Aus welchen Materialien bestehen Glasfaserkabel? Eine vollständige Schicht-für-Schicht-Anleitung

Glasfaserkabel bestehen aus mehreren präzise konstruierten Materialien, die zusammenarbeiten: einem hochreinen Quarzglas- oder Kunststoffkern, der Lichtsignale überträgt, einer Glas- oder Polymermantelschicht, die das Licht zurück in den Kern reflektiert, einer oder mehreren Schutzschichten aus UV-gehärtetem Acrylatpolymer und einer äußeren Kabelstruktur, die aus Festigkeitsträgern, Pufferschläuchen und einem Polyethylen- oder PVC-Mantel besteht. Jedes Material wird aufgrund spezifischer optischer, mechanischer und umweltbedingter Eigenschaften ausgewählt, die zusammen die Leistung, Haltbarkeit und Eignung des Kabels für verschiedene Installationsumgebungen bestimmen.

Verständnis Aus welchen Materialien bestehen Glasfaserkabel? ist für Ingenieure, die eine Netzwerkinfrastruktur spezifizieren, für Techniker, die Kabel handhaben und spleißen, und für Beschaffungsmanager, die Kabeltypen für Langstrecken, Rechenzentren oder den Einsatz im Freien vergleichen, von entscheidender Bedeutung. Dieser Leitfaden behandelt jede Schicht und jedes Material im Detail – mit Leistungsdaten, Vergleichen und praktischen Auswahlhilfen.

Der Kern: Ultrareine Quarzglas- und Kunststoffalternativen

Der Kern ist das zentrale, lichtführende Element eines Glasfaserkabels und die optisch kritischste Komponente im gesamten Aufbau. Bei Standardfasern in Telekommunikationsqualität besteht der Kern aus hochreinem Quarzglas (Siliziumdioxid, SiO2) mit einem Reinheitsgrad von über 99,9999 % – weitaus reiner als Fensterglas oder optische Linsen, die in anderen Anwendungen verwendet werden.

Quarzglaskern: Der Industriestandard

Quarzglas ist das dominierende Kernmaterial, da es über die in der Telekommunikation verwendeten Wellenlängen die geringstmögliche optische Dämpfung (Signalverlust) bietet. Die theoretische Mindestdämpfung von Quarzglasfasern beträgt etwa 0,148 dB/km bei einer Wellenlänge von 1550 nm – eine physikalische Grenze, die als Rayleigh-Streuungsgrenze bekannt ist. Kommerzielle Singlemode-Fasern erreichen in der Produktion Dämpfungswerte von 0,18–0,20 dB/km bei 1550 nm und nähern sich damit diesem theoretischen Minimum.

Um den für die Lichtleitung erforderlichen Brechungsindexunterschied zu erzeugen, wird der Quarzkern mit geringen Mengen Germaniumdioxid (GeO2) dotiert, typischerweise in Konzentrationen von 3–10 Mol-%. Durch die Dotierung mit Germanium wird der Brechungsindex des Kerns über den des umgebenden Mantels erhöht, wodurch eine Totalreflexion entsteht, die Licht einfängt und entlang der Faserachse leitet. Weitere in Spezialfasern verwendete Dotierstoffe sind Phosphorpentoxid (P2O5) und Aluminiumoxid (Al2O3) zur spezifischen Formung des Brechungsindexprofils.

Unterschiede im Kerndurchmesser: Singlemode vs. Multimode

Die physikalische Größe des Glaskerns variiert erheblich zwischen den beiden Hauptfasertypen:

• Singlemode-Faser (SMF): Kerndurchmesser von 8–10 Mikrometern. Der extrem kleine Kern ermöglicht die Ausbreitung nur eines Lichtmodus, wodurch die Modendispersion eliminiert wird und Übertragungsentfernungen von 40 km oder mehr zwischen Verstärkungspunkten in Telekommunikationsnetzen möglich sind.
• Multimode-Faser (MMF) – OM1/OM2: Kerndurchmesser von 62,5 Mikrometern (OM1) oder 50 Mikrometern (OM2). Der größere Kern ermöglicht die gleichzeitige Ausbreitung mehrerer Lichtmodi, wodurch die Bandbreite durch Modendispersion begrenzt wird, die Ausrichtung und Verbindung jedoch einfacher und kostengünstiger wird.
• Multimode-Faser (MMF) – OM3/OM4/OM5: Kerndurchmesser von 50 Mikrometern mit einem optimierten Brechungsindexprofil mit abgestuftem Index, das die Modendispersion teilweise kompensiert und Datenraten von 100 Gbit/s über Entfernungen von bis zu 100 Metern (OM4) für Rechenzentrumsanwendungen ermöglicht.

