Wie verhält sich Licht in der Glasfaser? Brechung, Dämpfung, Dispersion

Kurz gesagt: Licht bleibt in einer Glasfaser, weil der Kern einen etwas höheren Brechungsindex hat als der Mantel darum. Unterwegs verliert es Leistung (Dämpfung, gemessen in dB pro Kilometer) und zerfließt zeitlich (Dispersion). Beides zusammen bestimmt, wie weit und wie schnell man Daten schicken kann — und erklärt, warum ein SFP+-Modul mit „SR“ auf Multimode und eines mit „LR“ auf Singlemode gehört.

Wer im Heimnetz zum ersten Mal Glasfaser verlegt, etwa zwischen Switch und Server oder vom Keller ins Arbeitszimmer, steht schnell vor Begriffen wie OM3, Singlemode, 850 nm oder G.657. Dieser Artikel erklärt die Physik dahinter so weit, dass die Datenblätter lesbar werden.

Warum das Licht im Kern bleibt #

Eine Glasfaser besteht aus einem dünnen Kern und einem Mantel aus Glas mit etwas niedrigerem Brechungsindex. Der Brechungsindex gibt an, wie stark ein Material Licht verlangsamt und an Grenzflächen ablenkt.

Trifft Licht aus dem dichteren Medium flach genug auf die Grenze zum dünneren, kommt es nicht mehr hinaus. Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel — gemessen gegen die Senkrechte — größer ist als ein kritischer Winkel, der sich aus dem Verhältnis der beiden Brechungsindizes ergibt; die Lichtführung in typischen Glasfasern lässt sich auf dieser Grundlage verstehenBelegt.

Daraus folgt der Akzeptanzwinkel: Nur Licht, das ungefähr in Faserrichtung eingekoppelt wird, bleibt gefangen. Das Maß dafür ist die numerische Apertur (NA). Für die verbreitete Singlemode-Faser SMF-28 nennt die RP Photonics Encyclopedia eine numerische Apertur von 0,14Belegt. Gerechnet: arcsin(0,14) ergibt rund 8 Grad. Schräger eingestrahltes Licht verlässt den Kern.

Das Bild vom hin und her springenden Lichtstrahl ist eine Vereinfachung. Bei sehr dünnen Kernen muss man Licht als Welle betrachten, die sich nur in bestimmten Mustern ausbreiten kann, den Moden. Wie viele Moden ein Kern führt, ist der eigentliche Unterschied zwischen den beiden Fasertypen.

Singlemode und Multimode #

Gängige Multimode-Fasern für die Datenübertragung haben einen Kern von 50 oder 62,5 µm bei einem Mantel von 125 µm und führen Hunderte von ModenBelegt. Die ITU-Empfehlung G.651.1 legt für ihre Multimode-Faser einen Kern von nominal 50 µm festBelegt.

Singlemode-Fasern führen nur einen Modus. Für Standard-Singlemode-Faser nach G.652.D nennt die ITU einen Modenfelddurchmesser von 8,6 bis 9,2 µm bei 1.310 nm und ebenfalls 125 µm ManteldurchmesserBelegt. Der Modenfelddurchmesser beschreibt, wie breit das Licht tatsächlich ist; er ist etwas größer als der Glaskern selbst. Außen sehen beide Fasertypen also gleich dick aus, der Unterschied liegt innen.

Warum das wichtig ist, zeigt sich bei der Dispersion weiter unten. Vorher die zweite Grundgröße.

Dämpfung: was dB/km bedeutet #

Glas ist sehr durchsichtig, aber nicht perfekt. Ein Teil des Lichts wird gestreut oder absorbiert. Man gibt das in Dezibel pro Kilometer an. Dezibel sind logarithmisch: 3 dB entsprechen ungefähr der halben Leistung, 10 dB einem Zehntel, 20 dB einem Hundertstel.

