Wellenbereichen ausbreiten, da sie einen größeren Kerndurchmesser haben. Im Englischen heißen diese Fasern multi-mode fiber (MMF).

Die Standards für Glasfaserkabel im Überblick

Seit Mitte der 80er Jahre hat sich ein einheitliches Kennzeichnungssystem für Glasfasern durchgesetzt. Dabei wird nach Fasergüte unterschieden. OS1 und OS2 bezeichnen Monomodefasern, OM1 bis OM5 stehen für Multimodefasern:

Wellenlänge des Lichts 850 nm 1310 nm 1383 nm 1550 nm
Dämpfung in dB/km*
Monomodefasern
OS1 - 1 - 1
OS2   0,4 0,4 0,4
Multimodefasern
OM1 3,5 1,5 - -
OM2
OM3 3 1,5 - -
OM4
OM5

* Die Dämpfung hat Übertragungsverluste zur Folge.

Was gibt es bei der Installation von Glasfaserkabeln zu beachten?

Glasfaserkabel verlieren enorm an Reichweite, wenn sie gebogen werden. Vor dem Hintergrund, dass sich Lichtwellen nur gerade ausbreiten können, führt eine Biegung des Lichtwellenkabels dazu, dass die Reflektion zwischen Kern und Mantel nicht mehr optimal ausgerichtet ist. Ein Teil des Lichts wird dann als Verlust in den Mantel gestrahlt. Dadurch kann es schnell passieren, dass auf der Empfängerseite des Kabels die Signale nicht mehr in ausreichender Qualität ankommen.

Speziell für den Hausgebrauch wurden in jüngerer Vergangenheit Glasfasern mit reduzierten Biegeverlusten entwickelt. Realisiert werden solche Fiber-to-home-Lösungen durch ringförmige Strukturen im Mantel, die die Brechung des Lichts positiv beeinflussen sollen. Mit den entsprechenden Glasfaserkabeln können Biegeradien mit unter 10 Millimetern nahezu verlustlos übertragen werden, allerdings nur auf kurzen Strecken.

Bei der Installation von unkonfektionierten Glasfaserkabeln kommen Spleißverbindungen zum Einsatz. Bei diesem Anschluss ist es von großer Bedeutung, dass der Kern und die umgebenden Mantelfasern der zu verbindenden Kabelenden genau aufeinander ausgerichtet werden. Schon geringe Abweichungen führen dazu, dass Überlappungen der Lichtwellen bei der Lichtreflektion eintreten. Fehlanpassungen an den Verbindungsstellen sind ein großer Risikofaktor für Reichweiten- und Qualitätsverluste bei der Übertragung via Glasfaserkabel.

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