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Glasfaserkabel als Lichtwellenleiter für schnelles Internet

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Glasfaserkabel sind Kabel für die Signalübertragung. Sie setzen sich aus vielen einzelnen Glasfasern zusammen, die aus Quarzglas als Übertragungsmedium bestehen und einen Lichtwellenleiter (LWL) bilden. Diese Kabel übertragen Lichtsignale über weite Strecken mit Lichtgeschwindigkeit und enormer Datenkapazität.

Zwei Techniker arbeiten am Ausbau des Breitbandnetzes. Ein Techniker kürzt mit einer Zange einzelne Glasfasern ein.

Glasfaser werden beim Spleißen fachmännisch verbunden.

Aufbau eines Glasfaserkabels

Das Glasfaserkabel setzt sich aus mehreren Einzelglasfasern zusammen, die ein Bündel ergeben. Eine einzelne Faser, mit 250 Mikrometer (µm) Durchmesser ähnlich dünn wie ein menschliches Haar, weist einen Kern („Core“), einen Mantel („Cladding“) und einen Außenmantel („Primärcoating“) auf. Diese Elemente erfüllen jeweils eine spezielle Aufgabe, damit das Glasfaserkabel funktioniert. 

Die Faser wird aus Quarzsand hergestellt und ist der Transportkanal für die optischen Lichtwellen. Der Mantel sorgt für die Führung der Lichtwellen-Signale. Der Außenmantel verschafft der Glasfaser aufgrund seiner Beschaffenheit aus Kunststoff biegsame und robuste Eigenschaften. Dadurch verhindert der Mantel, dass die Faser beim Biegen bricht und die Funktion als Lichtwellenleiter verliert. 

Lichtwellenleiter (LWL) unterscheiden sich nach Bauart und Verwendung. Merkmale der Unterscheidung sind zum Beispiel der Durchmesser der Fasern, die Stärke der Beschichtung oder die Qualität. Die Form der LWL hat Auswirkungen auf die Qualität der Übertragung von optischen Lichtimpulsen. Lichtwellenleiter werden unterschieden nach Multi-Mode- oder Single-Mode-Lichtwellenleitern. Singlemode-Glasfasern haben einen deutlich geringeren Faserkerndurchmesser als Multimode-Glasfasern. Allgemein gilt, dass ein Single-Mode-LWL für die Datenübertragung auf weiten Strecken geeignet ist. Multi-Mode-LWL werden im Allgemeinen für die Übertragung über kurze Entfernungen im Datacenter eingesetzt.

Übersicht zu Glasfaserkabel-Arten

  • Pigtail: kurzer Lichtwellenleiter ohne Hülle mit LWL-Stecker, ausschließlich zum Spleißen vorgesehen
  • Patchkabel: sehr flexibel, an beiden Enden mit Stecker versehen, mit geringer Zugentlastung, ausgestattet mit Adapter für verschiedene Stecker
  • Innenkabel: gute Zugentlastung, flexibel einsetzbar im Steigbereich oder Verkabelung von Etagen
  • Außenkabel: robust und witterungsbeständig mit Schutzmantel
  • Universalkabel: Verlegung innen wie außen in Rohren oder Schächten möglich

Darüber hinaus lassen sich die LWL-Kabel auch durch die Art der Mantelumhüllung klassifizieren. Hier ist von Volladern, Hohladern, Kompaktadern und gefüllten oder ungefüllten Bündeladern die Rede. Relevantes Kriterium für diese Unterscheidung ist die Positionierung der Lichtwellenleiter im Kabel und die Form der umgebenden Hülle. 

Für Glasfaserkabel existieren international und national unterschiedliche Standards:

  • ITU-T G.651 bis G.657
  • ISO/IEC 11801 und 24702 und IEC 60793
  • DIN VDE 0888

Die Deutsche Telekom verwendet Glasfaserkabel, die bis zu 192 einzelne optische Fasern enthalten. Auf dem Weltmarkt werden Glasfaserkabel mit bis zu mehr als 500 Fasern für unterschiedlichste Einsatzzwecke genutzt.

