Glasfaser erklärt: Wie Wellenlängen die Lichtübertragung ermöglichen

Stellen Sie sich vor, Glasfaserkabel könnten Informationen durch verschiedene Farben wie einen Regenbogen transportieren, wobei jede Farbe einen separaten Datenkanal darstellt. In der Glasfaserkommunikation dienen Wellenlängen als diese "Farben" und bestimmen die Eigenschaften und die Übertragungseffizienz von Lichtsignalen. Während "Wellenlänge" für viele ein esoterischer Begriff sein mag, ist sie tatsächlich der Schlüssel zum Verständnis der Glasfasertechnologie. Dieser Artikel entmystifiziert das Konzept der Glasfaserwellenlängen, ihre zugrunde liegenden Prinzipien und ihre entscheidende Rolle in praktischen Anwendungen.

Licht geht weit über das hinaus, was unsere Augen als sichtbares Licht wahrnehmen. Es ist Teil eines breiteren elektromagnetischen Spektrums, das verschiedene Arten von Strahlung umfasst – von energiereichen Röntgenstrahlen und ultravioletten Wellen bis hin zu bekannten Radiowellen und Mikrowellen und schließlich zu dem Infrarotlicht, das in der Glasfaserkommunikation verwendet wird. Dies sind alles im Wesentlichen elektromagnetische Strahlungen, die sich hauptsächlich durch ihre Wellenlängen unterscheiden. Das elektromagnetische Spektrum kann als eine weitläufige Farbpalette visualisiert werden, wobei verschiedene Wellenlängen verschiedenen "Farben" entsprechen. Die Glasfaserkommunikation wählt strategisch bestimmte "Farben" aus dieser Palette für die Informationsübertragung aus.

Elektromagnetische Strahlung wird typischerweise entweder mit Wellenlänge oder Frequenz beschrieben. Die Wellenlänge bezieht sich auf den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Spitzen oder Tälern einer Welle, während sie sich durch den Raum ausbreitet, üblicherweise gemessen in Nanometern (nm, ein Milliardstel Meter) oder Mikrometern (µm, ein Millionstel Meter). Die Frequenz gibt an, wie oft die Welle pro Sekunde schwingt, gemessen in Hertz (Hz). Wellenlänge und Frequenz stehen in einem umgekehrten Verhältnis zueinander: Kürzere Wellenlängen entsprechen höheren Frequenzen, während längere Wellenlängen niedrigere Frequenzen anzeigen. Für kürzere Wellenlängen wie die von Licht, Ultraviolett und Röntgenstrahlen ist die Wellenlänge die bevorzugte Beschreibung. Für längere Wellenlängen wie Radiowellen, Fernsehsignale und Mikrowellen wird häufiger die Frequenz verwendet.

Die vertrauteste Form von Licht ist natürlich das sichtbare Licht. Das menschliche Auge kann Wellenlängen im Bereich von etwa 400 nm (blaues/violettes Licht) bis 700 nm (rotes Licht) erfassen. Dieser Bereich stimmt mit den stärksten Strahlungsbändern der Sonne überein, was darauf hindeutet, dass sich unser visuelles System entwickelt hat, um die intensivsten Wellenlängen des Sonnenlichts wahrzunehmen – ein elegantes Beispiel für biologische Anpassung.

Die Glasfaserkommunikation basiert nicht auf sichtbarem Licht, sondern auf Infrarotlicht, das längere Wellenlängen hat – typischerweise um 850 nm, 1300 nm und 1550 nm. Die Wahl des Infrarotlichts ergibt sich aus seiner geringeren Dämpfung in optischen Fasern. Die Dämpfung in Fasern entsteht durch zwei Hauptfaktoren: Absorption und Streuung.

• Absorption: Spuren von Wasser in Glasfaserkabeln absorbieren Licht bei bestimmten Wellenlängen und erzeugen "Wasserabsorptionsspitzen". Glasfasersysteme müssen diese Spitzen vermeiden, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.
• Streuung: Wenn sich Licht durch die Faser bewegt, kollidiert es mit Atomen oder Molekülen im Glas, was zu Streuung führt. Die Streuintensität ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge, was bedeutet, dass längere Wellenlängen weniger streuen. Dieses Prinzip erklärt auch, warum der Himmel blau erscheint: Kürzere blaue Wellenlängen streuen leichter in der Atmosphäre.

