Glasfaserkommunikation

Die Glasfaserkommunikation ist eine Form der optischen Kommunikation zur Informationsübertragung zwischen zwei Orten. Dabei werden Infrarot- oder sichtbare Lichtimpulse durch eine Glasfaser gesendet . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Das Licht dient als Trägerwelle und wird moduliert , um Informationen zu transportieren. ^{[ 3 ]} Glasfaser wird gegenüber elektrischen Kabeln bevorzugt, wenn hohe Bandbreite , große Entfernungen oder Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen erforderlich sind. ^{[ 4 ]} Mit dieser Kommunikationsart lassen sich Sprache, Video und Telemetriedaten in lokalen Netzwerken oder über große Entfernungen übertragen. ^{[ 5 ]}

Glasfaser wird von vielen Telekommunikationsunternehmen zur Übertragung von Telefonsignalen, Internetkommunikation und Kabelfernsehsignalen eingesetzt. Forscher der Bell Labs haben mit Hilfe von Glasfaserkommunikation ein Rekord- Bandbreiten-Entfernungs-Produkt von über 100 Petabit × Kilometer pro Sekunde erreicht . ^{[ 6 ]}

Die in den 1970er Jahren erstmals entwickelte Glasfasertechnik hat die Telekommunikationsbranche revolutioniert und eine wichtige Rolle beim Aufkommen des Informationszeitalters gespielt . ^{[ 7 ]} Aufgrund ihrer Vorteile gegenüber der elektrischen Übertragung haben Glasfasern die Kupferdrahtkommunikation in den Backbone-Netzen der entwickelten Welt weitgehend ersetzt . ^{[ 8 ]}

Der Kommunikationsprozess mittels Glasfasertechnik umfasst folgende grundlegende Schritte:

1. Erzeugung des optischen Signals unter Verwendung eines Senders, ^{[ 9 ]} üblicherweise aus einem elektrischen Signal
2. Weiterleitung des Signals entlang der Glasfaser, um sicherzustellen, dass das Signal nicht zu stark verzerrt oder abgeschwächt wird.
3. Empfang des optischen Signals
4. Umwandlung in ein elektrisches Signal

Glasfasern werden von Telekommunikationsunternehmen zur Übertragung von Telefonsignalen, Internetverbindungen und Kabelfernsehsignalen eingesetzt. Sie finden auch in anderen Branchen Anwendung, darunter Medizin, Verteidigung, Behörden, Industrie und Handel. Neben ihrer Verwendung in der Telekommunikation dienen sie als Lichtleiter, für Bildgebungsverfahren, Laser, Hydrophone zur Messung seismischer Wellen, SONAR und als Sensoren zur Messung von Druck und Temperatur.

Aufgrund geringerer Dämpfung und Interferenz bietet Glasfaser gegenüber Kupferdraht Vorteile bei Anwendungen mit großer Reichweite und hoher Bandbreite. Der Infrastrukturausbau in Städten ist jedoch relativ schwierig und zeitaufwändig, und Glasfasersysteme können komplex und teuer in Installation und Betrieb sein. Aus diesen Gründen wurden frühe Glasfaserkommunikationssysteme hauptsächlich für Anwendungen mit großer Reichweite eingesetzt, wo sie ihre volle Übertragungskapazität ausschöpfen und so die höheren Kosten kompensieren können. Die Preise für Glasfaserkommunikation sind seit dem Jahr 2000 deutlich gesunken. ^{[ 10 ]}

Der Ausbau von Glasfaseranschlüssen bis in Privathaushalte ist mittlerweile kostengünstiger als der Ausbau eines Kupfernetzes. In den USA sind die Preise auf 850 US-Dollar pro Anschluss gesunken und in Ländern wie den Niederlanden, wo die Aushubkosten niedrig und die Wohndichte hoch ist, sogar noch niedriger.

Seit 1990, als optische Verstärkungssysteme kommerziell verfügbar wurden, hat die Telekommunikationsbranche ein riesiges Netz von Glasfaserverbindungen zwischen Städten und über die Ozeane hinweg aufgebaut. Bis 2002 wurde ein interkontinentales Netz aus 250.000 km Seekabeln mit einer Kapazität von 2,56 Tbit /s fertiggestellt. Obwohl die genauen Netzwerkkapazitäten vertraulich sind, deuten Investitionsberichte der Telekommunikationsbranche darauf hin, dass die Netzwerkkapazität seit 2004 deutlich gestiegen ist. ^{[ 11 ]} Bis 2020 wurden weltweit über 5 Milliarden Kilometer Glasfaserkabel verlegt. ^{[ 12 ]}

In 1880, Alexander Graham Bell and his assistant Charles Sumner Tainter created a very early precursor to fiber-optic communications, the Photophone, at Bell's newly established Volta Laboratory in Washington, D.C.. Bell considered it his most important invention. The device allowed for the transmission of sound on a beam of light. On June 3, 1880, Bell conducted the world's first wireless telephone transmission between two buildings, some 213 meters apart.^[13][14] Due to its use of an atmospheric transmission medium, the Photophone would not prove practical until advances in laser and optical fiber technologies permitted the secure transport of light. The Photophone's first practical use came in military communication systems many decades later.^[15]

In 1954, Harold Hopkins and Narinder Singh Kapany showed that rolled fiber glass allowed light to be transmitted.^[16]Jun-ichi Nishizawa, a Japanese scientist at Tohoku University, proposed the use of optical fibers for communications in 1963.^[17] Nishizawa invented the PIN diode and the static induction transistor, both of which contributed to the development of optical fiber communications.^[18][19]

In 1966, Charles K. Kao and George Hockham at Standard Telecommunication Laboratories showed that the losses of 1,000 dB/km in existing glass (compared to 5–10 dB/km in coaxial cable) were due to contaminants which could potentially be removed.