Kernmaterial aus optischen Kunststofffasern (POF).

Für kostengünstige Kurzstreckenanwendungen, optische Kunststofffaser verwendet einen Kern aus Polymethylmethacrylat (PMMA) – das gleiche Acrylglas, das auch in transparenten Anzeigetafeln und Fenstern verwendet wird. POF mit PMMA-Kern hat im Vergleich zu Quarzfasern eine viel höhere Dämpfung (typischerweise 150–200 dB/km bei 650 nm), wodurch die nutzbaren Übertragungsentfernungen auf etwa 50–100 Meter begrenzt sind. Der große Kern der PMMA-Faser (typischerweise 980 Mikrometer bei einem Gesamtdurchmesser von 1.000 Mikrometern) und die Flexibilität machen sie jedoch praktisch für Infotainment-Netzwerke in der Automobilindustrie, Heimbeleuchtung und industrielle Sensoranwendungen, bei denen die Zerbrechlichkeit und der kleine Kern der Quarzfaser Schwierigkeiten bei der Ausrichtung und Handhabung bereiten.

Kunststofffasern mit perfluoriertem Polymerkern (PF-Polymer), manchmal auch als optische Kunststofffasern mit abgestuftem Index (GI-POF) bezeichnet, erreichen eine deutlich geringere Dämpfung von ca. 10–50 dB/km und eine höhere Bandbreite und überbrücken damit die Leistungslücke zwischen Standard-POF und Quarzglasfaser für Netzwerkanwendungen in Gebäuden bis zu 300 Metern.

Die Verkleidung: Glas, das das Licht durch Totalreflexion leitet

Die Umhüllung ist die Glas- oder Kunststoffschicht, die den Kern umgibt, und das zweitkritischste Material in einem Glasfaserkabel . Seine einzige optische Funktion besteht darin, einen etwas niedrigeren Brechungsindex als der Kern zu haben, sodass Licht, das in Winkeln größer als dem kritischen Winkel auf die Kern-Mantel-Grenze trifft, eine interne Totalreflexion erfährt und entlang der Faser geleitet wird, anstatt in das umgebende Material zu entweichen.

Verkleidung aus reinem Silizium

Bei den meisten Standard-Singlemode- und Multimode-Telekommunikationsfasern besteht die Ummantelung aus reinem (undotiertem) Quarzglas mit einem Brechungsindex von etwa 1,444 bei 1550 nm. Der mit Germanium dotierte Kern hat je nach Dotierstoffkonzentration einen etwas höheren Brechungsindex von etwa 1,447–1,452, wodurch die Brechungsindexdifferenz (Delta) von 0,2–0,35 % entsteht, die die numerische Apertur und den Lichtakzeptanzwinkel der Faser definiert.

Der Standardaußendurchmesser des Mantels für Telekommunikationsfasern beträgt genau 125 Mikrometer – ein globaler Standard, der mit einer Maßtoleranz von plus oder minus 1 Mikrometer eingehalten wird. Dieser standardisierte Durchmesser ermöglicht das zuverlässige Zusammenspleißen und Verbinden von Fasern verschiedener Hersteller mit branchenüblichen Steckverbindern und Spleißgeräten.

Mit Fluor dotierter Mantel

Einige Faserdesigns – insbesondere Singlemode-Fasern mit abgesenktem Mantel, die in Anwendungen mit Dispersionsverschiebung verwendet werden – verwenden fluordotiertes Siliciumdioxid für den Innenmantel. Durch die Dotierung mit Fluor wird der Brechungsindex von Siliziumdioxid unter den von reinem Glas gesenkt, was die Gestaltung komplexer Brechungsindexprofile (z. B. W-Profile oder grabengestützte Strukturen) ermöglicht, die die Biegeverlustleistung verbessern, unerwünschte Moden höherer Ordnung abschneiden und die Dispersion verringern. Fluordotierte Umhüllungen finden sich in biegeunempfindlichen Fasern (Standard ITU-T G.657), die in FTTH-Installationen (Fiber-to-the-Home) verwendet werden, bei denen enge Biegungen um Ecken und in kleinen Leitungen unvermeidbar sind.