Wie funktioniert Datenübertragung bei einem Glasfaserkabel?

Wissenschaftler haben sich bereits im 19. Jahrhundert mit der Übertragung von Signalen durch Licht beschäftigt. In den 1950er Jahren wurden Lichtwellen erstmals im Rahmen medizinischer Behandlungen eingesetzt. Bis heute hat sich die Glasfasertechnik stetig verbessert. Inzwischen können über immer längere Strecken immer größere Datenmengen mit höheren Geschwindigkeiten transportiert werden. Wie bei Kupferkabeln ist auch bei der Übermittlung von optischen Signalen über Glasfasern die Dämpfung eine Herausforderung. Je länger ein Glasfaserkabel ist, desto weniger Licht gelangt von einem Ende zum anderen. Der Lichtverlust wird auf Langstrecken durch Zwischenverstärker kompensiert, die optische Signale wieder verstärken.

In einem Glasfaserkabel werden Daten mittels Licht übertragen. Dabei wandern die optischen Signale, die von Laserdioden erzeugt werden, durch die Fasern. Die Übertragung verläuft in Lichtgeschwindigkeit. Dieser komplex erscheinende physikalische Prozess lässt sich im Grunde sehr einfach erklären. Die Lichtwellen breiten sich in der Glasfaser aus. 

Die Glasfaser besteht aus einem Kern und Mantel. Die äußere Schutzhülle verhindert aufgrund ihrer Eigenschaft, dass Signale den Kern verlassen können. Grund dafür ist der unterschiedliche Brechungsindex von Kern und Mantel, der dafür sorgt, dass die sich bewegenden Lichtwellen aus dem Mantel austreten und für die Signalübertragung verloren gehen. Sie können sich stattdessen ihren Weg durch die Faser bahnen und lange Strecken zurücklegen. Möglich wird das durch ein Verfahren, das als Dotierung bezeichnet wird. Hier werden dem Material des Mantels weitere fremde Atome in sehr geringer Menge hinzugefügt. Bei einem LWL-Leiter sind das beispielsweise Germanium oder Phosphor. Sie mischen sich mit dem Quarzsand und verschaffen dem Mantel seine lichtbrechende Funktion.

Lichtwellenleiter sind für Kommunikationsnetze auf der ganzen Welt zum unverzichtbaren Bestandteil geworden und kommen in der Nachrichtentechnik, Telekommunikation und vielen anderen Bereichen zum Einsatz. Die Technologie ist auch bekannt aus der Medizin, von Endoskopen und Mikroskopen, Laserstrahlen oder von Beleuchtungen an Geräten, Gebäuden oder Dekorationselementen. Zudem kommen LWL auch häufig bei optischen Messgeräten zur Anwendung.

Verlegung von Glasfaserkabeln

Neben Erdverlegung und oberirdischer Verlegung an Masten werden Glasfaserkabel im Außenbereich bei der Deutschen Telekom hauptsächlich mit Druckluft in kleine Leerrohre (Speedpipes) eingeblasen, welche vorab im Erdreich oder in Mantelrohren verlegt wurden.

Die Speedpipes haben einen Innendurchmesser von vier bis acht Millimetern und werden oftmals in einem Rohrverband mit bis zu 22 Rohren ausgelegt. In diese Speedpipes werden dann die Glasfaserkabel (ø 2,3 Millimeter bis 6,5 Millimeter) mit speziellen Druckluftkompressoren bis zu 2000 Meter am Stück eingeblasen. Abhängig von der Trassenführung und vom Typ des Kabels wird das Glasfaserkabel auf dem Druckluftpolster mit zusätzlicher Hilfe eines mechanischen Vortriebs am Kompressor innerhalb von einer Minute auf einer Strecke von bis zu 100 Metern vorgetrieben. Der Vortrieb und das Luftpolster wirken wie ein Förderband innerhalb des Rohres. Das Einblasen der Glasfaserkabel erfolgt entweder direkt aus der Telekom-Betriebsstelle oder von zentralen Verteilern auf der Straße (Outdoorgehäuse, Muffe oder Kabelschacht) in Richtung Kunde.