Optical fiber with attenuation low enough for communication purposes (about 20 dB/km) was developed in 1970 by Corning Glass Works. At the same time, GaAssemiconductor lasers were developed that were compact and therefore suitable for transmitting light through fiber optic cables for long distances.

1973 erhielt Optelecom , Inc., ein von Gordon Gould , dem Erfinder des Lasers, mitgegründetes Unternehmen, von ARPA einen Auftrag für eines der ersten optischen Kommunikationssysteme. Das für das Army Missile Command in Huntsville, Alabama, entwickelte System sollte es einer Kurzstreckenrakete mit Videoverarbeitung ermöglichen, per Laser mit der Bodenstation zu kommunizieren. Hierfür wurde eine fünf Kilometer lange Glasfaser verwendet, die sich während des Fluges von der Rakete abwickelte. ^{[ 20 ]} Optelecom lieferte anschließend das erste kommerzielle optische Kommunikationssystem an Chevron. ^{[ 21 ]}

Nach einer Forschungsphase ab 1975 wurde das erste kommerzielle Glasfaser-Telekommunikationssystem entwickelt, das mit einer Wellenlänge um 0,8 μm arbeitete und GaAs-Halbleiterlaser nutzte. Dieses System der ersten Generation erreichte eine Datenrate von 45 Mbit/s bei Repeaterabständen von bis zu 10 km. Bereits am 22. April 1977 übertrug General Telephone and Electronics in Long Beach, Kalifornien, den ersten Telefonverkehr über Glasfaser mit einer Durchsatzrate von 6 Mbit/s . ^{[ 22 ]}

Im Oktober 1973 unterzeichnete Corning Glass einen Entwicklungsvertrag mit CSELT und Pirelli mit dem Ziel, Glasfasertechnik im urbanen Umfeld zu testen: Im September 1977 wurde das zweite Kabel dieser Testreihe, COS-2 genannt, erstmals in einer Großstadt in Turin versuchsweise auf zwei Strecken (9 km) mit einer Geschwindigkeit von 140 Mbit/s verlegt . ^{[ 23 ]}

Die zweite Generation der Glasfaserkommunikation wurde Anfang der 1980er-Jahre für den kommerziellen Einsatz entwickelt. Sie arbeitete mit einer Wellenlänge von 1,3 μm und nutzte InGaAsP-Halbleiterlaser. Diese frühen Systeme waren zunächst durch die Dispersion von Multimodefasern eingeschränkt . 1981 zeigte sich, dass Singlemodefasern die Systemleistung deutlich verbesserten. Die Entwicklung praktikabler Steckverbinder für Singlemodefasern erwies sich jedoch als schwierig. Der kanadische Telekommunikationsanbieter SaskTel hatte das damals längste kommerzielle Glasfasernetz der Welt fertiggestellt. Es erstreckte sich über 3.268 km und verband 52 Gemeinden. ^{[ 24 ]} Bis 1987 erreichten diese Systeme Bitraten von bis zu …1,7 Gbit/s mit Repeaterabständen bis zu 50 km (31 Meilen).

Das erste transatlantische Telefonkabel, das Glasfaser nutzte, war TAT-8 , basierend auf der von Desurvire optimierten Laserverstärkungstechnologie. Es wurde 1988 in Betrieb genommen.

Glasfasersysteme der dritten Generation arbeiteten bei 1,55 μm und wiesen Verluste von etwa 0,2 dB/km auf . Diese Entwicklung wurde durch die Entdeckung von Indiumgalliumarsenid und die Entwicklung der Indiumgalliumarsenid-Photodiode durch Pearsall vorangetrieben. Ingenieure überwanden frühere Schwierigkeiten mit der Pulsverbreiterung bei herkömmlichen InGaAsP-Halbleiterlasern dieser Wellenlänge, indem sie dispersionsverschobene Fasern mit minimaler Dispersion bei 1,55 μm einsetzten oder das Laserspektrum auf einen einzigen longitudinalen Modus beschränkten . Diese Entwicklungen ermöglichten schließlich den kommerziellen Betrieb von Systemen der dritten Generation bei2,5 Gbit/s mit Repeaterabständen von über 100 km (62 Meilen).

Die vierte Generation von Glasfaserkommunikationssystemen nutzte optische Verstärkung , um den Bedarf an Repeatern zu reduzieren, und Wellenlängenmultiplex (WDM), um die Datenkapazität zu erhöhen . Die Einführung von WDM markierte den Beginn der optischen Vernetzung , da WDM sich zur bevorzugten Technologie für die Erweiterung der Glasfaserbandbreite entwickelte. ^{[ 25 ]} Ciena Corp. brachte im Juni 1996 als erstes Unternehmen ein dichtes WDM-System auf den Markt. ^{[ 26 ]} Die Einführung optischer Verstärker und WDM führte dazu, dass sich die Systemkapazität von 1992 bis zu einer Bitrate von … alle sechs Monate verdoppelte.10  Tbit/s wurde im Jahr 2001 erreicht. Im Jahr 2006 wurde eine Bitrate vonÜber eine einzelne 160 km lange Leitung wurden mit Hilfe optischer Verstärker 14 Tb/s erreicht. ^{[ 27 ]} Im Jahr 2021 übertrugen japanische Wissenschaftler 319 Terabit pro Sekunde über 3.000 Kilometer mit vieradrigen Glasfaserkabeln mit Standardkabeldurchmesser. ^{[ 28 ]}