Die Beschichtung: UV-gehärtete Acrylatpolymerschichten

Unmittelbar um die 125-Mikrometer-Glasummantelung herum befindet sich eine zweischichtige Polymerbeschichtung, die während des Faserziehprozesses aufgetragen wird – die erste Schutzschicht, die die Faser erhält, nachdem sie aus dem Vorformling gezogen wird. Diese Beschichtung stellt den primären mechanischen Schutz der Glasfaser dar und hat keine optische Funktion.

Primärbeschichtung: Weiche Innenschicht

Die Primärbeschichtung ist ein weiches, UV-gehärtetes Acrylatpolymer mit niedrigem Modul, das direkt auf die Glasoberfläche mit einem Außendurchmesser von etwa 190–200 Mikrometern aufgetragen wird. Sein niedriger Elastizitätsmodul (typischerweise 0,5–1,0 MPa) ermöglicht es ihm, das Glas vor Mikrobiegespannungen zu schützen – winzigen Verformungen, die durch Oberflächenunregelmäßigkeiten oder seitlichen Druck auf die Faser verursacht werden und andernfalls die Dämpfung erhöhen würden. Die Primärbeschichtung schützt auch die makellose Glasoberfläche vor Feuchtigkeit, die Spannungsrisskorrosion (auch statische Ermüdung genannt) auslösen würde, die die Quarzfaser mit der Zeit zunehmend schwächt.

Sekundärbeschichtung: Harte Außenschicht

Die sekundäre (äußere) Beschichtung ist ein härteres, UV-gehärtetes Acrylatpolymer mit höherem Modul, das über der primären Beschichtung aufgetragen wird, wodurch der gesamte beschichtete Faserdurchmesser den Standardwert von 245–250 Mikrometern erreicht. Seine höhere Steifigkeit (Modul typischerweise 50–100 MPa) widersteht Abrieb, Handhabungsschäden und den radialen Kräften, die andernfalls die weiche Primärbeschichtung komprimieren und zu Mikrobiegeverlusten führen würden. Die Sekundärbeschichtung ist außerdem mit UV-stabilen Farbstoffen zur Faseridentifizierung pigmentiert – den 12 Standardfarben des TIA-598-Farbcodierungsstandards, der in Band- und Mehrfaserkabeln verwendet wird.

Spezialbeschichtungsmaterialien für raue Umgebungen

• Polyimidbeschichtung: Für Hochtemperaturanwendungen bis zu 300 °C (z. B. Ölbohrlochmessung und Luft- und Raumfahrt) werden Standard-Acrylatbeschichtungen durch Polyimid (PI)-Beschichtungen ersetzt, die in dünnen Schichten von 5–7 Mikrometern pro Schicht aufgetragen werden. Mit Polyimid beschichtete Fasern haben einen Außendurchmesser von nur 155 Mikrometern und ermöglichen so eine dichtere Unterbringung in Bohrlochwerkzeugen und Flugzeugkabelbündeln.
• Hermetische Kohlenstoffbeschichtung: Eine ultradünne amorphe Kohlenstoffschicht (0,02–0,05 Mikrometer), die vor der Acrylatbeschichtung auf der Glasoberfläche abgeschieden wird, bietet eine vollständige Feuchtigkeitsbarriere für wasserstoffreiche Umgebungen wie Unterseekabel und bestimmte chemische Sensoranwendungen. Kohlenstoffhermetische Fasern weisen nach 25 Jahren Unterwasserbetrieb einen Wasserstoffalterungsverlust von weniger als 0,01 dB/km auf.
• Ormocer-Beschichtung (organisch modifizierte Keramik): Eine hybride organisch-anorganische Polymerbeschichtung, die eine hervorragende Strahlungsbeständigkeit für Kernanlagen und weltraumgestützte Glasfasersysteme bietet, wo herkömmliche Acrylatbeschichtungen unter der Einwirkung ionisierender Strahlung schnell zerfallen.
• Raucharme, halogenfreie (LSZH) Außenbeschichtungen: Für Faserbandstapel, die in Rechenzentren und Indoor-Plenum-Anwendungen verwendet werden, werden LSZH-konforme Acrylat-Matrixmaterialien verwendet, die bei Feuereinwirkung nur minimalen giftigen Rauch und keine Halogenverbindungen erzeugen.