Wie stark die Dämpfung ist, hängt von der Wellenlänge ab. Deshalb arbeitet die Glasfasertechnik in bestimmten Fenstern:

Die Multimode-Werte stammen aus Tabelle 1 von G.651.1: höchstens 3,5 dB/km bei 850 nm und 1,0 dB/km bei 1.300 nmBelegt. G.652.D erlaubt höchstens 0,40 dB/km von 1.310 bis 1.625 nm und 0,30 dB/km zwischen 1.530 und 1.565 nm; als typischen Wert für verkettete Strecken nennt die Empfehlung 0,5 dB/km um 1.310 nm und 0,275 dB/km um 1.550 nmBelegt.

Zwei Details aus derselben Norm sind aufschlussreich. G.652.D setzt eine eigene Grenze bei 1.383 nm nach Wasserstoffalterung, und wer das Fenster bis 1.260 nm nach unten erweitert, soll 0,07 dB/km zusätzliche Rayleigh-Streuung einrechnenBelegt — kürzere Wellenlängen werden stärker gestreut. Und: Die Grenzwerte gelten nicht für kurze Patch-, Innen- und Hauszuführungskabel; für Innenkabel verweist die Norm auf 1,0 dB/km oder wenigerBelegt.

Eine Rechnung für eine Heimnetz-Strecke, keine Messung: 30 Meter Multimode bei 850 nm und dem Grenzwert von 3,5 dB/km ergeben 0,03 km × 3,5 dB/km ≈ 0,1 dB. Das ist ein Verlust von gut zwei Prozent. Auf Heimnetz-Distanzen spielt die Dämpfung der Faser selbst also kaum eine Rolle; relevant wird sie erst über Kilometer.

Dispersion: warum Pulse zerfließen #

Daten werden als kurze Lichtpulse übertragen. Dispersion heißt, dass ein Puls auf dem Weg breiter wird. Werden die Pulse so breit, dass sie sich überlappen, kann der Empfänger Einsen und Nullen nicht mehr trennen. Je höher die Datenrate, desto kürzer die Pulse und desto weniger Verschmierung verträgt die Strecke. Das ist der Grund, warum Reichweite und Datenrate immer zusammen genannt werden.

Modale Dispersion (nur Multimode) #

In einer Multimode-Faser hängt die Gruppengeschwindigkeit vom Modus ab; ein kurzer Puls kann sich in mehrere Pulse mit unterschiedlicher Ankunftszeit aufspalten. Fasern mit parabolischem Indexprofil (Gradientenindex) verringern den Effekt stark, Restunterschiede bleiben aberBelegt. Singlemode-Fasern haben diese intermodale Dispersion nicht, was sie für hohe Datenraten über lange Strecken geeignet machtBelegt.

Für Multimode gibt man deshalb ein Bandbreite-Längen-Produkt an. G.651.1 fordert mindestens 500 MHz·km bei 850 und 1.300 nm und nennt als Anwendung 1-Gbit/s-Ethernet über bis zu 550 MeterBelegt. Das Produkt bedeutet: Doppelte Länge, halbe nutzbare Bandbreite. Die Faserklassen OM1 bis OM5 geben an, wie viel modale Dispersion übrig bleibtBelegt.

Wie direkt das die Reichweite bestimmt, zeigt ein Datenblatt: Cisco gibt für sein 10GBASE-SR-Modul bei 850 nm auf 50-µm-Multimode 82 Meter mit OM2 (500 MHz·km), 300 Meter mit OM3 (2.000 MHz·km) und 400 Meter mit OM4 (4.700 MHz·km) anHerstellerangabe. Gleiche Optik, gleiche Datenrate — nur die Faser ist besser.

Chromatische Dispersion (beide Typen) #

Chromatische Dispersion ist die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Frequenz, also der Farbe des Lichts; ein Puls, der mehrere Frequenzen enthält, wird dadurch zeitlich längerBelegt. Auch ein Laser sendet nie exakt eine einzige Wellenlänge.

G.652.D legt die Nulldispersions-Wellenlänge zwischen 1.300 und 1.324 nm; bei 1.550 nm liegt der Dispersionskoeffizient zwischen 13,3 und 18,6 ps/(nm·km)Belegt. Die Einheit liest sich so: Pikosekunden Laufzeitunterschied je Nanometer spektraler Breite und je Kilometer.

