50 Jahre Glasfaser: Die Geschichte von A bis Z

Ab Mitte der 1970er brachten diverse Hersteller erste kommerzielle Glasfaserkabel auf den Markt. Damit konnte man Signale praktisch verlustfrei über längere Distanzen übertragen. [...]

Glas als Werkstoff blickt auf eine rund 4000-jährige Geschichte zurück. Denn bereits seit dem Jahr 2000 v. Chr. gibt es Glas als Material für Behälter, Fenster und andere Gegenstände des täglichen Lebens. Bis heute wird ein Großteil des Glases in dieser Kategorie hergestellt und verarbeitet, hauptsächlich aus ähnlichen Natronkalkmischungen mit dem Schwerpunkt kostengünstiger Massenproduktion.

Nur drei Zutaten

Glas besteht aus nur drei Zutaten: Quarzsand sowie den Zusätzen Soda und Kalk. Jeder Sand, ob auf dem Spielplatz oder am Strand, enthält Quarze, die das Hauptmaterial von Glas bilden.

Im Schmelzofen wird aus den drei Bestandteilen Glas. Soda sorgt dafür, dass der Quarzsand bei geringerer Hitze schmilzt (bei 1200 °C statt bei 1700 °C), während Kalk das Glas nach dem Abkühlen stabilisiert.

Seit rund 350 Jahren kümmern sich auch die Forscher um das Thema Glas und nutzen bekannte Prozesse zur Glasherstellung. Diese wurden besonders in den letzten 50 Jahren ständig verbessert und dem Verwendungszweck entsprechend optimiert.

So musste zum Beispiel die Displayindustrie vor mehr als einem Jahrzehnt ein umweltfreundlicheres LCD-Glas für Monitore finden. So wurde ein neues Displayglas für brillante Bilder, aber ohne schädliche Elemente wie Antimon, Barium und Arsen entwickelt.

Dazu waren effiziente Schmelzprozesse nötig, damit Displays in Massenproduktion hergestellt werden können. Schwieriger wird es, wenn Glas gezogen werden muss, etwa zur Herstellung von feinen Glasfasern. Dies muss in höchster Präzision erfolgen, um auch im späteren rauen Alltagsbetrieb einwandfrei zu funktionieren. Doch bevor es so weit kam, war jahrelange Forschung nötig.

Evolutionäre Geschichte

Der Begriff «Glasfaser» wurde bereits Anfang der 1960er-Jahre geprägt. Ursprünglich wurde der Begriff jedoch für Lichtverstärker verwendet, die in Kathodenstrahlröhren (zum Fernsehen), Computerschaltkreisen und medizinischen Geräten eingesetzt wurden. Die Technologie funktionierte allerdings nur über kurze Strecken – nach etwa 20 Metern war das Signal fast vollständig verschwunden.

Zur selben Zeit realisierte die damalige noch vollständig analog operierende Telekommunikationsindustrie, dass die bisherigen Kupferdrähte den exponentiell steigenden Kommunikationsdatenverkehr nicht mehr bewältigen können.

Kupferkabel erforderten besonders auf längere Distanzen Signalverstärker in den Übertragungsstellen, die aber nicht nur das Nutzsignal, sondern auch Störgeräusche wie das Nebensprechen zwischen den Kanälen verstärkten.

Aufwendige Filter und Regeneratoren versuchten, das Originalsignal bestmöglich wiederherzustellen und so auf die weite Reise zu schicken. Dies war aufwendig und teuer, denn die Röhrenverstärker brauchten viel Strom und eine gute Lüftung.

Kupferkabel unzureichend

Druck kam auch vom Militär, denn im Herbst 1969 nahm das US-Verteidigungsministerium das legendäre ­Arpanet in Betrieb, einen Vorläufer des Internets, der das Pentagon mit Universitätslaboren vernetzte. Unternehmen wie die Digital Equipment Corporation (DEC) bauten die ersten kühlschrankgroßen Minicomputer, die kleiner und billiger als Großrechner in Raumgröße waren.

Das bedeutete aber auch, dass mehr und mehr Unternehmen Daten für ihre Geschäfte nutzen wollten. Dabei wuchs die Notwendigkeit, Daten über große Entfernungen übertragen zu können, was mit Kupferkabeln nur unzureichend gelang.