Glasfaserkabel-Kernmaterialien im Vergleich: Quarzglas vs. Kunststoff

Quarzglas und Kunststoff sind die beiden grundlegenden Kernmaterialien für Glasfaserkabel. Die folgende Tabelle vergleicht ihre Leistung anhand der wichtigsten optischen, mechanischen und Anwendungskriterien.

Tabelle 1: Vergleich der in Glasfaserkabeln verwendeten Quarzglas- und Kunststoffkernmaterialien anhand von acht Leistungs- und Anwendungskriterien.

Materialien für Kabelstrukturen: Verstärkungselemente, Pufferrohre und Mäntel

Über die Faser selbst hinaus besteht die äußere Kabelstruktur aus mehreren zusätzlichen Materialschichten, die die empfindliche Glasfaser während der Installation und über die gesamte Lebensdauer des Kabels von 20 bis 25 Jahren vor mechanischer Beanspruchung, Feuchtigkeit, Nagetieren, Quetschungen und UV-Strahlung schützen. Jede Strukturkomponente besteht aus Materialien, die aufgrund spezifischer Schutzeigenschaften ausgewählt wurden.

Festigkeitsträger: Aramidfaser, Glasfaser und Stahl

Festigkeitsträger tragen die Zuglast, die während der Installation und der Temperaturwechsel während des Betriebs auf das Kabel ausgeübt wird, und schützen so die Glasfaser vor Dehnung (die die Dämpfung erhöht und zum Bruch führen kann). Die drei wichtigsten Materialien für Festigkeitsträger, die in verwendet werden Glasfaserkabel construction sind:

• Aramidfasergarn (Kevlar-Typ): Das am häufigsten verwendete Festigkeitselement in Innen- und Patchkabelkabeln. Aramidfasern haben eine Zugfestigkeit von etwa 3.600 MPa und einen Elastizitätsmodul von 70–125 GPa – etwa fünfmal stärker als Stahl bei gleichem Gewicht. Standard-Patchkabel enthalten Aramidgarn mit 150–300 Denier; Verteilerkabel verwenden schwerere Rovings mit 1.420–2.840 Denier. Aramid ist nicht leitend (wichtig für die elektrische Isolierung) und weist eine geringe Wärmeausdehnung auf, wodurch die Faser bei Temperaturänderungen spannungsneutral bleibt.
• Stab aus glasfaserverstärktem Kunststoff (FRP): Ein zentraler FRP-Stab (typischerweise 0,5–3 mm Durchmesser) wird als zentrales Festigkeitselement in Bündelader-Außenkabeln verwendet. FRP bietet eine hohe Druckfestigkeit (im Gegensatz zu Aramid, das sich unter Druck verformt) und eignet sich daher für Kabel, die Quetschkräften in Erd- oder Kanalinstallationen standhalten müssen. GFK-Stäbe haben eine Zugfestigkeit von 1.000–1.500 MPa und sind wie Aramid nicht leitend.
• Stahldraht und Stahlband: Festigkeitsträger aus Stahl werden in selbsttragenden Luftkabeln (ADSS- und Achterkonstruktionen), armierten Kabeln für die direkte Erdverlegung und Unterseekabeln verwendet. Stahl bietet die höchste Zugbelastbarkeit – eine 6-mm-Stahldrahtlitze kann Zugbelastungen über 20 kN standhalten – erhöht jedoch das Gewicht und erfordert bei Installationen in der Nähe von Stromleitungen eine elektrische Verbindung und Erdung. Je nach Anforderungen an die Korrosionsbelastung wird verzinkter Stahl oder Edelstahl verwendet.