Der Entwicklungsschwerpunkt der fünften Generation von Glasfaserkommunikationssystemen liegt auf der Erweiterung des Wellenlängenbereichs, in dem ein WDM -System (Wireless Digital Media) operieren kann. Das herkömmliche Wellenlängenfenster, bekannt als C-Band, deckt den Bereich von 1525 bis 1565 nm ab. Trockene Glasfasern verfügen über ein verlustarmes Fenster, das eine Erweiterung dieses Bereichs auf 1300 bis 1650 nm ermöglicht. Zu den weiteren Entwicklungen zählt das Konzept der optischen Solitonen – Pulse, die ihre Form beibehalten, indem sie die Dispersionseffekte durch nichtlineare Effekte der Faser mithilfe von Pulsen mit spezifischer Form kompensieren.

In den späten 1990er-Jahren bis 2000 prognostizierten Branchenvertreter und Forschungsinstitute wie KMI und RHK einen massiven Anstieg der Nachfrage nach Kommunikationsbandbreite aufgrund der zunehmenden Internetnutzung und der Kommerzialisierung bandbreitenintensiver Verbraucherdienste wie Video-on-Demand . Der Datenverkehr über das Internetprotokoll (IP) nahm exponentiell zu, schneller als die Komplexität integrierter Schaltkreise gemäß dem Mooreschen Gesetz zunahm . Vom Platzen der Dotcom-Blase bis 2006 war der Haupttrend in der Branche jedoch die Konsolidierung von Unternehmen und die Verlagerung der Produktion ins Ausland , um Kosten zu senken. Unternehmen wie Verizon und AT&T nutzten die Glasfaserkommunikation, um eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeits-Daten- und Breitbanddiensten für Privathaushalte bereitzustellen.

Beim russischen Einmarsch in die Ukraine 2022 wurden Glasfaserkabel zur Kommunikation in Drohnen eingesetzt. Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber elektronischen Störangriffen wurden sie von beiden Seiten verwendet. ^{[ 29 ]}

Moderne Glasfaserkommunikationssysteme umfassen im Allgemeinen optische Sender, die elektrische Signale in optische Signale umwandeln, Glasfaserkabel zur Signalübertragung, optische Verstärker und optische Empfänger, die das Signal wieder in ein elektrisches Signal zurückwandeln. Die übertragenen Informationen sind typischerweise digitale Daten, die von Computern oder Telefonsystemen erzeugt werden .

Die gebräuchlichsten optischen Sender sind Halbleiterbauelemente wie Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden . Der Unterschied zwischen LEDs und Laserdioden besteht darin, dass LEDs inkohärentes Licht , Laserdioden hingegen kohärentes Licht erzeugen. Für den Einsatz in der optischen Kommunikation müssen Halbleiter-Sender kompakt, effizient und zuverlässig sein und in einem optimalen Wellenlängenbereich arbeiten sowie direkt mit hohen Frequenzen moduliert werden können.

In ihrer einfachsten Form emittiert eine LED Licht durch spontane Emission , ein Phänomen, das als Elektrolumineszenz bezeichnet wird . Das emittierte Licht ist inkohärent und weist eine relativ große spektrale Breite von 30–60 nm auf. ^{[ a ]} Die große spektrale Breite von LEDs führt zu einer höheren Dispersion in Glasfasern, was ihr Bitraten-Entfernungs-Produkt (ein gängiges Maß für die Nutzbarkeit) erheblich einschränkt. LEDs eignen sich daher primär für Anwendungen in lokalen Netzwerken mit Bitraten von 10–100 Mbit/s und Übertragungsdistanzen von einigen Kilometern.

Die Lichtübertragung von LEDs ist ineffizient; nur etwa 1 % der Eingangsleistung, also etwa 100 Mikrowatt, werden letztendlich in die optische Faser eingekoppelte Leistung umgewandelt. ^{[ 30 ]}

Es wurden LEDs entwickelt, die mehrere Quantentöpfe nutzen , um Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen über ein breites Spektrum zu emittieren und die derzeit für lokale Wellenlängenmultiplex- Anwendungen (WDM) eingesetzt werden.

LEDs wurden weitgehend durch VCSEL- Laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser ) ersetzt, die bei ähnlichen Kosten höhere Geschwindigkeiten, bessere Leistungen und optimierte Spektraleigenschaften bieten. Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus eignen sich LEDs jedoch weiterhin für kostengünstige Anwendungen. Gängige Halbleiterlaser-Sender in der Glasfasertechnik sind VCSEL-, Fabry-Pérot- und DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) .

Ein Halbleiterlaser emittiert Licht durch stimulierte Emission anstatt durch spontane Emission. Dies führt zu einer hohen Ausgangsleistung (~100 mW) sowie weiteren Vorteilen, die sich aus den Eigenschaften kohärenten Lichts ergeben. Die Laserstrahlung ist relativ gerichtet, was eine hohe Einkopplungseffizienz (~50 %) in Singlemode-Fasern ermöglicht. Gängige VCSEL-Bauelemente koppeln auch gut in Multimode-Fasern ein. Die geringe spektrale Breite ermöglicht zudem hohe Bitraten, da sie den Einfluss der chromatischen Dispersion reduziert. Darüber hinaus können Halbleiterlaser aufgrund ihrer kurzen Rekombinationszeit direkt mit hohen Frequenzen moduliert werden .