Eine Rechnung mit angenommenen Werten, keine Messung: 17 ps/(nm·km) × 80 km × 0,1 nm Spektralbreite ergeben rund 136 ps. Bei 10 Gbit/s dauert ein Bit 100 ps — der Puls wäre also über mehr als ein Bit verschmiert. Bei 1.310 nm, nahe der Nulldispersion, fällt dieser Effekt dagegen klein aus. Dafür ist dort die Dämpfung höher als bei 1.550 nm. Deshalb gibt es beide Fenster: 1.310 nm für mittlere Strecken ohne großen Aufwand, 1.550 nm für lange Strecken mit Maßnahmen gegen die Dispersion.

Biegen: der unterschätzte Verlust #

Wird eine Faser zu eng gebogen, trifft das Licht an der Biegung steiler auf den Mantel, und ein Teil entweicht. G.652.D prüft die Biegeverluste mit 100 Windungen bei 30 mm Radius und begründet diesen Radius als den Mindestbiegeradius, der für langfristig verlegte Fasern verbreitet akzeptiert ist, um Materialermüdung zu vermeidenBelegt.

Für enge Hausinstallationen gibt es biegeunempfindliche Fasern. G.657 unterscheidet Kategorie A, voll kompatibel zu G.652.D, mit einem minimalen Designradius von 10 mm (A1) und 7,5 mm (A2), sowie Kategorie B für kurze Strecken unter 1.000 m in und an Gebäuden, bei B3 bis 5 mmBelegt. Das gilt für die Faser; wie eng sich ein fertiges Kabel mit Mantel verlegen lässt, steht im Datenblatt des Kabels.

Von der Datenleitung zur Rechen-Idee #

Dieselbe Faser ist auch eine sehr gleichmäßige Verzögerungsstrecke — und genau das nutzen Laborexperimente, in denen eine Faserspule als Gedächtnis eines photonischen Rechners dient. Das behandelt der Artikel Kann eine Glasfaser Teil eines Computers werden?. Wie Licht grundsätzlich Rechenaufgaben übernehmen kann, erklärt Kann Licht wirklich rechnen?, und wo sich Photonik unter den neuen Rechneransätzen einordnet, zeigt Was kommt nach CPU und GPU?.

Reality Check (Stand: September 2026) #

• Belegt: Lichtführung durch Brechungsindex-Unterschied, Kerngrößen, Dämpfungsgrenzwerte und Dispersionsparameter stehen in den ITU-Empfehlungen G.651.1, G.652 und G.657 und in der Fachliteratur.
• Herstellerangabe: konkrete Reichweiten von SFP+-Modulen je Faserklasse. Sie gelten für das genannte Modul und nicht automatisch für andere.
• Rechnungen: Akzeptanzwinkel, 30-Meter-Dämpfung und das Dispersionsbeispiel sind eigene Beispielrechnungen mit angenommenen Werten, keine Messungen.

Was heißt das fürs eigene Homelab? #

Hier bringt der Artikel tatsächlich etwas Praktisches:

• Modul und Faser müssen zusammenpassen. Laut Cisco-Datenblatt arbeitet 10GBASE-SR bei 850 nm auf Multimode-Faser, 10GBASE-LR bei 1.310 nm auf Singlemode-Faser nach G.652 mit bis zu 10 kmHerstellerangabe. Beide Enden einer Strecke brauchen denselben Typ. Die genauen Angaben stehen im Datenblatt des jeweiligen Moduls.
• Multimode genügt für kurze Strecken im Rack oder im Haus, sofern die Faserklasse zur Datenrate passt — wie das Beispiel oben zeigt, hängt die Reichweite bei SR stark an OM2, OM3 oder OM4.
• Singlemode ist die Wahl für längere Wege und für Strecken, die künftige Geschwindigkeiten tragen sollen, weil die modale Dispersion wegfällt.
• Dämpfung ist bei Heimnetz-Längen selten das Problem, enge Biegungen eher. In Kabelkanälen und hinter Patchpanels lohnt ein Blick auf den zulässigen Biegeradius, im Zweifel sind G.657-Fasern die robustere Wahl.

Einen eigenen Glasfaser-Test haben wir dazu noch nicht gemacht; die Zahlen hier sind Normwerte, Herstellerangaben und Rechnungen.