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Wissenswertes
Wie funktioniert die Glasfasertechnik von Manfred Börner?
Bei der Datenübertragung mit Hilfe der Glasfasertechnik werden die Informationen in Form von elektrischen Impulsen in Licht verwandelt und über die Glasfasern übertragen. Beim Empfänger wurde …
Glasfaser-Entwicklung
Schneller und störungsfreier um die ganze Welt
Wer ein internationales Telefongespräch führt, hält es für selbstverständlich, eine gute Sprachqualität zu haben. Keine Verzerrungen, kein lästiges Rauschen stören! Man hat …
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Wissenswertes
Wie funktioniert die Glasfasertechnik von Manfred Börner?
Bei der Datenübertragung mit Hilfe der Glasfasertechnik werden die Informationen in Form von elektrischen Impulsen in Licht verwandelt und über die Glasfasern übertragen. Beim Empfänger wurde das Lichtsignal wieder in elektrische Signale umgewandelt und konnten so wieder gehört – oder gesehen werden.
Die Lichtsignale, die bei der Datenübertragung genutzt werden, werden von sogenannten Faserlasern produziert und als Lichtsignal über eine Laserdiode in den Kern der Glasfaser eingespeist. In den Anfängen verursachten Verunreinigungen in den Glasfasern eine Abschwächung, bzw. Verluste der Signale. Sie mussten im Verlauf immer wieder verstärkt werden, um die Verluste auszugleichen. Hier ist Prof. Charles Kuen Kao gelungen, die Glasfasern verlustfrei (dämpfungsfrei) zu entwickeln. Dafür bekam er 2009 den Nobelpreis.
Charles K. Kao war dazu in den 60er Jahren oft in Ulm, um zusammen mit Manfred Börner und seinem Team hierzu zu forschen.
Glasfaser-Entwicklung
Schneller und störungsfreier um die ganze Welt
Über Glasfasern, die einen Durchmesser von nur einem Zehntel eines menschlichen Haares haben,werden in über rund 4.000 km lange Seekabel Europa z. B. mit Amerika verbunden. Unverzerrt und ohne Zeitverlust! Vor rund 50 Jahren war bestenfalls am Ende einer 50m langen Strecke noch der zehnmillionste Teil der eingestrahlten Lichtleistung verfügbar. Auch Telefunken befasste sich in Kooperation mit anderen Firmen mit dieser Technik. Dies also war der Stand der Glasfasertechnik, als Mitte 1964 einige junge Wissenschaftler im Telefunken-Forschungsinstitut in Ulm (FI Ulm) Halbleiter-Fotodioden auf ihre Eigenschaften untersuchten. Sie interessierte insbesondere die Impedanz, das Rauschverhalten und das Schaltverhalten bei Lichtblitzen von etwa einer Nanosekunde. Im Verlauf der Arbeiten – genauer gesagt: im Oktober 1965 – hatte Manfred Börner, der Leiter der Gruppe, die Idee, dass die Kombination eines bis in den Gbit/s-Bereich durch PCM-Signale modulierbaren Halbleiterlasers, eines dielektrischen Lichtwellenleiters aus Glas und einer Halbleiter-Fotodiode ein exzellentes neues Nachrichtensystem ergeben könnte (BILD 1). Er besprach sie mit seinen Mitarbeitern und mit Kurt Fränz, dem damaligen Leiter des Forschungsinstituts, und trug seine Idee schließlich auch dem Telefunken-Vorstand vor.
Daraufhin begannen im Januar 1966 die Grundlagenarbeiten. Veröffentlichungen im Sommer 1966 offenbarten, dass auch Firmen in England und Frankreich Untersuchungen an Glasfasern durchführten.
Im September 1966 beschrieb Manfred Börner daher seine Erfindung in einem Patentantrag mit dem Titel
„Mehrstufiges Übertragungssystem für in Pulscodemodulation dargestellte Nachrichten“.
Zwei Monate später wurde der Antrag beim Deutschen Patentamt eingereicht, und am 16. Mai 1968 wurde das Patent erteilt. Es war das weltweit erste Systempatent für Glasfaser-Übertragungssysteme und wurde danach auch in Frankreich, Großbritannien und in den Vereinigten Staaten erteilt.
Bild 2: Abmessungen eines im FI Ulm entwickelten Lasers im Größenvergleich zu einer Feldameise. Der Laser hat quaderförmige Gestalt mit einem Draht von nur 25 µm Durchmesser als Strohmzuführung. Die eigentliche lichtemittierende Fläche des Lasers beträgt nur etwa 5 µm x 1 µm
Bereits wenig später wurden im Heilbrenner Halbleiterwerk in Kooperation mit dem FI Ulm erste Fotodioden zur Detektierung von Laserimpulsen gefertigt, die eine bis dahin unerreichte Schnelligkeit und Empfindlichkeit besaßen.