Laserdioden werden häufig direkt moduliert , d. h. die Lichtausbeute wird durch einen direkt an das Bauelement angelegten Strom gesteuert. Für sehr hohe Datenraten oder sehr große Entfernungen kann eine Laserquelle im Dauerstrichbetrieb (CW ) betrieben und das Licht durch ein externes optisches Modulatorgerät , wie z. B. einen elektroabsorptiven Modulator oder ein Mach-Zehnder-Interferometer , moduliert werden . Die externe Modulation erhöht die erreichbare Übertragungsdistanz, indem sie den Laser- Chirp eliminiert, der die Linienbreite in direkt modulierten Lasern verbreitert und die chromatische Dispersion in der Faser erhöht. Für eine sehr hohe Bandbreiteneffizienz kann die kohärente Modulation genutzt werden, um neben der Amplitude auch die Phase des Lichts zu variieren. Dies ermöglicht den Einsatz von QPSK , QAM und OFDM . „Die Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) ist ein Modulationsverfahren, das effektiv viermal so viele Informationen überträgt wie herkömmliche optische Übertragungen mit derselben Geschwindigkeit.“ ^{[ 31 ]}

Die Hauptkomponente eines optischen Empfängers ist ein Fotodetektor , der Licht mithilfe des photoelektrischen Effekts in Elektrizität umwandelt . Die primären Fotodetektoren für die Telekommunikation bestehen aus Indiumgalliumarsenid . Typischerweise handelt es sich bei dem Fotodetektor um eine Halbleiter- Fotodiode . Zu den verschiedenen Fotodiodentypen gehören p-n-Fotodioden, p-i-n-Fotodioden und Lawinenfotodioden. Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-Fotodetektoren werden aufgrund ihrer Eignung für die Schaltungsintegration in Regeneratoren und Wellenlängenmultiplexern ebenfalls eingesetzt.

Da Licht beim Durchgang durch die Faser abgeschwächt und verzerrt werden kann, werden Fotodetektoren typischerweise mit einem Transimpedanzverstärker und einem Begrenzungsverstärker gekoppelt , um aus dem eingehenden optischen Signal ein digitales Signal im elektrischen Bereich zu erzeugen. Vor der Datenweiterleitung kann eine weitere Signalverarbeitung erfolgen, beispielsweise die Taktrückgewinnung aus den Daten mittels einer Phasenregelschleife .

Kohärente Empfänger verwenden einen Lokaloszillatorlaser in Kombination mit einem Paar Hybridkopplern und vier Fotodetektoren pro Polarisation, gefolgt von Hochgeschwindigkeits-ADCs und digitaler Signalverarbeitung zur Wiederherstellung von Daten, die mit QPSK, QAM oder OFDM moduliert wurden.

Ein Sender eines optischen Kommunikationssystems besteht aus einem Digital-Analog-Wandler (DAC), einem Treiberverstärker und einem Mach-Zehnder-Modulator . Der Einsatz höherer Modulationsformate (> 4-QAM ) oder höherer Baudraten (>32  GBd ) verringert die Systemleistung aufgrund linearer und nichtlinearer Sendereffekte. Diese Effekte lassen sich in lineare Verzerrungen aufgrund der DAC-Bandbreitenbegrenzung und des I/Q -Skew des Senders sowie in nichtlineare Effekte unterteilen, die durch Verstärkungssättigung im Treiberverstärker und im Mach-Zehnder-Modulator verursacht werden. Digitale Vorverzerrung wirkt diesen negativen Effekten entgegen und ermöglicht Baudraten bis zu56 GBd und Modulationsformate wie 64-QAM und 128-QAM werden mit handelsüblichen Komponenten unterstützt. Der digitale Signalprozessor des Senders führt eine digitale Vorverzerrung der Eingangssignale mithilfe des inversen Sendermodells durch, bevor die Abtastwerte an den DAC gesendet werden.

Ältere digitale Vorverzerrungsverfahren berücksichtigten lediglich lineare Effekte. Neuere Veröffentlichungen beziehen auch nichtlineare Verzerrungen mit ein. Berenguer et al. modellieren den Mach-Zehnder-Modulator als unabhängiges Wiener-System , während der DAC und der Treiberverstärker durch eine abgeschnittene, zeitinvariante Volterra-Reihe modelliert werden . ^{[ 32 ]} Khanna et al. verwenden ein Speicherpolynom zur gemeinsamen Modellierung der Senderkomponenten. ^{[ 33 ]} In beiden Ansätzen werden die Koeffizienten der Volterra-Reihe bzw. des Speicherpolynoms mithilfe einer indirekten Lernarchitektur ermittelt . Duthel et al. zeichnen für jeden Zweig des Mach-Zehnder-Modulators mehrere Signale mit unterschiedlicher Polarität und Phase auf. Aus diesen Signalen wird das optische Feld berechnet. Durch Kreuzkorrelation von In-Phase- und Quadraturfeldern wird die Laufzeitabweichung bestimmt . Frequenzgang und nichtlineare Effekte werden durch die indirekte Lernarchitektur ermittelt. ^{[ 34 ]}

