Wie Licht Ihren Anruf durch Glasfaser trägt
Glasfaser trägt Ihren Anruf als Lichtblitze durch einen Glasfaden, der dünner ist als ein Haar: Licht für eine Eins, dunkel für eine Null. Ein Laser schickt die Blitze hinein, das Glas hält sie über Dutzende Kilometer im Inneren, und am anderen Ende macht ein Empfänger wieder Daten daraus. Glasfaser-Internet, Telefonate und die Verbindungen zwischen Städten und Ländern laufen alle auf diesem Weg. Heute trägt eine Faser viele Lichtfarben gleichzeitig, jede mit ihrer eigenen Folge von Einsen und Nullen. Im Englischen heißt sie optical fibre, in den USA optical fiber.
Lila: Ihr AnrufLegende
- Lila: Ihr Anruf
- Andere Farben: andere Anrufe und Daten
- Hütte an der Straße: Verstärker
- Hütte an der Straße: Regenerator
100% des Lichts noch im Glasdes Lichts noch im Glas
160 km Glasfaser · sieben Farben bereit zum Senden
Drücken Sie einen Knopf, oder klicken Sie auf das Kabel oder die Hütte, um hineinzuschauen.Drücken Sie einen Knopf, oder tippen Sie auf das Kabel oder die Hütte, um hineinzuschauen.
Wechseln Sie zu 1988, dem Jahr, in dem die erste Glasfaser den Atlantik überquerte: eine einzige Lichtfarbe, und etwa alle 40 km ein Regenerator, der sie in Strom und wieder zurück in Licht verwandelte.
Anatomie einer Glasfaserstrecke: ein Anruf zwischen zwei Vermittlungsstellen, die 160 km auseinanderliegen, so wie er heute läuft und wie er 1988 lief. Die Räume sind groß gezeichnet, das Feld dazwischen klein. Die Farben stehen für Wellenlängen von Infrarotlicht, das kein Auge sieht.
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Folgen Sie einem Anruf
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Schritt 1 von 6
Ihre Stimme wird zu Einsen und Nullen
Sie rufen einen Freund in einer Stadt an, die 160 km entfernt liegt. Ihre Telefonanlage misst Ihre Stimme 8.000-mal pro Sekunde und schickt jeden Messwert als Zahl, geschrieben in Einsen und Nullen. In der Vermittlungsstelle Ihrer Stadt sammelt ein Gestell Ihren Anruf zusammen mit anderen Anrufen und Daten, die denselben Weg nehmen.
Aus wie vielen Einsen und Nullen besteht ein Anruf?
Ein gewöhnliches Telefonat braucht 64.000 pro Sekunde in jede Richtung. Das sind 8.000 Messwerte pro Sekunde, jeder mit 8 Bit geschrieben, und ein Bit ist eine Eins oder eine Null.
Wenn Ihr Anruf die Glasfaser erreicht, besteht er nur noch aus Zahlen.
Quellen: ITU-T G.711: pulse code modulation of voice frequencies (1988)
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Schritt 2 von 6
Ein Laser blitzt sie als Licht hinaus
Auf der Werkbank nimmt ein Laser Ihre Einsen und Nullen und macht Licht daraus: ein Blitz für eine Eins, dunkel für eine Null. Er schaltet viel zu schnell, als dass ein Auge folgen könnte. Der Laser selbst ist ein Chip, etwa so groß wie ein Sandkorn, in dem kleinen Kasten, den Sie sehen.
Kann man das Licht sehen?
Nein. Es ist Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 1,55 Mikrometern, länger als das rote Licht, das Augen sehen können. Bei dieser Wellenlänge verliert Glas am wenigsten Licht, deshalb nutzen lange Strecken sie.
Die Zeichnung malt jede Wellenlänge in ihrer eigenen Farbe, damit Sie sie auseinanderhalten können. Das Licht Ihres Anrufs ist lila.
1988 schickten die Laser auf TAT-8, dem ersten Glasfaserkabel über den Atlantik, 280 Millionen Einsen und Nullen pro Sekunde, bei einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometern.