Aber heute wie damals mussten Unternehmen weltweit zu einer Zeit miteinander kommunizieren, wobei die üblichen Kupferkabel nur ein begrenztes Anrufvolumen übertragen konnten.

Die Tonqualität war blechern, weil die Leitungen nicht genug Informationen transportieren konnten, um die Stimme einer Person vollständig wiederzugeben. Trotzdem übertraf die Nachfrage das Angebot so stark, dass ein Auslandsgespräch in den 1960er-Jahren nach heutigem Währungsstand 27 US-Dollar pro Minute und mehr kostete.

Transkontinentale Zusammenarbeit

Die Initialzündung fand aber nicht in den USA, sondern in England statt. Charles Kao, ein Physiker in der Forschungseinrichtung «Standard Telecommunication Laboratories», war der Erste, der das Potenzial von Glasfasern als Übertragungsmedium erkannte.

In einer bahnbrechenden Publikation aus dem Jahr 1966 schrieb Kao, dass Glasfaser- den Kupferkabel- oder Funksignalen potenziell weit überlegen seien, was damals natürlich noch reine Theorie war. Das Problem waren Verunreinigungen im Glas, die eine mehr oder weniger große Dämpfung verursachten. Die Herausforderung bestand nun ­darin, eine entsprechend verlustarme Faser zu erfinden und zu produzieren.

Kao war überzeugt, dass Glas das Licht über weite Entfernungen ohne nennenswerte Lichtverluste übertragen kann. Er stellte die Hypothese auf, dass durch Bereinigung des Glases dünne Faserstränge in der Lage sein müssten, riesige Datenmengen über große Entfernungen mit minimalem Signalverlust übertragen zu können.

Aber niemand wusste, wie derartig reines Glas herzustellen war. Die britische Post, die auch für das Telefonsystem des Vereinigten Königreichs zuständig war, wandte sich an Corning mit der Bitte um Hilfe bei der Suche nach neuartigen, leistungsstarken Glasfaserleitungen. Corning beauftragte den angestellten Physiker Dr. Robert Maurer mit der Bildung eines Teams, dem sich auch zwei junge Forscher anschlossen, die neu im Unternehmen waren: Dr. Donald Keck, ein Experimentalphysiker, und Dr. Peter Schultz, ein Glaschemiker.

OPTISCHE PHYSIK

Die optische Physik ist das Studium des Lichts und seiner Wechselwirkung mit der Materie. Aus der Forschung entstehen neue Glastechnologien wie Glas­faser, Anzeigetafeln oder Halbleitersysteme. Alle hängen von der Übertragung, Verarbeitung oder ­Manipulation von Licht ab.

Die meisten Menschen betrachten Licht als reine Leuchtenergie. Denn Licht erhellt das Dunkle und man kann dank Licht Dinge sehen. In der Physik ist Licht eine Reihe elektromagnetischer, sich stark unterscheidender Wellen.

Einige Lichtfrequenzen sind für den Menschen zu niedrig, andere zu hoch. So kann Infrarotstrahlung z. B. dazu verwendet werden, um Wärme und damit Zeichen des Lebens und der Aktivität zu erfassen. Aber auch Radio- und Mikrowellen, Radar und Röntgenstrahlen interagieren auf einzigartige Weise mit Glas und anderen Substanzen.

Warum ist das Studium des Lichts gerade für die ICT-Branche von Bedeutung? Vor über 50 Jahren ­entdeckte die US-amerikanische Firma Corning die ­Glasfaser, ein spezielles Glas, das zur Steuerung der Lichtausbreitung entwickelt wurde. Eine einzige Glasfaserverbindung kann 20 TB Daten pro Sekunde übertragen und ermöglicht das sofortige Herunter­laden von Videos oder Online-Spielen.

Glasfasern ermöglichen aber auch den ständigen Zugriff auf schnelle Verbraucherdienste sowie bahnbrechende Anwendungen wie Telemedizin, Telearbeit und Smart-City-Technologie.

Weiterführende Infos unter www.corning.com

Hartnäckige Forschung und Entwicklung

Der Weg zur Innovation ist jedoch oft frustrierend und von Fehlern und gescheiterten Experimenten geprägt. Dies führte zu zahllosen Glaskombinationen und Experimenten mit verschiedenen Gestaltungsdimensionen und Produktionsmethoden zur Herstellung und Reinigung der Komponenten.