Ein Glasfaserkabel besteht aus einem Kern, einem Mantel und einem Puffer (einer schützenden Außenschicht). Der Mantel leitet das Licht durch Totalreflexion entlang des Kerns . Kern und Mantel (mit niedrigerem Brechungsindex ) bestehen üblicherweise aus hochwertigem Quarzglas , können aber auch aus Kunststoff gefertigt sein. Das Verbinden zweier Glasfasern erfolgt durch Fusionsspleißen oder mechanisches Spleißen und erfordert aufgrund der mikroskopischen Präzision, die für die Ausrichtung der Faserkerne notwendig ist, spezielle Fachkenntnisse und Verbindungstechnik. ^{[ 35 ]}

In der optischen Kommunikation werden hauptsächlich zwei Arten von Glasfasern eingesetzt: Multimode- und Singlemode-Fasern . Multimode-Fasern besitzen einen größeren Kerndurchmesser (≥  50 Mikrometer ), wodurch sich weniger präzise, ​​aber kostengünstigere Sender und Empfänger sowie günstigere Steckverbinder verwenden lassen. Allerdings führen Multimode-Fasern zu Multimode-Verzerrungen , die häufig die Bandbreite und die Übertragungslänge begrenzen. Aufgrund ihres höheren Dotierungsgehalts sind Multimode-Fasern zudem meist teurer und weisen eine höhere Dämpfung auf. Der Kern einer Singlemode-Faser ist kleiner (<  10 Mikrometer) und erfordert teurere Komponenten und Verbindungsmethoden, ermöglicht aber deutlich längere und leistungsfähigere Verbindungen. Sowohl Singlemode- als auch Multimode-Fasern sind in verschiedenen Qualitätsstufen erhältlich.

Um Glasfasern zu einem marktfähigen Produkt zu verpacken, werden sie üblicherweise mit UV-härtenden Acrylatpolymeren schützend beschichtet und zu einem Kabel konfektioniert. Anschließend können sie im Boden verlegt, durch Gebäudewände geführt und, ähnlich wie Kupferkabel, oberirdisch ausgebracht werden. Diese Glasfasern benötigen nach der Installation weniger Wartung als herkömmliche verdrillte Adernpaare. ^{[ 37 ]}

Für die Datenübertragung über große Entfernungen unterseeisch, z. B. für das transatlantische Kommunikationskabel , werden Spezialkabel eingesetzt . Neue (2011–2013) von kommerziellen Unternehmen betriebene Kabel ( Emerald Atlantis , Hibernia Atlantic ) bestehen typischerweise aus vier Glasfasersträngen und übertragen Signale in 60–70 ms über den Atlantik (New York–London). Die Kosten für ein solches Kabel beliefen sich 2011 auf etwa 300 Millionen US-Dollar. ^{[ 38 ]}

Eine weitere gängige Praxis ist die Bündelung vieler Glasfaserstränge in Fernstromübertragungskabeln , beispielsweise mithilfe eines optischen Erdungsdrahts . Dadurch werden die Trassenrechte für die Stromübertragung effizient genutzt, ein Energieversorgungsunternehmen kann die zur Überwachung seiner eigenen Geräte und Leitungen benötigten Glasfasern besitzen und kontrollieren, die Anlage ist effektiv vor Manipulationen geschützt und die Implementierung von Smart-Grid -Technologien wird vereinfacht.

Die Übertragungsdistanz von Glasfaserkommunikationssystemen war traditionell durch Faserdämpfung und Faserverzerrung begrenzt. Durch den Einsatz optoelektronischer Repeater konnten diese Probleme behoben werden. Diese Repeater wandeln das Signal in ein elektrisches Signal um und senden es anschließend mit höherer Intensität als empfangen erneut aus, um so die Verluste des vorherigen Abschnitts auszugleichen. Aufgrund der hohen Komplexität moderner Wellenlängenmultiplex-Signale und der Tatsache, dass Repeater etwa alle 20 km installiert werden müssen, sind die Kosten für diese Repeater sehr hoch.

Eine alternative Methode besteht in der Verwendung optischer Verstärker , die das optische Signal direkt verstärken, ohne es in den elektrischen Bereich umwandeln zu müssen. Ein gängiger Typ optischer Verstärker ist der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA). Diese werden hergestellt, indem ein Faserabschnitt mit dem Seltenerdmineral Erbium dotiert und anschließend mit Licht kürzerer Wellenlänge als das Kommunikationssignal (typischerweise 980  nm ) lasergepumpt wird . EDFAs bieten Verstärkung im ITU-C-Band bei 1550 nm.

Optische Verstärker bieten gegenüber elektrischen Repeatern mehrere entscheidende Vorteile. Erstens kann ein optischer Verstärker ein sehr breites Frequenzband gleichzeitig verstärken, das Hunderte von gemultiplexten Kanälen umfassen kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Signale an jedem Verstärker zu demultiplexen. Zweitens arbeiten optische Verstärker unabhängig von Datenrate und Modulationsformat. Dies ermöglicht die gleichzeitige Nutzung verschiedener Datenraten und Modulationsformate und erlaubt die Erhöhung der Datenrate eines Systems, ohne alle Repeater austauschen zu müssen. Drittens sind optische Verstärker wesentlich einfacher aufgebaut als Repeater mit denselben Funktionen und daher deutlich zuverlässiger. Optische Verstärker haben Repeater in Neuinstallationen weitgehend ersetzt, obwohl elektronische Repeater weiterhin häufig eingesetzt werden, wenn neben der Verstärkung eine Signalaufbereitung erforderlich ist.

