Optische Fasern: Die unsichtbare Infrastruktur unseres digitalen Alltags
Sie sind im Ausland und sprechen in Ihr Smartphone. Sekunden später hören Sie die Antwort in einer anderen Sprache. Was wie ein ganz alltäglicher Moment wirkt, basiert auf einer hochkomplexen Infrastruktur: Daten werden als Lichtsignale durch Glasfasernetze rund um den Globus übertragen. Eine zentrale Rolle spielt dabei hochreines Quarzglas. Heraeus entwickelt und verarbeitet diesen Werkstoff seit Jahrzehnten und trägt damit zu Materialtechnologien bei, die moderne optische Fasern – und damit die digitale Welt von heute – überhaupt erst ermöglichen.
Noch vor wenigen Jahren schien es kaum vorstellbar, eine Fremdsprache zu verstehen, ohne sie gelernt zu haben. Heute genügt dafür ein Smartphone. Gerade weil solche Anwendungen inzwischen selbstverständlich wirken, gerät leicht in Vergessenheit, welche komplexe Infrastruktur im Hintergrund arbeitet.
Ein Beispiel: In Madrid spricht ein Tourist aus Japan in sein Smartphone. Die Audiodaten werden zunächst an einen nahegelegenen Netzknoten übertragen und anschließend über europäische Glasfasernetze in ein Cloud-Rechenzentrum in beispielsweise Irland geleitet. Dort verarbeiten leistungsfähige KI-Modelle die Sprache, bevor die Übersetzung innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder auf dem Smartphone ankommt.
Für Nutzerinnen und Nutzer geschieht all das nahezu in Echtzeit. Tatsächlich legen die Daten jedoch Tausende Kilometer zurück, bevor die Übersetzung auf dem Display erscheint. Genau hier zeigt sich die Bedeutung optischer Fasern.
Die kaum haarfeinen Glasfasern übertragen Informationen als Lichtimpulse zwischen Netzknoten, Internetknoten und Rechenzentren. Ohne diese unsichtbare Infrastruktur wären viele digitale Anwendungen, die wir heute ganz selbstverständlich nutzen, nicht möglich.
Wussten Sie, dass ...?
Daten als Licht durch Glasfasern reisen?
Im Inneren einer Glasfaser werden digitale Informationen in winzige Lichtimpulse übersetzt. Die besondere Struktur hochreinen Quarzglases führt das Licht mit außergewöhnlicher Präzision und hält Signalverluste selbst über große Entfernungen äußerst gering. So bewegen sich Lichtsignale mit rund zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit – etwa 200.000 Kilometer pro Sekunde. Zum Vergleich: Mit dieser Geschwindigkeit könnte ein Lichtsignal die Erde etwa fünfmal in einer einzigen Sekunde umrunden.
Telekommunikation und Datenkommunikation: Wo liegt der Unterschied?
Doch Glasfaser ist nicht gleich Glasfaser, und dieser Unterschied gewinnt mit wachsenden Datenmengen zunehmend an Bedeutung.
Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Telekommunikation. Hier bildet die Glasfaser das weltweite Rückgrat unserer digitalen Kommunikation. Sie verbindet Städte, Länder und Kontinente – über Netze an Land ebenso wie über Unterseekabel auf dem Meeresboden – und reicht schließlich bis zu den Endgeräten, die wir täglich nutzen. Wenn jemand in Paris einen Kollegen in Singapur anruft, legt das Signal Tausende Kilometer durch Glasfaser zurück.
Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist die Datenkommunikation (Datacom). Hier kommt Glasfaser in der Regel über deutlich kürzere Distanzen zum Einsatz – vor allem in und rund um Rechenzentren. Der Fokus liegt darauf, riesige Datenmengen so schnell wie möglich zu übertragen. Glasfaser verbindet Server, die kontinuierlich Daten austauschen, und vernetzt in manchen Fällen sogar mehrere Rechenzentren miteinander, sodass sie zusammenarbeiten können, als wären sie ein einziger großer Computer. Erst dadurch werden Cloud-Dienste, Anwendungen der Künstlichen Intelligenz und das nahezu verzögerungsfreie Streaming hochauflösender Videos möglich.