Quellen: Nobel Prize: popular information, the physics prize (2009); Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009); IEEE: Milestone, TAT-8, the first fibre-optic cable across an ocean (2016)
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Schritt 3 von 6
Viele Farben teilen sich eine Faser
Neben Ihrem Laser stehen sechs weitere, jeder auf seine eigene Wellenlänge eingestellt, seine eigene Farbe, und jeder trägt andere Anrufe und Daten. Kurze gelbe Kabel bringen ihr Licht zu einem Multiplexer, der alle sieben Farben in eine einzige Faser schickt. Dort reisen sie gemeinsam, ohne sich zu vermischen, so wie sich Radiosender die Luft teilen. Ingenieure nennen das Wellenlängenmultiplex, kurz WDM.
Wie viele Farben passen in eine Faser?
Die ITU, die Organisation der Vereinten Nationen für Telekommunikation, legt die Farben auf einem Raster um 193,1 Terahertz fest, das entspricht einer Wellenlänge von etwa 1.552,5 Nanometern. Liegen die Farben 50 Gigahertz auseinander, passen etwa 80 davon in das Band, in dem Glas am wenigsten Licht verliert, von 1.530 bis 1.565 Nanometern. Die Zeichnung zeigt sieben.
1988 trug eine Faser eine einzige Farbe. Alle Anrufe darauf wechselten sich ab, immer ein paar Einsen und Nullen auf einmal.
Quellen: ITU-T G.694.1: spectral grids for WDM applications (2020); ITU-T G.652: single-mode optical fibre and cable (2024)
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Schritt 4 von 6
Das Glas hält das Licht im Inneren
Das Kabel läuft in einem Leerrohr unter dem Feld. Darin ist die Faser ein Glasfaden mit 0,125 mm Durchmesser. In seiner Mitte sitzt der Kern, etwa 0,009 mm dick, aus einem Glas, das Licht etwas stärker bricht als der Mantel um ihn herum. Sobald das Licht zum Rand abirrt, wird es deshalb in den Kern zurückgespiegelt. Physiker nennen das Totalreflexion, und sie hält das Licht Kilometer um Kilometer im Glas. Daher kommt auch der Fachbegriff Lichtwellenleiter.
Blick hinein Faser
- 1Hülle
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
Etwa 80 Farben können sich eine Faser teilen, jede mit ihrer eigenen Folge von Blitzen. Die Zeichnung zeigt sieben.
- 1Hülle
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
1 Farbe Licht auf jeder Faser, bei 1,3 Mikrometern, auf TAT-8 im Jahr 1988. Das Glas war dieselbe Sorte wie heute.
Warum entweicht das Licht nicht?
Es ist derselbe Effekt, den Sie unter Wasser sehen. Licht, das in flachem Winkel vom Wasser in die Luft will, kommt gar nicht hinaus. Es wird ins Wasser zurückgespiegelt. Licht im Kern trifft genau in so einem flachen Winkel auf den Mantel, deshalb wirkt der Rand des Kerns wie ein perfekter Spiegel.
Auch im Glas ist das Licht schnell. Es braucht etwa 5 Millionstelsekunden pro Kilometer und legt damit rund 200.000 km pro Sekunde zurück, zwei Drittel seiner Geschwindigkeit im leeren Raum. Auf den 160 km der Zeichnung summiert sich das zu 0,8 Tausendstelsekunden. Die Zeichnung lässt es 6.000-mal langsamer laufen.
Quellen: Nobel Prize: popular information, the physics prize (2009); Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009); ITU-T G.652: single-mode optical fibre and cable (2024); ITU-T G.114: one-way transmission time (2003); ITU-T G.694.1: spectral grids for WDM applications (2020)
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Schritt 5 von 6
Ein Verstärker frischt das Licht auf
Selbst dieses klare Glas verliert auf jedem Kilometer ein wenig Licht. Nach 80 km ist weniger als 1 Prozent davon übrig. Deshalb kommt das Kabel etwa alle 80 km in einer Hütte an der Straße nach oben. Darin macht ein Verstärker das Licht wieder stark. Er ist eine Spule aus Glasfaser mit dem Metall Erbium darin, die ein Pumplaser mit Energie versorgt. Er verstärkt alle Farben auf einmal, und das Licht verlässt dabei nie das Glas.
Blick hinein Verstärker
- 1Eingang
- 2Pumplaser
- 3Erbiumfaser
- 4Ausgang
630-mal stärkeres Licht aus 3 m Erbiumfaser, im ersten Verstärker dieser Art, 1987 in Southampton
- 1Fotodiode
- 2Platine
- 3Laser
- 4Ein- und Ausgang
280 Millionen Einsen und Nullen pro Sekunde durch jeden Regenerator von TAT-8, dem ersten Glasfaserkabel über den Atlantik
Was stand 1988 in der Hütte?