Eine der größten Herausforderungen war die Kombination zweier Gläser zu einer einzigen Faser. Für jeden Test mussten die Forscher Stränge aus Glasblöcken ziehen, die nebeneinander in einem Ofen lagen, und diese dann ineinander einschließen, um eine einzige Faser zu erhalten.

Erst 1970 war es soweit: Das Wissenschaftlerteam der Firma Corning Inc. erfand die erste optische Glasfaser. Inspiriert durch den Glauben, dass Informationen mit Licht transportiert werden können, experimentierten die Wissenschaftler Maurer, Schultz und Keck von Corning während vier Jahren mit verschiedenen Glaseigenschaften, bis sie eine verlustarme optische Glasfaser zur Signalübertragung in der Telekommunikation erfunden hatten.

Die optische Glasfaser war eine Antwort auf die Kundennachfrage nach mehr Bandbreite und störungsfreier Signalübertragung über längere Strecken.

Doch es dauerte noch bis 1979, bis erste Glasfaserkabel hergestellt werden konnten. Weitere Jahre vergingen, bis Glasfaserkabel unter dem Meer verlegt wurden, um Kontinente miteinander zu verbinden und Menschen so die Möglichkeit zu geben, kostengünstiger miteinander zu kommunizieren.

Eigenschaften und Funktionsweise

Die optische Glasfaser war nicht mehr aufzuhalten und revolutionierte die Telekommunikationsindustrie. Sie besticht bis heute durch ihre geringe Dämpfung mit tiefem Signalstärkeverlust und bietet im Gegensatz zu Kupfer eine fast grenzenlose Bandbreite über die gesamte Faserlänge.

Die optische Signalübertragung über Glasfaser bildet seither die Grundlage heutiger Netzwerke. Sie sorgt für den weltweiten, nationalen und zunehmend auch für den lokalen Transport von Audio- sowie Videosignalen und Daten.

Optische Glasfasern bestehen aus drei Komponenten:

• einem Kern aus hochreinem Glas, der die Informationen mittels Lichtwellen transportiert;
• einem Mantel um den Kern, der eine andere Zusammensetzung mit niedrigerem Brechungsindex hat als der Kern, wodurch er Lichtaustritte verhindert;
• einem robusten Aussenmantel, um die empfindlichen Glasfasern vor Schäden zu schützen.

Dabei werden verlustarme optische Glasfasern zu flexiblen Filamenten zusammengefasst, die Informationen via Lichtsignale über weite Strecken mit geringer Dämpfung (Signalverlust) transportieren. Diese zu transportierenden Informationen werden in Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge kodiert und wandern via interner Reflexion durch jede optische Glasfaser.

Diese Wellen wandern durch die Faser von einer Lichtquelle (Laser oder LED) bis zu einem optischen Empfänger (analog gesprochen bis zu einem Modem), wo die Wellen erkannt werden und die Nutzinformation dekodiert wird.

Herstellung von Glasfasern

Die Erfindung optischer Glasfasern markierte erst den Anfang, denn die fertig entwickelte Idee sollte ja auch in kommerziellen Produkten zur Anwendung kommen. Ein weiterer Entwicklungsprozess ermöglichte die Herstellung von Glasfaserkabeln, bei dem die Fasern möglichst leicht gespleißt und verbunden werden können.

Corning ließ sich neben der Erfindung auch den Herstellungsprozess patentieren, die mit der Herstellung von «Vorformen» aus Glasrundstäben beginnt, die via Gasphasenabscheidung erzeugt werden.

Diese Vorformen werden zu solidem, dichtem und transparentem Glas gesintert und zu ummantelten optischen Glasfasern gezogen, die so dünn sind wie Menschenhaar. In Folgeschritten wird die Faserstärke sowie die optische Leistung genauestens gemessen, bevor Halbfertigprodukte an Kabelhersteller oder komplette Kabel an die Kunden verschickt werden.

Früher waren der Transport und die Montage der teuren und empfindlichen Kabel eine heikle Angelegenheit. Letzteres hat sich dank neuer Montage-Tools deutlich vereinfacht.

