Was ist ein Glasfaserkabel und wozu wird es genutzt?

Das deutsche Telekommunikationsnetz wurde über Jahrzehnte durch Doppeladern aus Kupfer aufgebaut. Durch diese Netzstruktur wurden zunächst die analoge Kommunikation und später die digitale Kommunikation ermöglicht.
Die gewünschten Kommunikationsmöglichkeiten werden immer größer, die notwendige Datenbandbreite ebenfalls. Das aktuelle Kupfernetz stößt an seine Grenzen.

Die Modernisierung der Netzstruktur mit Glasfaserkabeln ist in aller Munde. Die deutschen Netzbetreiber stellen sich der Herausforderung, immer größere Datenmengen zu übertragen. Eine zentrale Komponente der Übertragung ist das Glasfaserkabel. Aber wieso ist das Glasfaserkabel so wichtig? Welche Vorteile macht es so wertvoll?

1. Wie funktioniert ein Glasfaserkabel?

Lichtwellenleiterkabel übertragen Informationen nicht wie im Kupferkabel üblich über die Verwendung elektrischen Stroms, sondern optisch, also über Licht.

Glasfaserkabel haben zahlreiche Vorteile gegenüber Kupferleitungen, zum Beispiel sind diese in der Lage deutlich höhere Bandbreiten zu übertragen und zeitgleich sehr hohe Distanzen überbrücken zu können. Im Vergleich zu Kupferkabeln weisen Glasfaserkabel nur geringe Signaldämpfungen und Signalverluste auf. Ein weiterer wichtiger Pluspunkt ist die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern.

Glasfaserleitungen sind schon heute der wichtigste Bestandteil moderner Telekommunikations- und Datenetzwerke und ersetzen durch ihre Vielzahl an Vorteilen die klassischen Kupferleitungen. Aber wieso ist das so? Zur Aufarbeitung dieser Thematiken schauen wir uns zu Beginn gemeinsam an, wie ein Glasfaserkabel aufgebaut ist.

1.1 Wie ist ein Glasfaserkabel aufgebaut?

Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Lichtwellenleiters
Grafik von Bob Mellish, bearbeitet von Benchill, unter der CC BY-SA 3.0-Lizenz

In Abbildung 1 ist der Aufbau eines Glasfaserkabels oder Lichtwellenleiters schematisch dargestellt. Im Zentrum bei Nummer 1 befindet sich der Kern. Der Kern wird durch einen Mantel umhüllt. Dieser Mantel bei Nummer 2 spielt in Verbindung mit dem Kern eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung. Der Mantel ist so aufgebaut, dass er einen niedrigeren Brechungsindex im Verhältnis zum Kern hat. Durch die Verringerung des Brechungsindex im Mantel wird das Signal des Kerns an der sogenannten Grenzschicht reflektiert. Diese Totalreflexion bewirkt die Führung des Signals auf dem Kern.

Abb. 2: Schematische Lichtführung

Die Schutzbeschichtung 3 und die äußere Hülle 4 dienen beide dem eigentlichen Schutz des Leiters. Durch das Zusammenspiel der beiden Schutzschichten sollen sowohl mechanische Belastungen gedämpft aber auch Natureinflüsse, wie Feuchtigkeitseintritt, verhindert werden.

1.2 Was bedeutet Singlemode?

Singlemode-Glasfasern weisen einen Kerndurchmesser von 9 µm auf, wie auch in Abbildung 3 zu beobachten ist. Die Stärke des Mantelglases beträgt 125 µm. Durch den geringen Kerndurchmesser wird die Anzahl der Reflexionen, wie in Abbildung 2, gering gehalten. Diese Vorgehensweise reduziert die Dämpfung des Glasfaserkabels und führt somit zu einer weiteren und auch schnelleren Signalübertragung.

Der dünne Kerndurchmesser bringt aber auch einen Nachteil mit sich. Es kann nur eine Signalquelle über die Faser gesendet werden.
Durch die geringe Dämpfung und schnelle Signalübertragung werden Singlemode-Fasern hauptsächlich zur Überbrückung von langen Leitungswegen eingesetzt.

Abb. 3: Unterschied Singlemode zu Multimode

1.3 Wie arbeitet ein Multimodekabel?

Der Durchmesser des Kerns einer Multimode-Faser liegt bei 50 µm bis 62,5 µm. Er ist damit um ein vielfaches größer als der Kern einer Singlemode-Faser von 9 µm. Das Verhältnis ist schematisch in Abbildung 3 zu sehen. Der größere Kerndurchmesser ermöglicht es der Multimode-Faser mehrere Signalquellen parallel über den Kern übertragen zu können. Die Verwendung von mehreren Signalquellen erhöht die Menge der Daten, die übertragen werden können. Gleichzeitig erhöht sich die Anzahl der Reflexionen im Glasfaserkabel, womit die Dämpfung steigt. Multimode-Fasern werden zur Übertragung von großen Datenmengen über kurze Strecken verwendet.