Ein Regenerator. Eine Fotodiode machte aus dem schwachen Licht Strom, eine Platine las die Einsen und Nullen und brachte sie wieder in Form, und ein neuer Laser schickte sie als frisches Licht weiter. Er arbeitete mit einer Farbe, bei 1,3 Mikrometern, wo Glas mehr Licht verliert, deshalb standen die Hütten etwa 40 km auseinander.
Der Erbiumverstärker kam 1987 aus einem Labor der Universität Southampton. Dort machten 3 m Faser mit Erbium darin das Licht bis zu 630-mal stärker. Verstärker dieser Art haben seitdem die meisten Regeneratoren ersetzt.
Quellen: ITU-T G.652: single-mode optical fibre and cable (2024); ITU-T G.692: optical interfaces for systems with optical amplifiers (1998); ITU-T G.977: optically amplified submarine cable systems (2015); ITU-T G.957: optical interfaces for SDH equipment and systems (2006); AT&T Technical Journal: lasers and photodetectors for submarine lightwave cables (1985); Electronics Letters: a low-noise erbium-doped fibre amplifier (1987); Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009)
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Schritt 6 von 6
Die Farben trennen sich, und aus Licht werden wieder Daten
In der fernen Vermittlungsstelle schickt ein Demultiplexer jede Farbe über ihr eigenes Kabel zu ihrem eigenen Empfänger. Dort macht eine Fotodiode aus dem Licht einen winzigen elektrischen Strom: Strom für eine Eins, keiner für eine Null. Das Gestell verwandelt Ihre Zahlen zurück in Klang und schickt den Anruf weiter zu Ihrem Freund. Ihre Stimme war 0,8 Tausendstelsekunden im Glas.
Warum Glas und nicht Kupfer?
Licht trägt viel mehr. Es kann zehntausendfach mehr Information tragen als Funkwellen.
Außerdem lässt Glas das Wetter kalt. Anders als Kupfer stören es keine Blitze, und anders als Funk kein schlechtes Wetter.
Dasselbe Licht trägt in derselben Art Glas auch die Anrufe unter den Ozeanen, mit Verstärkern in Kapseln auf dem Meeresgrund.
Quellen: Nobel Prize: popular information, the physics prize (2009); AT&T Technical Journal: lasers and photodetectors for submarine lightwave cables (1985)
Blick hinein: 1988 und heute
Das Glas hat sich kaum verändert. Das Licht darin schon: Dutzende Farben statt einer, und Verstärker, die sie alle verstärken, ohne sie in Strom zu verwandeln.
Dasselbe Glas und das Gerät in der Hütte, 38 Jahre auseinander. Zeigen Sie auf ein Teil oder tippen Sie es an, um zu sehen, wozu es dient.
1988
Heute
Faser
- 1Hülle
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
1 Farbe Licht auf jeder Faser, bei 1,3 Mikrometern, auf TAT-8 im Jahr 1988. Das Glas war dieselbe Sorte wie heute.
Faser
- 1Hülle
- 2Mantel
- 3Kern
- 4Licht
Etwa 80 Farben können sich eine Faser teilen, jede mit ihrer eigenen Folge von Blitzen. Die Zeichnung zeigt sieben.
