Lichtwellenleiter

Ein Lichtwellenleiter führt Signale als Licht durch einen Glaskern, der von einem Mantel mit etwas geringerer Brechzahl umschlossen ist. An der Grenze zwischen beiden wird das Licht in den Kern zurückgeworfen und folgt so auch einer gekrümmten Strecke. Elektrisch passiert dabei nichts — zwischen den beiden Enden besteht keine leitende Verbindung.

Ausführliche Erklärung

Dass Glasfasern für Nachrichtenübertragung taugen, war lange umstritten, weil das verfügbare Glas das Licht nach wenigen Metern verschluckte. Charles Kuen Kao wies 1966 zusammen mit George Hockham an den Standard Telecommunication Laboratories im englischen Harlow nach, dass diese Dämpfung nicht am Prinzip lag, sondern an Verunreinigungen im Material — und dass hinreichend reines Glas Licht über Kilometer führen könnte. Für diese Arbeit erhielt er 2009 den Nobelpreis für Physik. Die gesamte heutige Faserinfrastruktur beruht auf dieser Unterscheidung zwischen dem, was das Material hergibt, und dem, was die Physik erlaubt.

Zwei Bauarten, ein Außenmaß

Fasern werden mit zwei Zahlen beschrieben, Kern durch Mantel, beide in Mikrometern.

• Multimode, Kern 50 µm: Der Kern ist breit genug, dass sich das Licht auf mehreren Wegen gleichzeitig ausbreiten kann. Diese Wege sind unterschiedlich lang, ein losgeschickter Lichtimpuls kommt deshalb auseinandergezogen an — Modendispersion. Sie begrenzt, wie schnell Impulse aufeinanderfolgen dürfen, und damit das Produkt aus Bandbreite und Länge. Ältere Bestandsanlagen haben oft noch 62,5 µm Kern.
• Singlemode, Modenfelddurchmesser rund 9 µm: Der Kern ist so eng, dass praktisch nur ein Ausbreitungsweg übrig bleibt. Modendispersion entfällt, und die Reichweite wächst um Größenordnungen.

Der Manteldurchmesser beträgt bei beiden 125 µm. Das ist praktisch, weil Stecker, Spleißgeräte und Werkzeuge dieselben sind — und es ist zugleich die Ursache eines Fehlers, der sich rein mechanisch nicht bemerkbar macht: Ein Singlemode-Patchkabel passt widerstandslos in eine Multimode-Kupplung. Die Verbindung sitzt fest, sieht richtig aus und überträgt trotzdem nichts Brauchbares.

Multimode arbeitet meist bei 850 nm, Singlemode bei 1310 und 1550 nm. Alle drei Wellenlängen liegen im Infraroten und sind für das Auge unsichtbar, weshalb man in eine angeschlossene Faser grundsätzlich nicht hineinsieht.

Reichweite gehört zur Strecke, nicht zur Faser

Eine Faser überträgt von sich aus gar nichts. Erst die Module an ihren Enden — ein SFP-Transceiver, ein Medienkonverter, die Elektronik eines Aktivkabels — erzeugen und empfangen das Licht, und sie bestimmen, was die Strecke leistet. Dieselbe verlegte Faser überträgt heute 1 Gbit/s und in zehn Jahren ein Vielfaches davon, wenn man die Module tauscht. Genau darin liegt der Wert einer früh verlegten Faser.

Die Zahlen aus dem Ethernet-Standard zeigen das Zusammenspiel:

Diese Werte gelten für die genannte Kombination aus Modul und Faserklasse. Ein anderes Modul auf derselben Faser ergibt eine andere Reichweite; welche Faserklasse wofür taugt, behandelt der Eintrag zu den OM- und OS-Klassen.

Was Glasfaser im Gebäude wirklich löst

Der offensichtliche Grund ist die Entfernung — Kupfer für Netzwerkdaten endet bei 100 Metern, Glasfaser fängt dort erst an. Der wichtigere Grund in vielen Projekten ist ein anderer: Zwischen den beiden Enden besteht keine elektrische Verbindung. Damit entfallen Brummschleifen über die Signalmasse, Einkopplungen aus parallel laufenden Starkstromleitungen und die Gefahr, dass eine Überspannung aus dem Nebengebäude die Technik mitnimmt. Wo zwischen zwei Gebäuden kein sicherer Potentialausgleich besteht, ist Glasfaser für die Datenverbindung nicht die elegantere, sondern die richtige Lösung.

Dem stehen drei Einschränkungen gegenüber. Erstens überträgt eine Faser keinen Strom; ein Gerät am fernen Ende braucht eine eigene Versorgung, und ein PoE-Vorteil geht damit verloren. Zweitens sind Biegeradien einzuhalten, und sie sind kleiner als bei Kupfer nur bei ausdrücklich biegeunempfindlichen Fasern. Drittens ist die Konfektionierung vor Ort Spezialistenarbeit; die übliche Alternative sind vorkonfektionierte Strecken, die mit Zugschutz durch das Leerrohr gezogen werden — was wiederum ein ausreichend dimensioniertes Rohr voraussetzt, weil die Steckergarnitur mitmuss.