1.4 Wie unterscheiden sich Gradientenindex und Stufenindex?

Abbildung 4 zeigt die unterschiedlichen Multimode-Fasertypen im Vergleich zu Singlemode mit nur einem Fasertyp. Kerne von Multimodefasern haben entweder einen Gradientenindex (Graded Index) oder einen Stufenindex (Step Index), wobei Fasern mit Gradientenindex weiterverbreitet sind. Dieser Index beschreibt die Art des Pfades, welchen die Moden (das Licht) bei der Übertragung durch den Faserkern nehmen.

Bei Stufenindex-Multimode-Fasern ist die Brechzahl im Kern des Leiters über den gesamten Querschnitt gleich und im Mantelglas eine Stufe tiefer. Das übertragene Licht kann sich darin jedoch in hunderte Moden ausbreiten, was zu einer Streuung der Laufzeit führt. Dieser so genannten Modendispersion wird mit Gradientenindex-Fasern entgegengewirkt, denn diese reduzieren die Modendispersion. Der Verlauf der Moden durch eine Gradientenindex-Faser erfolgt somit nicht wie bei einer Stufenindexfaser in „Zacken“, sondern auf harmonisch gekrümmten Bahnen. Die Vorteile machen sich in höheren Datenübertragungsraten und größeren Reichweiten bemerkbar.

Abb. 4: Multimode Stufenindex vs. Multimode Gradientenindex vs. Singlemode

2. Welche Fasertypen gibt es?

Ähnlich wie es bei Netzwerkleitungen auf Basis von Kupfer die Kabelkategorien (Cat) gibt, gibt es im Bereich von Glasfaserkabeln für Singlemode und Multimode Klassen bzw. Kategorien. Die Eingruppierung in Kategorien ermöglicht einen direkten Rückschluss auf die mögliche Übertragungsmenge der Daten und Reichweite. Im folgenden Abschnitt schaffen wir einen genaueren Überblick über die jeweiligen Glasfaserkategorien.

2.1 Welche Faserklassen gibt es im Singlemode-Bereich und welche Übertragungsgeschwindigkeiten werden realisiert?

Singlemode-Fasern werden in zwei Kategorien eingeteilt, die sog. OS1 und OS2. OS1-Fasern weisen eine höhere Dämpfung im Vergleich zu OS2-Fasern auf. Die Übertragungsreichweite ist wegen der geringeren Dämpfung bei OS2 also höher. Bei der Definition der Kategorien geht es aber nicht um die eigentlichen Kabelparameter sondern um die Art der Konstruktion.

OS1-Kabel sind für die Verwendung im Innenraum konzipiert worden. Man spricht beim Aufbau von sogenannten eng gepufferten Kabeln. Diese weisen eine Dämpfung von 1 dB/km auf und sind somit für Distanzen von 10 km geeignet. OS2-Kabel sind für die Verlegung im Außenbereich vorgesehen.

Bei OS2-Kabeln wird von sogenannten Bündeladerkabeln gesprochen. Ihre Dämpfung beträgt 0,4 dB/km. Diese eignen sich zum Beispiel beim Straßenbau zum Einblasen. Außerdem können mit diesen auch Distanzen von bis zu 200 km überbrückt werden, was den Einsatz in Weitverkehrsnetzen ermöglicht. Die Standards der Kabelkategorien sind in der ITU-T G652x definiert. Singlemode-Fasern werden in der Regel unabhängig von der Kategorie mit gelber Ummantelung ausgeliefert.

Die mögliche Übertragungsgeschwindigkeit und Übertragungslänge ist abhängig von der genutzten Wellenlänge und dem Glasfaserkabeltyp. Die Wellenlängen, die bei Singlemode-Fasern am meisten verwendet werden, sind 𝛌 = 1310 nm und 𝛌 = 1550 nm oder auch 𝛌 = 1490 nm. Diese entsprechen dem O-, C-, bzw. S-Band.

In Tabelle 2 sind diverse Glasfasertypen miteinander verglichen. Der Kabeltyp gibt an, welche Wellenlänge genutzt werden kann. Im Vergleich der Wellenlängen 1310 nm und 1550 nm fällt auf, dass die Übertragungslänge bei Verwendung von 1550 nm höher ist.

