Strom verbindet

Schon bald nach der Entdeckung, dass es elektrische Leiter gibt, durch die Strom fließt, wurden Kabel dazu genutzt, Informationen weiterzuleiten und Menschen miteinander zu verbinden.

Das erste transatlantische Telegrafenkabel wurde 1858 über eine Entfernung von über 2000 km verlegt. Es funktionierte allerdings nur vier Wochen lang und hat in diesen vier Wochen nur ca. 400 Nachrichten transportiert (die meisten davon Verständnisfrage wie repeat please (bitte Wiederholen)).

Telegrafenleitungen 1901
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Der elektrische Leiter, aus dem das Telegrafenkabel bestand, war Kupfer. Auch wenn der Langstreckenversuch von 1858 nicht sonderlich erfolgreich war, setzte sich das Prinzip Kupferkabel durch: Kupfer ist auch heute noch der verbreitetste Stromleiter überhaupt und in fast allen elektronischen Geräten und ihren Anschlusskabeln verbaut. Kupfer ist deshalb so beliebt, weil er günstig ist und vor allem weil die Beweglichkeit der Elektronen in Kupfer hoch ist. Das heißt, die Elektronen können sich leicht durch den Leiter bewegen, was einem geringen Widerstand entspricht: Der Strom fließt schnell und mit dem Strom die Informationen.

Kupfer stösst an seine Grenzen

Bereits in den 1960er wurde jedoch offensichtlich, dass die ursprünglich für Telegrafie und später Telefonie gebauten Netze aus Kupferleitungen auf Dauer nicht ausreichen würden. Bereits nach wenigen hundert Metern benötigte man einen Verstärker. Darum waren gerade lange Kabel teuer und außerdem anfällig für Störungen.

Dabei wuchs der Bedarf an Vernetzung weiter: Der Vorläufer des Internet wurde erfunden, die ersten E-Mails versendet, Unternehmen wollten weltweit miteinander kommunizieren, die ersten Geldautomaten wurden angeschlossen und mussten Kontoinformationen übertragen.

Gewaltige Daten- und Gesprächsmengen mussten über große Entfernungen möglichst günstig transportieren werden. Die Kupferkabel stießen dabei an ihre Grenzen. Man begann die Suche nach einer neuen Art Kabel und fand es in einem Stoff, den man schon länger kannte: der Glasfaser.

Glas ist üblicherweise weder besonders stabil noch lässt es sich leicht verbiegen. Als Trinkglas oder Fensterscheibe hat dieser Werkstoff tatsächlich völlig andere Eigenschaften als Glas, das als Faden gezogen wurde.

Eine Glasfaser ist eine lange, extrem dünne, biegsame und sehr reißfeste Faser, die aus Glas besteht. Sie wird hergestellt, indem aus verflüssigtem Glas, einer Glasschmelze, dünne Fäden gezogen werden.

Glasfasern kommen auch natürlich vor, als sogenanntes Pele-Haar. Pele-Haar ist der Name für dünne Fäden vulkanischen Glases, die bei Vulkanausbrüchen aus basaltischer Lava entstehen, wenn sie von Winden verweht und langgezogen wird.

Ablagerung von Peles Haar an der Bord­stein­kante eines Park­platzes südlich des Hale­maʻumaʻu-Kraters auf Hawaii

Die Entdeckung der Glasfaser als Lichtleiter

Der Physiker Charles Kao stellte 1966 die Hypothese auf, dass dünne Faserstränge aus Glas in der Lage sein müssten, riesige Datenmengen in Form von Licht über große Entfernungen mit minimalem Signalverlust übertragen zu können. Es brauchte noch einige Jahre, bis Glasfasern so hergestellt werden konnten, dass sie der Theorie entsprachen, aber Kao sollte recht behalten. Für seine Idee wurde er 2009 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.

Wie funktioniert ein Lichtleiter?

Glasfasern werden auch Lichtleiter genannt. Sie leiten Licht nahezu verlustfrei durch eine lange, dünne Faser hindurch, indem sie sich einen Effekt zu Nutze machen, den man Totalreflexion nennt. Dabei wird durch den speziellen Aufbau der Faser das Licht immer wieder innerhalb der Faser reflektiert, wenn es beim Eintritt in bestimmten Winkeln auf die Mantelwände trifft. (mehr zur Totalreflexion hier)

So können mit Lichtgeschwindigkeit Informationen mittels Laser oder Lichtdioden in die Faser eingespeist werden. Heute kann Glasfaser mehr als hundert verschiedene Wellenlängen gleichzeitig übertragen, was die Kapazität jeder einzelnen Faser enorm erhöht.

Wie ist ein Glasfaserkabel aufgebaut?

Einzelne Glasfasern bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten, dem Kernglas, dem Mantelglas und der Beschichtung. Das Kernglas wird aus hochreinem Glas hergestellt, das die zu übertragenden Informationen mittels der eingespeisten Lichtwellen transportiert. Um den Kern befindet sich das Mantelglas. Es verhindert, dass das Licht austritt. Die Beschichtung besteht aus Kunststoff, der das Glas schützt.

In einem typischen Glasfaserkabel werden viele einzelne Glasfasern gebündelt. Typischerweise bestehen Glasfaserkabel in Deutschland aus 192 einzelnen Fasern. Ein solches Kabel hat einen Durchmesser von 2 cm.

Glasfaserkabel sind Kupferkabeln in vieler Hinsicht überlegen. Dennoch haben auch sie Vorteile und sind aus unserem täglichen Gebrauch nicht wegzudenken.