Glasfasertypen

Bei Glasfasern gibt es Singlemode- und Multimode-Fasern. Singlemode-Fasern haben einen kleineren Kern als Multimode-Fasern, wodurch sie nur eine Art von Licht transportieren können – daher auch «Singlemode».

Die einzelnen Fasern können den Lichtimpuls über weite Entfernungen halten, wobei Singlemode-Fasern für weite Entfernungen prädestiniert sind. Multimode-Fasern hingegen haben einen größeren Kern, der etwa 100 Modi gleichzeitig erlaubt, aber nur für kürzere Distanzen taugt.

Diese Fasern sind deutlich günstiger und wurden für einen kostengünstigen Betrieb auf Kurzstrecken entwickelt. Multimode-Fasern werden primär für die Datenkommunikation in privaten Netzwerken, aber auch in Rechenzentren als Patchkabel genutzt.

Die ersten «verlustarmen» optischen Glasfasern hatten noch einen Signalverlust (totale Dämpfung) von 17 dB/km. Heute gibt es optische Glasfasern mit niedrigen Dämpfungen von 0,17 dB/km und weniger, was eine hundertfache Verminderung des Signalverlusts bedeutet. Hinzu kommen wesentlich leistungsfähigere Laser in den Einspeisestellen. Erst dadurch wurden Glasfasern die erste Wahl für schnelle, solide und ökonomische Kommunikationsnetzwerke.

Fibre-To-The-Home (FTTH)

Glasfaserkabel bilden die primäre Infrastruktur für weltweite Breitbandverbindungen, aber auch für Unternehmen und optische Anschlussnetze (FTTH). Somit decken Glasfasern in verschiedenen Ausführungen alle Bereiche von Zugangs-, Weitverkehrs- und Seekabelnetzen ab und verbinden Kontinente, Länder, Städte und Gemeinden. Glasfaserkabel ermöglichen dabei neue Möglichkeiten für das tägliche Leben, Arbeiten und Spielen oder schnelle Zugänge zu Clouds.

Weltweit werden rund 90 Prozent der FTTH-Netze mit gesplitterten Glasfasern gebaut, um Erschließungskosten zu sparen und den Kunden trotzdem noch akzeptable Geschwindigkeiten um > 1 Mbit/s (Download) zu bieten.

Dies wäre auch die Idee von Swisscom gewesen, die Ende 2020 jedoch durch eine Klage des kleinen Konkurrenten Init7 bei der Wettbewerbskommission des Bundes (WEKO) und dem durch die Behörde verfügten Baustopp eingebremst wurde. Seither versucht man, einen Kompromiss zu finden, was schwierig erscheint, zumal der weiß-rot-blaue Riese bereits rund 360 000 Wohnungseinheiten mit dieser Technik ausgerüstet hat.

Ob diese nun zurückgebaut und auf das am sogenannten runden Tisch des Bundesamtes für Kommunikation (Bakom) jahrelang verhandelte Vierfasermodell zurückgerüstet werden muss, ist offen.

Jedenfalls setzt Swisscom diese Technik vorerst nicht mehr ein und baut nun mit vier Glasfasern pro Wohnungseinheit weiter, um die Breitbanderschliessung der Schweiz wieder aufzunehmen.

Fazit

Dank FTTH kommen die dämpfungsarmen Glasfasern heute bis zum Router in die Häuser und Wohnungen der Schweiz, was ganz neue Geschwindigkeitsbereiche für jedermann erschließt.

Ob man von dort aus optisch oder mit Ethernet-Kabeln oder mit drahtlosen Verbindungen (WLANs) zum Endgerät weiterfährt, muss jede Anwenderin und jeder Anwender je nach Budget und den räumlichen Verhältnissen für sich selbst entscheiden.

KOMPAKT

Glasfaserkabel beschleunigten ab den frühen 1980er-Jahren den Kommunikationsfluss zunächst auf Fernverbindungen. Denn hier schmerzten die Nachteile alter Kupferkabel am meisten. Bis zu FTTH war es aber noch ein weiter Weg.

*Rüdiger Sellin ist Diplom-Ingenieur (FH) und arbeitet seit 1992 als Fachjournalist SFJ/MAZ mit den Schwerpunkten ICT und Elektrotechnik.