Pufferröhrchen: PBT, PVDF und Polypropylen

Pufferrohre sind hohlzylindrische Strukturen, die einzelne optische Fasern oder Faserbänder innerhalb des Kabels enthalten und schützen. Sie erfüllen zwei Funktionen: Sie schützen die Fasern vor seitlichem Druck und bieten einen kontrollierten Wärmeausdehnungspuffer, der verhindert, dass die Fasern beim Schrumpfen des Kabels bei kalten Temperaturen unter Spannung geraten. Die gebräuchlichsten Pufferrohrmaterialien sind:

• Polybutylenterephthalat (PBT): Das branchenübliche Material für Bündelader-Aderhüllen in Außenkabeln. PBT bietet eine hervorragende Dimensionsstabilität bei allen Temperaturen (-40 bis 70 °C), eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme (weniger als 0,1 %), eine gute chemische Beständigkeit und eine Wandstärke von 0,3–0,6 mm, die eine erhebliche Druckfestigkeit bietet. PBT-Schläuche sind typischerweise mit einem wasserblockierenden Gel (thixotropes Kohlenwasserstoffgel) oder trockenem wasserblockierendem Band gefüllt, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.
• PVDF (Polyvinylidenfluorid): Wird in der Tight-Buffer-Konstruktion für Innenkabel und raue chemische Umgebungen verwendet. PVDF bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen UV-Strahlung, Flammen und eine Vielzahl von Chemikalien und eignet sich daher für die Verkabelung von Industriegebäuden und Inneninstallationen mit Plenum-Bewertung. PVDF-Tight-Buffer-Beschichtungen werden mit einem Außendurchmesser von 900 Mikrometern direkt auf die 250 Mikrometer beschichtete Faser aufgetragen.
• Polypropylen (PP): Eine kostengünstigere Alternative zu PBT für einige Verteilerkabelanwendungen über kurze Distanzen, insbesondere bei Hybriddesigns im Innen- und Außenbereich. PP hat bei erhöhten Temperaturen eine etwas geringere Dimensionsstabilität als PBT, bietet jedoch eine hervorragende chemische Beständigkeit und gute Verarbeitungseigenschaften für die Hochgeschwindigkeitskabelherstellung.

Wasserblockierende Materialien: Gel, Klebeband und Pulver

Wassereintritt ist eine der Hauptursachen für den Ausfall von Glasfaserkabeln in erdverlegten und direkt vergrabenen Installationen. Zur Wasserblockierung werden drei Ansätze mit jeweils unterschiedlichen Materialsystemen verwendet:

• Kohlenwasserstoff-Füllgel: Bei der herkömmlichen Wasserblockierung in Bündeladerkabeln wird ein thixotropes Gel auf Erdölbasis verwendet, das die Aderhülle und die Zwischenräume zwischen den Röhren füllt. Das Gel bleibt flüssig genug, um eine Faserbewegung innerhalb des Röhrchens zu ermöglichen, aber viskos genug, um eine Wassermigration zu verhindern. Mit Gel gefüllte Kabel erfordern beim Spleißen und Anschließen spezielle Gelreinigungsverfahren.
• Band und Garn aus superabsorbierendem Polymer (SAP): Bei trockenen, wassergeschützten Kabeln werden SAP-beschichtete Bänder oder Garne verwendet, die bei Kontakt mit Wasser schnell aufquellen (bis zum 400-fachen ihres Eigengewichts absorbieren) und so die Wassermigration ohne die Verschmutzung durch Petroleumgel blockieren. Wasserblockierung auf SAP-Basis dominiert heute bei neuen Kabeldesigns aufgrund der einfacheren Handhabung und der Umweltfreundlichkeit gegenüber Erdölgel.
• SAP-Pulver in Pufferröhrchen: Bei einigen Kabelkonstruktionen ist SAP-Pulver als primärer Wasserblockiermechanismus in Pufferrohren eingestreut, wodurch das geringe Gewicht einer Trockenblockkonstruktion bei einfacherer Herstellung als bei der SAP-Bandumwicklung erreicht wird.