Die Glasfasertrassen verlaufen oft entlang von öffentlichen Gehwegen oder Straßen auf verschiedenen Netzabschnitten über teils größere Längen. In Gebieten ohne vorhandene Leerrohre und mit alter Kupfertechnik sind große Aufwendungen für den Neubau von Glasfasertrassen im öffentlichen Bereich erforderlich.

Damit die einzelnen Glasfasern der Kabel in den jeweiligen Netzelementen verbunden werden können, etwa beim Hausanschluss, bei unterirdischen Kabelmuffen oder einer Verteilerstation, werden die jeweiligen Enden der Faser der LWL-Kabel durch gleichzeitiges Zusammenfügen mittels eines Lichtbogens fest miteinander verschweißt.

Dieser Vorgang ist als Spleißen bekannt. Das angeschmolzene Glas verbindet sich und erstarrt nach dem Erkalten. Zum Schutz vor mechanischen Einwirkungen und Umwelteinflüssen muss diese Stelle noch mit einem sogenannten Spleißschutz versehen werden. Zum Glasfaser-Spleißen werden präzise Spleißgeräte eingesetzt, welche an der Spleißstelle nur eine minimale Dämpfung hinterlassen.

Die Verlegung von Glasfaserkabeln wurde früher fast nur zwischen Betriebstellen im Fernverkehr realisiert. Mittlerweile werden immer häufiger Glasfaserkabel von den Betriebsstellen über die Hausanschlüsse bis in die Wohnung des Kunden verlegt. Diese Ausbaumethode nennt sich FTTH (Fibre to the Home) Weitere gängige Anschluss-Architekturen von Glasfaser sind darüber hinaus Glasfaser bis zum Gebäude (Fiber to the Building -FTTB) und Glasfaser bis ans Multifunktionsgehäuse am Straßenrand (Fiber to the Curb - FTTC). Neben dem großen Potential an privaten Kunden werden auch Geschäftskunden und Mobilfunkstandorte zukünftig fast nur noch mit Glasfaserkabeln angebunden.

Unterschied zwischen Glasfaserkabel und Kupferkabel

Bei einem Glasfaserkabel werden viele Lichtwellenleiter gebündelt. Sie übernehmen die Funktion eines Übertragungsmediums in einem Netzwerk. Die Übertragung erfolgt durch Photonen, also durch optische Lichtsignale. Das ist der wesentliche Unterschied zur Datenübertragung über Kupferkabel. Dort sind Elektronen die Impulsgeber für die Weiterleitung von elektrischen Signalen.
Die Glasfasertechnik hat im Kern den Vorteil, dass sie sehr hohe Übertragungsraten ermöglicht. In einem Kommunikationsnetz aus Glasfaser können Bandbreiten von bis zu mehreren Terabit/s (1.000.000 Mbit/s) im Kern- und Fernnetz und im Zugangsnetz zum Kunden von bis zu mehreren Gigabit/s (1.000Mbit/s) über eine Glasfaser transportiert werden Damit ist gleichzeitig eine sehr schnelle und sehr leistungsfähige Datenübertragung möglich. 

Neben der Schnelligkeit punktet Glasfaser auch mit Zuverlässigkeit. Elektromagnetische Störungen beeinflussen den Datentransfer über Glasfaserkabel nicht. Dieser Vorteil ist insoweit bedeutend, weil im Zeitalter der Digitalisierung und den zunehmend parallel laufenden Online-Anwendungen eine durchgehend hohe Übertragungskapazität die Bedürfnisse von anspruchsvollen Internetnutzern vollumfänglich erfüllt.

Infografik: Datenautobahn Glasfaserkabel

Datenautobahn Glasfaserkabel.
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Die Telekom investiert jedes Jahr mehrere Milliarden Euro in den Netzausbau.

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