Wellenlängenmultiplex (WDM) ist ein Verfahren zur Übertragung mehrerer Informationskanäle über eine einzige Glasfaser. Dabei werden mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen durch die Faser gesendet, wobei jeder Strahl mit einem separaten Informationskanal moduliert wird. Dadurch lässt sich die verfügbare Kapazität von Glasfasern vervielfachen. Dies erfordert einen Wellenlängenmultiplexer im Sendegerät und einen Demultiplexer (im Wesentlichen ein Spektrometer ) im Empfangsgerät. Für das Multiplexen und Demultiplexen in WDM werden häufig Arrayed Waveguide Gratings (AWGs ) verwendet. ^{[ 39 ]} Mit der heute kommerziell verfügbaren WDM-Technologie kann die Bandbreite einer Faser in bis zu 160 Kanäle aufgeteilt werden ^{[ 40 ]} , um eine kombinierte Bitrate im Bereich von … zu erreichen.1,6  Tbit/s .

Da die Dispersion mit zunehmender Faserlänge ansteigt, wird ein Glasfaserübertragungssystem häufig durch sein Bandbreiten-Entfernungs-Produkt charakterisiert , das üblicherweise in MHz ·km angegeben wird. Dieser Wert ergibt sich aus dem Produkt von Bandbreite und Entfernung, da zwischen der Bandbreite des Signals und der übertragbaren Distanz ein Kompromiss besteht. Beispielsweise kann eine gängige Multimode-Faser mit einem Bandbreiten-Entfernungs-Produkt von 500 MHz·km ein 500-MHz-Signal über 1 km oder ein 1000-MHz-Signal über 0,5 km übertragen.

Durch Wellenlängenmultiplexverfahren kann jede Faser viele unabhängige Kanäle übertragen, die jeweils eine andere Lichtwellenlänge nutzen. Die Nettodatenrate (Datenrate ohne Overhead-Bytes) pro Faser ergibt sich aus der Datenrate pro Kanal abzüglich des Overheads der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und multipliziert mit der Anzahl der Kanäle (in kommerziellen, dichten WDM- Systemen im Jahr 2008 üblicherweise bis zu achtzig ).

Im Folgenden werden Forschungsergebnisse zusammengefasst, die auf Standard-Telekommunikations-Singlemode-Single-Solid-Core-Glasfaserkabeln basieren.

Die folgende Tabelle fasst die Ergebnisse zusammen, die mit speziellen Multicore- oder Multimode-Fasern erzielt wurden.

Research from DTU, Fujikura and NTT is notable in that the team was able to reduce the power consumption of the optics to around 5% compared with more mainstream techniques, which could lead to a new generation of very power-efficient optic components.

Research conducted by the RMIT University, Melbourne, Australia, has developed a nanophotonic device that carries data on light waves that have been twisted into a spiral form and achieved a 100-fold increase in current attainable fiber optic speeds.^[77] The technique is known as orbital angular momentum (OAM). The nanophotonic device uses ultra-thin sheets to measure a fraction of a millimeter of twisted light. A nano-electronic device is embedded within a connector smaller than the size of a USB connector and may be fitted at the end of an optical fiber cable.^[78]

Bei modernen Glasfasern wird die maximale Übertragungsdistanz nicht durch direkte Absorption im Material, sondern durch Dispersion begrenzt – die Ausbreitung optischer Impulse während ihrer Ausbreitung in der Faser. Dispersion begrenzt die Bandbreite der Faser, da die Impulsausbreitung die Anzahl der aufeinanderfolgenden Impulse in der Faser begrenzt, die am Empfänger noch unterscheidbar sind. Dispersion in Glasfasern wird durch verschiedene Faktoren verursacht.

Intermodale Dispersion , verursacht durch die unterschiedlichen axialen Geschwindigkeiten verschiedener Transversalmoden , begrenzt die Leistungsfähigkeit von Multimodefasern . Da Singlemodefasern nur eine Transversalmode unterstützen, wird die intermodale Dispersion eliminiert.

Die Leistungsfähigkeit von Einmodenfasern wird primär durch chromatische Dispersion begrenzt . Diese tritt auf, weil der Brechungsindex des Glases je nach Wellenlänge des Lichts leicht variiert und das Licht optischer Sender aufgrund der Modulation zwangsläufig einen (schmalen) Wellenlängenbereich belegt. Polarisationsmodendispersion , eine weitere Begrenzung, entsteht dadurch, dass die Einmodenfaser zwar nur einen transversalen Modus tragen kann, diesen aber mit zwei verschiedenen Polarisationen übertragen kann. Geringfügige Unvollkommenheiten oder Verzerrungen in der Faser können die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Polarisationen verändern. Dieses Phänomen wird als Doppelbrechung bezeichnet und kann durch polarisationserhaltende optische Fasern kompensiert werden .

Ein Teil der Dispersion, insbesondere die chromatische Dispersion, lässt sich durch einen Dispersionskompensator eliminieren . Dieser verwendet ein speziell präpariertes Faserstück mit entgegengesetzter Dispersion zur Dispersion der Übertragungsfaser. Dadurch wird der Impuls geschärft, sodass er von der Elektronik korrekt dekodiert werden kann.