Panzerschichten: Wellstahl, Aluminium und Polyethylen

Gepanzerte Glasfaserkabel enthalten metallische oder dielektrische Panzerschichten zwischen Kern und Außenmantel, um Quetschungen, Nagetierangriffen und mechanischen Stößen standzuhalten. Die drei Hauptrüstungstypen sind:

• Panzerung aus Wellstahlband (CST): Ein in Längsrichtung angebrachtes gewelltes Stahlband (normalerweise 0,15–0,25 mm dick), das mit einem inneren Polyethylenmantel verbunden ist. Die CST-Panzerung bietet eine hervorragende Druckfestigkeit (typischerweise 3.000–4.000 N/100 mm) und Nagetierbeständigkeit für direkt erdverlegte Kabel in Bereichen mit bekannter Nagetieraktivität.
• Wellaluminiumband: Wird in Unterseekabeln und einigen direkt vergrabenen Kabeln verwendet, bei denen das geringere Gewicht von Aluminium im Vergleich zu Stahl von Vorteil ist. Aluminium ist auch in Salzwasserumgebungen korrosionsbeständiger.
• Verzahnte Rüstung: Verzinkte Stahldrähte, die spiralförmig um das Kabel gewickelt sind, bieten eine flexible Armierung für Steigkabel im Innen- und Außenbereich, die sowohl Widerstandsfähigkeit gegen Nagetiere als auch Flexibilität bei der Installation in Kurven erfordern.

Außenmantelmaterialien: Polyethylen, PVC, LSZH und PVDF

Die Außenjacke ist die erste Verteidigungslinie gegen physische Schäden, UV-Strahlung, Feuchtigkeit, Chemikalien und extreme Temperaturen. Die Auswahl des Mantelmaterials hat erhebliche Auswirkungen auf den Brandschutz, die Einhaltung von Umweltvorschriften, die einfache Installation und die langfristige Haltbarkeit.

Tabelle 2: Vergleich der in Glasfaserkabeln verwendeten Außenmantelmaterialien hinsichtlich UV-Beständigkeit, Flammschutzklasse, Temperaturbereich, Rauchtoxizität und typischer Einsatzumgebung.

Wie Glasfaserglas hergestellt wird: Der Vorform- und Ziehprozess

Verständnis what Glasfaserkabels are made of ist unvollständig, ohne zu verstehen, wie das hochreine Quarzglas hergestellt wird – ein Prozess, der ebenso bemerkenswert ist wie die optische Leistung der Faser.

Herstellung von Vorformlingen

Die optische Faser beginnt als Glasvorform – ein massiver Stab aus hochreinem Quarz mit einer Länge von etwa 1 Meter und einem Durchmesser von 80–160 mm – der die Kern-Mantel-Brechungsindexstruktur in großem Maßstab enthält. Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen ist die modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (Modified Chemical Vapour Deposition, MCVD), bei der Dämpfe von Siliziumtetrachlorid (SiCl4) und Germaniumtetrachlorid (GeCl4) in einem rotierenden Quarzrohr bei 1.500–1.900 °C oxidiert werden, wodurch aufeinanderfolgende Schichten aus dotiertem und undotiertem Glasruß abgeschieden werden. Outside Vapour Deposition (OVD) und Vapor Axial Deposition (VAD) sind alternative Verfahren, die von verschiedenen Herstellern eingesetzt werden, um höhere Abscheidungsraten und größere Vorformgrößen zu erzielen.

Faserzeichnung

Der Vorformling wird vertikal in einen Ziehofen eingeführt, wo seine Spitze auf etwa 2.000 °C erhitzt wird – knapp unter dem Erweichungspunkt von Kieselsäure – und eine dünne Faser mit einer Geschwindigkeit von 10–25 Metern pro Sekunde nach unten gezogen wird. Wenn die Faser den Ofen verlässt und abkühlt, durchläuft sie UV-Härtungskammern, in denen die zweischichtige Acrylatbeschichtung aufgetragen und ausgehärtet wird, und gelangt dann auf eine Aufwickeltrommel. Der gesamte Prozess von der Spitze des Vorformlings bis zur beschichteten Faser findet in einer genau kontrollierten Atmosphäre statt, um Oberflächenverunreinigungen zu verhindern, die die Faserfestigkeit verringern würden. Die Zugfestigkeit der gezogenen Faser wird kontinuierlich online bei Belastungen von 1 % Dehnung (ca. 0,7 GPa) geprüft, um eine minimale Bruchfestigkeit im fertigen Kabel zu gewährleisten.

Häufig gestellte Fragen zu Glasfaserkabelmaterialien

F1: Besteht das Glasfaserkabel aus Glas oder Kunststoff?

