F\u00fcr die Informations\u00fcbertragung in Weitverkehrs- und Metro-Netzen, f\u00fcr Data Center Connects und \u00e4hnliche datenintensive Szenarien nutzt man heute fast ausschlie\u00dflich die optische \u00dcbertragungstechnik \u00fcber Single-Mode-Glasfasern. Lediglich in der Zugangstechnik \u2013 auch \u201eletzte Meile\u201c genannt \u2013 konkurrieren drei physikalische Medien: Kupfer wurde erstmals in den 1820ern f\u00fcr Telegrafen verwendet und ist noch immer das am weitesten verbreitete kabelgebundene Medium im Zugangsbereich. Zweitens steht als Medium die Luft zur Verf\u00fcgung, und die Vernetzung mittels Funkwellen ist aktuell die am schnellsten wachsende Vernetzungstechnik. Schlie\u00dflich gibt es als dritten Verbreitungsweg die Glasfasertechnik, die in der Weitverkehrstechnik der Stand der Technik ist und die wegen der sonst vorhandenen Kupferzugangskabel nur bei Neubaugebieten eingesetzt wird. Beim Netzzugang unterscheidet man grunds\u00e4tzlich noch zwischen der Glasfaser bis in die Wohnung (\u201eFiber to the Home\u201c) oder in den Netzanschlusskasten in der Stra\u00dfe oder im Keller eines Mehrfamilien-\/Hochhauses (\u201eFiber to the Curb\u201c).\u00a0<\/p>\n
Der Glasfaserkern ist nicht dicker als ein menschliches Haar und kann Lichtimpulse und damit Informationen um ein vielfaches kosteneffizienter \u00fcbertragen. Bei der Entscheidung f\u00fcr Kupfer oder Glasfaser in der Zugangstechnik ist es also wichtig, die Kosten, die erwartete Informationsmenge und die m\u00f6glichen Energieeinsparungen abzuw\u00e4gen. Technische Innovationen erm\u00f6glichen nun, dass Glasfaser immer h\u00e4ufiger auch f\u00fcr lokale Anwendungen genutzt wird, etwa f\u00fcr die schnelle Internetanbindung von Haushalten, als optische LAN-Verbindungen in Firmen oder bei der Vernetzung von Rechenzentren.\u00a0<\/p>\n
Glasfasern sind lange Str\u00e4nge aus Glasf\u00e4den. Sie \u00fcbertragen Licht \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen mithilfe von Lasern, die Lichtimpulse durch das Glas schicken. Jeder Impuls ist entweder eine \u201eNull\u201c oder eine \u201eEins\u201c, also bin\u00e4re Datenbits. Daf\u00fcr musste man zun\u00e4chst technische H\u00fcrden l\u00f6sen, darunter die Signalabschw\u00e4chung, die durch Rauschen oder Unvollkommenheiten im Glas entsteht. Als das Unternehmen Corning Glass das Problem 1975 l\u00f6sen konnte, war das auch die Geburtsstunde der Glasfaserkommunikation. So konnten die ersten optischen Netze ab Ende der 1970er Jahre kommerziell f\u00fcr die Daten\u00fcbertragung (damals prim\u00e4r Telefonie) genutzt werden. Urspr\u00fcnglich wurde nur eine Lichtfarbe auf einer Glasfaser gesendet. Doch in den 1980er Jahren fanden Forscher u. a. bei den Nokia Bell Labs eine M\u00f6glichkeit, mehrere Lichtfarben durch dieselbe Glasfaser zu senden (Wellenmultiplexing, WDM). So konnte eine einzige Glasfaser statt eines Kanals mit einer Farbe gleich mehrere Kan\u00e4le \u00fcbertragen. Sp\u00e4tere Entwicklungen wie Dense WDM (DWDM) konnten die Informationskapazit\u00e4t einer einzelnen Faser gar um ein Vielfaches erh\u00f6hen.<\/p>\n
Neben den Glasfasern selbst sind die Techniken der Sender und Empf\u00e4nger von entscheidender Bedeutung, um die Datenkapazit\u00e4t weiter zu steigern. Je nach Anwendungsgebiet und erforderlicher \u00dcbertragungsrate kommen unterschiedliche Techniken der Sender und Empf\u00e4nger zum Einsatz. Forscher waren \u00fcber die Jahre zum Beispiel in der Lage, durch so genannte koh\u00e4rente \u00dcbertragungstechniken die Geschwindigkeit enorm zu steigern. Auch hier spielten die Nokia Bell Labs eine wichtige Rolle. Durch die Kombination von digitalen Signalprozessoren und so genannten Phasenmodulationstechniken bei optischen Signalen (die auch in Mobilfunknetzen \u00fcblich sind) hat die Technik seit ihrer Einf\u00fchrung vor einem Jahrzehnt eine 100-fache Steigerung der Datenrate erm\u00f6glicht.<\/p>\n
Mit dem Fortschritt bei den optischen \u00dcbertragungstechniken konnten Forscher auch die Komponenten, die das Licht \u00fcbertragen, wie z. B. Laser und Detektoren, so stark verkleinern, dass sie in kleine, stromsparende und steckbare (\u201epluggable\u201c) Geh\u00e4use passen. So kann man alle ben\u00f6tigten optoelektronischen Ger\u00e4te als ein einziges Modul in eine optische Schnittstelle in einen Router oder Switch stecken. Das hat den Vorteil, dass man bei einem Ausfall einfach das optische Modul austauschen kann und nicht die komplette \u00dcbertragungseinheit. Im Netz werden diese neuen steckbaren, koh\u00e4renten Transceiver aktuell f\u00fcr Router-Schnittstellen mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 Gbit\/s eingesetzt und werden bald noch h\u00f6here Geschwindigkeiten erreichen. Die Coherent-Routing-L\u00f6sung von Nokia beispielsweise verwendet steckbare koh\u00e4rente Transceiver in ihren Hochgeschwindigkeitsroutern, um eine direkte Router-zu-Router-Verbindung zwischen Rechenzentren zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n
Die neueste Glasfasertechnik arbeitet heute bis zu einem Dezibel (dB) unter der so genannten Shannon-Grenze. Sie wurde urspr\u00fcnglich von Claude Shannon von den Bell Labs beschrieben als die maximale Rate an fehlerfreien Daten, die ein Kanal \u00fcbertragen kann. Um diese physikalischen Grenzen zu \u00fcberwinden, braucht es viele weitere Innovationen, damit die Glasfasertechnik die wachsenden Anforderungen erf\u00fcllen kann. Die Forschung in diesem Bereich reicht von Hohlkern-Fasern bis hin zum Einsatz von maschinellem Lernen zur Verbesserung der Signalverarbeitung.<\/p>\n
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