Bild und Sprache über Glas

LICHT — im Altertum ein geheimnisvolles Symbol der Weisheit und der Intelligenz — ist nicht mehr nur ein Symbol. In den vergangenen Jahren hat es rasant und lautlos den ihm gebührenden Platz eingenommen, indem es zum Träger von Informationen aller Art emporgestiegen ist. Der Einsatz von Licht zur Fernübertragung von Nachrichten setzte zwei Entwicklungen voraus: 1. eine spezielle Art Licht und 2. einen speziellen Lichtleiter.

Eine Reihe aufregender Neuentwicklungen hat es ermöglicht, mit Hilfe von Lichtstrahlen Unmengen an beliebigen Informationen mit hoher Geschwindigkeit über weite Strecken zu übermitteln. Ja, man kann jetzt mit Hilfe winziger Lichtstrahlen, die durch haarfeine Glasfasern geleitet werden, Sprache und Bilder beachtlich schnell und gut übertragen. In Europa, in den Vereinigten Staaten und in Japan sind bereits Städte über Kabel verbunden, in deren Innern feine, spinnwebdünne Glasfasern verlaufen. Gegenwärtig arbeitet man daran, auf diese Weise sogar Ozeane zu überbrücken, um Kontinente miteinander zu verbinden.

Wie ist das möglich, da sich das Licht, wie jeder weiß, stets geradlinig ausbreitet? Was hält die winzigen Lichtstrahlen in den Glasfasern gefangen, wenn diese gekrümmt verlaufen? Wieso haben die Strahlen eine so große Reichweite, und weshalb können sie so viele Informationen mit sich führen? Weil eine spezielle Art Licht verwendet wird — kohärentes Licht.

Kohärentes Licht

Die Überlegenheit des kohärenten Lichts in der Datenübertragung gegenüber normalem Licht wird deutlich, wenn man sich die Photonen des Lichts, das durch eine Glasfaser läuft, als Wanderer vorstellt, die eine Straße entlanglaufen. Ein Strahl normalen Lichts wäre mit einer Wandergruppe aus Personen von verschiedener Größe zu vergleichen, die nicht im Gleichschritt laufen und sich somit beim Laufen behindern. Ein Strahl kohärenten Lichts gleicht dagegen Soldaten, die gleich groß sind und in Reih und Glied marschieren. Das Marschieren im Gleichschritt hat den Vorteil, daß mehr Menschen, ohne sich zu behindern, größere Entfernungen besser und mit geringerem Kräfteverlust zurücklegen können. Diesen Vorteil hat auch kohärentes Licht.

Nun könnte jemand fragen: „Warum hat es sich erst neuerdings durchgesetzt, Licht so zu verwenden? Warum hat man nicht schon früher daran gedacht?“ Völlig neu ist dieser Gebrauch von Licht eigentlich nicht. Zumindest einer, nämlich Alexander Graham Bell, hatte den Vorteil erkannt, Sprache mit Hilfe von Licht zu übertragen, und veröffentlichte 1880 eine wissenschaftliche Arbeit mit dem Thema „Selen und die Photophone“.

Seine Idee zeugte von Weitsicht, doch ohne die Verwendung kohärenten Lichts wäre ihr nur ein begrenzter Erfolg beschieden gewesen. Die erste Voraussetzung für ihre Verwirklichung konnte jedoch erst in den 1960er Jahren geschaffen werden, als man den Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) entwickelte. Bell fehlte seinerzeit außerdem die zweite Grundvoraussetzung: ein extrem verlustarmer Lichtleiter zur Übertragung der Information.

Wie funktionieren die kompliziert aufgebauten Lichtleiter?

Parallel zur Entwicklung des Lasers suchte und entwickelte man auch andere durchsichtige hochreine, komplexe Werkstoffe, um kohärentes Licht über weite Entfernungen senden zu können. Diese Werkstoffe wurden dann zu langen, haarfeinen Fasern ausgezogen.

Viele kennen wahrscheinlich die beleuchteten Fasern, die als kunstvolle Tischdekoration dienen. Ein solches Dekorationsstück wird hergestellt, indem man Bündel dieser Fasern aus Glas oder auch aus Kunststoff wie Blumen in einer Vase auffächert und am unteren Ende beleuchtet. Das geschieht zwar meist mit normalem Licht, es veranschaulicht aber, daß Licht durch Glasfäden gekrümmt weitergeleitet werden kann statt wie gewöhnlich geradeaus (Abbildung 1). In den Dekorationsstücken läuft das Licht nur über sehr kurze Strecken.