Lichtfarben auf einer FaserIEEE; ITU-T G.694.1; ITU-T G.652
1
Bei 1,3 Mikrometern
Etwa 80
50 Gigahertz auseinander, um 1,55 Mikrometer
Was das Licht auffrischtAT&T Technical Journal; Nobel Prize
Regenerator
Aus Licht wird Strom, daraus neues Licht
Verstärker
Erbiumfaser verstärkt jede Farbe, als Licht
Abstand zwischen den HüttenITU-T G.957; ITU-T G.692
Etwa 40 km
Etwa 80 km
Einsen und Nullen pro Sekunde, ein Faserpaar über den AtlantikIEEE; Google
280 Millionen
TAT-8
Etwa 20 Billionen
Dunant, 250 Terabit pro Sekunde auf 12 Paaren
Das Glas selbstITU-T G.652
Singlemode
Die Standardfaser der ITU, erstmals 1984 festgelegt
Singlemode
Derselbe Standard, 2024 überarbeitet
Verstärker
- 1Fotodiode
- 2Platine
- 3Laser
- 4Ein- und Ausgang
280 Millionen Einsen und Nullen pro Sekunde durch jeden Regenerator von TAT-8, dem ersten Glasfaserkabel über den Atlantik
Verstärker
- 1Eingang
- 2Pumplaser
- 3Erbiumfaser
- 4Ausgang
630-mal stärkeres Licht aus 3 m Erbiumfaser, im ersten Verstärker dieser Art, 1987 in Southampton
Wie klar das Glas wurde
Licht wird auf dem Weg durch Glas schwächer, und Ingenieure messen den Verlust in Dezibel pro Kilometer. 20 Dezibel Verlust heißt: 99 von 100 Teilen des Lichts sind weg. Der Verlust einer Faser pro Kilometer sagt Ihnen also, wie weit ihr Licht kommt, bis nur noch 1 Prozent übrig ist.
Wie weit Licht kommt, bis 99 Prozent davon verloren sind
Berechnet aus dem Verlust pro Kilometer des jeweiligen Glases. Die ersten Fasern verloren 99 Prozent ihres Lichts auf 20 m. Kao zeigte 1966, dass der Verlust größtenteils von Verunreinigungen im Glas kam, nicht vom Glas selbst.
Licht nach 1 km
95 von 100
Heute sind nach einem ganzen Kilometer Glasfaser noch 95 von 100 Teilen des Lichts da. Kaos Ziel von 1966 war 1 von 100.
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1,6 Mrd. km
Bis 2011 lagen weltweit mehr als 1,6 Milliarden Kilometer Glasfaser, genug, um die Erde etwa 40.000-mal zu umwickeln.
Wie es dazu kam
- 1880
Sprache auf einem Lichtstrahl
Alexander Graham Bell und sein Assistent Charles Sumner Tainter schicken mit dem Photophon Sprache 1.300 Fuß weit, etwa 400 m, auf einem Lichtstrahl. Bell nannte es später seine größte Erfindung, größer als das Telefon.
- 1966
Das Glas ist das Problem
In London zeigt Charles Kao, dass Glasfasern ihr Licht wegen Verunreinigungen im Glas verlieren. Reinigt man das Glas, sagt er, könnte Licht Anrufe über Kilometer tragen. Er setzte sich ein Ziel: 1 Prozent des Lichts sollte nach 1 km übrig sein.
- 1970
Klar genug für den Einsatz
Bei Corning Glass Works im Bundesstaat New York stellen Robert Maurer, Donald Keck und Peter Schultz eine Faser her, die 17 Dezibel pro Kilometer verliert, besser als Kaos Ziel.
- 1975
Die ersten Strecken im Betrieb
Im Vereinigten Königreich gehen die ersten Glasfaserstrecken in den Alltagsbetrieb, bald darauf in den Vereinigten Staaten und in Japan.
Nobel Prize: scientific background, the physics prize (2009)
- 1987
Licht, das Licht verstärkt
An der Universität Southampton zeigt ein Team, dass 3 m Faser mit Erbium darin Licht bis zu 630-mal stärker machen. Erbiumverstärker ersetzen später die meisten Regeneratoren.
Electronics Letters: a low-noise erbium-doped fibre amplifier (1987)
- 1988
Glasfaser überquert den Ozean
TAT-8, das erste Glasfaserkabel durch einen Ozean, geht am 14. Dezember zwischen Nordamerika und Europa in Betrieb. Es nutzt eine Lichtfarbe, bei 1,3 Mikrometern, und trägt 40.000 Gespräche gleichzeitig.
IEEE: Milestone, TAT-8, the first fibre-optic cable across an ocean (2016)
- 2009
Ein Nobelpreis für das Glas
Charles Kao erhält einen Teil des Nobelpreises für Physik für seine Arbeiten zur Lichtübertragung in Fasern für die Kommunikation. Zu dieser Zeit trugen Glasfasern schon fast alle Anrufe und Daten der Welt.
Wo Voxbi ins Spiel kommt
Voxbi, eine in der Europäischen Union gehostete Cloud-Telefonanlage, schickt Ihre Anrufe als Daten über das Internet. Zwischen Städten und Ländern reisen sie deshalb als Licht in Glasfasern wie dieser.
In Voxbi ansehen