Die meisten Glasfaserkabel für Telekommunikation und Datennetzwerke bestehen aus einem Kern und einer Ummantelung aus Quarzglas. Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) gibt es und verwenden einen Kern aus PMMA oder perfluoriertem Polymer, machen jedoch nur einen kleinen Teil der weltweit installierten Fasern aus – hauptsächlich in Automobil-, Dekorations- und Nahbereichssensoranwendungen. Wenn man im Zusammenhang mit Netzwerk- oder Internetinfrastruktur von „Glasfaserkabel“ spricht, meint man fast immer Quarzglasfasern mit Glaskern.

F2: Warum wird für Glasfaserkabel Quarzglas anstelle anderer Materialien verwendet?

Quarzglas wird verwendet, weil es bei den in der Telekommunikation verwendeten Wellenlängen (1310 nm und 1550 nm) die geringste optische Dämpfung aller Materialien erreicht. Seine Dämpfung von 0,18–0,20 dB/km ermöglicht es Signalen, 40 km oder mehr ohne Verstärkung zu übertragen. Kein anderes festes transparentes Material kommt bei diesen Wellenlängen an diese Leistung heran. Silizium weist zudem eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf, ist nicht hygroskopisch, lässt sich zu extrem gleichmäßigen Fasern ziehen und seine optischen Eigenschaften sind nach jahrzehntelanger Forschung und kommerzieller Produktion gut verstanden.

F3: Was befindet sich im Schutzmantel eines Glasfaserkabels?

Im Außenmantel eines typischen Bündelader-Glasfaserkabels für den Außenbereich befinden sich: ein zentraler Festigkeitsstab aus FRP oder Stahl, mehrere farbcodierte PBT-Pufferschläuche (jeder enthält 6–12 farbcodierte optische Fasern in wasserblockierendem Gel oder umgeben von SAP-Band), Aramidfasergarn oder zusätzliche Verstärkungselemente aus Stahldraht, die um das Röhrenbündel gewickelt sind, und in gepanzerten Versionen ein gewelltes Stahlband zwischen dem Röhrenbündel und dem Außenmantel. Innen-Tight-Buffer-Kabel haben einen einfacheren Aufbau: Jede Faser verfügt über eine 900 Mikrometer dicke PVDF- oder Nylon-Tight-Buffer-Schicht direkt über der 250-Mikrometer-Beschichtung, mit Verstärkungselementen aus Aramidgarn unter dem Außenmantel.

F4: Wie rein ist das Glas in einem Glasfaserkabel?

Das Quarzglas in einem Telekommunikations-Glasfaserkabel gehört zu den reinsten Materialien, die kommerziell hergestellt werden. Der Gesamtgehalt an metallischen Verunreinigungen liegt bei Übergangsmetallen wie Eisen, Kupfer und Chrom unter 1 Teil pro Milliarde (ppb) – Elementen, die Licht bei Telekommunikationswellenlängen absorbieren und die Dämpfung drastisch erhöhen würden. Dieser Reinheitsgrad von über 99,9999 % SiO2 wird durch das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren erreicht, bei dem das Glas aus hochreinen gasförmigen Vorläufern (SiCl4 mit einer Reinheit von mehr als 99,9999 %) und nicht aus natürlichem Quarz hergestellt wird, der unvermeidbare Spurenelementverunreinigungen enthält.

F5: Können Glasfaserkabel den Wetterbedingungen im Freien standhalten?

Ja, für den Außenbereich geeignete Glasfaserkabel sind speziell darauf ausgelegt, 20 bis 25 Jahre lang UV-Strahlung, Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Windbelastung und in einigen Fällen Nagetieren oder Quetschungen standzuhalten. Schwarze HDPE-ummantelte Kabel enthalten Ruß (2–3 Gew.-%), der UV-Strahlung absorbiert und den Abbau der Polymerkette verhindert, der mit der Zeit zu Sprödigkeit und Rissbildung führen würde. Die gelgefüllte oder trockenblockierte Bündeladerkonstruktion verhindert, dass Feuchtigkeit in die Glasfaser gelangt, da Wassereintritt in Kombination mit mechanischer Beanspruchung die Ermüdung durch Spannungskorrosion in Quarzglas beschleunigt. An der Luft verlegte Kabel müssen außerdem Eisbelastungen und windbedingter Vibrationsermüdung standhalten – Anforderungen, die durch eine geeignete Kabeldurchhangkonstruktion und die Bemessung der Festigkeitselemente erfüllt werden.

