Erfahren Sie, wie Glasfaserkabel funktionieren

Aber lassen Sie mich Ihnen zunächst zeigen, wie Glasfaserkabel funktionieren.

 

Ich habe einen Eimer, den ich mit einem Fenster an der Vorderseite modifiziert habe. Auf der anderen Seite habe ich einen Stopfen in dieses Loch hier gesteckt. Ich habe eine Flasche Propylenglykol mit etwas Milch darin. Einen Ringständer und natürlich einen Laserpointer. Behalten Sie jetzt diesen Stecker im Auge, wenn ich das Licht ausschalte.

 

Das ist wunderbar. Das Licht folgt dem Flüssigkeitsstrom bis zum Eimer. Erstaunlich. Dies geschieht durch Totalreflexion. Wenn das Licht in den Strahl eintritt, wird es reflektiert, sobald es auf die Grenzfläche zwischen hier und der Flüssigkeit trifft.

 

Sie sehen hier die erste Reflexion, dann die zweite und die dritte. Dies liegt daran, dass es einen Unterschied zwischen dem Brechungsindex des Leitmaterials, in diesem Fall Propylenglykol, und der Außenluft gibt. Denken Sie daran, dass Licht, das auf eine Oberfläche trifft, entweder vom Material absorbiert, von ihm reflektiert oder in das Material ein- und durchgelassen werden kann. Letzteres nennen wir „Brechung“.

 

Von oben ist es leichter zu erkennen. Reflexion und Brechung können gleichzeitig auftreten. Trifft ein Lichtstrahl jedoch in einem Winkel auf die Oberfläche, der größer als der kritische Winkel ist, wird er vollständig reflektiert und nicht gebrochen.

 

Bei diesem System aus Propylenglykol und Luft breitet sich ein Strahl, sofern er in einem Winkel von mehr als 44,35 Grad zur Normalen auf die Oberfläche trifft, durch Totalreflexion aus. Um den gleichen Effekt in einer Glasfaser zu erzielen, fertigen Ingenieure einen Kern aus Glas, meist reinem Siliziumdioxid, und eine äußere Schicht, den sogenannten Mantel. Dieser besteht ebenfalls typischerweise aus Siliziumdioxid, wird jedoch mit Bor- oder Germaniumanteilen versetzt, um den Brechungsindex zu senken.

 

Ein Unterschied von einem Prozent reicht aus, damit Glasfaserkabel funktionieren. Um ein so langes, dünnes Stück Glas herzustellen, erhitzen Ingenieure einen großen Glasvorformling. In der Mitte befindet sich das reine Kernglas, außen der Mantel. Anschließend ziehen sie eine Faser, indem sie die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1600 Metern pro Sekunde auf ein Rad wickeln. Typischerweise sind diese Ziehtürme mehrere Stockwerke hoch. Durch diese Höhe kann die Faser abkühlen, bevor sie auf eine Trommel gewickelt wird.

 

Eine der größten technischen Errungenschaften war das erste den Ozean überspannende Glasfaserkabel namens TAT-8. Es erstreckte sich von Tuckerton, New Jersey, über 3500 Meilen dem Meeresboden entlang, bis es sich nach Widemouth, England und Penmarch, Frankreich verzweigte.

 

Die Ingenieure haben das Kabel sorgfältig konstruiert, damit es auch auf dem Meeresboden bestehen kann. In seinem Zentrum befindet sich der Kern. Er hat einen Durchmesser von weniger als einem Zehntel Zoll und enthält sechs Glasfasern, die um einen zentralen Stahldraht gewickelt sind. Dieser wurde zur Polsterung in ein Elastomer eingebettet, mit Stahllitzen umhüllt und anschließend zum Schutz vor Wasser in einem Kupferzylinder versiegelt. Das fertige Kabel hatte einen Durchmesser von weniger als einem Zoll, konnte aber dennoch rund 40.000 Telefongespräche gleichzeitig übertragen.

 

Die Art und Weise, wie Informationen über ein Glasfaserkabel übermittelt werden, ist im Wesentlichen ganz einfach. Ich könnte mit jemandem am anderen Ende ein vorab vereinbartes Signal austauschen. Vielleicht verwenden wir Morsecode und ich blockiere einfach den Laser, sodass die Person am anderen Ende Blitze sieht, die eine Nachricht übermitteln.

 

Um ein analoges Signal, beispielsweise die Stimme eines Telefongesprächs, über ein Kabel zu übertragen, verwenden Ingenieure die Pulscodemodulation. Wir nehmen ein analoges Signal, zerlegen es in Abschnitte und schätzen dann die Lautstärke oder Amplitude der Welle so gut wie möglich ab.

 

Wir wollen ein digitales Signal erzeugen, das heißt diskrete Lautstärkewerte und nicht nur beliebige Werte. Ich verwende beispielsweise vier Bits, was 16 mögliche Lautstärkewerte bedeutet. Die ersten vier Abschnitte des Signals könnten also durch etwa 10, 12, 14 und 15 angenähert werden.

 

Anschließend nehmen wir jeden Abschnitt und wandeln seine Amplitude in eine Reihe von Einsen und Nullen um. Der erste Balken mit dem Wert 10 wird bei der Kodierung zu Eins, Null, Eins, Null. Dies können wir für jeden Abschnitt der Kurve tun.

 

Anstatt die grüne Wellenform oder die blauen Balken zu betrachten, können wir uns das Signal als eine zeitlich geordnete Folge von Einsen und Nullen vorstellen. Diese Sequenz senden wir durch ein Glasfaserkabel: ein Blitz für eine Eins und nichts für eine Null. Natürlich ist die genaue Verschlüsselungsmethode dem Empfänger bekannt. Daher ist es ein Kinderspiel, die Nachricht zu entschlüsseln.

 

Sie fragen sich vielleicht, wie ein Laserpuls fast 6.500 Kilometer weit über den Ozean reisen kann. Ohne Hilfe ist das nicht möglich, denn das Licht entweicht an den Seiten der Fasern. Schauen Sie sich noch einmal unseren Propylenstrom an.

 

So wird das Licht auf seinem Weg schwächer. Sie sehen hier einen schmalen Strahl im Eimer, der sich beim Eintritt in den Strom etwas verbreitert und nach dem ersten Aufprall noch breiter austritt, als er eingetreten ist. Das liegt daran, dass die Schnittstelle zur Luft ungleichmäßig ist und die Strahlen, aus denen der Strahl besteht, in leicht unterschiedlichen Winkeln auftreffen.

 

Bei der zweiten Reflexion divergieren die einzelnen Strahlen noch stärker. Bis zum dritten Aufprall befinden sich viele Strahlen nicht mehr im kritischen Winkel und können seitlich austreten. Hier geschieht dies innerhalb weniger Zentimeter, doch in Glasfaserkabeln wie TAT-8 legt das Signal beeindruckende 50 Kilometer zurück, bevor es verstärkt werden muss. Einfach unglaublich.