2.2 Welche Klassen und Geschwindigkeiten sind bei Multimode vorhanden?

Multimode-Kabel werden aktuell in fünf Klassen eingestuft, OM1 bis OM5. OM steht hierbei für „Optical Multimode“. Die Dämpfung der Kabel ist für die unterschiedlichen Kabeltypen gleich und abhängig von der Wellenlänge. Die OM-Klassen zeigen an, für welche Datenmenge das jeweilige Glasfaserkabel geeignet ist. Mit steigender Nummer erhöht sich die Datenmenge. Die gebräuchlichen Wellenlängen bei Multimode-Fasern sind 𝛌 = 850 nm, 𝛌 = 1300 nm oder auch 𝛌 = 953 nm.

Die Lichtquellen bei OM1- und OM2-Glasfaserkabeln sind üblicherweise LEDs, bei OM3- und OM4-Glasfaserkabeln hingegen kommen effizientere Laser zum Einsatz. OM3- und OM4-Glasfaserkabel werden primär nur bei 850 nm verwendet. Durch die Verwendung von sogenannten VCSE-Lasern kann über OM3- und OM4-Adern eine größere Datenmenge über eine höhere Distanz übertragen werden.

3. Wie wird ein Glasfaserkabel verlegt?

Ein Glasfaserkabel oder ein LWL „Lichtwellenleiter“ weist im Verhältnis zu einem Kupferkabel eine geringe Dämpfung auf und ermöglicht so die Überbrückung größerer Distanzen. Die richtige Verlegung spielt zur Erhaltung der niedrigen Dämpfung eine wichtige Rolle. Eine Beschädigung der Leitung durch unsachgemäße mechanische Belastung verschlechtert die Dämpfung oder unterbricht im schlimmsten Falle die Verbindung. Auch ist es wichtig die Faser(enden) stets sauber, staubfrei und frei von Feuchtigkeit etc. zu halten. Was beim Verlegen beachtet werden muss, um etwaige Beschädigungen und Verluste zu vermeiden, wird in den folgenden Absätzen erklärt.

3.1 Welcher Biegeradius ist zu beachten?

Zu Beginn des Blogposts wurde klar, dass die Bewegung des Signales vom Kern und dessen Mantel abhängig ist. Die Totalreflexion an der Grenzschicht bewirkt die Leitung des Signals. Beim Verlegen oder Installieren eines Glasfaserkabels ist eine Biegung stellenweise nicht zu vermeiden. Die Biegung der Leitung bewirkt an der Außenseite der Biegung, dass sich der Abstand zwischen Kern und Grenzschicht erhöht und sich somit die Wegstrecke verlängert. Diese Verlängerung verursacht dann eine Erhöhung der Dämpfungswerte.

 

Wird die Biegung zu stark ausgeführt, könnte der sogenannte Grenzwinkel der Totalreflexion überschritten sein. Bei Überschreitung des Grenzwinkels ist eine Reflexion nicht mehr oder nur noch teilweise möglich. Dies hat zur Folge, dass Teile des Signals aus dem Kern austreten. Je nach Grad der Beschädigung und Verschlechterung der Dämpfung, kann die Biegung zu einem vollständigen Ausfall der Glasfaserleitung führen. Der zumutbare Biegeradius ist abhängig von der verwendeten Glasfaser.

Abb. 5: Verluste durch Biegung
Grafik von Krib unter der CC BY-SA 3.0-Lizenz

3.2 Welche Verluste können beim Verlegen auftreten?

Bei der Verlegung eines Glasfaserkabels im Innenraum verursachen zu starke Biegeradien die Erhöhung der Dämpfung. In der Regel wird eine Glasfaserstrecke aber nicht nur im Inneren eines Gebäudes genutzt, sondern auch zum Anschluss des Gebäudes an die Netzstruktur, wie in unserem Post über den Aufbau des Glasfasernetzes erklärt wird.

Jeder Anschluss oder jede Verbindung kann zu Einfüge- oder Koppelverlusten führen. Diese können zum Beispiel beim Spleißen an sich, oder falls die jeweiligen Glasfaserarten nicht zueinander passen, entstehen. Ein Unterschied könnte bei den verwendeten Leitungen der Phasenschliff des Kerns sein. Der Durchmesser der zu verbindenden Kerne sollte gleich sein. Verluste addieren sich und können die Signalübertragung vollständig unterbrechen. Es empfiehlt sich daher die Glasfaserstrecke nach der Verlegung durch geeignete Messtechnik zu überprüfen und die Verkabelung bei jedem Steckzyklus mit geeignetem Reinigungswerkzeug zu reinigen.

Zusammenfassung

In diesem Blogpost wurde ausführlich erklärt, wie ein Glasfaserkabel funktioniert. Außerdem wurde auf all die unterschiedlichen Fasertypen eingegangen. Zu guter Letzt ist im Detail dargestellt worden, wie ein Glasfaserkabel verlegt wird.