Damit das Licht größere Entfernungen überwinden kann, hat man die Fasern mit speziellem Glas oder Kunststoff ummantelt. Die Spezialmäntel bewirken, daß das Licht bei dem Versuch, aus der Faser auszutreten, wieder hineingelenkt wird und somit kein Verlust entsteht. Es gibt zahlreiche Variationen in bezug auf Zusammensetzung und Aufbau der Beschichtungen. Nichtsdestoweniger tragen sie alle auf ihre Art und unter jeweils speziellen Bedingungen dazu bei, die Reichweite zu vergrößern (Abbildung 2).

Die Glasfäden oder -fasern haben die Möglichkeiten der Leitung und Übertragung von Licht stark erweitert. Nach wie vor darf das Licht jedoch beim Einfall in die Faser einen Grenzwinkel nicht überschreiten. Das Prinzip wird uns klar, wenn wir daran denken, daß die glatte Oberfläche eines Sees wie ein Spiegel das Licht reflektieren kann. So spiegeln sich zum Beispiel Bäume, die am Seeufer stehen, im Wasser. Die Spiegelwirkung entsteht, weil das Licht in einem flachen Winkel zur Wasseroberfläche in unser Auge gelangt. Bis zu einem bestimmten Winkel wird das Licht von der Wasseroberfläche wie von einem Spiegel zurückgeworfen. Ebenso wird es, wenn es in die Glasfasern bis zu diesem Grenzwinkel eingestrahlt wird, mit nur geringen Verlusten an der Faserwand wie von einem Spiegel in die Faser reflektiert.

Man nimmt an, daß über diese winzigen Fäden Lichtsignale ohne Zwischenverstärkung über eine Strecke von 40 Kilometern oder weiter übertragen werden können. Die fernere Zukunft sieht noch ermutigender aus. Gemäß neueren Berichten hat man ultraverlustarme Fasern entwickelt, „mit denen Informationen über Tausende von Kilometern ohne Zwischenverstärkung übertragen werden können“.

Um die einzigartigen Lichtwellenleiter vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist es nötig, sie mit Schutzschichten- und hüllen zu umgeben. Dünne Kabel werden häufig mit hochfesten Fasergeweben und Drähten verstärkt und mit elektrischen Leitern versehen (Abbildung 3). Geschützt verlegt, leisten Glasfasern in der Nachrichtenübertragung so viel, daß die Übertragung elektrischer Signale über Kupferkabel nicht mehr damit konkurrieren kann. Das trifft insbesondere zu, wenn es um große Entfernungen geht. Wie werden denn Daten, Bilder und Sprache mit dieser speziellen Art Licht über die winzigen Glasfasern übertragen?

Wie bewältigen winzige Fasern riesige Informationslasten?

Die besondere Art des Lichts und die kompliziert aufgebauten Glasfasern beeindrucken wirklich, doch nicht weniger eindrucksvoll ist die Art, wie die Lichtstrahlen riesige Informationslasten befördern. Ein grundlegendes Geheimnis liegt in der hohen Lichtgeschwindigkeit begründet, die ungefähr 300 000 Kilometer pro Sekunde beträgt. Ein anderes Teilgeheimnis verbirgt sich in der extrem hohen Frequenz der Lichtwellen (über 10¹³ Hz). Die hohe Frequenz und die Kodierung der Lichtimpulse erlauben es, den Strahlen, die durch die Fasern laufen, eine Unmenge von Daten aufzuladen. Nehmen wir als Beispiel den Fernsprechverkehr mit Licht.

Fernsprechverkehr mit Licht

Der Fernsprechverkehr mit Licht erfordert wie die Bildübertragung den Einsatz komplexester Technologie. Betrachten wir zuvor einige Schritte, die beim Fernsprechverkehr mit Licht ablaufen, um die Vorgänge etwas besser zu verstehen.

Die eigentliche Übertragung erfolgt zwar durch Licht, aber zuerst spricht man in den Telefonhörer. Die Schallwellen der Sprache werden im Telefon immer noch in entsprechende elektrische Signale umgewandelt. Dann werden die elektrischen Signale mit Höchstgeschwindigkeit „portioniert“. Der Vorgang ist vergleichbar mit der Funktion einer Filmkamera, die in Wirklichkeit eine Reihe unbeweglicher Bilder oder „Portionen“ des Bewegungsablaufs einfängt. Diese Bilder werden später eines nach dem anderen in rascher Folge auf die Leinwand geworfen, um dem Betrachter den Eindruck einer Bewegung zu vermitteln. So werden auch dem Sprachverlauf elektrische „Portionen“ entnommen und in einem mehrstufigen Prozeß verschlüsselt, bevor sie in Lichtimpulse umgewandelt werden. Die verschlüsselten Lichtimpulse laufen zum anderen Ende der Glasfaser. Dort angekommen, werden sie durch einen umgekehrten Prozeß wieder in Schallwellen verwandelt, die dann im Telefonhörer zu hören sind. Welcher Nutzen ergibt sich daraus in der Gegenwart? Wie sind die Zukunftsaussichten?