Die Dämpfung von Glasfasern entsteht durch eine Kombination aus Materialabsorption , Rayleigh-Streuung , Mie-Streuung und Verlusten in den Steckverbindern . Die Materialabsorption von reinem Quarzglas beträgt nur etwa 0,03 dB/km . Verunreinigungen in frühen Glasfasern verursachten eine Dämpfung von etwa 1000 dB/km . Moderne Glasfasern weisen eine Dämpfung von etwa 0,3 dB/km auf . Weitere Dämpfungsarten entstehen durch physikalische Spannungen in der Faser, mikroskopische Dichteschwankungen und unvollkommene Spleißtechniken . ^{[ 79 ]}

Jeder Effekt, der zur Dämpfung und Dispersion beiträgt, hängt von der optischen Wellenlänge ab. Es gibt Wellenlängenbereiche (oder -fenster), in denen diese Effekte am schwächsten sind und die sich am besten für die Transmission eignen. Diese Bereiche wurden standardisiert. ^{[ 80 ]}

Man beachte, dass diese Tabelle zeigt, dass es der aktuellen Technologie gelungen ist, die ursprünglich getrennten Fenster E und S zu überbrücken.

Historisch gesehen gab es ein Wellenlängenfenster unterhalb des O-Bandes, das sogenannte erste Fenster, im Bereich von 800–900 nm. Da die Verluste in diesem Bereich jedoch hoch sind, wird dieses Fenster hauptsächlich für Kurzstreckenkommunikation genutzt. Die aktuellen unteren Fenster (O- und E-Band) um 1300 nm weisen deutlich geringere Verluste auf. In diesem Bereich tritt keine Dispersion auf. Die mittleren Fenster (S- und C-Band) um 1500 nm sind am weitesten verbreitet. Dieser Bereich bietet die geringsten Dämpfungsverluste und die größte Reichweite. Da hier jedoch eine gewisse Dispersion auftritt, werden Dispersionskompensatoren eingesetzt.

Wenn eine Kommunikationsverbindung eine größere Distanz überbrücken muss, als es mit der bestehenden Glasfasertechnologie möglich ist, muss das Signal an Zwischenpunkten der Verbindung mithilfe von optischen Repeatern regeneriert werden . Repeater erhöhen die Kosten eines Kommunikationssystems erheblich, weshalb Systementwickler deren Einsatz minimieren wollen.

Jüngste Fortschritte in der Glasfaser- und optischen Kommunikationstechnologie haben die Signalverschlechterung so weit reduziert, dass eine optische Signalregeneration nur noch über Entfernungen von mehreren hundert Kilometern erforderlich ist. Dies hat die Kosten optischer Netzwerke erheblich gesenkt, insbesondere bei Unterseekabeln, wo die Kosten und Zuverlässigkeit von Repeatern entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Kabelsystems sind. Zu den wichtigsten Fortschritten, die zu diesen Leistungsverbesserungen beitragen, zählen das Dispersionsmanagement, das die Auswirkungen von Dispersion und Nichtlinearität ausgleicht, und Solitonen , die nichtlineare Effekte in der Faser nutzen, um eine dispersionsfreie Ausbreitung über große Entfernungen zu ermöglichen.

Obwohl Glasfasersysteme bei Anwendungen mit hoher Bandbreite hervorragende Leistungen erbringen, bleibt das Problem der letzten Meile ungelöst, da der Glasfaseranschluss bis zum Haus (FTTP) nur langsam voranschreitet. Der Ausbau von Glasfaseranschlüssen bis ins Haus (FTTH) hat sich hingegen beschleunigt. In Japan beispielsweise hat EPON DSL als Breitband-Internetquelle weitgehend abgelöst. Die größten FTTH-Netze befinden sich in Japan, Südkorea und China. Singapur begann mit der Implementierung seines vollständig auf Glasfaser basierenden, landesweiten Breitbandnetzes der nächsten Generation (Next Gen NBN), dessen Fertigstellung für 2012 geplant ist und das von OpenNet installiert wird. Seit dem Start der Dienste im September 2010 hat die Netzabdeckung in Singapur landesweit 85 % erreicht.

In den USA bietet Verizon Communications in ausgewählten Märkten mit hohem durchschnittlichem Umsatz pro Nutzer innerhalb seines bestehenden Versorgungsgebiets einen FTTH-Dienst namens FiOS an. Der andere große verbliebene lokale Netzbetreiber , AT&T , nutzt einen Glasfaseranschluss (FTTN) namens U-verse mit verdrillter Doppelader bis zum Hausanschluss. Die Kabelnetzbetreiber-Konkurrenten setzen FTTN mit Koaxialkabeln in hybriden Glasfaser-Koaxial- Netzen ein. Alle großen Zugangsnetze nutzen Glasfaser für den Großteil der Entfernung zwischen dem Netz des Dienstanbieters und dem Kunden.

Die weltweit dominierende Zugangsnetztechnologie ist Ethernet Passive Optical Network (EPON). In Europa und bei Telekommunikationsunternehmen in den Vereinigten Staaten haben sich die ATM-basierten Technologien Broadband PON (BPON) und Gigabit PON (GPON) in den von ihnen kontrollierten Standardisierungsorganisationen Full Service Access Network (FSAN) und ITU-T etabliert.

Die Wahl zwischen Glasfaser- und elektrischer (oder Kupfer- )Übertragung für ein bestimmtes System basiert auf einer Reihe von Abwägungen. Glasfaser wird im Allgemeinen für Systeme gewählt, die eine höhere Bandbreite benötigen , in rauen Umgebungen arbeiten oder größere Entfernungen überbrücken müssen, als mit elektrischen Kabeln möglich sind.