Um den Signalverlust zu minimieren, arbeiten Glasfasersysteme im Infrarotspektrum, vermeiden Wasserabsorptionsspitzen und entscheiden sich für die drei Standardwellenlängen: 850 nm, 1300 nm und 1550 nm. Glücklicherweise können Laserdioden (oder LEDs) und Fotodetektoren so konstruiert werden, dass sie bei diesen spezifischen Wellenlängen effizient arbeiten.

Wenn längere Wellenlängen weniger Dämpfung erfahren, warum werden sie dann nicht verwendet? Die Antwort liegt in der Nähe von Infrarotwellenlängen zur thermischen Strahlung. So wie wir das matte rote Glühen eines Elektroherds sehen und seine Wärme spüren können, werden längere Wellenlängen anfällig für Umgebungsrauschen, das die Signalübertragung stören kann. Darüber hinaus gibt es weitere Wasserabsorptionsspitzen im Infrarotbereich.

Im Gegensatz zu Glasfasern weisen optische Kunststofffasern (POF) eine geringere Absorption bei kürzeren Wellenlängen auf. Folglich verwendet POF typischerweise 650 nm rotes Licht, obwohl 850 nm für Kurzstreckenanwendungen mit Glasfaser-Sendern praktikabel bleiben.

In Glasfasernetzen sind Wellenlängen nicht nur für die Übertragung, sondern auch für Tests von entscheidender Bedeutung. Die Kabeldämpfung muss bei derselben Wellenlänge gemessen werden, die für die Signalübertragung verwendet wird. Ebenso benötigen optische Leistungsmesser eine Kalibrierung bei diesen spezifischen Wellenlängen, um die Netzwerkleistung genau zu beurteilen.

Das National Institute of Standards and Technology (NIST) bietet Kalibrierdienste für optische Leistungsmesser bei den drei primären Glasfaserwellenlängen an: 850 nm, 1300 nm und 1550 nm. Multimode-Fasern sind typischerweise für 850 nm und 1300 nm ausgelegt, während Singlemode-Fasern für 1310 nm und 1550 nm optimiert sind. Die geringe Diskrepanz zwischen 1300 nm und 1310 nm ergibt sich aus historischen Terminologiekonventionen, die von AT&T festgelegt wurden, wobei Singlemode-Fasern 1310 nm Laser und Multimode-Fasern 1300 nm LEDs verwendeten.

Moderne Telekommunikationssysteme verwenden weit verbreitet Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Techniken, einschließlich Dense WDM (DWDM) und Coarse WDM (CWDM). WDM ermöglicht es einer einzelnen Faser, mehrere "Farben" des Lichts gleichzeitig zu transportieren, wobei jede Farbe einen unabhängigen Datenkanal darstellt. In WDM-Systemen werden Laser präzise auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt, die eng genug beieinander liegen, um die Kapazität zu maximieren, aber ausreichend voneinander entfernt sind, um Interferenzen zu vermeiden. Dies entspricht dem UKW-Rundfunk, bei dem Sender auf verschiedenen Frequenzen arbeiten. WDM nutzt den gesamten Wellenlängenbereich von 1260 nm bis 1670 nm, unterteilt in spezifische Bänder.

Ein kritischer, aber oft übersehener Aspekt der Glasfaser ist die Sicherheit. Da die meisten Glasfasersysteme außerhalb des sichtbaren Spektrums arbeiten, ist das übertragene Licht typischerweise für das bloße Auge unsichtbar. Blicken Sie niemals direkt in das Ende einer Faser, um nach Signalen zu suchen – bestimmte Hochleistungssysteme wie CATV und DWDM können gefährliche Strahlung emittieren. Überprüfen Sie immer die optischen Leistungspegel mit einem kalibrierten Messgerät, bevor Sie Faseranschlüsse handhaben.

Das Verständnis von Glasfaserwellenlängen ist grundlegend für die Beherrschung der optischen Kommunikationstechnologie. Durch das Entschlüsseln des "Farbcode" der Glasfaser können Fachleute das Netzwerkdesign optimieren, effektiv Fehler beheben und die Grenzen der Datenübertragungskapazitäten erweitern.