Einige derzeitige Vorteile

Wir haben gerade erst damit begonnen, das weltweite Nachrichtennetz zu akzeptieren und es zu schätzen, und schon stellt sich ein völlig neues System vor. Die Faseroptik-Technologie kündigt einen Abschied von vieladrigen Telefonkabeln, von Rundfunk- und Fernsehsendernetzen und sogar von Satellitenstationen an, bringt aber großen Nutzen mit sich.

◼ Ungestörte Übertragung. Einer der größten Vorteile der Faseroptik-Übertragung besteht für den Telefonbenutzer darin, daß praktisch alle Arten von Störungen beseitigt werden, die ihm inzwischen nicht mehr fremd sind. Gewitter, Hochspannungsleitungen, Generatoren usw. haben Störgeräusche verursacht. Sogar gut abgeschirmte Kupferleitungen sind gegen einige dieser Störquellen nicht gefeit.

Wenn ein Telefongespräch über Satellit geführt wird, können sich für den Bruchteil einer Sekunde Verzögerungen oder atmosphärische Störungen bemerkbar machen. Früher sind sogar Halleffekte aufgetreten. Die Faseroptik-Technologie geht dahin, alle merklichen Verzögerungen auszuschalten und einen klaren, ungestörten Empfang zu gewährleisten.

◼ Abhörsicherheit. Einer der bestechenden Vorteile der Faseroptik ist die absolute Abhörsicherheit. Mithören kann niemand mehr, und jedes illegale Anzapfen ist so gut wie ausgeschlossen. Bislang kann niemand die Lichtleiter anzapfen, ohne einen merklichen Signalabfall zu verursachen und dadurch aufzufallen.

◼ Hohe Leistungsfähigkeit. Die überaus hohe Leistungsfähigkeit der Nachrichtenübertragung durch Licht wird deutlich, wenn man bedenkt, daß gleichzeitig Tausende von Telefongesprächen über ein einziges Paar Glasfasern geführt werden können. Man schätzt, daß über nur eine Glasfaser der gesamte Inhalt von Websters ungekürztem Wörterbuch in lediglich 6 Sekunden über Tausende von Kilometern übertragen werden kann.

◼ Geringer Platzbedarf — unempfindlich gegen Umwelteinflüsse. Vielerorts verspürt man schon den Nutzen dieser Neuentwicklung. Für Großstadtregionen ist es ein Gewinn, daß die neuen Verbindungen bedeutend weniger Geräte erfordern. Überholte Schalteinrichtungen, die ganze Räume füllen, können jetzt durch platzsparende Faseroptik-Geräte ersetzt werden. Auch in abgelegenen Gegenden wie Florida Keys schätzt man den störungsfreien Empfang. Die aggressive Salzluft in dieser Gegend begünstigt Kurzschlüsse und die chemische Zerstörung. Auf die Faseroptik wirkt sich so etwas nur geringfügig aus.

Ein Blick in die Zukunft

Die Zukunft der neuen Entwicklung sieht verheißungsvoll aus. Der Wechsel vollzieht sich viel schneller, als man vorhergesagt hat. Eines der größten Probleme, sagt man, sei es, ein System zu finden, das nach der Installation nicht schon wieder veraltet sei.

◼ Sprache, Video und Computer an einer Station. In der Zeitschrift High Technology wurde in der Ausgabe vom Februar 1986 unter der Rubrik „Geschäftsaussichten“ berichtet, daß „die Faseroptik in den USA über Nacht das bevorzugte Medium zur Übertragung von Sprache, Daten und Video geworden ist — speziell für Übertragungen über weite Entfernungen“. In dem Artikel hieß es weiter: „Wir nehmen ein Faserkabelnetz in Angriff, das in die Wohnungen vordringen wird — ein Terminal für Sprache, Video und ... den Abruf von Informationen aus einer Datenbank.“ Das eröffnet zumindest einem bestimmten Personenkreis die Möglichkeit, von zu Hause aus Einkäufe zu tätigen, Bankgeschäfte zu erledigen, Flüge zu buchen und gewisse Dienste von Büchereien zu nutzen. Es soll sogar möglich sein, den Gesprächspartner beim Telefonieren zu sehen — alles mit Licht, das durch die einzigartigen Glasfasern geleitet wird.

[Bilder auf Seite 20]

Licht wird beim Durchgang durch Glasfasern nach innen reflektiert und geht nicht verloren

Hochfeste Gewebe und Drähte verleihen Schutz

Glas- oder Kunststoffmäntel vermindern Lichtverluste

[Bild auf Seite 22]

Über solch ein dünnes Faseroptik-Kabel können mindestens ebenso viele Gespräche übertragen werden wie über dieses dicke herkömmliche Kabel