Wenn Sie auf Ihrem Smartphone eine Übersetzung starten, greifen beide Arten von Glasfasern ineinander: Telekommunikationsnetze transportieren die Daten über weite Entfernungen, während Datacom-Verbindungen sie innerhalb der Rechenzentren zwischen den Servern weiterleiten. Erst das Zusammenspiel beider Netzwerke ermöglicht digitale Dienste wie KI-gestützte Übersetzungen.
Während Telekommunikationsnetze ganze Kontinente verbinden, wächst der Datenverkehr heute vor allem innerhalb der Rechenzentren. Anwendungen wie künstliche Intelligenz, Cloud Computing oder Streaming erzeugen enorme Datenmengen, die in kürzester Zeit verarbeitet werden müssen. Dadurch steigen die Anforderungen an Glasfasern kontinuierlich – insbesondere bei Übertragungsgeschwindigkeit, Kapazität und Packungsdichte.
Wussten Sie, dass ...?
Größe nicht über Kapazität entscheidet.
Eine einzelne Glasfaser ist kaum dicker als ein menschliches Haar und kann dennoch eine erstaunliche Menge an Daten übertragen. Wenn alle Einwohner Londons gleichzeitig denselben Netflix-Film starten würden, könnte eine einzige Glasfaser diese Datenmenge übertragen.
Genau deshalb gewinnen neue Glasfasertechnologien für Datacom-Anwendungen zunehmend an Bedeutung.
Das Material hinter dem Netzwerk
Ob Daten Kontinente überqueren oder innerhalb eines Rechenzentrums zwischen zwei Servern übertragen werden – die Leistungsfähigkeit einer Glasfaser hängt entscheidend von einem Faktor ab: dem Material, aus dem sie besteht.
Im Kern geht es um hochreines Quarzglas.
Für Glasfasern gilt: Je reiner das Glas, desto weiter kann sich Licht ausbreiten, bevor das Signal verstärkt werden muss. Die hohe Reinheit sorgt dafür, dass das Licht auf seinem Weg kaum an Stärke verliert. Bei einer Standard-Telekommunikationsfaser sind das rund 50 Kilometer. Zum Vergleich: Selbst im klarsten Meerwasser reicht die Sicht meist nur etwa 20 Meter, bevor das Licht verblasst.
Die Herstellung eines so reinen Werkstoffs erfordert höchste Präzision und jahrzehntelange Erfahrung in der Materialentwicklung.
Am Anfang steht eine sogenannte Preform – ein zylindrischer Glasrohling, der den inneren Aufbau der späteren Glasfaser bereits im vergrößerten Maßstab enthält. Anschließend wird die Preform erhitzt und zu einer nur 125 Mikrometer dünnen Glasfaser ausgezogen – etwa so dick wie ein menschliches Haar.
Aus einer einzigen Preform mit 200 Millimetern Durchmesser und drei Metern Länge entstehen mehr als 7.000 Kilometer Singlemode-Glasfaser.
Die Basis für die nächste Generation
Mit Anwendungen wie künstlicher Intelligenz, Cloud Computing und der weltweit zunehmenden Vernetzung steigen auch die Anforderungen an Glasfasern kontinuierlich. Neue Konzepte wie Hollow Core Fiber und Multicore Fiber bauen auf den Eigenschaften hochreiner Quarzgläser auf und erweitern die Möglichkeiten optischer Datenübertragung.
Seit mehr als 100 Jahren arbeiten wir bei Heraeus mit Quarzglas und entwickeln Werkstoffe für anspruchsvolle Anwendungen – von der Halbleiterindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt.
Bereits Ende der 1960er-Jahre war Heraeus an den frühen Entwicklungen der Glasfasertechnologie beteiligt. 1978 lieferte das Unternehmen Quarzglas für Deutschlands erste Glasfaser-Teststrecke. Anfang der 1990er-Jahre folgte der Ausbau von Produktionskapazitäten und Marktpräsenz – ein wichtiger Beitrag zum Aufbau der digitalen Infrastruktur, auf die wir heute selbstverständlich angewiesen sind. Mittlerweile bestehen weltweit fast 2 Milliarden Kilometer verlegter Glasfasern aus Heraeus Quarzglas.
Auf dieser Erfahrung bauen wir bis heute auf und entwickelt Materialien für die nächste Generation optischer Fasern – überall dort, wo immer größere Datenmengen zuverlässig übertragen werden müssen.
