50 Jahre Glasfaser: Die Geschichte von A bis Z

Transkontinentale Zusammenarbeit

Die Initialzündung fand aber nicht in den USA, sondern in England statt. Charles Kao, ein Physiker in der Forschungseinrichtung «Standard Telecommunication Laboratories», war der Erste, der das Potenzial von Glasfasern als Übertragungsmedium erkannte. In einer bahnbrechenden Publikation aus dem Jahr 1966 schrieb Kao, dass Glasfaser- den Kupferkabel- oder Funksignalen potenziell weit überlegen seien, was damals natürlich noch reine Theorie war. Das Problem waren Verunreinigungen im Glas, die eine mehr oder weniger grosse Dämpfung verursachten. Die Herausforderung bestand nun darin, eine entsprechend verlustarme Faser zu erfinden und zu produzieren.

Kao war überzeugt, dass Glas das Licht über weite Entfernungen ohne nennenswerte Lichtverluste übertragen kann. Er stellte die Hypothese auf, dass durch Bereinigung des Glases dünne Faserstränge in der Lage sein müssten, riesige Datenmengen über grosse Entfernungen mit minimalem Signalverlust übertragen zu können. Aber niemand wusste, wie derartig reines Glas herzustellen war. Die britische Post, die auch für das Telefonsystem des Vereinigten Königreichs zuständig war, wandte sich an Corning mit der Bitte um Hilfe bei der Suche nach neuartigen, leistungsstarken Glasfaserleitungen. Corning beauftragte den angestellten Physiker Dr. Robert Maurer mit der Bildung eines Teams, dem sich auch zwei junge Forscher anschlossen, die neu im Unternehmen waren: Dr. Donald Keck, ein Experimentalphysiker, und Dr. Peter Schultz, ein Glaschemiker.

Optische Physik

Die optische Physik ist das Studium des Lichts und seiner Wechselwirkung mit der Materie. Aus der Forschung entstehen neue Glastechnologien wie Glasfaser, Anzeigetafeln oder Halbleitersysteme. Alle hängen von der Übertragung, Verarbeitung oder Manipulation von Licht ab.

Die meisten Menschen betrachten Licht als reine Leuchtenergie. Denn Licht erhellt das Dunkle und man kann dank Licht Dinge sehen. In der Physik ist Licht eine Reihe elektromagnetischer, sich stark unterscheidender Wellen. Einige Lichtfrequenzen sind für den Menschen zu niedrig, andere zu hoch. So kann Infrarotstrahlung z. B. dazu verwendet werden, um Wärme und damit Zeichen des Lebens und der Aktivität zu erfassen. Aber auch Radio- und Mikrowellen, Radar und Röntgenstrahlen interagieren auf einzigartige Weise mit Glas und anderen Substanzen.

Warum ist das Studium des Lichts gerade für die ICT-Branche von Bedeutung? Vor über 50 Jahren entdeckte die US-amerikanische Firma Corning die Glasfaser, ein spezielles Glas, das zur Steuerung der Lichtausbreitung entwickelt wurde. Eine einzige Glasfaserverbindung kann 20 TB Daten pro Sekunde übertragen und ermöglicht das sofortige Herunterladen von Videos oder Online-Spielen.

Glasfasern ermöglichen aber auch den ständigen Zugriff auf schnelle Verbraucherdienste sowie bahnbrechende Anwendungen wie Telemedizin, Telearbeit und Smart-City-Technologie.

Weiterführende Infos unter www.corning.com

Hartnäckige Forschung und Entwicklung

Der Weg zur Innovation ist jedoch oft frustrierend und von Fehlern und gescheiterten Experimenten geprägt. Dies führte zu zahllosen Glaskombinationen und Experimenten mit verschiedenen Gestaltungsdimensionen und Produktionsmethoden zur Herstellung und Reinigung der Komponenten. Eine der grössten Herausforderungen war die Kombination zweier Gläser zu einer einzigen Faser. Für jeden Test mussten die Forscher Stränge aus Glasblöcken ziehen, die nebeneinander in einem Ofen lagen, und diese dann ineinander einschliessen, um eine einzige Faser zu erhalten.

Erst 1970 war es soweit: Das Wissenschaftlerteam der Firma Corning Inc. erfand die erste optische Glasfaser. Inspiriert durch den Glauben, dass Informationen mit Licht transportiert werden können, experimentierten die Wissenschaftler Maurer, Schultz und Keck von Corning während vier Jahren mit verschiedenen Glaseigenschaften, bis sie eine verlustarme optische Glasfaser zur Signalübertragung in der Telekommunikation erfunden hatten. Die optische Glasfaser war eine Antwort auf die Kundennachfrage nach mehr Bandbreite und störungsfreier Signalübertragung über längere Strecken.

Doch es dauerte noch bis 1979, bis erste Glasfaserkabel hergestellt werden konnten. Weitere Jahre vergingen, bis Glasfaserkabel unter dem Meer verlegt wurden, um Kontinente miteinander zu verbinden und Menschen so die Möglichkeit zu geben, kostengünstiger miteinander zu kommunizieren.

Eigenschaften und Funktionsweise

Fertig gezogene Glasfasern

Quelle: Rüdiger Sellin

Die optische Glasfaser war nicht mehr aufzuhalten und revolutionierte die Telekommunikationsindustrie. Sie besticht bis heute durch ihre geringe Dämpfung mit tiefem Signalstärkeverlust und bietet im Gegensatz zu Kupfer eine fast grenzenlose Bandbreite über die gesamte Faserlänge. Die optische Signalübertragung über Glasfaser bildet seither die Grundlage heutiger Netzwerke. Sie sorgt für den weltweiten, nationalen und zunehmend auch für den lokalen Transport von Audio- sowie Videosignalen und Daten.

Optische Glasfasern bestehen aus drei Komponenten:

einem Kern aus hochreinem Glas, der die Informationen mittels Lichtwellen transportiert;
einem Mantel um den Kern, der eine andere Zusammensetzung mit niedrigerem Brechungsindex hat als der Kern, wodurch er Lichtaustritte verhindert;
einem robusten Aussenmantel, um die empfindlichen Glasfasern vor Schäden zu schützen.

Dabei werden verlustarme optische Glasfasern zu flexiblen Filamenten zusammengefasst, die Informationen via Lichtsignale über weite Strecken mit geringer Dämpfung (Signalverlust) transportieren. Diese zu transportierenden Informationen werden in Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlänge kodiert und wandern via interner Reflexion durch jede optische Glasfaser. Diese Wellen wandern durch die Faser von einer Lichtquelle (Laser oder LED) bis zu einem optischen Empfänger (analog gesprochen bis zu einem Modem), wo die Wellen erkannt werden und die Nutzinformation dekodiert wird.