Auch die internationalen Fortschritte bei der Entwicklung von Glasfasern wurden in Ulm kritisch-aufmerksam beobachtet, und schon bald entschloss man sich, die Eigenschaften von Glasfasern verschiedener Hersteller zu untersuchen.
Nachdem auch das Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft (BMBW) signalisierte, die Arbeit zu unterstützen, stellte Telefunken Backnang Ende 1969 einen Antrag auf Förderung des Vorhabens „Die Entwicklung eines optischen Datenübertragungssystems mit dielektrischen Wellenleitern“. Nach dessen Genehmigung begann bald darauf im FI Ulm auch die Entwicklung von Halbleiterlasern.
Schon ein Jahr später kamen die ersten Laser-Prototypen aus der Ulmer Kleinserienfertigung (BILD 2), und 1972 arbeiteten die Laser schließlich ohne zusätzliche Kühlung im Dauerstrich.
Einsatz der ersten Glasfaser-Übertragungssysteme
1978 – zehn Jahre nach der Erteilung des Börnerschen Patents – war es dann soweit, dass erste Glasfaser-Übertragungssysteme in einem Feldversuch im Netz der Bundespost getestet wurden. Im Berliner Ortsnetz stand hierfür eine 4,5 km lange Trasse zwischen zwei Vermittlungsämtern zur Verfügung, die von Telefunken Backnang und drei weiteren deutschen Fernmeldefirmen als „Testbett“ genutzt wurde. Die Streckenführung enthielt sowohl Abschnitte mit schwierigen Verlegebedingungen als auch Abschnitte, in denen ungünstige Umweltbedingungen, wie starke Temperaturschwankungen oder hohe Beeinflussungsspannungen, auf das Kabel einwirkten. Das von den AEG-TELEFUNKEN Kabelwerken entwickelte Glasfaserkabel – bestückt mit acht Fasern aus Ulm (Dämpfung ca. 4 dB/km) – war daher robust aufgebaut und konnte ohne Schwierigkeiten in die bereitgestellten unterirdischen Kabelzüge eingezogen werden (BILD 4). Die Endgeräte – ebenfalls ausgestattet mit Lasern und Fotodioden aus Ulm – befanden sich in den Vermittlungsämtern. Sie waren für die Bitrate 34 Mbit/s ausgelegt (480 Sprechkreise) und wurden sechs Monate lang im Dauerbetrieb getestet. Während des Feldversuchs bewährte sich das Telefunken-System bestens. Es arbeitete zuverlässig, und die Bitfehlerrate, ein Maß für die Qualität der Übertragung, war deutlich niedriger als gefordert.
Danach folgten in kurzen Abständen weitere Systeme:
1979 wurde im Hochspannungsnetz der Badenwerk AG weltweit das erste Glasfaser-Übertragungssystem auf einer 110 kV-Hochspannungsleitung mit einem selbsttragenden Erdseil-Luftkabel von den AEG-TELEFUNKEN Kabelwerken installiert. Die Länge der Übertragungsstrecke betrug 1,8 km.
Die Endgeräte sowie die Kabelgarnituren kamen aus Backnang. Zunächst wurde das System nur für die Sprachübertragung verwendet, dann aber – aufgrund der guten Betriebserfahrungen – als digitales Verbindungsglied zur Steuerung der Leistungsschalter an den beiden Enden der 110 kV-Leitung eingesetzt, wodurch im Fall eines Fehlers im Hochspannungssystem eine besonders rasche Abschaltung erfolgen konnte. Die Anlage erregte viel Aufsehen in der Fachwelt und stand lange Jahre erfolgreich und fehlerfrei in Betrieb. Erst vor kurzem wurde sie von einer hochkanaligen Verbindung abgelöst.
Entwicklung von Glasfaser-Übertragungssystemen wird zur Routine
1980 lieferte Telefunken Backnang an eine ausländische Postverwaltung 140 Mbit/s-Leitungsendgeräte, mit denen ein Fernseh- und Rundfunkzubringersystem aufgebaut wurde. In Berlin wurde eine Testanlage für Rundfunk- und Fernsehprogrammverteilung installiert. Rund 30 Teilnehmer konnten direkt über individuelle Glasfaser-Teilnehmerleitungen auf sechs Fernseh- und 14 UKW-Programme zugreifen. Außerdem wurden die ersten 34-Mbit/s-Seriengeräte geliefert und auf einer 13 km langen Strecke im Fernnetz der Deutschen Bundespost in Betrieb genommen.