Eine neue Generation optischer Fasern
Mit dem Wachstum von künstlicher Intelligenz, Cloud Computing und Streaming steigen die Anforderungen an die Datenübertragung kontinuierlich. Besonders in Rechenzentren werden heute enorme Datenmengen verarbeitet – und ihr Volumen wächst weiter. Dank Glasfaser können mehrere, räumlich verteilte Rechenzentren zusammenarbeiten, als wären sie ein einziges großes Rechenzentrum.
Der weltweite Datenverkehr hat sich in den vergangenen zehn Jahren mehr als verzehnfacht. Damit tausende Server wie ein einziger großer Computer zusammenarbeiten können, stellt das interne Netzwerk eines modernen Rechenzentrums Bandbreiten von bis zu 13 Petabit pro Sekunde bereit – theoretisch genug, um rund 140 Exabyte Daten pro Tag zu übertragen. Das entspricht mehr als 9 Milliarden abendfüllenden 4K-Filmen. Künftig werden Anwendungen wie autonomes Fahren, industrielle Robotik oder immersive digitale Welten den Bedarf an leistungsfähigen Datenverbindungen weiter erhöhen.
Gefragt sind deshalb Glasfasern, die mehr Daten übertragen, Latenzen weiter reduzieren und gleichzeitig möglichst wenig Platz benötigen.
Eine der vielversprechendsten Entwicklungen ist Hollow Core Fiber.
Während Licht in konventionellen Glasfasern durch massives Glas geleitet wird, verläuft es in Hollow Core Fibern durch mikroskopisch kleine, luftgefüllte Kanäle.
Neben den geringeren Laufzeiten bietet die Technologie weitere Vorteile: Sie ermöglicht höhere Bandbreiten und reduziert die Signaldämpfung. Dadurch lassen sich größere Datenmengen mit geringeren Verlusten übertragen. Gleichzeitig können räumlich verteilte Rechenzentren so zusammenarbeiten, als wären sie ein einziges Rechenzentrum. Das gibt Unternehmen mehr Flexibilität bei der Wahl neuer Standorte.
Die Herstellung solcher Fasern ist jedoch äußerst anspruchsvoll. Die mikroskopisch kleinen Luftkanäle müssen über große Längen mit höchster Präzision gefertigt werden, ohne die mechanische Stabilität oder die optischen Eigenschaften der Faser zu beeinträchtigen. Das erfordert ausgeprägte Werkstoffkompetenz und hochpräzise Fertigungsprozesse.
Multicore Fiber – mehr Kapazität auf gleichem Raum
Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist Multicore Fiber.
Konventionelle Glasfasern verfügen über einen einzigen Lichtleitkern. Multicore Fibers integrieren dagegen mehrere voneinander unabhängige Lichtleitkerne in einer einzigen Faser.
Dadurch können mehrere Datenströme gleichzeitig übertragen werden. Die Übertragungskapazität steigt deutlich, ohne dass zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Gerade in Rechenzentren, in denen Platz und Skalierbarkeit entscheidende Faktoren sind, bietet dieses Konzept erhebliche Vorteile.
Die Herstellung ist allerdings ebenso anspruchsvoll.
Die nächste Stufe der globalen Vernetzung
Mit der fortschreitenden Digitalisierung wachsen auch die Anforderungen an die Glasfaserinfrastruktur. Anwendungen werden datenintensiver, Rechenzentren leistungsfähiger und Netzwerke komplexer. Damit steigen auch die Ansprüche an die Materialien, auf denen diese Infrastruktur basiert.
Mit neuen Technologien wächst die Bedeutung optischer Fasern weiter. Anwendungen wie autonomes Fahren, digitale Zwillinge ganzer Städte oder die nahtlose Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine werden Datenraten und Übertragungskapazitäten erfordern, die heutige Netze erst nach und nach erreichen.
Damit diese Anwendungen Realität werden, müssen sich auch die Glasfasertechnologien weiterentwickeln. Denn so selbstverständlich digitale Dienste heute erscheinen – sie alle basieren auf einer Infrastruktur, die kontinuierlich verbessert wird.
Die nächste Generation digitaler Innovationen beginnt deshalb nicht erst in der Software oder im Rechenzentrum. Sie beginnt mit dem Material.