F6: Was ist der Unterschied zwischen LSZH- und PVC-Mantelmaterialien?

PVC-Ummantelungen (Polyvinylchlorid) sind flammhemmend und kostengünstig, setzen jedoch beim Verbrennen Chlorwasserstoffgas (HCl) und dichten schwarzen Rauch frei – giftig und ätzend in engen Räumen wie Rechenzentren, Transittunneln oder bewohnten Gebäuden. LSZH-Ummantelungen (Low Smoke Zero Halogen) bestehen aus halogenfreien Polymeren (typischerweise Polyolefinverbindungen mit Flammschutzmitteln auf Mineralbasis wie Aluminiumtrihydrat), die bei Feuereinwirkung nur minimalen Rauch und keine Halogensäuregase erzeugen. Europäische Kabelnormen (EN 50575) und viele nationale Bauvorschriften verlangen mittlerweile LSZH-Kabel in öffentlichen Gebäuden, in der Verkehrsinfrastruktur und in dicht besiedelten Rechenzentrumsumgebungen. LSZH-Kabel kosten in der Regel 15–30 % mehr als gleichwertige PVC-ummantelte Kabel.

F7: Beeinflusst das Mantelmaterial des Glasfaserkabels die Signalübertragungsleistung?

Das Mantelmaterial selbst hat keinen direkten Einfluss auf die Lichtübertragung durch die Faser, da sich Licht nur innerhalb des Glaskerns und der Ummantelung ausbreitet. Das Mantelmaterial wirkt sich jedoch indirekt auf zwei Arten auf die optische Leistung aus: Erstens üben steifere Mantelmaterialien größere seitliche Kräfte auf das Faserbündel aus, was möglicherweise zu einer durch Mikrobiegungen verursachten Dämpfungserhöhung führt, wenn die Designs von Pufferrohren oder Faserbeschichtungen nicht optimiert werden. Zweitens können Mantelmaterialien mit schlechter Dimensionsstabilität bei extremen Temperaturen (insbesondere Materialien, die bei niedrigen Temperaturen erheblich schrumpfen) die Faser einer Druck- oder Zugspannung aussetzen, wenn das Kabeldesign keine ausreichende Zugentlastung bietet. Gut konzipierte Kabel mit Standardmantelmaterialien behalten ihre spezifizierte Dämpfungsleistung über den gesamten Nennbetriebstemperaturbereich bei.

Fazit: Warum die Materialauswahl die Leistung von Glasfaserkabeln bestimmt

Die Antwort auf Aus welchen Materialien bestehen Glasfaserkabel? offenbart ein ausgeklügeltes, schichtweises Konstruktionssystem, bei dem jedes Material mit Präzision ausgewählt wird: hochreines, mit Germanium dotiertes Siliziumoxid für einen Kern, der das Licht mit minimalem Verlust leitet, undotierte oder fluordotierte Siliziumoxidumhüllung, die die Totalreflexionsgrenze bildet, zweischichtige UV-gehärtete Acrylatbeschichtungen, die das Glas vor Mikrobiegung und Feuchtigkeit schützen, und eine äußere Kabelstruktur aus Aramid- oder FRP-Festigkeitselementen, PBT-Pufferschläuchen, wasserblockierenden SAP-Materialien, optional Stahl Panzerung und eine Mantelmischung, die auf den Brandschutz, die UV-Beständigkeit, den Temperaturbereich und die Umgebungsanforderungen des Einsatzes abgestimmt ist.

Jede Materialschicht spielt eine unersetzliche Rolle. Der Ausfall einer einzelnen Komponente – ein Membranriss in der Beschichtung, das Eindringen von Wasser durch eine beschädigte Ummantelung oder die Schädigung einer ungeschützten Außenhülle durch UV-Strahlung – kann die Leistung oder Lebensdauer einer gesamten Kabelverbindung beeinträchtigen. Für Netzwerkdesigner, Installateure und Beschaffungsingenieure, die die Materialien verstehen, aus denen sie bestehen Glasfaserkabels is the foundation for making correct specification decisions across the full range of telecom, data center, industrial, and specialty applications.