Und dann gibt es noch den Punkt, an dem in der Praxis die meisten Fasersysteme scheitern, und es ist kein technischer, sondern ein handwerklicher: Die Stirnflächen der Stecker müssen sauber sein. Staub aus der Raumluft reicht bereits aus, um die Dämpfung spürbar zu erhöhen; Verschmutzung der Endflächen gilt als die häufigste Ursache verbindungsbedingter Netzwerkfehler. Reinigen vor jedem Steckvorgang ist deshalb keine Sorgfaltsgeste, sondern Teil des Verfahrens — und die Schutzkappe gehört zurück auf den Stecker, sobald er gezogen wird.

Häufiges Missverständnis

„Glasfaser ist schneller." Die Datenrate steckt nicht in der Faser, sondern in den Modulen; und die Signallaufzeit gewinnt man ebenfalls nicht, weil Licht in Glas langsamer unterwegs ist als im Vakuum. Was Glasfaser gegenüber Kupfer tatsächlich bietet, ist Reichweite bei hoher Bandbreite, Störfreiheit und die Möglichkeit, dieselbe Verlegung später mit schnelleren Modulen weiterzubenutzen. Für die Frage, ob ein Film ruckelt, ist all das selten der Hebel.

„TOSLINK ist doch auch Glasfaser." Das Prinzip stimmt, die Klasse nicht. Die optische S/PDIF-Verbindung nutzt eine Kunststofffaser mit einem Kern von etwa einem Millimeter und sichtbarem rotem Licht, ausgelegt für wenige Meter und für eine feste, schmale Datenrate. Mit einer Glasfaserinfrastruktur hat sie außer der Idee nichts gemeinsam, und die Erfahrung mit dem einen sagt über das andere nichts aus.

Nicht zu verwechseln mit

• TOSLINK: optisches S/PDIF über Kunststofffaser, kurze Wege, feste Anwendung.
• HDMI-Aktivkabel (AOC): Glasfasern stecken drin, aber es ist ein fertiges Punkt-zu-Punkt-Produkt mit fest verbauter Elektronik und keine Infrastruktur, die man später anders belegt.
• Glasfaseranschluss des Providers: dieselbe Technik, anderer Gegenstand. Der Hausanschluss endet an einem Übergabepunkt; die Verkabelung dahinter ist eine eigene Planung.
• SFP: ein Modulformfaktor und ein Steckplatz, kein Steckverbinder und kein Medium. Was am Modul steckt, ist meist LC Duplex.

In der Planung

Ein Grundstück bekommt ein Nebengebäude mit Außenbeschallung und einer Projektionsfläche, rund 60 Meter vom Haupthaus entfernt, die Zuleitung läuft im Erdreich neben der Stromversorgung. Kupfer oder Glas entscheidet sich zuletzt: Welche Verbindungen müssen zwischen den Gebäuden bestehen, und welche davon dürfen bei einem Gewitter Schaden anrichten?

Damit ist die Verfahrensfrage weitgehend beantwortet. Die Datenverbindung geht über Glasfaser, weil die Entfernung nahe an der Kupfergrenze liegt und weil ein Potentialausgleich zwischen zwei Gebäuden über eine Datenleitung nichts zu suchen hat. Strom bekommt das Nebengebäude ohnehin über eine eigene Zuleitung, also fällt das Argument für PoE über die Distanz weg. Ins Leerrohr kommt ein vorkonfektioniertes Faserpaar mit Reserve — mehr Fasern zu ziehen kostet beim ersten Mal wenig und beim zweiten Mal den Garten.

Erst danach stehen die Geräte an: Medienkonverter oder ein Switch mit SFP-Steckplätzen auf beiden Seiten, passend zur gewählten Faserklasse. Diese Reihenfolge lohnt sich hier besonders, weil die Module austauschbar sind und die Faser nicht.

Verknüpfte Inhalte

Welche Faserklasse wofür taugt, klären die OM- und OS-Klassen; warum UPC- und APC-Stecker nicht beliebig gepaart werden dürfen, der Eintrag zu den Schliffarten. Wie Module und Steckplätze zusammenhängen, steht beim SFP-Transceiver. Für die Verlegung im Erdreich und die Frage, was ein Kabel dort aushalten muss, sind die Wissensseiten zu Kabelverbindungen im Erdreich und zu den Kabelbauarten für Erdverlegung der Anschlusspunkt.

Quellen

Kern- und Manteldurchmesser sowie der Modenfelddurchmesser der Singlemode-Faser folgen ITU-T G.652 und G.651.1, die Faserklassen ISO/IEC 11801. Die Reichweiten in der Tabelle stammen aus IEEE 802.3. Kaos Arbeit von 1966 und die Auszeichnung 2009 sind über die Nobelstiftung belegt. Dass verschmutzte Steckerstirnflächen die häufigste Ursache verbindungsbedingter Netzwerkfehler sind, ist eine Herstellerangabe von Corning und als solche gekennzeichnet.