Die Hauptvorteile von Glasfasern sind ihre extrem geringen Verluste (wodurch große Entfernungen zwischen Repeatern möglich sind), das Fehlen von Erdströmen und anderen Störsignalen und Leistungsproblemen, die bei langen parallelen elektrischen Leitungen häufig auftreten (da die Übertragung auf Licht statt auf Elektrizität basiert und Glasfasern dielektrisch sind), sowie ihre hohe Datenübertragungskapazität. Tausende von elektrischen Verbindungen wären erforderlich, um ein einziges Glasfaserkabel mit hoher Bandbreite zu ersetzen. Ein weiterer Vorteil von Glasfasern ist, dass selbst bei paralleler Verlegung über lange Strecken praktisch kein Übersprechen auftritt , im Gegensatz zu manchen Arten von elektrischen Übertragungsleitungen . Glasfasern können in Bereichen mit hoher elektromagnetischer Interferenz (EMI) verlegt werden , beispielsweise neben Stromleitungen und Eisenbahnstrecken. Nichtmetallische, dielektrische Kabel eignen sich zudem ideal für Gebiete mit hoher Blitzschlaggefahr.

Zum Vergleich: Während bei einzeiligen, sprachtauglichen Kupferleitungen mit einer Länge von mehr als ein paar Kilometern Signalverstärker in der Leitung erforderlich sind, um eine zufriedenstellende Leistung zu erzielen, ist es bei optischen Systemen nicht ungewöhnlich, Entfernungen von über 100 Kilometern (62 Meilen) ohne aktive oder passive Signalverarbeitung zu erreichen.

Optische Fasern sind schwieriger und teurer zu spleißen als elektrische Leiter. Bei höheren Leistungen neigen optische Fasern zudem zur Faserfusion , was zu einer katastrophalen Zerstörung des Faserkerns und zur Beschädigung von Übertragungskomponenten führen kann. ^{[ 81 ]}

Bei Anwendungen mit kurzen Distanzen und relativ geringer Bandbreite wird die elektrische Übertragung aufgrund ihrer geringeren Kosten oft bevorzugt. Optische Kommunikation ist bei kurzen Box-to-Box-, Backplane- oder Chip-to-Chip-Anwendungen nicht üblich.

In bestimmten Situationen kann Glasfaser aufgrund anderer wichtiger Eigenschaften auch für Anwendungen mit kurzen Distanzen oder geringer Bandbreite eingesetzt werden:

• Immunität gegen elektromagnetische Störungen, einschließlich nuklearer elektromagnetischer Impulse .
• Hoher elektrischer Widerstand , wodurch die Verwendung in der Nähe von Hochspannungsgeräten oder zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Erdpotentialen sicher ist .
• Geringeres Gewicht – wichtig beispielsweise bei Flugzeugen.
• Keine Gefahr der Lichtbogenbildung – wichtig in Umgebungen mit brennbaren oder explosiven Gasen. ^{[ 82 ]}
• Sie strahlen keine elektromagnetischen Strahlung ab und sind schwer abzugreifen, ohne das Signal zu stören – ein wichtiger Aspekt in Hochsicherheitsumgebungen.
• Deutlich kleinere Kabeldimensionen – wichtig dort, wo der Kabelweg begrenzt ist, beispielsweise bei der Vernetzung eines bestehenden Gebäudes, wo kleinere Kanäle gebohrt werden können und Platz in vorhandenen Kabelkanälen und -trassen gespart werden kann.
• Beständigkeit gegen Korrosion aufgrund nichtmetallischer Übertragungsmedien

Optische Faserkabel können in Gebäuden mit den gleichen Geräten installiert werden wie Kupfer- und Koaxialkabel, allerdings sind aufgrund der geringen Größe und der begrenzten zulässigen Zugspannung und des begrenzten Biegeradius von optischen Kabeln einige Modifikationen erforderlich.

Damit verschiedene Hersteller Komponenten entwickeln können, die in Glasfaserkommunikationssystemen kompatibel sind, wurden eine Reihe von Standards entwickelt. Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) veröffentlicht mehrere Standards, die sich auf die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit von Glasfasern beziehen, darunter …

• ITU-T G.651, „Charakteristiken eines 50/125 μm Multimode-Gradientenindex-Lichtwellenleiterkabels“
• ITU-T G.652 , "Charakteristika eines Singlemode-Glasfaserkabels"

Andere Normen legen Leistungskriterien für Fasern, Sender und Empfänger fest, die in konformen Systemen zusammen verwendet werden sollen. Einige dieser Normen sind:

• 100-Gigabit-Ethernet
• 10-Gigabit-Ethernet
• Fibre Channel
• Gigabit-Ethernet
• HIPPI
• Synchrone digitale Hierarchie
• Synchrone optische Netzwerke
• Optisches Transportnetzwerk (OTN)

TOSLINK ist das gebräuchlichste Format für digitale Audiokabel , bei denen Kunststoff-Lichtwellenleiter zur Verbindung digitaler Quellen mit digitalen Empfängern verwendet werden .

• Optische Freiraumkommunikation

• Keiser, Gerd. (2011). Optische Faserkommunikation , 4. Aufl. New York: McGraw-Hill, ISBN 9780073380711
• Senior, John. (2008). Optische Faserkommunikation: Grundlagen und Praxis , 3. Aufl. Prentice Hall. ISBN 978-0130326812

• „Optische Kommunikation verstehen“ – ein IBM-Redbook
• Julia Hall. „Glasfaser – Internet-, Kabel- und Telefonkommunikation“ . Archiviert vom Original am 22.10.2016.