1981 beauftragte die Deutsche Bundespost sechs deutsche Firmen, so genannte BIGFON-Prototyp-Systeme zu entwickeln (BIGFON = Breitbandiges Integriertes Glasfaser-Fernmelde-Orts-Netz). Telefunken Backnang/ANT Nachrichtentechnik realisierte dieses weit in die Zukunft gerichtete System in enger Zusammenarbeit mit den Partnern AEG-TELEFUNKEN Kabelwerke, Rheydt, Telefonbau und Normalzeit, Frankfurt/M., sowie der TELEFUNKEN Fernseh- und Rundfunk GmbH, Hannover, in knapp drei Jahren. Das System ging termingerecht 1984 in Düsseldorf und Hannover in Betrieb und bewährte sich dort bestens. Die Teilnehmer hatten über individuelle Glasfaserleitungen (Bitrate 250 Mbit/s) Zugriff zu den verschiedensten Kommunikationsdiensten wie Fernsprechen, Fernschreiben, Telefax, Bildschirmtext, hochauflösendes Bildfernsprechen, Stereorundfunk und Fernsehen.
Schließlich wurde die Entwicklung von Glasfaser-Übertragungssystemen Routine. In den folgenden Jahren entstanden bei ANT Nachrichtentechnik in Backnang verschiedene Systeme mit Bitraten bis zu rund 2,5 Gbit/s, die den internationalen Normen entsprechen. Sie wurden an die Deutsche Bundespost / Deutsche Telekom und andere Kunden geliefert. Um Komplettsysteme aus eigener Fertigung anbieten zu können, wurden ab 1987 im Werk Offenburg auch Glasfaserkabel hergestellt (BILD 5) einschließlich des für Kabelanlagen benötigte Zubehörs.
Heute sind 2,5 Gbit/s-Systeme (ca. 30.000 Sprechkreise) weit verbreitet, in den Haupttrassen der großen Netzbetreiber befinden sich bereits 10 Gbit/s-Systeme, und die Kontinente unserer Erde sind durch Glasfaser-Seekabel mit hoher Übertragungskapazität miteinander verbunden. Noch breitbandigere 40 Gbit/s-Systeme (ca. 480.000 Sprechkreise) sind bald einsatzreif. Doch die Erfolgsgeschichte der Glasfaser ist noch lange nicht zu Ende, denn auch ein 40 Gbit/s-System nutzt die prinzipiell verfügbare Übertragungskapazität nur zu einem Bruchteil. Mit Erfolg werden inzwischen erste Systeme eingesetzt, die Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge in die Faser einspeisen und pro Wellenlänge 10 Gbit/s oder gar 40 Gbit/s übertragen können. Bekannt geworden ist beispielsweise ein System mit 160 Kanälen à 10 Gbit/s, also einer Gesamtbitrate von 1.600 Gbit/s. Das heißt, auf einer Faser können gleichzeitig rund 20 Millionen Gespräche übertragen werden oder einige tausend Fernsehsignale. Heute mögen wir zweifeln, ob diese Kapazität jemals benötigt wird, aber die Erfahrung hat uns ja gezeigt, dass der Bedarf oft schneller als erwartet eintreten kann.
Foto-Dokumentation
In den Anfängen wurde bei Telefunken die Glasfaser selbst gezogen:
In diesem Verfahren wird für eine Endlosfaser Glas geschmolzen. Die über eine Düse austretenden Glasfäden werden in einem „Bad“ mit einem Schutzmantel überzogen und anschließend auf eine Rolle aufgewickelt. Durch die Drehgeschwindigkeit der Rollen wird die Dicke (zwischen 5 und 20 µm) der Fäden bestimmt, das ist dünner als ein menschliches Haar! In manchen Fällen werden die Fäden vor dem Aufwickeln zu einem Strang versponnen.
Versuchsaufbau:
Rechts neben der linken Sendereinheit steht die Kamera. In der Senderheit werden die Daten verarbeitet, über das Glasfaserkabel (simulierte Strecke auf der Kabeltrommel im Vordergrund) werden die Daten zur Empfängereinheit gesendet, verarbeitet und über den Monitor wieder dargestellt
Versuchsaufbau in einem anderen Blickwinkel:
rechts neben der linken Sendereinheit steht die Kamera. In der Senderheit werden die Daten verarbeitet, über das Glasfaserkabel (simulierte Strecke auf der Kabeltrommel im Vordergrund) werden die Daten zur Empfängereinheit gesendet, verarbeitet und über den Monitor wieder dargestellt
Eine mikroskopische Darstellung einer Glasfaser während des Ziehens,
im linken Bereich ca. 3 cm stark, ganz rechts 10 mal dünner wie ein menschliches Haar