Data sneller door glasvezel of door koper?

Digitale bestanden vanaf het internet kun je via de glasvezelkabel of via koperen kabels – coax-kabels, telefoonkabels of netwerkkabels (‘twisted pair’) – binnenhalen. Eén bitje aan informatie gaat vrijwel net zo snel door koper als door glas, namelijk met twee-derde van de lichtsnelheid. Deze informatie wordt namelijk gedragen door elektromagnetische golven die zich met deze snelheid, zo’n 200.000 kilometer per seconde, door het koper of glas voortplanten. Dus in de snelheid zit geen verschil tussen koper of glas. Glasvezels kunnen echter wel meer bitjes aan informatie overbrengen dan koper, waardoor de maximale snelheid van data-overdracht, gemeten in bits per seconde, voor glas veel hoger is dan voor koper.

golven-door-glasvezel-vs-koperDe reden hierachter ligt in de frequentie van de dragende elektromagnetische golven. Waar glas transparant is voor zichtbaar licht met een frequentie van 1014 trillingen per seconde, is koper als het ware ‘transparant’ voor radiofrequente golven met een maximale frequentie van zo’n 109 trillingen per seconde. Elke trilling van deze dragende golven kan één bit aan informatie met zich meedragen, waardoor glasvezels maximaal 1014 bits informatie per seconde (100 Tbit/sec) kunnen overbrengen, en koperdraden maximaal 109 bits per seconde (1 Gbit/sec). Licht kan informatie dus met een veel grotere informatiedichtheid transporteren dan radiofrequente golven; de bitjes zitten als het ware veel dichter op elkaar gepakt, in de tijd gezien.

Huidige glasvezels zijn zo transparant dat er per kilometer glasvezel nauwelijks signaal verloren gaat. Het weinige verlies dat optreedt komt doordat onzuiverheden in het materiaal licht absorberen of doordat onregelmatigheden in de structuur licht verstrooien.

Bij datatransport door koper gaat er wel meer signaal verloren, zeker bij hogere frequenties. Hoe hoger de frequentie van elektromagnetische golven door een geleidende koperen draad, des te meer de dragende golven alleen aan het oppervlak van het materiaal lopen. Dit natuurkundige verschijnsel staat bekend als het ‘skin-effect’. Er blijft dus alleen ruimte nabij het buitenoppervlak van de koperdraad over om de dragende golven met hoge frequentie – en daardoor met hoge datadichtheid – te transporteren. En als het oppervlak van de koperdraad geen goede kwaliteit heeft – bijvoorbeeld door corrosie of oppervlaktescheurtjes – dan komt dit de kwaliteit van het signaal ook niet ten goede. Dragende golven met lage frequentie – en daardoor met lagere datadichtheid – blijven wel gewoon door de hele koperdraad lopen. Bij lage frequenties treedt het verlies aan signaal niet of veel minder op. Maar ja, daar is de data-overdrachtssnelheid dus ook lager. Dit verschijnsel – grotere verliezen bij hoge frequenties, en lage transportsnelheden bij lagere frequenties – beperkt de datatransportsnelheid in koper.

Allerlei kunstgrepen worden toegepast om deze beperkingen van koper als datatransporterend materiaal op te rekken. Zo maken netwerkkabels voor ‘Gigabit Ethernet’ gebruik van alle vier paren draden voor zowel informatie verzenden als ontvangen, terwijl in een netwerkkabel voor 10 of 100 Mbit/s de gegevens maar door twee paar gaan: één paar voor zenden en één paar voor ontvangen. Dit levert al een verhoging in datatransportsnelheid met een factor vier. Daarnaast worden wiskundige trucs gebruikt om de eentjes en nulletjes te comprimeren, waardoor een signaal uit meer dan één bit bestaat en een dragergolf per tijdseenheid meer digitale informatie kan dragen.

Een ander verschil: waar koperen kabels eenvoudig beïnvloed kunnen worden door radiosignalen van andere elektronische apparatuur – de zogenaamde elektromagnetische interferentie – heb je daarvan met glasvezelkabels geen last. In tegenstelling tot koper is de glasvezel namelijk gemaakt van een materiaal dat niet elektrisch geleidend is, waardoor de glasvezel niet werkt als een antenne die elektromagnetische signalen uit de buurt oppikt.

Dit is een onderdeel uit het boek ‘Kennismaken met materialen – materiaalkunde voor niet-materiaalkundigen’ dat Betase in 2016 heeft uitgebracht.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *