Lichtwellenleiter-Technik
1214
2020
978-3-8169-8520-4
978-3-8169-3520-9
expert verlag
Dieter Eberlein
Christina Manzke
Ralph Sattmann
Die Bundesregierung beschloss bis zum Jahre 2025 die Schaffung einer Gigabit-fähigen Infrastruktur. Das erfordert enorme Anstrengungen im Breitbandausbau der Fernnetze, aber auch bei der Realisierung größerer Übertragungsbandbreiten in der Fläche (vom Stadtnetz bis zum Teilnehmer).
Große Streckenlängen und hohe Datenraten können nur mit Lichtwellenleitern realisiert werden. Nur der Lichtwellenleiter ermöglicht eine Infrastruktur, die die Anforderungen der nächsten Jahrzehnte erfüllt.
Das Buch gibt eine Einführung in die Lichtwellenleiter-Technik. Der Stoff wird theoretisch fundiert aufbereitet, dann wird der Bogen gespannt bis hin zu konkreten praktischen Beispielen und Anwendungen. Der Leser kann den Stoff unmittelbar auf seine Problemstellungen anwenden.
Eine Vielzahl neuer Aspekte sind berücksichtigt, wie aktuelle Normen, neue Fasertypen, Fiber-to-the-Home/Building, Mehrkanalübertragung über MPO/MTP-Stecker, Planung unter Berücksichtigung von Dispersionseffekten, neue Aspekte bei der Faserherstellung, Trends der lösbaren und nichtlösbaren Verbindungstechnik sowie Trends bei der Entwicklung und beim Einsatz von Transceivern, aktualisierte Messvorschrift der Deutschen Telekom zur Messung an FTTH-Netzen.
<?page no="0"?> Lichtwellenleiter- Technik 12., überarbeitete und erweiterte Auflage DIETER EBERLEIN CHRISTINA MANZKE RALPH SATTMANN <?page no="1"?> Hohe Packungsdichte robust verpackt LWL-Datensteckverbinder der Serie M17 MPO Phoenix Contact präsentiert industrietaugliche MPO-Steckverbinder für die Echtzeitdatenübertragung in intelligenten Stromnetzen. Die robusten LWL-Schnittstellen zeichnen sich durch eine hochqualitative Faseroptik aus, die stabile Bandbreiten über lange Übertragungsstrecken gewährleistet. DC 06-19.000.L1 Mehr Informationen unter phoenixcontact.com/ m17mpo 63520_U2_U3.indd 1-2 63520_U2_U3.indd 1-2 16.11.2020 15: 58: 14 16.11.2020 15: 58: 14 <?page no="2"?> Lichtwellenleiter-Technik 63520_Eberlein_SL4.indd 1 63520_Eberlein_SL4.indd 1 12.11.2020 12: 55: 35 12.11.2020 12: 55: 35 <?page no="3"?> 63520_Eberlein_SL4.indd 2 63520_Eberlein_SL4.indd 2 12.11.2020 12: 55: 35 12.11.2020 12: 55: 35 <?page no="4"?> Dieter Eberlein, Christina Manzke, Ralph Sattmann Lichtwellenleiter-Technik 12., überarbeitete und erweiterte Auflage 63520_Eberlein_SL4.indd 3 63520_Eberlein_SL4.indd 3 12.11.2020 12: 55: 35 12.11.2020 12: 55: 35 <?page no="5"?> Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb.dnb.de abrufbar. © 2020 · expert verlag GmbH Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren oder Herausgeber übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Internet: www.expertverlag.de eMail: info@verlag.expert Printed in Germany ISBN 978-3-8169-3520-9 (Print) ISBN 978-3-8169-8520-4 (ePDF) ISBN 978-3-8169-0028-3 (ePub) 63520_Eberlein_SL4.indd 4 63520_Eberlein_SL4.indd 4 12.11.2020 12: 55: 35 12.11.2020 12: 55: 35 <?page no="6"?> Vorwort zur 12. Auflage Die Lichtwellenleiter-Technik spielt eine entscheidende Rolle in der Telekommunikation. Lichtwellenleiter werden genutzt zur Übertragung von Diensten mit hohen Datenraten sowohl über kurze als auch über lange Strecken. Cloud-basierte Anwendungen, Audio-Video-Dienste und Video-on-Demand führen zu einem unersättlichen Datenhunger. Die Nachfrage nach Lichtwellenleitern boomt. Neben Weitverkehrsanwendungen dringt die Faser zunehmend in die Fläche ein. Die Fasern enden immer dichter an den Wohnungen, Büros und Funkmasten. Ein 1 Gbit/ s bis zum Teilnehmer ist bereits Realität. Die Errichtung von 5G-Netzen erfordert einen engmaschigen Ausbau der LWL- Netze. Die Faser wird genutzt, um die Daten an den Antennen zu sammeln und zu verarbeiten. Der Lichtwellenleiter spielt auch eine große Rolle in Rechenzentren. Dort müssen zunehmend höhere Bandbreiten übertragen werden. Durch Wellenlängenmultiplex, moderne Modulationsverfahren, Polarisationsmultiplex und kohärente Empfänger können riesige Datenmengen über Lichtwellenleiter übertragen werden. 400 Gbit/ s-Systeme (pro Wellenlänge) sind angekündigt und werden getestet. Kommerziell verfügbare DWDM-Systeme ermöglichen eine Übertragungskapazität von 128 Wellenlängen á 100 Gbit/ s je Faser (12,8 Tbit/ s). In der überarbeiteten und erweiterten 12. Auflage wurde unter anderem folgende Aspekte berücksichtigt: • Trends bei der Entwicklung und beim Einsatz von Transceivern • aktualisierte Messvorschrift der Deutschen Telekom zur Messung an FTTH- Netzen • Aktualisierung der gültigen Normen Den Mitautoren dieses Buches gilt mein Dank für die kollegiale Zusammenarbeit. Bei Herrn Christoph Schmickler (Netze BW GmbH) bedanke ich mich für seine hilfreichen Hinweise, bei meiner Tochter Julia für die Bearbeitung der Zeichnungen. Dresden, August 2020 Dieter Eberlein 63520_Eberlein_SL4.indd 5 63520_Eberlein_SL4.indd 5 12.11.2020 12: 55: 36 12.11.2020 12: 55: 36 <?page no="7"?> Das Handwerker Paket tso GmbH Hermann-Köhler-Str. 13 58553 Halver T 02353/ 66987 - 0 info@tso-gmbh.de www.tso-gmbh.de 1 x MTS2000 Quad, VFL, SLM 1 x T-72C, WKS, FC-8, Akku, Krimppresse 1 x UN1CO Bag 1 x Video Kamera P-5000i 2 x Vorlauffaser Multimode OM3 50/ 125 100m SC/ SC 2 x Vorlauffaser Singlemode OS2 9/ 125 SC/ SC 300m 1 x Starter Werkzeugkit 1 x Starter Reinigungskit Diese Kombi ist unschlagbar! Mit dem High-End Spleißgerät, dem modularen OTDR und dem passenden Zubehör sind Sie für die Installation, Inbetriebnahme und Wartung von Glasfasernetzen bestens ausgestattet. 1 x MTS2000 Quad, VFL, SLM 1 x T-72C, WKS, FC-8, Akku, Krimppresse Hier kostenloses Angebot anfordern Im Paket enthalten*: *Auf Wunsch sind auch andere Ausstattungen möglich! 63520_Eberlein_SL4.indd 6 63520_Eberlein_SL4.indd 6 12.11.2020 12: 55: 36 12.11.2020 12: 55: 36 <?page no="8"?> Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 12. Auflage Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik……………..……………… 1 Dieter Eberlein, Ralph Sattmann (Abschnitt 1.2) 1.1 Physikalische Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik ……….………. 1 1.1.1 Prinzip der optischen Informationsübertragung ……………….…………. 2 1.1.2 Vor- und Nachteile der LWL-Übertragung .………………………..……… 3 1.1.3 Elektromagnetisches Spektrum……………………………..……………... 5 1.1.4 Signalausbreitung im Lichtwellenleiter …………………….……………… 6 1.1.5 Dämpfung im Lichtwellenleiter……………………………..………………. 10 1.1.5.1 Definition der Dämpfung ………………………………….………………… 10 1.1.5.2 Dämpfungseffekte im Lichtwellenleiter………………..…………………... 13 1.1.6 Zusammenfassung …………………………………….……………………. 16 1.2 Materialien und Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiter.................... 17 1.2.1 Quarzglas................................................................................................ 17 1.2.2 Herstellung von Quarzglas-Lichtwellenleitern ......................................... 19 1.2.2.1 Herstellung eines Kernstabes ................................................................. 19 1.2.2.2 Herstellung der Vorform .......................................................................... 23 1.2.2.3 Faserziehen ............................................................................................ 24 1.2.2.4 Verkabelung ............................................................................................ 26 1.3 Lichtwellenleiter-Typen und Dispersion …………….…………………….. 27 1.3.1 Stufenprofil-Lichtwellenleiter und Modendispersion ……..………………. 27 1.3.1.1 Strahlausbreitung im Stufenprofil-LWL…………………..………………... 27 1.3.1.2 Dispersion im Stufenprofil-LWL ………………………….………………… 28 1.3.1.3 Typen von Stufenprofil-LWL……………………………..…………………. 30 1.3.2 Gradientenprofil-Lichtwellenleiter und Profildispersion ……..…………… 32 1.3.2.1 Strahlausbreitung im Gradientenprofil-LWL ……………….……………... 32 1.3.2.2 Dispersion im Gradientenprofil-LWL………………………..……………... 34 1.3.2.3 Numerische Apertur im Gradientenprofil-LWL ………….………………... 34 1.3.2.4 Typen von Gradientenprofil-LWL………………………..…………………. 35 1.3.3 Vergrößerung Bandbreite-Längen-Produkt ………….…………………… 39 1.3.3.1 Parabelprofil-LWL mit optimiertem Brechzahlprofil …….………………... 39 1.3.3.2 Materialdispersion………………………………………..………………….. 39 1.3.4 Biegeunempfindlicher Multimode-LWL ................................................... 43 1.3.5 Standard-Singlemode-Lichtwellenleiter und chromatische Dispersion ... 44 1.3.5.1 Wellenausbreitung im Singlemode-LWL ………………………………..… 45 1.3.5.2 Dispersion im Singlemode-LWL ……………………………………….…... 46 1.3.5.3 Wellenleiter Dispersion ………………………………………………..……. 46 63520_Eberlein_SL4.indd 7 63520_Eberlein_SL4.indd 7 12.11.2020 12: 55: 36 12.11.2020 12: 55: 36 <?page no="9"?> viii Inhaltsverzeichnis 1.3.5.4 Chromatische Dispersion …………………………………………….…….. 47 1.3.5.5 Eigenschaften des Singlemode-LWL ……………………………….…….. 49 1.3.5.6 Parameter Standard-Singlemode-LWL ………………………….………... 51 1.3.6 Singlemode-LWL mit reduziertem Wasserpeak………………..………… 53 1.3.7 Dispersionsverschobener Singlemode-LWL ………………….………….. 54 1.3.8 Cut-off shifted Lichtwellenleiter………………………………..…………… 55 1.3.9 Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter ………………..…………… 55 1.3.10 NZDSF für erweiterten Wellenlängenbereich ………………..…………… 58 1.3.11 Lichtwellenleiter mit reduzierter Biegeempfindlichkeit …............……….. 59 1.3.11.1 Kategorie A …..........……………………………………………….………... 60 1.3.11.2 Kategorie B …..........…………………………………………….…………... 61 1.3.11.3 Praktische Aspekte ……………………………………………..…………… 62 1.3.12 Kategorien von Singlemode-LWL ........................................................... 63 1.3.13 Trends bei der Faserentwicklung ............................................................ 64 1.3.13.1 Weiterentwicklung des Standard-Singlemode-LWL................................ 64 1.3.13.2 Fasern mit reduziertem Coating-Durchmesser ....................................... 65 1.3.13.3 Fasern für Raummultiplex ....................................................................... 67 1.3.14 Polarisationsmodendispersion (PMD) ……………………….……………. 68 1.3.14.1 PMD-Effekt……………………………………………………..…………….. 69 1.3.14.2 PMD-Koeffizient …………………………………………….……………….. 73 1.3.14.3 Polarisationsmodendispersion optischer Bauelemente……..…………... 75 1.3.14.4 Auswahl der zu messenden Fasern ………………………………………. 75 1.3.14.5 PMD-Koeffizient langer Strecken ………………………………………….. 76 1.3.15 Alterung von Lichtwellenleitern …………………………………………….. 77 1.3.15.1 Materialeigenschaften ………………………………………………………. 77 1.3.15.2 Durchlauftest und Risswachstum ………………………………………….. 78 1.3.15.3 Statistische Beschreibung der Ausfallwahrscheinlichkeit……………….. 80 1.3.15.4 Richtlinien für zulässige Faserspannungen ………………………………. 81 1.3.15.5 Richtlinien für zulässigen Biegeradien……...........……………………….. 83 1.3.15.6 Effekte, die die Lebensdauer der Faser herabsetzen …………………… 85 1.3.15.7 Allgemeine Hinweise zur Faserhandhabung ……………………...……… 86 1.3.15.8 Faserhandhabung beim Spleißen …………………………………………. 87 1.3.16 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 88 1.4 Optoelektronische Bauelemente…………………………………………… 89 1.4.1 Elektrooptische Wechselwirkungen im Halbleiter………………………... 90 1.4.2 Lumineszenzdioden …………………………………………………………. 92 1.4.3 Laserdioden ………………………………………………………………….. 93 1.4.3.1 Arten von Laserdioden ……………………………………………………… 93 1.4.3.2 Kenngrößen und Eigenschaften von Laserdioden ………………………. 96 1.4.4 Empfängerdioden ……………………………………………………………. 100 1.4.4.1 PIN-Photodiode ……………………………………………………………… 100 1.4.4.2 Lawinen-Photodiode ………………………………………………………… 103 1.4.4.3 Wichtige Eigenschaften von Empfängerdioden ………………………….. 103 1.4.5 Transceiver ............................................................................................. 104 1.4.5.1 Übersicht Transceiver ............................................................................. 104 1.4.5.2 Gigabit Interface Converter (GBIC)......................................................... 104 1.4.5.3 Small Form Factor Pluggable (SFP) ....................................................... 104 1.4.5.4 Nomenklatur von Ethernet-Transceivern ................................................ 106 1.4.5.5 Reichweiten entsprechend Ethernet-Standard IEEE 802.3 .................... 106 63520_Eberlein_SL4.indd 8 63520_Eberlein_SL4.indd 8 12.11.2020 12: 55: 36 12.11.2020 12: 55: 36 <?page no="10"?> Inhaltsverzeichnis ix 1.4.5.6 Ausblick................................................................................................... 108 1.4.6 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 109 1.5 Literatur……………………………………………………………………….. 109 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern ……………….. 111 Dieter Eberlein 2.1 Allgemeine Eigenschaften....................................................................... 111 2.2 Koppelverluste zwischen Lichtwellenleitern ............................................ 112 2.2.1 Verluste zwischen Multimode-LWL ......................................................... 113 2.2.2 Verluste zwischen Singlemode-LWL....................................................... 114 2.3 Stirnflächenkontakt.................................................................................. 115 2.3.1 Stecker mit ebener Stirnfläche ................................................................ 115 2.3.2 Stecker mit physischem Kontakt ............................................................. 116 2.3.3 Schrägschliffstecker ................................................................................ 116 2.3.4 APC/ HRL-Stecker ................................................................................... 117 2.4 Verdrehsicherung .................................................................................... 118 2.5 Stift-Hülse-Prinzip ................................................................................... 118 2.6 Verringerung der Steckerdämpfung ........................................................ 120 2.6.1 Ablageverfahren...................................................................................... 121 2.6.2 Prägeverfahren ....................................................................................... 121 2.7 Dämpfungs- und Reflexionsklassen ....................................................... 123 2.8 Steckertypen ........................................................................................... 124 2.8.1 Farbmarkierungen................................................................................... 124 2.8.2 Herkömmliche Steckertypen ................................................................... 125 2.8.3 Small-Form-Factor-Stecker..................................................................... 127 2.8.4 Spezielle Steckerlösungen...................................................................... 128 2.9 Trends der lösbaren Verbindungstechnik ............................................... 130 2.9.1 Stecker für den Outdoorbereich .............................................................. 130 2.9.2 Erhöhung der Faserpackungsdichte ....................................................... 131 2.9.2.1 Datenübertragung in Rechenzentren ...................................................... 131 2.9.2.2 Mehrfaserstecker .................................................................................... 132 2.9.2.3 URM-Stecker........................................................................................... 133 2.9.2.4 CS-, SN- und MDC-Stecker .................................................................... 134 2.9.3 Stecker für die Leiterplattenkopplung...................................................... 135 2.9.4 Selbstreinigende Steckeroberflächen ..................................................... 136 2.10 Sorgfalt im Umgang mit Steckverbindern................................................ 137 2.10.1 Auswirkungen von Verschmutzungen..................................................... 137 2.10.2 Ursachen für Verunreinigungen .............................................................. 138 2.10.3 Steckerreinigung ..................................................................................... 139 2.10.4 Sichtprüfung an Steckerstirnflächen ....................................................... 143 2.11 Literatur……………………………………………………………………….. 146 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen ……………… 147 Christina Manzke 3.1 Einführung ……………………………………………………………………. 147 63520_Eberlein_SL4.indd 9 63520_Eberlein_SL4.indd 9 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="11"?> x Inhaltsverzeichnis 3.2 Fusionsspleißen ……………………………………………………………... 148 3.2.1 Einflussfaktoren ……………………………………………………………… 148 3.2.1.1 Intrinsische Faktoren ………………………………………………………... 149 3.2.1.2 Extrinsische Faktoren ……………………………………………………….. 150 3.2.2 Spleißvorbereitung…………………………………………………………... 150 3.2.2.1 Vorbereitung des Arbeitsplatzes…………………………………………… 150 3.2.2.2 Kabelvorbereitung …………………………………………………………… 151 3.2.2.3 Faservorbereitung …………………………………………………………… 152 3.2.3 Spleißen………………………………………………………………………. 158 3.2.3.1 Justage der Fasern ………………………………………………………….. 158 3.2.3.2 V-Nut-Geräte…………………………………………………………………. 159 3.2.3.3 3-Achsen-Geräte …………………………………………………………….. 160 3.2.3.4 Verschmelzen der Fasern…………………………………………………... 164 3.2.3.5 Selbstjustageeffekt ………………………………………………………….. 167 3.2.3.6 Becksche Linie ………………………………………………………………. 168 3.2.4 Bestimmen der Spleißdämpfung …………………………………………... 168 3.2.5 Zugfestigkeit………………………………………………………………….. 169 3.2.6 Spleiße mit hoher Festigkeit………………………………………………... 171 3.2.7 Schutz des Spleißes ………………………………………………………… 172 3.3 Spezielle Spleiße ……………………………………………………………. 174 3.3.1 Faserbändchen………………………………………………………………. 174 3.3.1.1 Vorbereiten der Faserbändchen …………………………………………… 176 3.3.1.2 Spleißen der Faserbändchen ………………………………………………. 177 3.3.1.3 Grenzwerte für die Spleißdämpfung ………………………………………. 177 3.3.1.4 Schutz des Spleißes ………………………………………………………… 178 3.3.1.5 Abschluss der Strecke………………………………………………………. 178 3.3.2 Spleißen unterschiedlicher Fasern ………………………………………… 178 3.3.2.1 Standard-Singlemode-LWL auf biegeoptimierte Lichtwellenleiter (BIF).. 178 3.3.2.2 Standard-Singlemode-LWL auf NZDS-LWL ……………………………… 181 3.3.2.3 Singlemode-LWL auf hochdotierte Spezialfasern………………………... 182 3.3.2.4 Singlemode-LWL auf Multimode-LWL …………………………………….. 184 3.3.3 Spleißen polarisationserhaltender Fasern …..…............………………... 185 3.4 Ausblick ………………………………………………………………………. 189 3.5 Literatur……………………………………………………………………….. 190 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik …………………………………………… 191 Dieter Eberlein 4.1 Allgemeine Hinweise ………………………………………………………... 191 4.2 Messung von Leistungen und Dämpfungen ……………………………… 193 4.2.1 Definierte Anregung des Multimode-LWL ....................................……… 193 4.2.2 Leistungsmessung …………………………………………………………... 194 4.2.3 Dämpfungsmessung ………………………………………………………… 196 4.2.3.1 Praktische Hinweise………………………………………………………….. 196 4.2.3.2 Auswertung der Messergebnisse ………………………………………….. 197 4.2.3.3 Normen zur Dämpfungsmessung ........................................................... 198 4.2.3.4 Dämpfungsmessungen an Steckern ………………………………………. 198 4.2.3.5 Dämpfungsmessungen an Leitungen ……………………………………... 199 63520_Eberlein_SL4.indd 10 63520_Eberlein_SL4.indd 10 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="12"?> Inhaltsverzeichnis xi 4.2.3.6 Hoch genaue Dämpfungsmessung......................................................... 202 4.2.3.7 Allgemeine Hinweise nach DIN ISO/ IEC 14763-3 ……………………….. 207 4.2.4 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 207 4.3 Optische Rückstreumessung ...................................…………………….. 208 4.3.1 Prinzip der Rückstreumessung …………………………………………….. 208 4.3.2 Rückstreukurve als Messergebnis ………………………………………… 210 4.3.3 Interpretation der Ereignistabelle ............................................................ 216 4.3.4 Gestreute und reflektierte Leistungen……………………………………... 218 4.3.4.1 Rayleighstreuung ……………………………………………………………. 219 4.3.4.2 Reflektierende Ereignisse…………………………………………………... 223 4.3.5 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 224 4.4 Analyse von Rückstreudiagrammen ………………………………………. 224 4.4.1 Interpretation der Rückstreukurve …………………………………………. 224 4.4.1.1 Längenmessung……………………………………………………………... 224 4.4.1.2 Dämpfungsmessung ………………………………………………………… 227 4.4.2 Auswertung problematischer Rückstreudiagramme……………………... 228 4.4.2.1 Prinzip der bidirektionalen Messung ………………………………………. 228 4.4.2.2 Vorteile der bidirektionalen Messung ……………………………………… 231 4.4.2.3 Änderung der Rückstreudämpfung an der Koppelstelle ………………… 232 4.4.2.4 Quasibidirektionalen Rückstreumessung................................................ 233 4.4.3 Kopplung von SM-LWL mit unterschiedlichen Modenfelddurchmessern 234 4.4.4 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 238 4.5 Interpretation der Messergebnisse ………………………………………… 238 4.5.1 Vergleich zwischen Dämpfungs- und Rückstreukurve ………………….. 238 4.5.2 Mittelung der Messergebnisse ……………………………………………... 240 4.5.3 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 241 4.6 Parameter und Definitionen ………………………………………………… 241 4.6.1 Dynamik ………………………………………………………………………. 241 4.6.2 Impulswiederholrate…………………………………………………………. 242 4.6.3 Impulslänge und Auflösungsvermögen …………………………………… 244 4.6.4 Totzonen ……………………………………………………………………… 246 4.6.5 Weitere Parameter…………………………………………………………... 247 4.6.6 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 248 4.7 Praktische Hinweise zur Rückstreumessung …………………………….. 248 4.7.1 Allgemeine Hinweise ………………………………………………………... 248 4.7.2 Vor- und Nachlaufprüfschnur……......……………………………………... 250 4.7.2.1 Vorteile………………………………………………………………………... 250 4.7.2.2 Einseitige Messung mit Vorlauf-LWL ……………………………………… 252 4.7.2.3 Beidseitige Messung mit Vor- und Nachlauf-LWL ……………………….. 252 4.7.3 Geisterreflexionen…..……………………………………………………….. 254 4.7.4 Auswertung und Dokumentation…………………………………………… 258 4.7.5 Fehlanpassungen……………………………………………………………. 258 4.7.5.1 Unterschiedliche LWL-Parameter …………………………………………. 258 4.7.5.2 Unterschiedliche Steckerstirnflächen ……………………………………… 259 4.7.5.3 Unterbrochener physischer Kontakt……………………………………….. 260 4.7.5.4 Gleiche Steckerstirnflächen ………………………………………………… 260 4.7.5.5 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 262 4.7.6 Kriterien zur Beurteilung der Qualität der installierten Strecke …………. 262 4.7.6.1 Allgemeine Hinweise Abnahmevorschriften ……………………………… 263 63520_Eberlein_SL4.indd 11 63520_Eberlein_SL4.indd 11 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="13"?> xii Inhaltsverzeichnis 4.7.6.2 Vorschlag Abnahmevorschrift Multimode-LWL …………………………... 264 4.7.6.3 Vorschlag Abnahmevorschrift Singlemode-LWL ………………………… 264 4.7.7 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 266 4.8 Reflexionsmessungen ………………………………………………………. 266 4.9 LWL-Überwachungssysteme ………………………………………………. 267 4.9.1 Dunkelfasermessung………………………………………………………... 268 4.9.2 Messung der aktiven Faser ………………………………………………… 268 4.10 Messungen an DWDM-Systemen…...…………………………………….. 269 4.10.1 Modifikation der herkömmlichen Messungen …………………………….. 269 4.10.2 Spektrale Messungen……………………………………………………….. 270 4.10.3 Dispersionsmessungen……………………………………………………... 270 4.10.4 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 271 4.11 Literatur……………………………………………………………………….. 271 5 Fiber-to-the-Home/ Building ................................................................. 272 Dieter Eberlein 5.1 Anforderungen an die Bandbreite………………………………………….. 272 5.2 Netzstrukturen ……………………………………………………………….. 274 5.2.1 Ethernet-Punkt-zu-Punkt (EP2P) ………………………………………….. 275 5.2.2 Punkt-zu-Multi-Punkt ………………………………………………………... 276 5.2.2.1 Aktives optisches Netz (AON)................................................................. 276 5.2.2.2 Passives optisches Netz (PON) .............................................................. 277 5.2.3 Vergleich der Varianten........................................................................... 281 5.3 Offene Infrastruktur .........................……………………………………….. 282 5.4 Wellenlängenbelegung bei FTTx…………………………………………... 282 5.5 Normen ……………………………………………………………………….. 283 5.5.1 Breitband-PON........................................................................................ 284 5.5.2 Gigabit-PON............................................................................................ 284 5.5.3 Gigabit-Ethernet-PON ............................................................................. 284 5.5.4 Next-Generation PON ............................................................................. 285 5.5.5 Downstream 10 Gbit/ s............................................................................. 285 5.5.6 TWDM-PON ............................................................................................ 286 5.5.7 Wellenlängenmultiplex-PON (P2P WDM-PON) ...................................... 287 5.5.8 Zusammenfassung FTTx-Varianten........................................................ 289 5.6 Passive Komponenten ............……………………………………………... 290 5.6.1 Steckverbinder……………………………………………………………….. 290 5.6.2 Lichtwellenleiter ……………………………………………………………… 290 5.6.3 Kabel für FTTx-Projekte....………………………………………………….. 291 5.6.4 Koppler ……………………………………………………………………….. 293 5.6.5 Ratgeber für Planung und Bau (DTAG) .................................................. 295 5.7 Aktive Komponenten ..………………………………………………………. 296 5.7.1 Sender..................................................................................................... 296 5.7.2 Empfänger............................................................................................... 298 5.7.3 Optische Verstärker ................................................................................ 298 5.8 Faserabschluss beim Teilnehmer …………………………………………. 299 5.8.1 Pigtail mit Fusionsspleißgerät anspleißen............................................... 299 5.8.2 Pigtail mit mechanischem Spleißgerät anspleißen ................................. 300 63520_Eberlein_SL4.indd 12 63520_Eberlein_SL4.indd 12 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="14"?> Inhaltsverzeichnis xiii 5.8.3 Stecker mit Fusionsspleißgerät anspleißen ............................................ 301 5.8.4 Stecker mit mechanischem Spleißgerät anspleißen ............................... 301 5.8.5 Verlegung vorkonfektionierter Kabel ....................................................... 301 5.9 Budgetplanung ........................................................................................ 302 5.10 Normung ................................................................................................. 304 5.11 Messungen an FTTH/ B-Netzen .............................................................. 304 5.11.1 Allgemeine Hinweise ............................................................................... 304 5.11.2 Empfehlungen der Deutschen Telekom.................................................. 305 5.12 Förderung durch den Bund ..................................................................... 306 5.13 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 306 5.14 Literatur ................................................................................................... 307 6 Optische Übertragungssysteme ………………………………………… 308 Dieter Eberlein 6.1 Planung von LWL-Strecken aus physikalischer Sicht................................308 6.1.1 Allgemeine Regeln …......................……………………………………….. 308 6.1.2 Planung des Dämpfungsbudgets….......................………………………. 309 6.1.3 Pegeldiagramm ………………………………...........……………………… 312 6.1.4 Dispersion in Lichtwellenleitern ………………….....……………………… 314 6.1.4.1 Chromatische Dispersion ….…………………………………………………….. 314 6.1.4.2 Dispersionstoleranz ….……………………………………………………… 317 6.1.4.3 Kompensation der chromatischen Dispersion .…………………………… 317 6.1.5 Systemplanung .........................……………………………………………. 319 6.1.6 Zusammenfassung…………………………………………………………... 320 6.2 Mehrkanalübertragung über MTP/ MPO-Stecker .................................... 321 6.2.1 Einsatzfälle ............................................................................................. 321 6.2.2 Mehrkanalübertragung ............................................................................ 322 6.2.3 Beschaltungsmöglichkeiten .................................................................... 325 6.2.4 Dämpfungsmessung an Mehrfaserkabeln .............................................. 327 6.3 Realisierung hoher Bandbreiten mit Multimode-LWL ............…………... 329 6.3.1 Von Ethernet zu 10-Gigabit-Ethernet……………………………………… 329 6.3.2 40/ 100-Gigabit-Ethernet…………………………………………………….. 330 6.3.3 Physikalische Begrenzungen ………………………………………………. 331 6.3.4 Bandbreiten-Definitionen .................................................……………….. 331 6.3.4.1 LED-Bandbreite ..........………………………………………………………. 332 6.3.4.2 EMB-Bandbreite ……………………………………………………………... 332 6.3.4.3 minEMBc-Bandbreite ……………………………………………………….. 333 6.3.5 Kategorien von Multimode-Lichtwellenleitern ….................……………... 334 6.3.6 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 334 6.4 Systeme mit Kunststoff-Lichtwellenleitern………………………………… 335 6.4.1 Eigenschaften von Kunststoff-Lichtwellenleitern…………………………. 335 6.4.2 Komponenten für Kunststoff-LWL-Systeme ……………………………… 336 6.4.3 Verbindungstechnik …………………………………………………………. 337 6.4.4 Passive optische Komponenten …………………………………………… 337 6.4.5 Einsatz von Kunststoff-Lichtwellenleitern …………………………………. 338 6.4.6 Weitere Entwicklungen ……………………………………………………… 338 6.4.7 Zusammenfassung ………………………………………………………….. 339 63520_Eberlein_SL4.indd 13 63520_Eberlein_SL4.indd 13 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="15"?> xiv Inhaltsverzeichnis 6.5 Optische Freiraumübertragung …………………………………………….. 339 6.5.1 Vergleich mit herkömmlichen Verfahren ………………………………….. 339 6.5.2 Einsatzfelder …………………………………………………………………. 341 6.5.3 Prinzip der optischen Freiraumübertragung ……………………………… 341 6.5.4 Besonderheiten der optischen Freiraumübertragung …………………… 343 6.5.5 Optische Freiraumübertragungssysteme …………………………………. 344 6.5.6 Budgetkalkulation.................................................................................... 345 6.5.7 Zusammenfassung und Ausblick …......................……………………….. 346 6.6 Literatur……………………………………………………………………….. 347 7 Anhang ………………………………………………………………………. 348 Dieter Eberlein 7.1 Abkürzungen …………………………………………………………………. 348 7.2 Formelzeichen und Maßeinheiten …………………………………………. 352 7.3 Fachbegriffe ………………………………………………………………….. 356 8 Stichwortverzeichnis ............................................................................ 369 9 Autorenverzeichnis .............................................................................. 376 63520_Eberlein_SL4.indd 14 63520_Eberlein_SL4.indd 14 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="16"?> 1 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik Dieter Eberlein, Ralph Sattmann (Abschnitt 1.2) Der Lichtwellenleiter (LWL) durchdringt alle Lebensbereiche und löst zunehmend den Kupferleiter ab: • Der Kunststoff-LWL (POF: Polymer Optical Fiber) dient der Kurzstreckenübertragung. Er wird millionenfach im PKW oder im Wohnbereich eingesetzt. • Der PCF-LWL (PCF: Polymer Cladded Fiber) wird vor allem im industriellen Bereich mit starken elektromagnetischen Störungen verwendet. • Herkömmliche Gradientenprofil-LWL dienen der Inhouse-Verkabelung bei geringen Anforderungen an die Bandbreite. • Gradientenprofil-LWL mit optimiertem Brechzahlprofil sind für die breitbandige Inhouse-Verkabelung geeignet (Gigabit-Ethernet, 10 Gigabit-Ethernet, 40 Gigabit- Ethernet, 100 Gigabit-Ethernet), speziell in Rechenzentren. • Mit Hilfe des Wellenlängenmultiplex (WDM: Wavelength Division Multiplex, CWDM: Coarse Wavelength Division Multiplex, DWDM: Dense Wavelength Division Multiplex) gelingt es, die Übertragungskapazität des Lichtwellenleiters zu vervielfachen und damit riesige Übertragungskapazitäten zu erreichen. • Weltweit hat FTTH (Fiber to the Home) bzw. FTTB (Fiber to the Building) eine sehr große Bedeutung erlangt. Privathaushalte erhalten über einen Lichtwellenleiter direkt breitbandige Dienste wie Sprache, Daten und Video. International werden derzeit 100 Mbit/ s als Standard-Zugangsrate betrachtet. 1 Gbit/ s-Netze sind mittlerweile verfügbar. • 5G erfordert massiven Ausbau der LWL-Netze. 1.1 Physikalische Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik In diesem Abschnitt beschreiben wir die physikalischen Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik. Ausgehend vom Prinzip der optischen Informationsübertragung werden die wesentlichen Bestandteile eines solchen Systems erläutert und die wichtigsten Vorteile gegenüber herkömmlichen Übertragungssystemen herausgestellt. Auch die Ursachen für die Begrenzung der Leistungsfähigkeit von LWL-Systemen werden erwähnt. Die Darstellung des elektromagnetischen Spektrums zeigt, wo der optische Bereich, der für die LWL-Übertragung genutzt wird, einzuordnen ist. Das Prinzip der Signalausbreitung im Multimode-LWL wird anhand der Totalreflexion veranschaulicht. Um diese zu gewährleisten, müssen bestimmte Anforderungen bei der Einkopplung des Lichts in den Lichtwellenleiter erfüllt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 1 63520_Eberlein_SL4.indd 1 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="17"?> 2 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 2 So ist innerhalb eines Akzeptanzkegels einzukoppeln. Die Einführung des Begriffes der numerischen Apertur des Lichtwellenleiters zeigt, wodurch dieser Akzeptanzkegel beeinflusst wird. Schließlich wird die Dämpfung im Lichtwellenleiter definiert, typische Dämpfungseffekte im Lichtwellenleiter erläutert und ihre Auswirkungen auf den spektralen Dämpfungsverlauf des Lichtwellenleiters gezeigt. 1.1.1 Prinzip der optischen Informationsübertragung Die optische Informationsübertragung ist mit Hilfe von Lichtwellenleitern oder über die Freiraumausbreitung möglich. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich im Wesentlichen auf den Lichtwellenleiter. Kurze Entfernungen können unter gewissen Bedingungen auch mit der optischen Freiraumübertragung überbrückt werden (Abschnitt 6.5). Ein elektrisches Signal moduliert in einem Sendemodul einen optischen Träger und erzeugt damit ein optisches Signal. Die Modulation kann analog oder digital erfolgen. Der Sender muss sehr kleine Abmessungen haben, um effektiv in den kleinen Kern des Lichtwellenleiters einkoppeln zu können. Darüber hinaus muss das Bauelement mit sehr hohen Datenraten (bis in den Gigabit-Bereich) modulierbar sein. Diese Anforderungen werden nicht von herkömmlichen Bauelementen (zum Beispiel Glühbirne) erfüllt. Es wurden optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Halbleitermaterialien entwickelt, die die genannten Kriterien erfüllen. Als Sender kommen Lumineszenzdioden oder Laserdioden zum Einsatz (Abschnitt 1.4.2 und 1.4.3). Das optische Signal der Senderdiode wird in den Lichtwellenleiter eingekoppelt. Es ist auf eine hohe Qualität der Einkopplung zu achten, um die Koppelverluste möglichst gering zu halten. Das Prinzip der optischen Informationsübertragung wird in Bild 1.1 dargestellt. Sender Empfänger Lichtwellenleiter Modulation Verstärkung digital analog Demodulation Lumineszenzdiode Laserdiode Photodiode - PIN - Lawinen Multimode-LWL - Stufenprofil - Gradientenprofil Singlemode-LWL Eingang Ausgang Sendemodul Empfängermodul Bild 1.1: Prinzip der optischen Informationsübertragung 63520_Eberlein_SL4.indd 2 63520_Eberlein_SL4.indd 2 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="18"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 3 3 Der Lichtwellenleiter kann für geringe Anforderungen ein Multimode-Stufenprofil- LWL, beispielsweise ein Kunststoff-LWL oder ein PCF (Polymer Cladding Fiber) sein. Für höhere Anforderungen kommt der Gradientenprofil-LWL zum Einsatz. Höchste Anforderungen bezüglich Dämpfung und Dispersion erfüllen Singlemode-LWL (vergleiche Abschnitt 1.3.5). Am Ende der Übertragungsstrecke wird das optische Signal mit Hilfe des Empfängers in ein elektrisches Signal gewandelt, gegebenenfalls verstärkt und demoduliert. Die optisch-elektrische Wandlung übernimmt eine PINbzw. Lawinen-Photodiode (vergleiche Abschnitt 1.4.4). Das Übertragungssystem kann dämpfungsbegrenzt oder dispersionsbegrenzt sein. Dämpfungsbegrenzung heißt, dass die maximal realisierbare Streckenlänge durch die Dämpfung im System begrenzt wird. Genauer gesagt: Die am Empfänger ankommende Leistung darf einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, damit das Signal noch fehlerfrei oder mit einer noch zulässigen Fehlerrate detektiert werden kann. Die Dämpfungsbegrenzung wird nicht nur durch eine zu hohe Streckendämpfung verursacht, auch die Höhe der eingekoppelten Leistung und die Empfindlichkeit des Empfängers spielen eine wichtige Rolle. Dispersionsbegrenzung heißt, dass die maximal realisierbare Streckenlänge durch die Dispersion im System begrenzt wird. Dispersion verursacht eine Impulsverbreiterung während der Ausbreitung entlang des Lichtwellenleiters (vergleiche Bild 1.17). Die Auswahl der geeigneten Komponenten (Typ des Senders, Lichtwellenleiters und Empfängers) wird durch die jeweiligen Anforderungen an das Übertragungssystem bestimmt. Dabei ist es sinnlos, einen hohen Aufwand zur Reduktion der Dämpfung zu treiben, wenn das System dispersionsbegrenzt ist und umgekehrt. Bei der Erfüllung der beiden Forderungen sollte man optimieren (Abschnitt 6.1). 1.1.2 Vor- und Nachteile der LWL-Übertragung LWL-Übertragungssysteme haben im Vergleich zu konventionellen, also auf Kupferkabeln basierenden Systemen eine Reihe gravierender Vorteile. Mit elektrischen Multiplexverfahren werden heute 2,5 Gbit/ s-, 10 Gbit/ s-, 40 Gbit/ s- oder 100 Gbit/ s-Signale erzeugt. Mit optischen Multiplexverfahren (Wellenlängenmultiplex) können diese Signale erneut gebündelt werden, so dass bereits Übertragungskapazitäten von mehr als 10 Tbit/ s auf einem einzigen Lichtwellenleiter realisiert werden konnten. Die theoretische Bandbreite des Koaxialkabels liegt bei 1 GHz, die des Lichtwellenleiters bei 50 THz. Das entspricht einem Faktor 50.000! Deshalb ist der Lichtwellenleiter das Übertragungsmedium der Zukunft! Die geringen Verluste des Lichtwellenleiters ermöglichen eine optische Übertragung über mehr als 100 km. In Verbindung mit optischen Verstärkern ist es möglich, mehrere 1000 km über einen Lichtwellenleiter rein optisch zu übertragen. 63520_Eberlein_SL4.indd 3 63520_Eberlein_SL4.indd 3 12.11.2020 12: 55: 37 12.11.2020 12: 55: 37 <?page no="19"?> 4 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 4 Die Dämpfung des Lichtwellenleiters hängt im Gegensatz zum Kupferleiter nicht von der Bandbreite des übertragenen Signals ab. Hier zeigt der Lichtwellenleiter seine Überlegenheit vor allem im Teilnehmerbereich. Die Dämpfung des Kupferleiters steigt mit zunehmender Bandbreite an und ermöglicht nur Streckenlängen von wenigen hundert Metern. Da der Lichtwellenleiter ein Isolator ist, ermöglicht er eine Potenzialtrennung zwischen Sender und Empfänger. Es treten keine Potenzialausgleichsströme auf. Es besteht kein Zerstörungsrisiko der angeschlossenen Geräte bei Blitzeinschlägen. Aber auch in Systemen, die an Datenraten und Streckenlängen nur geringe Anforderungen stellen, wird der Kupferleiter zunehmend durch den Lichtwellenleiter ersetzt. Vor allem in Umgebungen mit starken Störstrahlungen (Kraftwerke, Produktionsbetriebe) kommt die Unempfindlichkeit des Lichtwellenleiters gegenüber elektrischer Störstrahlung vorteilhaft zur Geltung. Selbst im PKW wird der Kunststoff-LWL zur Vermeidung möglicher Störbeeinflussungen verwendet (Abschnitt 6.4). Die Tatsache, dass Lichtwellenleiter keine Signale abstrahlen, hat den Vorteil, dass LWL-Systeme prinzipiell abhörsicher sind. Bei hinreichend kleinen Leistungen (< (15…150) mW) ist ein Einsatz in explosionsgefährdeten Räumen möglich, da nicht die Gefahr der Funkenbildung besteht. Der Lichtwellenleiter hat ein geringes Gewicht und Volumen. Der Materialeinsatz ist minimal. Mit einem Gramm Glas kann etwa die gleiche Informationsmenge übertragen werden, wie mit zehn Kilogramm Kupfer! Unter dem Gesichtpunkt „Green-IT“ (Energie und Ressourcen sparen) ist das ein sehr wichtiger Aspekt. Die Nachteile der LWL-Technik ergeben sich aus den erhöhten technischen Anforderungen und einer aufwändigeren Messtechnik. Die Anforderungen ergeben sich aus den geringen Abmessungen des Lichtwellenleiters. Werden zwei Lichtwellenleiter miteinander verbunden, müssen die LWL-Kerne exakt zueinander positioniert werden. Wegen der sehr kleinen Kerndurchmesser (Multimode-LWL: Kerndurchmesser typisch 50 µm oder 62,5 µm; Singlemode-LWL: Kerndurchmesser typisch 8 µm) ist das eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an die lösbare Verbindungstechnik (Steckerkonfektionierung: Kapitel 2) bzw. an die nichtlösbare Verbindungstechnik (Spleißtechnik: Kapitel 3). Ein weiterer Nachteil ist, dass über LWL-Verkabelung keine Stromversorgung möglich ist. Eine zusätzliche Kupferverkabelung ist erforderlich. Das LWL-Kabel kann im Erdreich nicht geortet werden, sofern es kein Metall enthält. Die Komponenten sind teurer, da zusätzlich elektrisch-optische bzw. optischelektrische Wandler benötigt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 4 63520_Eberlein_SL4.indd 4 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="20"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 5 5 1.1.3 Elektromagnetisches Spektrum Das elektromagnetische Spektrum überstreicht hinsichtlich Frequenz bzw. Wellenlänge 24 Zehnerpotenzen, beginnend vom niederfrequenten Bereich über die Rundfunkwellen, die optische Strahlung, die Röntgen- und γ -Strahlung bis zu den hochenergetischen kosmischen Strahlen. In diesem riesigen Bereich nimmt das sichtbare Licht nur wenig Raum ein: Das ist der Wellenlängenbereich von 380 nm (violett) bis 780 nm (rot). Daran schließt sich zu kleineren Wellenlängen hin die ultraviolette Strahlung und zu größeren Wellenlängen hin die infrarote Strahlung an. nahes Infrarot sichtbares Licht Frequenz in Hz Wellenlänge im Vakuum in m 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 24 -15 22 -13 20 -11 18 -9 16 -7 14 -5 12 -3 10 -1 8 1 6 3 4 5 2 7 0 kosmische Strahlen 1 fm 1 pm 1 nm 1 km 1 m Röntgenstrahlen optische Strahlung Mikrowellen Zentimeter Dezimeter UKW KW MW LW NF Bereich optischer Strahlung 380 nm 400 nm violett 500 nm blaugrün 600 nm gelb orange gelbgrün rot dunkelrot 700 nm 780 nm 850 nm 1300 nm 1550 nm grün 1 m 100 nm 1 mm 10 m 100 m 380 nm 780 nm 1. optisches Fenster 2. optisches Fenster 3. optisches Fenster 4. optisches Fenster 1625 nm 1625 nm Bild 1.2: Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen 63520_Eberlein_SL4.indd 5 63520_Eberlein_SL4.indd 5 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="21"?> 6 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 6 Während die Übertragung mit Kunststoff-LWL vorzugsweise bei 570 nm bzw. 650 nm, also im sichtbaren Bereich erfolgt, liegen die Übertragungswellenlängen bei Anwendungen für die Telekommunikation bei 850 nm, 1300 nm, 1550 nm und 1625 nm/ 1650 nm, also im nahen Infrarotbereich und sind deshalb unsichtbar. Einen Überblick über das Spektrum der elektromagnetischen Wellen gibt Bild 1.2. Man beachte die logarithmische Darstellung der Frequenzbzw. Wellenlängenskala. Die jeweiligen Übertragungswellenlängen ergeben sich aus den (bei modernen Lichtwellenleitern allerdings kaum noch bemerkbaren) Dämpfungsminima der Lichtwellenleiter und werden optische Fenster des Lichtwellenleiters genannt. 1.1.4 Signalausbreitung im Lichtwellenleiter Der Lichtwellenleiter besteht aus einem Kern mit dem Durchmesser d K und einem Mantel mit dem Durchmesser d M (Bild 1.3). Der Durchmesser des Glasmantels beträgt bei Telekommunikationsfasern 125 µm. Unmittelbar nach dem Ziehen des Lichtwellenleiters wird eine zweistufige Schutzschicht auf den Mantel aufgebracht (Durchmesser 250 µm, neuerdings auch 200 µm (Abschnitt 1.3.13.2)). Diese so genannte Primärbeschichtung (Coating) soll das Eindringen von OH-Ionen in den Lichtwellenleiter verhindern, was zu einer Dämpfungserhöhung führen würde. Außerdem gewährleistet das Coating einen mechanischen Schutz. Die Faser lässt sich problemlos biegen. Ohne Schutzschicht ist die Faser spröde und bricht schnell. Bild 1.3: Struktur des Lichtwellenleiters Kern Mantel Coating (Schutzschicht) Bild 1.4: Aufbau der LWL-Faser Das Prinzip der Signalausbreitung im Stufenprofil-LWL beruht auf der Totalreflexion. Die Schutzschicht ist eine zweischichtig aufgebaute Kunststoffhülle, die die Festigkeit des Lichtwellenleiters verbessert, nach innen Mikrobiegungen verhindert und nach außen eine einfachere Handhabung ermöglicht. 63520_Eberlein_SL4.indd 6 63520_Eberlein_SL4.indd 6 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="22"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 7 7 Fällt ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium mit der Brechzahl n 1 und einem optisch dünneren Medium mit der Brechzahl n 2 , so wird dieser Strahl in Abhängigkeit von seinem Einfallswinkel gebrochen oder reflektiert (Bild 1.5). 1 1 2 2 3 3 2 1 n 2 n 1 Bild 1.5: Änderung der Strahlrichtung zwischen zwei Medien Dabei bedeutet optisch dichteres Medium eine höhere Brechzahl und optisch dünneres Medium eine geringere Brechzahl, also n 1 > n 2 . Unter dem Einfallswinkel versteht man den Winkel zwischen dem Lot auf die Grenzfläche und dem einfallenden Strahl. Der Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel α 1 und dem Austrittswinkel α 2 wird durch das Snelliussche Brechungsgesetz beschrieben: n 1 ∙ sin α 1 = n 2 ∙ sin α 2 (1.1) Da n 2 < n 1 ist, muss entsprechend Gleichung (1.1) α 2 > α 1 sein, der Strahl wird vom Lot weg gebrochen (Strahl 1 in Bild 1.5). Vergrößert man den Einfallswinkel (Strahl 2), wächst auch der Austrittswinkel. Mit α 2 = 90° ist der Grenzwinkel der Totalreflexion erreicht. Das ist der maximal mögliche Brechungswinkel. Für den Grenzwinkel der Totalreflexion folgt aus (1.1) mit sin90° = 1: α Grenz = 1 2 n n arcsin (1.2) Wird dieser Winkel überschritten, geht die Brechung in eine Totalreflexion über (Strahl 3). Dann gilt das normale Reflexionsgesetz. Das Licht tritt nicht mehr aus dem Medium mit der Brechzahl n 1 aus, sondern bleibt in ihm gefangen. 63520_Eberlein_SL4.indd 7 63520_Eberlein_SL4.indd 7 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="23"?> 8 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 8 Um das zu gewährleisten, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: • Ein Glas mit höherer Brechzahl muss von einem Glas mit geringerer Brechzahl umgeben sein. • Der Strahl muss auf die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien hinreichend flach auftreffen. Diese beiden Anforderungen wurden beim Entwurf des Lichtwellenleiters umgesetzt: Auf das optisch dichtere Kernmaterial mit der Brechzahl n 1 wird ein optisch dünnerer Mantel mit der Brechzahl n 2 aufgebracht (Bild 1.6). So ist die Brechzahl des Kerns stets höher als die des Mantels. Die höhere Kernbrechzahl erreicht man durch Dotierung des Quarzglases (SiO 2 ) mit Fremdatomen (meist GeO 2 ). Grenz Luft (n ) 0 Kern (n ) 1 Mantel (n ) 2 Grenz Bild 1.6: Totalreflexion im Stufenprofil-LWL Damit der Strahl hinreichend flach auf die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel trifft, das heißt, damit der Grenzwinkel der Totalreflexion im Lichtwellenleiter α Grenz nicht unterschritten wird, darf der Einfallswinkel θ Grenz (Akzeptanzwinkel) nicht überschritten werden. Durch nochmalige Anwendung des Brechungsgesetzes auf die Stirnfläche und unter Berücksichtigung der Winkelverhältnisse entsprechend Bild 1.6 gilt: − ° = θ 90 sin( n sin n 1 Grenz 0 α Grenz ) (1.3) Unter Berücksichtigung von n 0 = 1 (Luft) und Gleichung (1.2) ergibt sich: 22 2 1 2 1 22 1 1 2 1 Grenz 1 Grenz n n n n 1 arccos cos n n n arcsin cos n cos n sin − = − = = α = θ (1.4) Als numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters wird der Sinus des Grenzwinkels θ Grenz definiert. Sie ist ein Maß dafür, wie groß der maximale Einfallswinkel auf die Stirnfläche sein darf, damit das Licht im Lichtwellenleiter noch geführt wird. 22 2 1 Grenz n n sin NA − = θ = (1.5) 63520_Eberlein_SL4.indd 8 63520_Eberlein_SL4.indd 8 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="24"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 9 9 Strahlen, die unter einem zu großen Winkel auf die LWL-Stirnfläche auftreffen, werden im Lichtwellenleiter nicht total reflektiert, sondern in den Mantel hinein gebrochen. Das Licht gelangt zum Coating (dieses hat eine größere Brechzahl als der Mantel) und wird stark gedämpft. Um das zu vermeiden, muss das Licht innerhalb des so genannten Akzeptanzkegels eingekoppelt werden (Bild 1.7). Luft (n ) 0 Kern (n ) 1 Mantel (n ) 2 Grenz Akzeptanzkegel Bild 1.7: Akzeptanzkegel beim Multimode-LWL Erfolgt die Einkopplung mit einem Winkel, der kleiner als θ Grenz ist, wird das Licht an der Kern-Mantel-Grenze reflektiert, durchläuft den LWL-Kern, wird an der gegenüberliegenden Kern-Mantel-Grenze reflektiert und breitet sich so zickzackförmig durch den Lichtwellenleiter aus. Mit der Definition für die relative Brechzahldifferenz 1 2 1 2 1 22 2 1 n n n n 2 n n − ≈ − = ∆ (1.6) kann man die numerische Apertur auch folgendermaßen darstellen: ∆ = 2 n NA 1 (1.7) Die numerische Apertur ist eine entscheidende Größe bei der Einkopplung von Licht in den Lichtwellenleiter und bei Kopplung von Lichtwellenleitern miteinander. Sie wird durch die Unterschiede zwischen den Brechzahlen von Kern und Mantel beeinflusst. Das Prinzip der Totalreflexion, wie in Bild 1.6 dargestellt, funktioniert prinzipiell auch unter Verzicht auf den Glasmantel, da ja Luft eine deutlich kleinere Brechzahl ( ≈ 1) als das Kernglas hat und folglich die Funktion des Glasmantels übernehmen kann. Jede Berührung des Glases würde aber an dieser Stelle den Effekt zerstören und einen Lichtverlust verursachen. Außerdem wäre wegen des großen Brechzahlunterschiedes zwischen Kern und Luft die numerische Apertur und damit die Modendispersion sehr groß (vergleiche Abschnitt 1.3.1.2). 63520_Eberlein_SL4.indd 9 63520_Eberlein_SL4.indd 9 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="25"?> 10 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 10 1.1.5 Dämpfung im Lichtwellenleiter 1.1.5.1 Definition der Dämpfung Die in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Leistung P 0 fällt entlang des Lichtwellenleiters exponentiell ab: ) L ( ' a 0 e P ) L ( P − ⋅ = (1.8) Dabei ist a’ die Dämpfung als dimensionslose Größe (in Neper), P 0 die eingekoppelte Leistung (P 0 = P(L = 0)) und L die durchlaufene Länge des Lichtwellenleiters. Die Dämpfung ergibt sich aus einem Leistungsverhältnis. Gebräuchlich ist die Definition in Dezibel (dB): dB 10 ) L ( a 0 0 10 P ) L ( P ) L ( P P lg 10 dB / a − ⋅ = ⇔ = (1.9) Diese Darstellung unterscheidet sich von Gleichung (1.8). Gleichung (1.8) bezieht sich auf die Basis des natürlichen Logarithmus (e ≈ 2,7183…) und Gleichung (1.9) auf die Basis des dekadischen Logarithmus. Man beachte, ob die Dämpfung in Dezibel oder Neper angegeben wird, wobei heute Neper kaum noch gebräuchlich ist. Durch Vergleich zwischen (1.8) und (1.9) ergibt sich folgender Zusammenhang: Neper in ' a 34 , 4 e lg ' a 10 e lg 10 Dezibel in a ' a ⋅ = = = (1.10) Der Dämpfungskoeffizient oder Dämpfungsbelag α ist die auf die LWL-Länge bezogene Dämpfung und damit ein wichtiger Materialparameter. Ist dieser entlang des LWL konstant, so gilt: L a = α (1.11) Medium Dämpfungskoeffizient Abfall auf die Hälfte nach Fensterglas 25.000 dB/ km 0,00012 km LWL um 1966 1.000 dB/ km 0,003 km modernes optisches Glas 700 dB/ km 0,004 km dichter Nebel 500 dB/ km 0,006 km LWL um 1970 20 dB/ km 0,15 km MM-LWL, 850 nm 2,5 dB/ km 1,2 km MM-LWL, 1300 nm 0,7 dB/ km 4,3 km SM-LWL, 1310 nm 0,33 dB/ km 9,1 km SM-LWL, 1550 nm 0,20 dB/ km 15 km SM-LWL, 1625 nm 0,22 dB/ km 13,6 km Weltrekord SM-LWL, 1568 nm 0,151 dB/ km 19,9 km Tabelle 1.1: Beispiele für Dämpfungskoeffizienten 63520_Eberlein_SL4.indd 10 63520_Eberlein_SL4.indd 10 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="26"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 11 11 Die Maßeinheit ist analog zu oben dB/ km oder 1/ km, je nachdem, ob a oder a’ im Zähler steht. Die Umrechnung zwischen diesen beiden Angaben ist zu beachten! In Tabelle 1.1 wurden typische Dämpfungskoeffizienten verschiedener Materialien zusammengestellt. Während der Dämpfungskoeffizient von Fensterglas bei 25.000 dB/ km liegt (Abfall auf die Hälfte nach 12 cm), beträgt der beste Dämpfungskoeffizient des Lichtwellenleiters 0,151 dB/ km (Abfall auf die Hälfte nach 19,9 km). Dieser Wert ist mehr als fünf Größenordnungen geringer! Hieraus wird ersichtlich, welch große technologische Herausforderung es ist, ein derart reines Glas zu fertigen. Aus der Definition entsprechend Gleichung (1.9) ergeben sich folgende Zusammenhänge zwischen linearer und logarithmischer Darstellung: Beispiele: -30 dB = 1000 -20 dB = 100 -10 dB = 10 0 dB = 1 10 dB = 0,1 20 dB = 0,01 30 dB = 0,001 Aus den Beispielen ist zu erkennen, dass sich das Signal alle 10 dB um einen Faktor 10 verringert. Dämpfungen werden meist als positive dB-Werte und Verstärkungen als negative dB-Werte definiert. Neben den angegebenen Werten lassen sich auch Zwischenwerte ableiten. Dabei hilft folgender Zusammenhang: 10 ⋅ lg2 = 3,0103. Das heißt, ein Signalabfall auf die Hälfte (P 0 / P(L) = 2) entspricht etwa 3 dB. Eine nochmalige Halbierung entspricht 6 dB und so weiter: Beispiele: 3 dB ≈ 0,5 6 dB ≈ 0,25 9 dB ≈ 0,125 12 dB ≈ 0,0625 => 2 dB ≈ 0,625 15 dB ≈ 0,03125 => 5 dB ≈ 0,3125 Beträgt die Dämpfung 10 dB (also Abfall auf ein Zehntel) und man verdoppelt den Wert (also Abfall auf ein Fünftel), so sind 3 dB zu subtrahieren: Beispiele: 10 dB ≈ 0,1 7 dB ≈ 0,2 4 dB ≈ 0,4 1 dB ≈ 0,8 -2 dB ≈ 1,6 => 8 dB ≈ 0,16 Durch diese einfachen Überlegungen lassen sich plausible Näherungen für jeden einzelnen dB-Wert ableiten. 63520_Eberlein_SL4.indd 11 63520_Eberlein_SL4.indd 11 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="27"?> 12 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 12 Eine logarithmische Darstellung der Leistung ist sinnvoll, da diese viele Zehnerpotenzen überstreichen kann. Dabei wird die Leistung auf 1 mW bezogen. Das Ergebnis ist der Leistungspegel L oder einfach der Pegel. Dieser hat die Maßeinheit dBm: = 1mW P 10lg L/ dBm (1.12) Entsprechend dieser Definition gelten die folgenden Zusammenhänge zwischen Pegel und Leistung: 20 dBm = 100 mW 0 dBm = 1 mW -30 dBm = 1 µ W -60 dBm = 1 nW Gemäß der Definition nach Gleichung (1.12) haben Pegel kleiner als 1 mW negative und Pegel größer als 1 mW positive dBm-Werte. So wird es möglich, Leistungsverhältnisse als Differenzen darzustellen (ergibt sich aus den Logarithmusgesetzen) und auf einfache Weise die Dämpfung zu berechnen: dBm / L dBm / L dB / a 1 0 − = (1.13) Beispiel: Ein Sender hat eine Ausgangsleistung von P 0 = 0,5 mW (L 0 = -3 dBm), der Empfänger misst eine Leistung von P 1 = 0,188 mW (L 1 = -7,268 dBm). Zur Berechnung der Dämpfung aus den Leistungen in Milliwatt benötigt man Gleichung (1.9) und damit (wegen der Logarithmierung) einen Taschenrechner: a = 10lg(0,5 mW/ 0,188 mW) = 4,268 dB. Werden die Dämpfungen aus den Pegeln berechnet, reicht eine einfache Subtraktion entsprechend Gleichung (1.13) aus: a = -3 dBm - (-7,268 dBm) = 4,268 dB. In einem weiteren Schritt zur Vereinfachung kann bei vielen Messgeräten der Pegel bei der Referenzierung auf null gesetzt werden und das Ergebnis der Messung sind dann relative dB (bezogen auf die Referenzierung). Es wird direkt die Dämpfung der Strecke angezeigt. Am Leistungsmesser kann eingestellt werden, ob die Anzeige in Milliwatt (Leistung), dBm (Pegel) oder relativen dB erfolgen soll. Zusammenfassung und Beispiele: • Angabe Leistung P in mW (absoluter Wert) • Angabe Pegel L in dBm (relativer Wert; bezogen auf 1 mW) • Leistung > 1 mW: Pegel ist positiv; Beispiel: 2 mW entspricht ≈ 3 dBm • Leistung < 1 mW: Pegel ist negativ; Beispiel: 0,5 mW entspricht ≈ -3 dBm • 3 dB entspricht 0,5 (50 %) 63520_Eberlein_SL4.indd 12 63520_Eberlein_SL4.indd 12 12.11.2020 12: 55: 38 12.11.2020 12: 55: 38 <?page no="28"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 13 13 • -3 dB entspricht 2 (200 %) • 13 dB = 10 dB + 3 dB ≈ 0,1 ∙ 0,5 = 0,05 Beachte: 10 dBm + 3 dBm ≠ 13 dBm = 20 mW, sondern 10 dBm + 3 dBm = ( ) ( ) mW 13 mW 1 mW 20 lg 10 mW 1 mW 2 lg 10 mW 1 mW 10 lg 10 2 2 ≈ = + Vorsicht bei der Umrechnung zwischen Pegeln und Leistungen! 1.1.5.2 Dämpfungseffekte im Lichtwellenleiter Die LWL-Dämpfung begrenzt die Leistungsfähigkeit optischer Nachrichtenübertragungssysteme. Deshalb ist das Verständnis der Ursachen für die Dämpfung wichtig, um leistungsfähige Systeme zu entwickeln. Die Dämpfung wird durch Absorption, Streuung und Strahlungsverluste infolge Modenwandlung verursacht. Verunreinigungen durch Ionen der Metalle Cu, Fe, Ni, V, Cr, Mn können Absorptionen bei bestimmten Wellenlängen bewirken. Mit den heutigen technischen Möglichkeiten kann man hochreines Glas realisieren, so dass die Absorptionsverluste keine Rolle mehr spielen. Problematischer sind die Verunreinigungen durch Hydroxyl-Ionen, das heißt durch Wasser und dessen OH-Radikal. Dadurch steigt die Absorption vor allem bei folgenden Wellenlängen stark an: 0,945 µm, 1,24 µm und 1,383 µm. Da die so genannten Wasserpeaks eine endliche Breite besitzen, werden auch benachbarte Wellenlängenbereiche beeinflusst. Deshalb müssen die für die optische Übertragung genutzten Wellenlängen einen möglichst großen Abstand von diesen Dämpfungsmaxima haben. Daraus ergeben sich begrenzte Wellenlängenbereiche, die genutzt werden können, die optischen Fenster. Bei Fasern, die ab dem Jahr 2000 gefertigt wurden, sind die Wasserpeaks sehr klein (Low-Water-Peak-LWL) und ein großer Wellenlängenbereich wird nutzbar (Abschnitt 1.3.6). Außerdem bewirken Molekülschwingungen Eigenabsorptionen des LWL-Materials im ultravioletten und im längerwelligen Infrarotbereich. Letztere begrenzen den nutzbaren Wellenlängenbereich nach oben. Während die bisher behandelten Dämpfungseffekte infolge Absorption durch Verbesserung der Technologie zunehmend unterdrückt werden, kann man die Verluste durch Streueffekte mit technologischen Maßnahmen nur bis zu einer physikalisch bedingten Grenze reduzieren. Nichtlineare Streueffekte (Raman- oder Brillouinstreuung) können bei hohen Leistungen bzw. Leistungsdichten im Lichtwellenleiter auftreten (beispielsweise in Wellenlängenmultiplex-Systemen in Verbindung mit optischen Verstärkern) und sollen hier nicht weiter betrachtet werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 13 63520_Eberlein_SL4.indd 13 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="29"?> 14 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 14 Unvermeidbar ist jedoch die Rayleighstreuung, die durch Brechzahl- und Dichtefluktuationen im Glas hervorgerufen wird (vergleiche Kapitel 4). Sie wächst mit zunehmender Dotierung des Quarzglases mit Fremdatomen an, tritt jedoch auch im undotierten Quarzglas auf. Bemerkenswert ist die starke Wellenlängenabhängigkeit der Rayleighstreuung: Sie fällt mit der vierten Potenz der Wellenlänge ab. Da in einem guten Lichtwellenleiter die Dämpfung im Wesentlichen durch die Rayleighstreuung bewirkt wird, nimmt die Dämpfung des Lichtwellenleiters vom ersten (850 nm) bis zum vierten (1625 nm) optischen Fenster stark ab. Bild 1.8 zeigt den Dämpfungskoeffizient des Lichtwellenleiters als Funktion der Übertragungswellenlänge sowie die oben besprochenen dämpfungserhöhenden Effekte. Der Dämpfungskoeffizient wurde logarithmisch dargestellt. Dadurch wird die Rayleighstreu-Kurve eine Gerade. Deutlich sind die lokalen Minima für die optischen Fenster (850 nm = 0,85 µm, 1300 nm = 1,3 µm, 1550 nm = 1,55 µm) zu erkennen. Bild 1.8: Dämpfungskoeffizient eines Lichtwellenleiters mit Wasserpeak als Funktion der Wellenlänge und typische Dämpfungseffekte 63520_Eberlein_SL4.indd 14 63520_Eberlein_SL4.indd 14 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="30"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 15 15 Prinzipiell vermeidbar sind die Strahlungsverluste durch Modenwandlungsprozesse. Hier unterscheidet man Makro- und Mikrobiegeverluste. Makrobiegeverluste treten bei einer Biegung des Lichtwellenleiters mit einem über eine größere Länge (sehr viele Lichtwellenlängen) konstanten Biegeradius auf. Durch sorgfältige Verlegung und Installation sind zu enge Biegeradien vermeidbar. Die Dämpfungen durch Makrobiegungen sind im Singlemode-LWL besonders hoch. Sie wachsen mit zunehmender Übertragungswellenlänge an. Die gecoatete Faser darf einen Biegeradius von 30 mm nicht unterschreiten. Das wird durch geeignete Abmessungen der Spleißkassetten (Abschnitt 3.2.7) gewährleistet. Auch wenn Dämpfungen durch Makrobiegungen im Multimode-LWL erst bei geringeren Radien auftreten, darf auch dieser nicht in zu engen Radien abgelegt werden. Zu kleine Biegeradien (< 15 mm) können längerfristig zu Mikrorissen und damit zum Faserbruch führen (Abschnitt 1.3.15). Das bedeutet, dass der Multimode-LWL mit der gleichen Sorgfalt wie der Singlemode- LWL verlegt werden muss. Während man einen zu geringen Biegeradius beim Singlemode-LWL an einer erhöhten Dämpfung insbesondere bei Messung mit einer hohen Wellenlänge erkennt, ist dieser Installationsmangel beim Multimode-LWL oder beim biegeoptimierten Singlemode-LWL unter Umständen durch eine Messung nicht nachweisbar. Die Faser kann, vor allem in Verbindung mit Feuchtigkeit, noch nach Jahren brechen. Deshalb ist unbedingt auf die Einhaltung der zulässigen Biegeradien zu achten. Mikrobiegeverluste werden durch Biegungen verursacht, die sich entlang des Lichtwellenleiters periodisch oder statistisch verteilt, laufend ändern. Typische Biegeamplituden liegen bei 1 µ m. Sie können zum Beispiel durch die Rauhigkeit der Kunststoffhüllen (Adern) um den Lichtwellenleiter hervorgerufen werden, sind im Allgemeinen durch technologische Mängel im Herstellungsprozess der Fasern/ Kabel bedingt und durch die Installation nicht beeinflussbar. Meist wird heute die Technik zur Herstellung der Fasern/ Kabel so gut beherrscht, dass Mikrobiegeverluste keine Rolle mehr spielen. Die optischen Fenster des Lichtwellenleiters werden folgendermaßen genutzt: • erstes optisches Fenster: Multimode-LWL (850 nm) • zweites optisches Fenster: Multimode-LWL (1300 nm) Singlemode-LWL (1310 nm) • drittes optisches Fenster: Singlemode-LWL (1550 nm) • viertes optisches Fenster: Singlemode-LWL (1625 nm/ 1650 nm). Wegen der hohen Makrobiegeempfindlichkeit des Lichtwellenleiters bei dieser Wellenlänge nutzt man das vierte optische Fenster zur Faserüberwachung und zur OTDR- Messung, um Installationsmängel zu erkennen. Das erste optische Fenster wird ausschließlich vom Multimode-LWL und das dritte bzw. vierte optische Fenster ausschließlich vom Singlemode-LWL genutzt. 63520_Eberlein_SL4.indd 15 63520_Eberlein_SL4.indd 15 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="31"?> 16 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 16 Im zweiten optischen Fenster erfolgt die Übertragung sowohl über Multimodeals auch Singlemode-LWL. Zur Kennzeichnung der Fasern/ Kabel und Komponenten wurde vereinbart, dass die Angabe „1300 nm“ sich stets auf Multimode- Anwendungen und die Angabe „1310 nm“ auf Singlemode-Anwendungen bezieht. Die tatsächliche Wellenlänge des Senders kann von diesen Nennwerten abweichen. Das Grobe Wellenlängenmultiplex (CWDM: Kapitel 7) nutzt auch den Wellenlängenbereich zwischen dem zweiten und dritten optischen Fenster (1271 nm, 1291 nm,..., 1611 nm). Das Anwachsen des Dämpfungskoeffizienten infolge der OH- Absorptionen stört. Durch Modifikation des Herstellungsprozesses gelingt es, diesen Effekt zu vermeiden und den OH-Peak zwischen dem zweiten und dritten optischen Fenster stark zu unterdrücken (Low-Water-Peak-LWL: Abschnitt 1.3.6). 1.1.6 Zusammenfassung Die optische Nachrichtenübertragung wird realisiert durch die Wandlung eines elektrischen in ein optisches Signal mittels einer Lumineszenzdiode oder einer Laserdiode, durch Übertragung des optischen Signals über einen Lichtwellenleiter oder durch den freien Raum und eine abschließende optisch-elektrische Wandlung mit einer PIN- oder Lawinen-Photodiode. Die Auswahl der Komponenten wird durch die jeweiligen Anforderungen an das System insbesondere bezüglich der Datenrate und der Streckenlänge festgelegt. Die Vorteile der LWL-Technik ergeben sich aus den hohen übertragbaren Datenraten, den großen überbrückbaren Streckenlängen und der Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störstrahlungen. Die Nachteile sind im Wesentlichen durch eine schwierigere Handhabbarkeit des Lichtwellenleiters im Vergleich zum Kupferleiter bedingt. Die Verbindungstechnik ist aufwändiger. Das elektromagnetische Spektrum umfasst einen Frequenzbzw. Wellenlängenbereich von 24 Zehnerpotenzen. Die optische Nachrichtenübertragung nutzt davon nur einen sehr kleinen Anteil, das nahe Infrarot und den Bereich des sichtbaren Lichts. Das Prinzip der Signalausbreitung im Multimode-LWL beruht auf der Totalreflexion. Die Parameter Kerndurchmesser und numerische Apertur beeinflussen die einkoppelbare Leistung in den Lichtwellenleiter und seine Übertragungseigenschaften. Die Dämpfung ist ein Maß für die Verminderung der optischen Signalleistung im Lichtwellenleiter. Der Dämpfungskoeffizient ergibt sich aus der Dämpfung, bezogen auf die Länge des Lichtwellenleiters. Der Dämpfungskoeffizient des Lichtwellenleiters hängt stark von der Wellenlänge ab. Prinzipiell unvermeidbar ist die Dämpfung durch Rayleighstreuung. Absorptions- und Mikrobiegeverluste lassen sich bei Beherrschung des Herstellungsprozesses stark reduzieren. Makrobiegeverluste sind durch sorgfältige Verlegung des Lichtwellenleiters vermeidbar. 63520_Eberlein_SL4.indd 16 63520_Eberlein_SL4.indd 16 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="32"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 17 17 1.2 Materialien und Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiter Lichtwellenleiter (LWL) werden heute für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Entsprechend vielfältig sind ihre Designs und verwendeten Materialien. Dabei lassen sich zwei Anwendungsbereiche unterscheiden, je nach Ziel der Lichtübertragung: • Fasern für die Übertragung von Energie oder Leistung • Fasern für die Übertragung von Daten / Information Die Übertragung von Energie steht beispielsweise bei den folgenden Anwendungen von Lichtwellenleitern im Vordergrund: Beleuchtungszwecke, Übertragung von Laserstrahlung für die Materialbearbeitung, Übertragung von Strahlung für die Spektroskopie. Die Vielfalt an LWL-Typen, die für diese Fälle eingesetzt werden, reicht von Kunststoff-LWL bis zu Lichtwellenleitern aus Quarzglas oder Spezialglas. Für die Übertragung von Daten werden ebenfalls unterschiedliche Designs und Materialien eingesetzt, je nach konkretem Anwendungsfall. So kommen für kurze Übertragungsstrecken zum Beispiel innerhalb einer Maschine oder eines Fahrzeugs auch Leiter aus Kunststoff oder Mischgläsern zum Einsatz. Für die Datenübertragung im Bereich Telekommunikation und Internet geht es aber um längere Strecken. Hierfür werden ausschließlich Leiter aus Quarzglas eingesetzt. Solche Lichtwellenleiter stehen im Fokus dieses Buches. Im Folgenden werden ihre Materialien und Herstellungsverfahren erläutert. 1.2.1 Quarzglas Ideales Quarzglas besteht nur aus zwei Elementen: Silizium und Sauerstoff, chemisch SiO 2 . In der Natur kommt SiO 2 häufig kristallin vor, z. B. als Quarzsand. Quarz bzw. Bergkristall sind große SiO 2 -Kristalle. Im Unterschied zu der regelmäßigen Anordnung der Si- und O-Atome im Kristall sind die SiO 2 -Gruppen im Glas amorph, also unregelmäßig angeordnet. Deswegen unterscheiden sich viele Eigenschaften von Quarzglas vom Kristall. Quarzglas kann durch Umschmelzen von Quarzsand oder zerkleinerten Bergkristallen erzeugt werden. Solches „natürliches“ Quarzglas weist allerdings Verunreinigungen auf, die bei einigen anspruchsvollen Anwendungen stören. Quarzglas kann auch „synthetisch“ erzeugt werden: durch die Verwendung hochreiner Ausgangsstoffe ist es möglich, Quarzglas mit Verunreinigungen im ppb-Bereich (10 -9 ) herzustellen. Synthetisches Quarzglas wird z. B. für besonders hochwertige Linsen verwendet und ist auch das Standardmaterial der Lichtwellenleiter für die Telekommunikation. Seinen Einsatz als Grundmaterial von Lichtwellenleitern verdankt Quarzglas einigen außergewöhnlichen Eigenschaften. Hohe Transparenz Zur Datenübertragung über längere Strecken muss der Lichtwellenleiter eine geringe Dämpfung aufweisen. Synthetisches Quarzglas hat eine außerordentlich hohe 63520_Eberlein_SL4.indd 17 63520_Eberlein_SL4.indd 17 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="33"?> 18 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 18 Transmission über einen großen Spektralbereich, deutlich höher als gewöhnliche Mischgläser. Im Jahr 1966 hat Charles Kao diese außergewöhnlich hohe Transmission vorhergesagt und zur Anwendung für die Datenübertragung vorgeschlagen, wofür er 2009 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Hohe Reinheit Synthetisches Quarzglas gehört zu den industriell hergestellten Materialien mit der höchsten chemischen Reinheit. Dies ist nicht nur eine Voraussetzung für die hohe Transmission, sondern auch für die Anforderung, kilometerlange Fasern herstellen zu können, ohne dass Verunreinigungen die Faser brechen lassen. Der Anteil aller metallischen Verunreinigungen liegt dabei deutlich unterhalb 1 ppm (10 -6 ). Gute Verarbeitbarkeit Aufgrund seiner Reinheit, Homogenität und thermomechanischen Eigenschaften lassen sich aus Quarzglas sehr lange Fasern mit genau eingestellter Geometrie herstellen. Darüber hinaus weist Quarzglas eine Reihe weiterer Besonderheiten auf (zum Beispiel eine hohe Erweichungstemperatur, chemische Beständigkeit, geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten), die aber für die Anwendung in Lichtwellenleitern eine untergeordnete Rolle spielen. Eine Grundtechnologie zur Herstellung von synthetischem Quarzglas ist die Umsetzung von SiCl 4 oder anderen gasförmigen Si-Trägerstoffen in einer Knallgasflamme (H 2 -O 2 -Flamme) zu SiO 2 gemäß folgender Reaktion: HCl 4 SiO O H 2 SiCl 2 Energie 2 4 + → + Die Reaktion kann auch ohne Wasserstoff erfolgen, wenn die Reaktionsenergie anderweitig zugeführt wird. Bei geeigneter Wahl der Prozessparameter bilden sich SiO 2 -Nanopartikel - "pyrogene Kieselsäure", auch Ruß- oder Sootpartikel genannt -, die auf einem Substrat abgeschieden werden können. Der aus den Nanopartikeln gebildete "Sootkörper" ist porös und erscheint aufgrund der Lichtstreuung in den Nanopartikeln weiß wie Kreide. Der Sootkörper wird in einem Ofen thermisch und mit Gasen gereinigt. Meistens wird eine Heißbehandlung (ca. 800 °C bis 1100 °C) mit Chlorgas angewendet (häufig als Zumischung zu Helium für eine bessere Wärmeübertragung), um Restspuren metallischer Verunreinigungen und Hydroxyl-(OH-)Gruppen, die in bestimmten Wellenlängenbereichen die Transmission verringern, zu entfernen. Anschließend wird der gereinigte Sootkörper bei einer Temperatur von 1400 °C bis 1600 °C zu einem transparenten Glaskörper gesintert. Wie in Abschnitt 1.1.4 beschrieben, basiert die Lichtleitung auf Totalreflexion wegen unterschiedlicher Brechzahlen von Faserkern und Mantel. In Quarzglas lässt sich die 63520_Eberlein_SL4.indd 18 63520_Eberlein_SL4.indd 18 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="34"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 19 19 Brechzahl durch Dotierung mit bestimmten Elementen einstellen: einige Elemente wie Germanium (Ge) erhöhen die Brechzahl, während andere wie Fluor (F) die Brechzahl absenken, vgl. Bild 1.9. Der Kern eines Standard-Singlemode-LWL ist mit ca. 4 mol-% GeO 2 dotiert. Im Folgenden werden die Verfahren zur Herstellung genauer dargestellt. 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 Dotierung [mol-%] Brechzahl n TiO 2 Al 2 O 3 GeO 2 P 2 O 5 F 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 Dotierung [mol-%] Brechzahl n TiO 2 Al 2 O 3 GeO 2 P 2 O 5 F Bild 1.9: Brechungsindex von Quarzglas in Abhängigkeit von wichtigen Dotierstoffen und deren Konzentration. 1.2.2 Herstellung von Quarzglas-Lichtwellenleitern Dieser Abschnitt beschreibt die Herstellung von Singlemode und Multimode-LWL aus synthetischem Quarzglas für die Telekommunikation. Jährlich werden einige hundert Millionen Kilometer solcher Glasfasern (davon ca. 99% Singlemode-LWL) hergestellt, im Jahre 2018 zum Beispiel ca. 600 Millionen Kilometer. Diese Länge entspricht etwa dem 14.000-fachen Erdumfang oder dem dreifachen Abstand Erde - Sonne! Die Herstellung der Quarzglas-Lichtwellenleiter lässt sich in drei wesentliche Schritte unterteilen: 1. Herstellung eines "Kernstabs" 2. Aufbringung des Mantelglases zur Herstellung einer "Vorform" 3. Ziehen der Faser aus der Vorform 1.2.2.1 Herstellung eines Kernstabs Der Kernstab umfasst das Kernmaterial und einen kleinen (inneren) Teil des Mantelmaterials. Ein Kernstab für Singlemode-LWL hat typischerweise 30 mm bis 50 mm Durchmesser und eine Länge von 1 m bis 3 m. 63520_Eberlein_SL4.indd 19 63520_Eberlein_SL4.indd 19 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="35"?> 20 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 20 Für die Herstellung des Kernstabs werden drei verschiedene Technologien angewendet: a) Outside Vapor Deposition (OVD) b) Vapor Axial Deposition (VAD) c) Chemical Vapor Deposition (CVD) Outside Vapor Deposition (OVD) Beim OVD-Verfahren (Bild 1.10) wird mit dem im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Prozess aus SiCl 4 ein Sootkörper auf einem rotierenden und oszillierenden Trägerstab z. B. einem Keramikstab aufgebaut. Dabei wird der Flamme anfänglich auch GeCl 4 zugeführt, um die Brechzahlerhöhung im Kern zu erzielen. Nachdem noch eine gewisse Schicht Mantelmaterial (also ohne GeCl 4 ) aufgebracht wurde, wird der Aufbauprozess beendet und der Trägerstab aus dem Sootkörper gezogen. Danach wird der Sootkörper in einem vertikalen Ofen chloriert und gesintert. Der nun transparente Glaskörper wird zuletzt auf einer Glasdrehbank zu einem Kernstab umgeformt: durch gleichzeitiges Erweichen z. B. in einem Elektro-Ofen und Anlegen eines Unterdrucks an die Bohrung schrumpft der Körper zu einem Stab, der üblicherweise noch auf einen kleineren Enddurchmesser gestreckt wird. Bild 1.10: Herstellung eines Kernstabs mit dem OVD-Verfahren Oben links: Herstellung des Sootkörpers oben rechts: sintern des Sootkörpers zum Glaskörper unten: kollabieren des Glaskörpers zum Stab und Streckung zum Kernstab. 63520_Eberlein_SL4.indd 20 63520_Eberlein_SL4.indd 20 12.11.2020 12: 55: 39 12.11.2020 12: 55: 39 <?page no="36"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 21 21 Mit dem OVD-Verfahren lassen sich Kernstäbe für Singlemode- und Multimode- Fasern herstellen. Vapor Axial Deposition (VAD) Beim VAD-Verfahren (Bild 1.11) erfolgt die Soot-Abscheidung aus zwei Brennern, die auf das Ende eines sich drehenden Glasstabes gerichtet sind. Einem Brenner wird zur Brechzahlerhöhung neben SiCl 4 auch GeCl 4 zugeführt, während der zweite Brenner nur undotiertes SiO 2 für den inneren Mantelbereich abscheidet. Entsprechend des Wachstums des Sootkörpers wird der Glasstab mit dem Sootkörper langsam nach oben gezogen. Chlorierung und Verglasung erfolgen wie beim OVD- Verfahren. Das VAD-Verfahren besitzt gegenüber OVD den Vorteil, dass der verglaste Körper kein zentrales Loch aufweist, das verschlossen werden muss und dabei anfällig für Verunreinigungen ist. Andererseits können mit VAD keine exakten oder komplexen Brechzahlprofile hergestellt werden, da der Aufbau nicht in vielen dünnen, chemisch gezielt einstellbaren Schichten erfolgt. Daher lassen sich mit VAD nur Kernstäbe für Standard-Singlemode-, aber nicht für Multimode-Fasern herstellen. Bild 1.11: Herstellung eines Kernstabs mit dem VAD-Verfahren. Links: Herstellung des Sootkörpers; rechts: sintern des Sootkörpers. Chemical Vapor Deposition (CVD) Bei den CVD-Verfahren (Bild 1.12) erfolgt die Abscheidung des Soots auf der Innenoberfläche eines Substratrohres aus synthetischem Quarzglas. Dazu werden die Gase durch das rotierende Quarzrohr geleitet, das lokal zum Beispiel mit einer Knallgasflamme, einem elektrischen Ofen oder einem induktiv gekoppelten Plasma geheizt wird. 63520_Eberlein_SL4.indd 21 63520_Eberlein_SL4.indd 21 12.11.2020 12: 55: 40 12.11.2020 12: 55: 40 <?page no="37"?> 22 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 22 In der heißen Zone erfolgt die Umwandlung der Gase zu SiO 2 -Sootpartikeln, die sich hinter der heißen Zone auf der Innenwand abscheiden. Die Heizquelle wird langsam das Rohr entlang in Richtung der Gasströmung und damit über die neu abgeschiedenen Partikel geführt, wobei diese verglast werden. Da beim CVD-Verfahren zuerst die Schichten für den (inneren) Mantelbereich aufgebracht werden, wird erst in der späteren Phase GeCl 4 für den Kernbereich zugeführt. Je nach Heizquelle unterscheidet man MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition, die Energiezufuhr erfolgt mit einer Knallgasflamme), FCVD (Furnace Chemical Vapor Deposition, Energiezufuhr mit Elektro-Ofen) und PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition, die Energie wird mit einem mikrowelleninduzierten Plasma zugeführt). Nach Abschluss der Schichtaufbringung wird die Gaszuführung abgestellt. Stattdessen wird ein Unterdruck angelegt und das beschichtete Rohr zu einem Kernstab kollabiert. Aufgrund der schichtweisen Abscheidung mit sehr genau einstellbarer Dotierung jeder Schicht eignen sich die CVD-Verfahren besonders für die Herstellung von Multimode-Fasern. Bild 1.12: Herstellung eines Kernstabs mit dem MCVD-Verfahren: Oben links: Abscheidung der Quarzglas-Schichten für inneren Mantel und Kern oben rechts: kollabieren zum Kernstab unten: Sootbildung, Abscheidung und Schichtbildung. 63520_Eberlein_SL4.indd 22 63520_Eberlein_SL4.indd 22 12.11.2020 12: 55: 40 12.11.2020 12: 55: 40 <?page no="38"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 23 23 1.2.2.2 Herstellung der Vorform Wie im letzten Kapitel beschrieben, beinhaltet der Kernstab in der Regel noch einen Teil vom Mantelmaterial. Dies ist notwendig, da insbesondere bei Singlemode- Fasern die Lichtmoden nicht nur im Kern verlaufen, sondern noch etwas in das Mantelmaterial hineinreichen, wie es durch den Modenfelddurchmesser (vgl. Abschnitt 1.3.5) beschrieben ist. Daher sind die Reinheitsanforderungen an den inneren Mantelbereich besonders hoch. Für die Aufbringung des äußeren Mantelbereichs hingegen den zweiten wesentlichen Prozessschritt können etwas günstigere Prozesse angewendet werden. Hierbei sind drei Technologien großtechnisch im Einsatz: a) Outside Vapor Deposition (OVD) b) Advanced Plasma Vapor Deposition (APVD) c) Rod-In-Tube (RIT) und Rod-In-Cylinder (RIC) Outside Vapor Deposition (OVD) Das Mantelglas kann mit dem im letzten Kapitel bereits beschriebenen OVD-Prozess direkt auf den Kernstab aufgebracht werden. Für eine höhere Soot-Abscheiderate werden dabei meist mehrere Brenner eingesetzt, die entweder im Block entlang des Kernstabs verfahren werden oder jeweils einzelne Bereiche beschichten. Auch hier erfolgt nach der Soot-Abscheidung eine Chlorierung, bevor der Soot auf den Kernstab gesintert wird, womit die fertige Vorform entsteht. Advanced Plasma Vapor Deposition (APVD) Beim APVD-Verfahren wird der horizontal rotierende Kernstab mit einer Plasma- Flamme lokal erhitzt. In die Flamme wird Quarzglas-Körnung eingerieselt, die auf den Kernstab aufgeschmolzen wird. Dabei wird in der Regel Körnung aus gereinigtem, natürlichem Quarzsand verwendet. Rod-In-Tube (RIT), Rod-In-Cylinder (RIC) Bei diesen Verfahren wird das Mantelglas nicht direkt auf dem Kernstab abgeschieden, sondern in Form eines Quarzglas-Rohres bereitgestellt (Bild 1.13). Dabei ist es üblich, bei Durchmessern bis ca. 100 mm von Rohren (englisch "Tube") und bei größeren Durchmessern bis ca. 230 mm von (Hohl-) Zylindern (englisch "Cylinder") zu sprechen. Der Kernstab wird in das Rohr oder den Zylinder eingeführt (daher RIT bzw. RIC). Dann werden Kernstab und Rohr miteinander verschmolzen, zumeist in einem vertikalen Prozess mit einem elektrischen Ofen als Heizquelle. Durch gezielte Streckung von Kernstab und Überfangzylinder beim Verschmelzen lassen sich Vorformen beliebiger Durchmesser herstellen. Das Verschmelzen kann auch direkt beim Faserzug erfolgen, wodurch ein Prozessschritt eingespart wird. 63520_Eberlein_SL4.indd 23 63520_Eberlein_SL4.indd 23 12.11.2020 12: 55: 40 12.11.2020 12: 55: 40 <?page no="39"?> 24 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 24 Da es möglich ist, zwischen Kernstab und äußerem Hohlzylinder dotierte Zwischenrohre mit erhöhter oder erniedrigter Brechzahl anzuordnen, lassen sich mit dem RIC- Verfahren auf einfache Weise auch Fasern mit komplexen Brechzahlprofilen herstellen, wie sie zum Beispiel für biegeunempfindliche Fasern nach dem ITU G.657- Standard erforderlich sind (Abschnitt 1.3.11). Bild 1.13: RIC-Verfahren. Links: Online-RIC zum Ziehen von Fasern; rechts: Offline- RIC zur Herstellung von Vorformen. Nachdem das Mantelmaterial vollständig auf den Kernstab aufgebracht wurde, liegt eine fertige Vorform vor. Abmessungen von Vorformen liegen im Bereich von ca. 50 mm Durchmesser und 1 m Länge für Multimode-Fasern und bis über 200 mm Durchmesser und 3 m Länge für Singlemode-Fasern (RIC-Technik). Aus Vorformen dieser Größe lassen sich über 7000 km Fasern abziehen! 1.2.2.3 Faserziehen Das Faserziehen als dritter und letzter Schritt der Faserherstellung erfolgt auf einem Faserziehturm (Bild 1.14). Dieser umfasst von oben nach unten folgende Komponenten: • Eine Vorrichtung zur Aufhängung und langsamen Zuführung der Vorform nach unten in den Faserziehofen. • Einen elektrisch geheizten Faserziehofen. Im Ofen wird die Vorform auf eine Temperatur von ca. 2000 °C aufgeheizt und erweicht, um die Quarzglasfaser abzuziehen. • Direkt unterhalb des Ziehofens können Vorrichtungen wie geheizte Rohre angebracht sein, um die Faser länger heiß zu halten, da damit die Dämpfung der Faser verringert werden kann. • Üblicherweise erfolgt dann unterhalb der Heizstrecke eine aktive Kühlung der Quarzglasfaser, zum Beispiel unter Einsatz von Helium als Kühlmittel. • Die Faser durchläuft sodann Düsen, in denen ein Acrylat das für Standard- Telekom-Fasern übliche Schutzschichtmaterial („Coating“) aufgebracht wird. 63520_Eberlein_SL4.indd 24 63520_Eberlein_SL4.indd 24 12.11.2020 12: 55: 40 12.11.2020 12: 55: 40 <?page no="40"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 25 25 • Im weiteren Verlauf wird die Acrylat-Schutzschicht mit UV-Licht ausgehärtet. In der Vergangenheit wurden dazu mikrowellenangeregte UV-Lampen eingesetzt, die mittlerweile aber zunehmend von UV-LED-Systemen abgelöst werden. • Die somit geschützte und damit mechanisch beanspruchbare Faser wird dann am unteren Ende des Ziehturms umgelenkt und aufgespult. • Entlang des Ziehturms sind zudem verschiedene Messgeräte installiert, insbesondere zur Messung und Regelung des Durchmessers der "nackten" Quarzglas- Faser und der beschichteten Faser. Bild 1.14: Ziehturm mit typischen Komponenten zum Ziehen von Singlemode-Fasern. Singlemode-Fasern werden auf Ziehtürmen von über 30 m Höhe und mit Geschwindigkeiten von 2000 m/ min bis 3000 m/ min gezogen. Die in der Vorform vorliegenden geometrischen Verhältnisse von Kern und Mantel und das Brechzahlprofil bleiben beim Ziehen trotz der großen Änderung des Außendurchmessers erhalten. Für Stan- Vorformaufhängung Vorform Ziehofen Durchmesser - Messung Heizstrecke Kühlstrecke Düse für Coating UV - Lampen Durchmesser - Messung Umlenkung Spule 63520_Eberlein_SL4.indd 25 63520_Eberlein_SL4.indd 25 12.11.2020 12: 55: 41 12.11.2020 12: 55: 41 <?page no="41"?> 26 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 26 dard-Telekom-Fasern sind folgende Abmessungen Standard: Durchmesser der Quarzglasfaser 125 µm, Durchmesser mit Coating 245 µm...250 µm. Dabei hat sich ein zweischichtiges Coating bewährt: die innere Schicht ist weich und bettet die Quarzglasfaser schonend ein, die äußere Schicht ist härter und schützt die Faser mechanisch. Um kleinere Kabeldurchmesser (oder eine höhere Anzahl Fasern bei gleichem Kabeldurchmesser) zu ermöglichen, werden heute auch zunehmend Fasern mit 200 µm Coating eingesetzt. Da bei dünnerem Coating aber die Dämpfung bei Biegung und mechanischer Belastung steigen kann, werden für diese 200 µm-Fasern überwiegend biegeunempfindliche Fasern der Norm ITU-T G.657.A1 oder A2 eingesetzt (Abschnitt 1.3.11). Nach dem eigentlichen Faserzug folgen weitere Schritte: • Überprüfung der Zugfestigkeit in einem "Prooftest". Dabei wird die Faser unter einer definierten Kraft umgespult und dadurch kurzzeitig gestreckt. Die übliche Festigkeitsprüfung fordert eine Kraft von 100 KPSI (Kilopound force per square inch; vergleiche Abschnitt 1.3.15), wobei die Faser um ca. 1% gestreckt wird. Wenn die Faser dabei nicht reißt, kann davon ausgegangen werden, dass sie auch im verlegten Kabel eine angestrebte Lebensdauer von 25 Jahren und mehr erreicht, solange keine besonderen Belastungen auftreten. • Falls die Faser nicht direkt beim Ziehen mit einem farbigen Coating versehen wurde, werden sie im Nachgang zur Kennzeichnung eingefärbt. • Deuterium-Behandlung der Fasern. Dabei werden die Fasern eine bestimmte Zeit in Deuterium-Gas (D 2 ) gelagert. Das Deuterium besetzt Störstellen im SiO 2 - Netzwerk, die ansonsten im Laufe der Zeit von Wasserstoffatomen besetzt werden würden, unter Bildung von Hydroxyl-(OH)-Gruppen. Wie bereits beschrieben, liegen OH-Absorptionsbanden nahe der verwendeten Übertragungswellenlängen. Durch die Deuterium-Behandlung wird die Bildung von OH-Absorptionsbanden verhindert. • Umspulen der gezogenen Fasern auf handelsübliche Spulen von ca. 50 km Faserlänge. • Überprüfung und Bestimmung der wichtigsten Qualitätsmerkmale wie insbesondere Dämpfung. Üblicherweise wird jede Faserspule einzeln gemessen und mit Zertifikat ausgeliefert. • Eventuell werden mehrere Fasern (typischerweise 4, 8 oder 12) mit einer Acrylat- Schicht zu "Bändchen" (englisch "Ribbon") verschmolzen. Dies ermöglicht ein gleichzeitiges „Spleißen“ aller Fasern eines Bändchens und kompakte Kabel mit vielen Fasern (Kapitel 3). 1.2.2.4 Verkabelung Damit sind die Lichtwellenleiter bereit für die Verkabelung. Die Vielfalt an Kabeln ist dabei groß. Beispiele sind: • Kabel mit nur einer oder wenigen Fasern werden z. B. für Verbindungen innerhalb von Rechenzentren oder den Anschluss von Einfamilienhäusern verwendet. • Unterseekabel mit typisch 8 bis 24 Fasern sind durch Stahlseile und Metallmäntel besonders robust (die metallischen Komponenten dienen dabei auch der Energieversorgung für die erforderliche Signalverstärkung). 63520_Eberlein_SL4.indd 26 63520_Eberlein_SL4.indd 26 12.11.2020 12: 55: 41 12.11.2020 12: 55: 41 <?page no="42"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 27 27 • Kabel für Metronetze, die bis zu mehreren tausend Fasern umfassen können. Bild 1.15 zeigt den Aufbau eines Kabels mit 144 Fasern. Für eine Identifikation der einzelnen Fasern eines Kabels sind die Fasern gefärbt und manchmal auch mit Ringmustern versehen, gruppenweise in Kunststoffröhrchen geführt und ähnliches. Die Fasern können "lose" in den Kunststoffröhrchen liegen, fest mit Kunststoff ummantelt, oder in einem Gel gelagert sein. Bild 1.15: Aufbau eines LWL-Kabels am Beispiel eines verseilten 144-fasrigen Bündeladerkabels mit Quellflies (Quelle: Kabelwerk Rhenania GmbH) 1.3 Lichtwellenleiter-Typen und Dispersion Warum gibt es überhaupt verschiedene LWL-Typen? Um diese Frage zu beantworten, muss man die Dispersionseigenschaften des Lichtwellenleiters betrachten. Unter Dispersion in der Physik versteht man die Abhängigkeit der Brechzahl eines Mediums von der Wellenlänge. In der LWL-Technik bezeichnet Dispersion die Effekte, die zu einer Impulsverbreiterung im Lichtwellenleiter führen. Durch die Dispersion wird die Übertragungsbandbreite des Lichtwellenleiters begrenzt und damit ist diese neben der Dämpfung ein wichtiger Parameter. Die Entwicklungsarbeiten zur Reduktion der Dispersion führten ausgehend vom Stufenprofil-LWL zur Entwicklung neuer Lichtwellenleiter. 1.3.1 Stufenprofil-Lichtwellenleiter und Modendispersion 1.3.1.1 Strahlausbreitung im Stufenprofil-LWL Zur Gewährleistung der Totalreflexion (Abschnitt 1.1.4) hat der LWL-Kern eine höhere Brechzahl als der LWL-Mantel. Sie ist über den Kernquerschnitt konstant und fällt stufenförmig an der Kern-Mantel-Grenze ab. Daraus ergibt sich der Name Stufenprofil-LWL. In Bild 1.16 rechts wird der Brechzahlverlauf dargestellt. Bild 1.16 links zeigt den Strahlenverlauf im Stufenprofil-LWL. Auf die LWL-Stirnfläche auftreffendes Licht wird im Lichtwellenleiter geführt, sofern es in den Kernbereich eingekoppelt wird und innerhalb des Akzeptanzbereiches liegt. 63520_Eberlein_SL4.indd 27 63520_Eberlein_SL4.indd 27 12.11.2020 12: 55: 41 12.11.2020 12: 55: 41 <?page no="43"?> 28 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 28 Luft (n ) 0 Kern (n ) 1 n 1 n n 2 Mantel (n ) 2 Grenz v = const. r r 0 Bild 1.16: Links Stufenprofil-LWL und rechts Brechzahlprofil Das Licht breitet sich nur unter bestimmten Winkeln innerhalb des LWL-Kerns aus. Das wird verständlich, wenn man den Wellencharakter des Lichts berücksichtigt: Die beteiligten Lichtwellen müssen sich konstruktiv überlagern. Das ist nur bei ganz bestimmten Neigungswinkeln gegen die optische Achse möglich. Sie müssen einen definierten Phasenunterschied aufweisen, andernfalls erfolgt Auslöschung. Die ausbreitungsfähigen Lichtwellen werden Moden (Eigenwellen) genannt. Sie lassen sich mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen berechnen. Die Moden unterscheiden sich durch ihre Neigungswinkel zur optischen Achse, durch ihren Ort sowie durch eine azimutale Komponente, die immer dann vorhanden ist, wenn das Licht schräg in den Kern eingekoppelt wird. Schräg eingekoppelte Strahlen breiten sich schraubenlinienförmig im Lichtwellenleiter aus. Die Anzahl der ausbreitungsfähigen Moden beträgt im Stufenprofil-LWL einige Hundert bis einige Millionen. Sie ist abhängig vom Kerndurchmesser, der numerischen Apertur, dem Brechzahlprofil und der Übertragungswellenlänge. Beim Stufenprofil-LWL mit Kerndurchmesser 50 µm, einer numerischen Apertur von 0,2 und einer Wellenlänge 850 nm sind es knapp 700 Moden. Das gibt dem Lichtwellenleiter den zweiten Teil seines Namens, nämlich Multimode- LWL. Exakt spricht man also vom Multimode-Stufenprofil-Lichtwellenleiter. Anstelle Multimode-LWL wird seltener die Bezeichnung Mehrmoden-LWL oder Vielmoden- LWL verwendet. 1.3.1.2 Dispersion im Stufenprofil-LWL Die Multimodigkeit bewirkt den stärksten Dispersionseffekt im Lichtwellenleiter, die Modendispersion: In Bild 1.16 links wurden mögliche Strahlwege dargestellt. Die Grundmode verläuft entlang der optischen Achse, legt den kürzesten Weg zurück und hat damit die geringste Laufzeit. Der Strahl mit maximalem Neigungswinkel gegen die optische Achse, der durch die numerische Apertur begrenzt wird, muss infolge der Zickzack-Ausbreitung einen wesentlich längeren Weg zurücklegen und benötigt dafür eine längere Zeit, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit beider Strahlen gleich groß ist. 63520_Eberlein_SL4.indd 28 63520_Eberlein_SL4.indd 28 12.11.2020 12: 55: 41 12.11.2020 12: 55: 41 <?page no="44"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 29 29 Koppelt man Licht in die Faser ein, so verteilt sich die Leistung auf alle Moden. Jede Mode überträgt einen bestimmten Anteil der Leistung. Die Mode, die den kürzesten Weg zurückzulegen hat, trifft zuerst am Empfänger ein. Mit Verzögerung kommen die weiteren Moden an. Das führt zur Impulsverbreiterung. Bild 1.17 zeigt die Impulse zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Orten im Lichtwellenleiter. Je mehr Zeit verstrichen ist und je weiter sich der Impuls im Lichtwellenleiter ausgebreitet hat, umso breiter wird er. Das ist zunächst kein Problem. Da aber nicht nur ein einzelner Impuls, sondern eine Impulsfolge übertragen, das heißt eine bestimmte Datenrate realisiert wird, folgen viele Impulse hintereinander. So kommt es zur zunehmenden Überlappung benachbarter Impulse. Zum Zeitpunkt t 4 ist die Überlappung so stark, dass der Empfänger die beiden Einzelimpulse nicht mehr trennen kann. LWL-Länge t 3 t 4 t 2 t 1 Bild 1.17: Impulsverbreiterung und -überlappung entlang des Lichtwellenleiters zu verschiedenen Zeiten. Dargestellt sind die einzelnen Impulse und das resultierende Signal. Der Empfänger bildet die Summe aus beiden Impulsen und registriert einen Anstieg, ein Plateau und einen Abfall. Zum Zeitpunkt t 4 registriert der Empfänger nur noch einen einzelnen Impuls. Durch die Dispersion wird die realisierbare Streckenlänge begrenzt. Es ist nahe liegend, den Abstand zwischen den benachbarten Impulsen zu vergrößern. Dann kann man größere Streckenlängen realisieren, ehe es zu einer störenden Überlappung der Impulse kommt. Ein größerer zeitlicher Abstand zwischen benachbarten Impulsen entspricht jedoch einer geringeren Datenrate bzw. Bandbreite. Große Bandbreiten B sind über geringere Streckenlängen L oder geringe Bandbreiten über größere Streckenlängen realisierbar. Die beiden Parameter sind näherungsweise umgekehrt proportional zueinander: B ~ 1/ L. 63520_Eberlein_SL4.indd 29 63520_Eberlein_SL4.indd 29 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="45"?> 30 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 30 Daraus ergibt sich, dass das Produkt aus Bandbreite und Streckenlänge annähernd konstant ist: B ∙ L = const. Diese Konstante ist das Bandbreite-Längen-Produkt (BLP MOD ), wobei der Index „MOD“ kennzeichnet, dass es sich hier um das Bandbreite-Längen-Produkt durch Modendispersion handelt (modale Bandbreite): MOD MOD BLP L B = ⋅ (1.14) Das Bandbreite-Längen-Produkt ist ein Faserparameter, der in jedem Datenblatt des Multimode-LWL steht. Ein typischer Wert für den Stufenprofil-LWL beträgt 50 MHz ∙ km. Eine Bandbreite von 50 MHz kann über 1 km oder eine Bandbreite von 10 MHz über 5 km übertragen werden. Der Lichtwellenleiter verhält sich wie ein Tiefpass. Als Bandbreite wird diejenige Frequenz definiert, bei der die optische Leistung des am Empfänger eintreffenden Signals im Vergleich zur Leistung bei der Übertragungsfrequenz Null auf die Hälfte abgefallen ist. Der Effekt der Impulsverbreiterung durch unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Moden wird als Modendispersion bezeichnet. 1.3.1.3 Typen von Stufenprofil-LWL Infolge der hohen Dispersion und des geringen Bandbreite-Längen-Produktes kommen Stufenprofil-LWL für Anwendungen in der Telekommunikation nicht in Frage. Bevorzugte Einsatzfelder sind die Sensor- und Medizintechnik. Aber auch lokale Netze können mit Stufenprofil-LWL aufgebaut werden, beispielsweise in der Büro- oder Computervernetzung. Die Norm „Fachgrundspezifikation: Lichtwellenleiter“ DIN EN 60793-2 teilt die LWL-Typen in verschiedene Kategorien ein (Tabelle 1.2). Kunststoff-Lichtwellenleiter (DIN EN 60793-2-40) Der Kunststoff (K)-LWL (optische Polymerfaser: POF) (Kategorie A4a bzw. OP1) ist eine preiswerte Variante des Stufenprofil-LWL. Mit seinem großen Kerndurchmesser erlaubt er die Verwendung preiswerter Komponenten und Montagetechniken. Sein Nachteil ist die große Dispersion sowie eine besonders hohe Dämpfung. Der Kunststoff-LWL hat einen Kunststoff-Kern und -Mantel. Man unterscheidet zwischen Stufenindex-, Multistufenindex- und Gradientenprofil. Die Klassen A4a bis A4h unterscheiden sich durch unterschiedliche Kerndurchmesser, numerische Aperturen, Brechzahlprofile und Wellenlängenbereiche. Kunststoff-LWL mit Gradientenprofil: vergleiche Abschnitt 1.3.2.4. Standard-Kunststoff-LWL (Kategorie A4a; OP1): • Manteldurchmesser: 1000 µm; Kerndurchmesser: 15 µm...35 µm kleiner als der Manteldurchmesser • Dämpfungskoeffizient bei 650 nm: ≤ 180 dB/ km • geeignet für geringe Streckenlängen: 100 m • geringes Bandbreite-Längen-Produkt: ≥ 0,4 MHz bei 650 nm • numerische Apertur: 0,5 63520_Eberlein_SL4.indd 30 63520_Eberlein_SL4.indd 30 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="46"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 31 31 • Material: Polymethylmethacrylat (PMMA) • Einsatz unter anderem im Homeoffice-Bereich (Japan) und im PKW Zum Einsatz von Kunststoff-LWL vergleiche Abschnitt 6.4.5. Polymer Cladded Fiber (DIN EN 60793-2-30) Der PCF-LWL hat einen Quarzglaskern und einen Kunststoffmantel und damit deutlich bessere optische Parameter als der Kunststoff-LWL. Es lassen sich deutlich größere Strecken als mit Kunststoff-LWL überbrücken. Der PCF-LWL lässt sich im Feld mit der Crimp- & Cleave-Technologie einfach und schnell konfektionieren. Eine große Bedeutung hat der PCF-LWL mit einem Kern-/ Manteldurchmesser von 200/ 230 µm (Kategorien A3c/ OH1, A3d; A3e). Typische Parameter: • Kerndurchmesser 200 µm: reines Quarzglas • Manteldurchmesser 230 µm: hartes Kunststoffmaterial (Hard Polymer). Spezialpolymer, das chemisch mit dem Kern verbunden ist und eine gute Haftung haben muss. • Durchmesser ETFE-Umhüllung: 230 µm bis 500 µm • Übertragungswellenlänge: 850 nm, (650 nm) • numerische Apertur: 0,35...0,4 • Dämpfungskoeffizient bei 850 nm: ≤ 10 dB/ km • Bandbreite-Längen-Produkt bei 850 nm: ≥ 5 MHz ⋅ km • minimaler Biegeradius: 16 mm Das Kunststoffmaterial wirkt als optischer Mantel. Durch den Einfluss des Kunststoff- Mantels hat der PCF-LWL bei 1300 nm eine hohe Dämpfung (≈ 30 dB/ km) und kommt in diesem Wellenlängenbereich nicht zum Einsatz. Wegen des großen Kerndurchmessers ist die Faser relativ unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Aus diesem Grund ist die 200 µm-PCF-Faser besonders gut für den industriellen Einsatz geeignet. PCF-LWL sind unter dem Markennamen HCS ® (Hard Clad Silica) bekannt. Eine spezielle Ausführungsform mit geringem „Wassergehalt“ (geringer Anteil an OH-Ionen) ist der HCP-LWL. Das ist der in der HCS-Familie am meisten verbreitete Lichtwellenleiter. Er zeichnet sich durch einen besonders geringen Dämpfungskoeffizienten aus. Eine andere spezielle Ausführungsform ist der HCR-LWL. Dieser ist strahlungsresistent und für den Einsatz in Kernkraftwerken oder beim Militär geeignet. Eine Weiterentwicklung sind PCF-LWL mit Parabelprofil (Kerndurchmesser 62,5 µm bzw. 50 µm; Manteldurchmesser 200 µm): Glaskern und Glasmantel (Abschnitt 1.3.2.4). 63520_Eberlein_SL4.indd 31 63520_Eberlein_SL4.indd 31 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="47"?> 32 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 32 Weitere Stufenprofil-Lichtwellenleiter Für Medizin, Industrie und Forschung werden darüber hinaus verschiedene Varianten von Stufenprofil-LWL angeboten. Diese sind optimiert für einen großen Temperaturbereich, einen großen Wellenlängenbereich, unterschiedliche Durchmesser oder numerische Aperturen und werden mit verschiedenen Ummantelungen, außer Tefzel auch mit Silikon, Nylon, Acrylat oder Polyamid, angeboten. 1.3.2 Gradientenprofil-Lichtwellenleiter und Profildispersion 1.3.2.1 Strahlausbreitung im Gradientenprofil-LWL Entsprechend Abschnitt 1.3.1 ist der größte Nachteil des Multimode-LWL die Impulsverbreiterung durch unterschiedliche Laufzeiten der einzelnen Moden (Modendispersion). Wie kann man diese Laufzeitunterschiede reduzieren? Aus Bild 1.18 ist ersichtlich, dass sich im Gradientenprofil-LWL nach wie vor viele Moden mit unterschiedlich langen Wegen durch den Lichtwellenleiter ausbreiten. Das heißt auch der Gradientenprofil-LWL ist ein Multimode-LWL. Jetzt wird gefordert, dass die einzelnen Moden alle zur gleichen Zeit am Streckenende ankommen. Da die Wege aber unterschiedlich lang sind, müssen sich die Geschwindigkeiten der Moden unterscheiden: Moden mit längerem Weg höhere Geschwindigkeit, Moden mit kürzerem Weg geringere Geschwindigkeit. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v in einem Medium mit der Brechzahl n berechnet sich aus: n / c v = (1.15) Dabei ist c ≈ 300.000 km/ s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Für die Brechzahl des Glases gilt n ≈ 1,5. Dann ergibt sich für die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Glas v ≈ 200.000 km/ s. Aus Gleichung (1.15) ist ersichtlich, dass man die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts beeinflussen kann, indem man die Brechzahl verändert. Eine geringere Brechzahl (optisch „dünneres“ Medium) bedeutet eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit. Folglich müssen die Moden, die längere Wege zurückzulegen haben, ein Medium mit geringerer Brechzahl durchlaufen. Das ist möglich mit einem Gradientenprofil-LWL. Dessen Brechzahl verringert sich mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse (Bild 1.18 rechts). Dadurch wird das Licht schneller. Wenn sich das Licht in Richtung optischer Achse bewegt, wird es wieder langsamer, da sich die Brechzahl erhöht. 63520_Eberlein_SL4.indd 32 63520_Eberlein_SL4.indd 32 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="48"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 33 33 Bild 1.18: Links Gradientenprofil-LWL und rechts Brechzahlprofil Untersuchungen haben gezeigt, dass man den Laufzeitunterschied zwischen den Moden minimieren kann, wenn das Brechzahlprofil annähernd den Verlauf einer Parabel hat (Bild 1.18 rechts). Ein Potenzprofil wird folgendermaßen definiert: K 22 2 K g K 22 2 1 2 1 2 r r für . const n ) r ( n r r für ) r r )( n n ( n ) r ( n ≥ = = < − − = (1.16) Dabei ist n 1 die Brechzahl auf der optischen Achse ( 0 r = ), n 2 die Brechzahl an der Kern-Mantel-Grenze ( K r r = ) und g ein Profilexponent. Das Parabelprofil ergibt sich für g ≈ 2. Bild 1.19 veranschaulicht den Verlauf unterschiedlicher Potenzprofile. r r r r 0 n n 1 n 2 g = g = 2 g = 1 K K Bild 1.19: Potenzprofile Klasse Material Typ Profilexponent A1 Glaskern/ Glasmantel Gradientenindex-LWL 1 ≤ g < 3 A2 Glaskern/ Glasmantel Quasistufenindex-LWL 3 ≤ g < ∞ A3 Glaskern/ Kunststoffmantel Stufenindex-LWL 10 ≤ g < ∞ A4 Kunststoffkern/ Kunststoffmantel Stufenindex-LWL 10 ≤ g < ∞ Tabelle 1.2: Kategorien von Multimode-LWL Tabelle 1.2 zeigt verschiedene Kategorien von Multimode-LWL-Typen. Die größte Bedeutung hat der Parabelprofil-LWL (g ≈ 2), als eine spezielle Variante des Gradientenprofil-LWL. Alle anderen Profilexponenten (außer dem Stufenprofil) haben kei- 63520_Eberlein_SL4.indd 33 63520_Eberlein_SL4.indd 33 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="49"?> 34 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 34 ne praktische Bedeutung. Oft spricht man vom Gradientenprofil-LWL und meint damit den am häufigsten verwendeten Parabelprofil-LWL. 1.3.2.2 Dispersion im Gradientenprofil-LWL Für die Minimierung der Laufzeitunterschiede lautet der optimale Profilexponent: ∆ − = 2 g (1.17) Es ist ∆ die relative Brechzahldifferenz entsprechend Gleichung (1.6). Diese hängt von den Brechzahlen n 1 und n 2 und die Brechzahlen wiederum von der Wellenlänge des Senders ab. Auch wenn diese Abhängigkeiten schwach sind, so erkennt man, dass der Profilexponent nie exakt eingestellt werden kann, da sich der optimale Wert in Abhängigkeit von den spektralen Eigenschaften der Quelle verändert (vergleiche Abschnitt 1.3.3). Darüber hinaus gibt es technologisch bedingt, stets Abweichungen vom idealen Brechzahlverlauf. Der optimale Profilexponent liegt entsprechend Gleichung (1.17) nahe bei 2. Dann ist die Modendispersion minimal. Der verbleibende Rest ist die Profildispersion. Diese bestimmt das erreichbare Bandbreite-Längen-Produkt. Beispiele: • Herkömmliche Parabelprofil-LWL: BLP ≈ 300 MHz∙km • Lichtwellenleiter mit optimiertem Brechzahlprofil: OM3: BLP = 2000 MHz∙km OM4: BLP = 4700 MHz∙km • Lichtwellenleiter mit optimiertem Brechzahlprofil geeignet für breiten Wellenlängenbereich (850 nm bis 953 nm): OM5 (Abschnitt 6.3.5) 1.3.2.3 Numerische Apertur im Gradientenprofil-LWL Der sinusförmige Strahlenverlauf im Parabelprofil-LWL (Bild 1.18) wird plausibel, wenn man sich den Lichtwellenleiter aus vielen konzentrischen Schichten, mit unterschiedlichen Brechzahlen, vorstellt. Bild 1.20 zeigt einen radialen Schnitt (von der optischen Achse bis zur Kern-Mantel-Grenze) durch einen solchen Lichtwellenleiter. 1 1 2 2 3 3 5 4 3 2 1 rr 0 K Bild 1.20: Strahlenverlauf im Gradientenprofil-LWL (radialer Schnitt) 63520_Eberlein_SL4.indd 34 63520_Eberlein_SL4.indd 34 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="50"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 35 35 Das Glas besteht in diesem Modell aus verschiedenen Schichten 1 bis 5 mit den Brechzahlen n 1 > n 2 > n 3 > n 4 > n 5 . Betrachtet man den gesamten Durchmesser des Lichtwellenleiters, setzen sich die Schichten 1 bis 5 in Bild 1.20 symmetrisch nach unten fort. Die Vorform des Gradientenprofil-LWL, aus der der Lichtwellenleiter gezogen wird, besteht tatsächlich aus vielen Schichten mit geringfügig unterschiedlichen Brechzahlen. Beim Übergang von Medium 1 zu 2, von 2 zu 3 usw. wird der Strahl entsprechend des Snelliusschen Brechungsgesetzes (Bild 1.5) jeweils vom Lot weg gebrochen. Der Strahl wird immer flacher, bis er total reflektiert wird. Dabei wird ein Strahl mit einem kleineren Neigungswinkel gegen die optische Achse eher total reflektiert (Strahl 2) als ein Strahl mit größerem Neigungswinkel. Strahl 1 gelangt weiter nach außen. Fällt der Strahl 1 mit maximal zulässigem Einfallswinkel ein, gelangt er bis zur Kern-Mantel-Grenze und wird dort total reflektiert. Fällt ein Strahl mit dem gleichen Einfallswinkel weiter außen auf den Lichtwellenleiter (Strahl 3), so wird dieser Strahl nicht mehr total reflektiert, sondern in den LWL-Mantel gebrochen. Das Licht geht für die Übertragung verloren. Beim Gradientenprofil-LWL hängt der jeweils maximal zulässige Einfallswinkel, das heißt die numerische Apertur, vom Ort der Einkopplung auf der Stirnfläche ab. Die ortsabhängige numerische Apertur berechnet sich mit Gleichung (1.5) und (1.16) zu: g 22 2 a r 1 0) NA(r n (r) n ) r ( θ sin NA(r) − ⋅ = = − = = (1.18) Bild 1.21 veranschaulicht qualitativ die Verringerung der numerischen Apertur mit wachsendem Radius. Die Kreise auf der Stirnfläche verbinden Punkte mit gleichem Akzeptanzkegel. Kern (r) r Bild 1.21: Verringerung der numerischen Apertur mit wachsendem Radius beim Gradientenprofil-LWL 1.3.2.4 Typen von Gradientenprofil-LWL Die Gradientenprofil-LWL wurden in dem Standard DIN EN 60793-2-10 spezifiziert. Das sind Lichtwellenleiter mit annähernd parabelförmigem Brechzahlprofil (Kategorie 63520_Eberlein_SL4.indd 35 63520_Eberlein_SL4.indd 35 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="51"?> 36 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 36 A1: g ≈ 2), mit dotiertem Quarzglas-Kern und meist undotiertem Quarzglas-Mantel. Der Einsatz erfolgt vorzugsweise in Datennetzen. Die typischen Übertragungswellenlängen sind 850 nm und 1300 nm. Die beiden wichtigsten Kategorien wurden in Tabelle 1.3 spezifiziert. Klasse A1a A1b Kern-/ Mantel-Durchmesser in µm 50 ± 2,5/ 125 ± 2 62,5 ± 3/ 125 ± 2 Tabelle 1.3: Klassifikation des Gradientenprofil-LWL Die Klasse A1b hat nicht nur einen größeren Kerndurchmesser als Klasse A1a, sondern auch eine größere numerische Apertur. Deshalb ist die Dispersion in diesem Lichtwellenleiter höher. Andererseits wird durch eine höhere numerische Apertur und einen höheren Kerndurchmesser die Einkopplung vereinfacht und es kann eine höhere Sendeleistung aufgenommen werden. Eine Erhöhung der numerischen Apertur erzielt man durch Vergrößerung der Brechzahl im LWL-Kern (Gleichung (1.5)). Dies wird durch eine erhöhte Dotierung mit Fremdatomen, vorzugsweise Germaniumoxid, erreicht. Eine stärkere Dotierung erhöht die Rayleighstreuung und damit den Dämpfungskoeffizient des Lichtwellenleiters. Parameter Werte Werte Wellenlänge in nm 850 1300 numerische Apertur 0,20 ± 0,015 A1a.1 (OM1 bzw. OM2) Dämpfungskoeffizient in dB/ km 2,4...3,5 0,5...1,5 Bandbreite-Längen-Produkt in MHz ∙ km (OFL) 200...800 200...1200 A1a.2 (OM3)/ A1a.3 (OM4) Dämpfungskoeffizient in dB/ km 2,5 0,8 Bandbreite-Längen-Produkt in MHz ∙ km (OFL) 1500/ 3500 500 Tabelle 1.4: Typische Parameter des 50 µm-LWL (DIN EN 60793-2-10, Kategorie A1a) Parameter Werte Werte Wellenlänge in nm 850 1300 numerische Apertur 0,275 ± 0,015 Dämpfungskoeffizient in dB/ km 2,8...3,5 0,7...1,5 Bandbreite-Längen-Produkt in MHz ∙ km (OFL) 100...800 200...1000 Tabelle 1.5: Typische Parameter des 62,5 µm-LWL (DIN EN 60793-2-10, Kategorie A1b) 63520_Eberlein_SL4.indd 36 63520_Eberlein_SL4.indd 36 12.11.2020 12: 55: 42 12.11.2020 12: 55: 42 <?page no="52"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 37 37 Lichtwellenleiter der Kategorie A1b sind sowohl bezüglich Dämpfung als auch bezüglich Dispersion schlechter als Lichtwellenleiter der Kategorie A1a. In Tabellen 1.4 und 1.5 wurden die wichtigsten Parameter dieser beiden LWL-Kategorien zusammengestellt. Die Unterschiede in der Dämpfung und im Bandbreite-Längen-Produkt (BLP) zwischen den beiden Klassen kommen bei der Wellenlänge 850 nm zum Tragen. Das Bandbreite-Längen-Produkt des 62,5 µm-LWL ist wesentlich geringer. Deshalb sollte bei Anwendungen mit höheren Datenraten der 50 µ m-LWL dem 62,5 µ m-LWL vorgezogen werden. Besonders große Bandbreite-Längen-Produkte im ersten optischen Fenster erreicht man mit den OM3-, OM4bzw. OM5-Fasern. Alle Bandbreitenangaben beziehen sich auf überfüllte Einkopplung (OFL: vergleiche Abschnitt 6.3.4.1). Die Norm räumt einen großen Spielraum für die Parameter ein. Bei modernen Lichtwellenleitern liegt der Dämpfungskoeffizient im unteren spezifizierten Bereich. Da der optimale Profilexponent von der Brechzahl (Gleichung 1.17) und diese wiederum von der Wellenlänge abhängt, kann der Parabelprofil-LWL bezüglich seiner Bandbreite nur für eines der beiden optischen Fenster optimiert werden. Es ist praktisch unmöglich, Lichtwellenleiter mit sehr hohen Bandbreiten für beide optische Fenster herzustellen. Deshalb werden in den Tabellen 1.4 und 1.5 große Bereiche für das Bandbreite- Längen-Produkt angegeben. Bei der Auswahl des passenden Lichtwellenleiters beachte man die konkreten Anforderungen und ziehe die Datenblätter der LWL- Anbieter zu Rate. Die dort spezifizierten Parameter übertreffen meist deutlich die Mindestforderungen der Norm. Neben den Klassen A1a und A1b gibt es auch Kunststoff-LWL und PCF-LWL mit Gradientenprofil. Diese können in lokalen Netzen eingesetzt werden. Kunststoff-Lichtwellenleiter mit Gradientenprofil Der Fertigungsprozess für den Kunststoff-Lichtwellenleiter mit Gradientenprofil ist im Vergleich zum Stufenprofil wesentlich aufwändiger. Als Material kommt perfluoriertes oder deuteriertes Polymethylmethacrylat zum Einsatz. Kunststoff-LWL mit Gradientenprofil (Kategorie A4f; OP2): • Kern-Mantel-Durchmesser: 120/ 500 µm • Dämpfungskoeffizienten: ≤ 100/ 40/ 40 dB/ km bei 650 nm/ 850 nm/ 1300 nm • Bandbreiten-Längen-Produkte: ≥ 80/ 150/ 150 MHz∙km bei 650 nm/ 850 nm/ 1300 nm Bandbreite und Dämpfung hängen stark von der Strahlungsverteilung des Senders (der Einkopplung) ab. Es erfordert einen Modenscrambler, um eine Modengleichgewichtsverteilung zu realisieren (vergleiche Abschnitt 4.2.1). 63520_Eberlein_SL4.indd 37 63520_Eberlein_SL4.indd 37 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="53"?> 38 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 38 50 µmbzw. 62,5 µm-PCF-Lichtwellenleiter mit Gradientenprofil (G-PCF) Diese Lichtwellenleiter sind genormt in DIN EN 60793-2-30 (Kategorie A3f: 50 µm; Kategorie A3g: 62,5 µm). Sie kommen bei höheren Anforderungen an das Bandbreite-Längen-Produkt zum Einsatz. Aufbau (Bild 1.22 (b)): • Durchmesser 0 µm bis 50 µm bzw. 62,5 µm: dotierter Quarzglaskern (Parabelprofil) • Durchmesser 50 µm bzw. 62,5 µm bis 200 µm: Quarzglasmantel • Durchmesser 200 µm bis 230 µm: hartes Kunststoffmaterial (Hard Polymer) • Durchmesser 230 µm bis 500 µm: ETFE-Umhüllung Bei diesem Faseraufbau werden die optischen Eigenschaften allein durch das Glas (Kern und Mantel), nicht durch die Kunststoffumhüllung, wie beim 200 µm-PCF-LWL, beeinflusst. Es handelt sich also nicht mehr um einen herkömmlichen PCF-LWL, da der Kunststoff nicht mehr die Übertragungseigenschaften beeinflusst. Dieser LWL-Typ hat die gleichen Eigenschaften wie die Lichtwellenleiter entsprechend Tabelle 1.4 und 1.5. Der einzige Unterschied ist der Manteldurchmesser: anstelle 125 µm => 200 µm. undotiertes Glas (Kern) Polymer (Mantel) dotiertes Glas (Kern) undotiertes Glas (Mantel) Polymer (a) (b) Bild 1.22: Vergleich herkömmlicher 200 µm-PCF-LWL (Stufenprofil) (a) mit PCF-LWL mit reduziertem Kerndurchmesser und Gradientenprofil (b) Das Glas hat bei 1300 nm einen geringeren Dämpfungskoeffizient als das Kunststoffmaterial und ist deshalb auch in diesem Wellenlängenbereich nutzbar. Tabelle 1.6 stellt einige typische Parameter zusammen. Die Parameter liegen innerhalb der Grenzen entsprechend Tabelle 1.4 und 1.5. Parameter 50 µm-PCF-LWL 62,5 µm-PCF-LWL Dämpfungskoeffizient bei 850 nm ≤ 2,4 dB/ km 3 dB/ km Dämpfungskoeffizient bei 1300 nm ≤ 1 dB/ km 1 dB/ km Bandbreite-Längen-Produkt bei 850 nm ≥ 500 MHz∙km ≥ 200 MHz∙km Bandbreite-Längen-Produkt bei 1300 nm ≥ 500 MHz∙km ≥ 500 MHz∙km Tabelle 1.6: Typische Parameter von PCF-LWL mit Parabelprofil 63520_Eberlein_SL4.indd 38 63520_Eberlein_SL4.indd 38 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="54"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 39 39 1.3.3 Vergrößerung Bandbreite-Längen-Produkt 1.3.3.1 Parabelprofil-Lichtwellenleiter mit optimiertem Brechzahlprofil Der Schritt vom Stufenprofil-LWL zum Parabelprofil-LWL brachte eine wesentliche Erhöhung des Bandbreite-Längen-Produktes und ermöglichte den breiten Einsatz des Lichtwellenleiters in lokalen Netzen. Jedoch steigen die Anforderungen an die Bandbreite weiter (Abschnitt 6.3). Zunehmend werden Gigabitbzw. 10/ 40/ 100-Gigabit-Ethernet-Netze realisiert. Herkömmliche Parabelprofil-LWL stoßen bei diesen Datenraten bereits bei kurzen Streckenlängen an ihre Kapazitätsgrenzen. Deshalb werden Lösungen gesucht, wie diese hohen Bandbreiten auch über größere Streckenlängen übertragen werden können. Die einfachste Möglichkeit ist der Einsatz des Singlemode-LWL (vergleiche Abschnitt 1.3.5). In diesem breitet sich nur noch eine einzige Mode aus. Effekte wie Modendispersion bzw. Profildispersion spielen keine Rolle mehr. Aus Kostengründen wird oftmals am Parabelprofil-LWL festgehalten, sofern die Streckenlängen noch im Bereich einiger hundert Meter liegen. Durch Verbesserung des Herstellungsprozesses werden Brechzahleinbrüche und Unregelmäßigkeiten vermieden und man nähert sich dem idealen Brechzahlverlauf an. Die Anzahl der Schichten, die das Brechzahlprofil in der Preform bilden, muss wesentlich erhöht werden. Das Ergebnis sind Lichtwellenleiter mit deutlich größeren Bandbreite-Längen- Produkten (OM3, OM4, OM5). Alle namhaften Faserhersteller bieten derartige Fasern an (Abschnitt 6.3). 1.3.3.2 Materialdispersion Gewöhnlich ist die Materialdispersion im Parabelprofil-LWL deutlich kleiner als die Profildispersion und kann deshalb vernachlässigt werden. Durch die starke Reduktion der Profildispersion bei Optimierung des Brechzahlprofils kann jedoch die Materialdispersion im Multimode-LWL störend werden. Das hat Konsequenzen, die beim Systementwurf zu beachten sind. Bei der Lichtausbreitung unterscheidet man zwischen Phasengeschwindigkeit v ph und Gruppengeschwindigkeit v gr . Die Phasengeschwindigkeit beschreibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront einer einzelnen Mode. Maßgebend für die Signalfortpflanzung im Lichtwellenleiter ist die Gruppengeschwindigkeit. Sie ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schwerpunktes eines Wellenpaketes entlang des Lichtwellenleiters, welches aus einem zeitlich modulierten Signal gebildet wird, das Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen beinhaltet. Es besitzt räumlich und spektral eine endliche Ausdehnung. 63520_Eberlein_SL4.indd 39 63520_Eberlein_SL4.indd 39 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="55"?> 40 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 40 Die Gruppengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Energie des Lichtimpulses im Lichtwellenleiter und somit verantwortlich für die Materialdispersion. Entsprechend Gleichung (1.15) gilt für die Phasenbrechzahl n ph : ) ( v c ) ( n ph ph λ = λ (1.19) wobei in dieser Darstellung die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl berücksichtigt wurde. Die Gruppenbrechzahl n gr wird folgendermaßen definiert: λ λ λ − λ = λ = λ d ) ( n d ) ( n ) ( v c ) ( n ph ph gr gr (1.20) Sie berechnet sich aus der Phasenbrechzahl, enthält aber noch einen Summanden, der die Brechzahländerung mit der Wellenlänge beschreibt. Ursache für die Materialdispersion ist die Abhängigkeit der Gruppenbrechzahl und damit der Gruppenlaufzeit von der Wellenlänge. Da jeder optische Sender eine endliche spektrale Breite aufweist, verteilt sich die Leistung auf die einzelnen Wellenlängenanteile. Jeder spektrale Anteil transportiert einen kleinen Leistungsanteil mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Lichtwellenleiter. Als Folge treffen die verschiedenen Wellenlängenanteile zu verschiedenen Zeiten auf den Empfänger (Bild 1.23). Eingang Ausgang alle Wellenlängen Wellenlänge 1 Wellenlänge 2 Wellenlänge 3 t t t t t t t t Bild 1.23: Impulsverbreiterung durch Materialdispersion Der resultierende Impuls am Ende der Strecke, der sich aus der Summe der einzelnen spektralen Anteile ergibt, wird verbreitert. Das kann zur Überlappung mit dem benachbarten Impuls und damit zu Störungen führen. 63520_Eberlein_SL4.indd 40 63520_Eberlein_SL4.indd 40 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="56"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 41 41 In Bild 1.24 wurde die Gruppenbrechzahl von Quarzglas in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Bemerkenswert ist, dass die Gruppenbrechzahl etwa bei einer Wellenlänge von 1,3 µm ein Minimum durchläuft. Dort sind die Änderungen der Gruppenbrechzahl bei Änderungen der Wellenlänge minimal und somit die Dispersion gering. Gruppenbrechzahl n gr 0,5 0 1,0 1,5 2,0 1,48 1,47 1,46 1,45 Wellenlänge in m Bild 1.24: Spektraler Verlauf der Gruppenbrechzahl von Quarzglas Der Koeffizient der Materialdispersion ist ein Maß für die Änderung der Gruppenbrechzahl mit der Wellenlänge. Er berechnet sich aus deren erster Ableitung: km) ps/ (nm in d ) ( n d c d ) ( dn c 1 D 2 ph 2 gr MAT ⋅ λ λ λ − = λ λ = (1.21) Bild 1.25: Koeffizient der Materialdispersion als Funktion der Wellenlänge für undotiertes und dotiertes Quarzglas 63520_Eberlein_SL4.indd 41 63520_Eberlein_SL4.indd 41 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="57"?> 42 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 42 In Bild 1.25 wurde der Verlauf des Koeffizienten der Materialdispersion für reines und dotiertes Quarzglas dargestellt. Entsprechend dem Minimum der Gruppenbrechzahl entsteht ein Nulldurchgang bei 1,3 µm. Die Dotierung mit Germaniumoxid bringt eine relativ schwache Beeinflussung dieses Nulldurchganges. Während der Koeffizient der Materialdispersion im zweiten optischen Fenster meist vernachlässigbar ist, nimmt er im ersten optischen Fenster sehr große negative Werte an: D MAT ≥ -104 ps/ (nm∙km) (ITU-T G.651.1). Die Impulsverbreiterung ∆ T MAT infolge Materialdispersion ist proportional zur Streckenlänge L, zur Halbwertsbreite HWB der optischen Quelle und zum Koeffizienten der Materialdispersion D MAT : MAT MAT D L HWB T ⋅ ⋅ = ∆ (1.22) Die Impulsverbreiterung im Lichtwellenleiter ∆ T LWL wird sowohl durch die Materialdispersion ∆ T MAT als auch die Modendispersion ∆ T MOD verursacht. Beide Anteile überlagern sich. Bei gaußförmigen Impulsen gilt: 2 MOD 2 MAT LWL ) T ( ) T ( T ∆ + ∆ = ∆ (1.23) Das bedeutet, dass eine teilweise Auslöschung dieser beiden Anteile unmöglich ist. Durch die Quadratbildung summieren sie sich stets. Sinngemäß ergibt sich das Bandbreite-Längen-Produkt des Lichtwellenleiters BLP LWL aus der Überlagerung der Bandbreite-Längen-Produkte infolge Materialdispersion BLP MAT und Modendispersion BLP MOD : 2 MOD 2 MAT LWL BLP 1 BLP 1 1 BLP + = (1.24) Während die Modendispersion allein durch die Eigenschaften des Lichtwellenleiters bestimmt wird, hängt die Materialdispersion sowohl von den LWL-Eigenschaften (D MAT ) als auch den Eigenschaften des Senders (HWB, D MAT ( λ )) ab. Nur wenn die Materialdispersion gegenüber der Modendispersion vernachlässigbar ist, hängt das Bandbreite-Längen-Produkt des Multimode-LWL allein von den Eigenschaften des Lichtwellenleiters ab. Davon war man in der Vergangenheit immer ausgegangen: Das Bandbreite-Längen-Produkt war ein reiner Faserparameter in der LWL-Spezifikation, unabhängig von den Eigenschaften des Senders. Durch die Optimierung des Brechzahlprofils entsteht eine neue Situation: Die Modendispersion wird reduziert und die Materialdispersion und damit die spektralen Eigenschaften des Senders können das Bandbreite-Längen-Produkt beeinflussen. Es ist wenig sinnvoll, einen Lichtwellenleiter mit optimiertem Brechzahlprofil (OM3, OM4, OM5) einzusetzen, wenn durch Materialdispersion der Vorteil wieder zunichte 63520_Eberlein_SL4.indd 42 63520_Eberlein_SL4.indd 42 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="58"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 43 43 gemacht wird. Das Bandbreite-Längen-Produkt der Materialdispersion muss so groß sein, dass das Bandbreite-Längen-Produkt des Lichtwellenleiters nicht beeinflusst wird. Dann gilt MOD LWL BLP BLP ≈ . Das erreicht man, indem man den Lichtwellenleiter mit einer spektral schmalbandigen Quelle (VCSEL) anregt. 1.3.4 Biegeunempfindlicher Multimode-LWL Multimode-LWL sind deutlich biegeunempfindlicher als Singlemode-LWL. Dennoch gibt es Beispiele, wo Biegeverluste im Multimode-LWL stören können: Installationsmängel in Rechenzentren. Wegen des teilweise sehr geringen Dämpfungsbudgets je Strecke (2,6 dB bzw. 1,9 dB bei 10bzw. 40 Gbit/ s-Ethernet) können zusätzliche Verluste im Zehntel-Dezibel-Bereich bereits zu Problemen führen. Die Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich auf Fasern, die in Rechenzentren im Einsatz sind (hohes Bandbreite-Längen-Produkt bei 850 nm): OM2, OM3, OM4. Diese Fasern sind sowohl mit herkömmlichem Biegeverhalten (MMF) als auch als biegeunempfindliche Multimode-Fasern (BI-MMF) verfügbar (Tabelle 1.7). OM2 OM3 OM4 MMF A1a.1a A1a.2a A1a.3a BI-MMF A1a.1b A1a.2b A1a.3b Tabelle 1.7: Zuordnung der Kategorien nach DIN EN 60793-2-10 zu den OM- Kategorien nach DIN EN 50173-1 Durch Absenkung der Brechzahl (depressed cladding) im inneren Mantelbereich wird ein Lichtaustritt aus dem Kern verhindert. Das erreicht man durch Dotierung des Glases mit Fluor (Bild 1.26). Die Kern-Mantelgrenze befindet sich dort, wo das Parabelprofil die Abszisse schneidet. Entsprechende Produkte gibt es von j-fiber (j- BendAble), Prysmian Group (MaxCap-BB) oder Nexans (GIGAlite FLEX ). Biegeunempfindliche Multimode-LWL sind kompatibel zu herkömmlichen Parabelprofil- Fasern (Spleißdämpfung < 0,1 dB). n(r) r r Bild 1.26: Brechzahlprofil des biegeunempfindlichen Multimode-LWL 63520_Eberlein_SL4.indd 43 63520_Eberlein_SL4.indd 43 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="59"?> 44 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 44 Tabelle 1.8 vergleicht die Makrobiegeverluste der herkömmlichen Multimode-Fasern mit den biegeunempfindlichen Multimode-Fasern. Der biege-unempfindliche Multimode-LWL ist für kleinere Biegeradien spezifiziert. Bemerkenswert ist die zunehmende Biegeempfindlichkeit mit der Wellenlänge (ähnlich wie beim Singlemode- LWL). Biegeradius Anzahl der Windungen 850 nm 1300 nm Fasertyp 37,5 mm 100 ≤ 0,5 dB ≤ 0,5 dB MMF 15 mm 2 ≤ 1,0 dB ≤ 1,0 dB MMF 37,5 mm 100 ≤ 0,5 dB ≤ 0,5 dB BI-MMF 15 mm 2 ≤ 0,1 dB ≤ 0,3 dB BI-MMF 7,5 mm 2 ≤ 0,2 dB ≤ 0,5 dB BI-MMF Tabelle 1.8: Spezifikation der Makrobiegeempfindlichkeit nach DIN EN 60793-2-10 1.3.5 Standard-Singlemode-LWL und chromatische Dispersion Mit den besten Parabelprofil-LWL schafft man heute eine 10 Gbit/ s-Ethernet- Übertragung über 550 m (OM4). Im Weitverkehr müssen aber 10 Gbit/ s über mindestens die hundertfache Länge übertragen werden. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an die Datenrate weiter (40 Gbit/ s, 100 Gbit/ s). Alle bisherigen Dispersionsprobleme wurden durch die Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Moden verursacht. Um diese Probleme zu vermeiden, darf sich im Lichtwellenleiter nur noch eine einzige Mode ausbreiten. Das führt zum Singlemode-LWL, Einmoden-LWL, Monomode-LWL. Bild 1.27: Akzeptanzwinkel, Kern- und Manteldurchmesser verschiedener LWL- Typen: (a) Kunststoff-LWL, (b) PCF-LWL, (c) 62,5 µ m-LWL, (d) 50 µ m-LWL, (e) Singlemode-LWL 63520_Eberlein_SL4.indd 44 63520_Eberlein_SL4.indd 44 12.11.2020 12: 55: 43 12.11.2020 12: 55: 43 <?page no="60"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 45 45 Bild 1.27 veranschaulicht die Unterschiede hinsichtlich Kerndurchmesser, Manteldurchmesser und numerischer Apertur zwischen den bisher besprochenen LWL- Typen. Von links nach rechts verringert sich der Kerndurchmesser, der Manteldurchmesser und die numerische Apertur. Der Multimode-Stufenprofil-LWL mit einem Kerndurchmesser von mindestens 50 µm, und einer numerische Apertur von mindestens 0,2 überträgt etwa hundert Moden. Indem man den Kerndurchmesser und die numerische Apertur reduziert, „passen“ immer weniger Moden in den Kern. Immer weniger Moden werden ausbreitungsfähig. Der Durchmesser und die numerische Apertur werden so weit verringert, dass nur noch eine einzige Mode (Grundmode) im Kern des Lichtwellenleiters geführt werden kann. Das führt zum Singlemode-LWL. Um dies zu erreichen, ist ein Kerndurchmesser kleiner als 10 µm erforderlich. Die Brechzahldifferenz und damit die numerische Apertur werden im Vergleich zum Multimode-LWL etwa auf die Hälfte reduziert. Bei derart kleinen Durchmessern ist es nicht mehr möglich, die Ausbreitung des Lichts mit Hilfe des Strahlenmodells zu beschreiben. Dieses gilt nur, solange die Abmessungen des Kerns sehr viel größer als die Wellenlänge des Lichts sind. Wegen des dualen Charakters des Lichts können bestimmte Erscheinungen nur mit dem Strahlenmodell andere hingegen nur mit dem Wellenmodell erklärt werden. 1.3.5.1 Wellenausbreitung im Singlemode-LWL Mit dem Wellenmodell können wichtige Eigenschaften des Singlemode-LWL verstanden werden: Das Licht breitet sich nicht als Strahl durch den LWL-Kern aus, der einen punktförmigen Querschnitt hat, sondern als Mode mit endlichem Durchmesser. Die Feldverteilung über den Querschnitt kann durch eine Gaußfunktion angenähert werden. Für die Feldamplitude E in Abhängigkeit vom Radius r gilt näherungsweise (w: Modenfeldradius): 2 w r e ) 0 r ( E ) r ( E − ⋅ = = (1.25) Bild 1.28 rechts zeigt das Brechzahlprofil. Beim Standard-Singlemode-LWL hat dieses die Form einer Stufe. Diese Stufe ist wesentlich kleiner als beim Stufenprofil- Multimode-LWL. Der mit n 1 gekennzeichnete Bereich im Bild 1.28 links ist der LWL-Kern und der mit n 2 bezeichnete Bereich der LWL-Mantel. Die Breite der gaußförmigen Mode wird durch den Modenfelddurchmesser 2w charakterisiert. Er ist der Abstand zwischen den Punkten, bei denen die Feldverteilung auf den Wert 1/ e ≈ 37 % abgefallen ist. Das Auge registriert die Intensität des Lichts, also das komplexe Betragsquadrat der Amplitude. Der Modenfelddurchmesser entspricht folglich einem Intensitätsabfall bezüglich des Maximalwertes auf 1/ e 2 ≈ 13,5 %. 63520_Eberlein_SL4.indd 45 63520_Eberlein_SL4.indd 45 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="61"?> 46 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 46 Im Gegensatz zum Multimode-LWL wird der Singlemode-LWL nicht mehr durch seinen Kerndurchmesser definiert. Im Datenblatt findet man anstelle dessen eine Angabe zum Modenfelddurchmesser, der im Allgemeinen größer als der Kerndurchmesser ist. Dies wird bereits aus Bild 1.28 links ersichtlich. Bild 1.28: Links Wellenausbreitung im Singlemode-LWL und rechts Brechzahlprofil Die sich durch den Singlemode-LWL ausbreitende Welle ragt in den Mantel hinein. Das heißt, ein Teil des Lichtes wird durch den Mantel geführt. Der Mantel beeinflusst das Ausbreitungsverhalten des Singlemode-LWL. Das äußert sich bei der Makrobiegeempfindlichkeit und bei der Wellenleiterdispersion. 1.3.5.2 Dispersion im Singlemode-LWL Die gravierendsten Dispersionsarten, die Modendispersion bzw. Profildispersion, sind im Singlemode-LWL nicht mehr vorhanden, da nur noch eine Mode ausbreitungsfähig ist. Laufzeitunterschiede zwischen den Moden treten nicht mehr auf. Es sind wesentlich größere Übertragungskapazitäten im Vergleich zum Multimode-LWL realisierbar. Dennoch ist auch der Singlemode-LWL nicht frei von Dispersion. Die wesentlichen Dispersionseffekte sind die Materialdispersion und die Wellenleiterdispersion, die sich zur chromatischen Dispersion addieren. Die Materialdispersion wurde bereits im Abschnitt 1.3.3.2 besprochen. Die Wellenleiterdispersion ist ein typischer Effekt im Singlemode-LWL, sie kommt im Abschnitt 1.3.5.3 zur Sprache. Chromatische Dispersion entsteht durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Wellenlängenanteile des Senders. Sie steht in engem Zusammenhang mit den spektralen Eigenschaften des Senders. Wesentlich kleiner und deshalb von untergeordneter Bedeutung ist die Polarisationsmodendispersion (Abschnitt 1.3.14). 1.3.5.3 Wellenleiterdispersion Der Modenfeldradius der Grundmode hängt von der Wellenlänge ab. Je größer die Wellenlänge, umso breiter ist das Modenfeld, umso mehr Licht wird im Mantel geführt. Der Mantel hat eine kleinere Brechzahl (n M < n K ): Die Leistungsanteile im Mantel breiten sich wegen v = c/ n schneller als die Leistungsanteile im Kern aus. Am Streckenende ergibt sich ein Mittelwert aus den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Leistungsanteile von Kern und Mantel. Dieser Mittelwert hängt von der Wellenlänge ab. 63520_Eberlein_SL4.indd 46 63520_Eberlein_SL4.indd 46 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="62"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 47 47 Je größer die Wellenlänge, umso mehr Licht wird im Mantel geführt, umso größer ist der Anteil, der sich mit einer höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit fortpflanzt: 1 2 1 1 2 2 wobei ) ( v ) ( v λ > λ λ > λ . Die Breite des Modenfeldes und damit die Wellenleiterdispersion lassen sich durch eine Modifikation des Brechzahlprofils beeinflussen. n M n M v M v M v ( ) v ( ) 1 2 2 n K n K v K v K 2w 1 2w 2 1 Bild 1.29: Ausbreitung der Grundmode im Singlemode-LWL bei unterschiedlichen Wellenlängen ( λ 1 < λ 2 ) 1.3.5.4 Chromatische Dispersion Der Koeffizient der Wellenleiterdispersion D WEL ist stets negativ und er überlagert sich mit dem Koeffizienten der Materialdispersion D MAT zum Koeffizienten der chromatischen Dispersion D CD : WEL MAT CD D D D + = (1.26) Entsprechend überlagern sich die Impulsverbreiterungen: WEL MAT CD T T T ∆ + ∆ = ∆ (1.27) Diese Beziehung unterscheidet sich von Gleichung (1.23): Während sich die Beiträge von Materialdispersion und Modendispersion im Multimode-LWL stets addieren, ist im Singlemode-LWL eine gegenseitige Kompensation von Materialdispersion und Wellenleiterdispersion möglich. Man kann die resultierende chromatische Dispersion zu null machen, obwohl die Materialdispersion und die Wellenleiterdispersion ungleich null sind (Bild 1.30). Für den Nulldurchgang gilt näherungsweise: • Nulldispersionswellenlänge: λ 0 ≈ 1310 nm • Koeffizient der chromatischen Dispersion: D CD ≈ 0 ps/ (nm∙km). 63520_Eberlein_SL4.indd 47 63520_Eberlein_SL4.indd 47 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="63"?> 48 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 48 Die Koeffizienten der chromatischen Dispersion für das zweite, dritte und vierte optische Fenster wurden für den Standard-Singlemode-LWL folgendermaßen spezifiziert: • |D CD ( λ = 1,31 µm)| ≤ 1,3 ps/ (nm∙km) • D CD ( λ = 1,55 µm) ≤ 18,6 ps/ (nm∙km) • D CD ( λ = 1,625 µm) ≤ 23,7 ps/ (nm∙km) -25 +25 1,2 1,6 Wellenlänge in m Koeffizient der Dispersion in ps/ (nm km) · D MAT D WEL D CD Bild 1.30: Koeffizient der chromatischen Dispersion D CD , der Materialdispersion D MAT und der Wellenleiterdispersion D WEL in Abhängigkeit von der Wellenlänge Der Koeffizient der chromatischen Dispersion bei 1,31 µm muss nicht exakt gleich Null sein, weil der Nulldurchgang innerhalb des Wellenlängenbereiches 1300 nm...1324 nm liegen kann. Im dritten optischen Fenster ist der Koeffizient der chromatischen Dispersion bereits deutlich angewachsen. Der Standard-Singlemode-LWL hat zwar das Dispersionsminimum im zweiten optischen Fenster (1,31 µ m), aber das Dämpfungsminimum liegt im dritten optischen Fenster (1,55 µ m). Man kann beide Vorteile des Lichtwellenleiters, nämlich geringe Dispersion und geringe Dämpfung, nie gleichzeitig nutzen. Dies ist nur mit Hilfe eines dispersionsverschobenen Lichtwellenleiters möglich (Abschnitt 1.3.7). Im Gegensatz zum Multimode-LWL wird der Singlemode-LWL nicht durch ein Bandbreite-Längen-Produkt spezifiziert. Stattdessen gibt es eine Angabe zum Koeffizienten der chromatischen Dispersion im Datenblatt. Erst in Verbindung mit den spektralen Eigenschaften des Senders wird eine Angabe des Bandbreite-Längen-Produktes möglich. Außerhalb des Nulldurchganges des Koeffizienten der chromatischen Dispersion gilt für hinreichend lange Strecken näherungsweise für die Impulsverbreiterung durch chromatische Dispersion analog zu Gleichung (1.22): CD CD D L HWB T ⋅ ⋅ = ∆ (1.28) 63520_Eberlein_SL4.indd 48 63520_Eberlein_SL4.indd 48 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="64"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 49 49 Dabei ist CD D L CD ⋅ = (1.29) die chromatische Dispersion in ps/ nm. Liegt das Spektrum unmittelbar im Bereich des Nulldurchganges des Koeffizienten der chromatischen Dispersion, gilt eine allgemeinere Beziehung, die die Steilheit im Nulldurchgang, das heißt den Anstieg des Koeffizienten der chromatischen Dispersion S 0 berücksichtigt: 8 HWB S D L HWB T 2 2 0 2 CD CD + ⋅ ⋅ = ∆ (1.30) Um geringe Impulsverbreiterungen zu erreichen, verwendet man einen extern modulierten DFB-Laser mit extrem geringer spektraler Halbwertsbreite (Abschnitt 1.4.3). Somit bleibt der erste Faktor in Gleichung (1.30) extrem gering. Der Koeffizient der chromatischen Dispersion muss bei vielkanaligen Systemen (DWDM) zur Vermeidung von Vierwellenmischungen einen Wert ungleich Null haben (Abschnitt 1.3.9). 1.3.5.5 Eigenschaften des Singlemode-LWL Infolge der geringeren Kerndotierung und der geringeren Rayleighstreuung hat der Singlemode-LWL eine geringere Dämpfung als der Multimode-LWL. Außerdem ist die Dispersion wesentlich geringer. Einige typische Kenngrößen sind: Die normierte Frequenz V macht eine Angabe darüber, ob der Lichtwellenleiter multimodig oder einmodig ist. Sie wird folgendermaßen definiert: λ ⋅ ⋅ π = K r NA 2 V (1.31) Die zweite Mode schwingt bei der normierten Grenzfrequenz V C an. Dieser Wert darf nicht überschritten werden. Ansonsten arbeitet der Singlemode-LWL als Multimode- LWL, verursacht Modendispersion und ist nicht mehr für die Übertragung hoher Datenraten geeignet. Die Einmoden-Bedingung lautet: C V V < (1.32) Für den Singlemode-LWL mit Stufenprofil gilt: 405 , 2 V C = (1.33) Damit wird die erforderliche Dimensionierung des Singlemode-LWL festgelegt. Liegen der Kernradius, die numerische Apertur und die normierte Grenzfrequenz fest, so bestimmt die Wellenlänge, ob Singlemode- oder Multimodebetrieb stattfindet. 63520_Eberlein_SL4.indd 49 63520_Eberlein_SL4.indd 49 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="65"?> 50 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 50 Aus (1.31) und (1.32) folgt für die Grenzwellenlänge λ C (Cutoff-Wellenlänge): C K C V NA r 2 ⋅ ⋅ π = λ (1.34) Für V < V C also λ > λ C ist der Lichtwellenleiter einmodig. Liegt die normierte Frequenz nur wenig unter der normierten Grenzfrequenz, was den allgemein üblichen Betriebsbedingungen entspricht, so gilt für den Modenfeldradius die gute Näherung: V 6 , 2 r w K ⋅ ≈ (1.35) Setzt man V = 2,25, so folgt, dass der Modenfeldradius etwa 15 % größer als der Kernradius ist. Durch Einsetzen von (1.31) in (1.35) ergibt sich: NA 3 , 1 w λ ⋅ π ≈ (1.36) Man erkennt, dass der Modenfeldradius mit der Wellenlänge wächst und mit der numerischen Apertur sinkt. Das wirkt sich nicht nur auf die Wellenleiterdispersion, sondern auch auf die Biegeempfindlichkeit des Lichtwellenleiters aus. Der typische Modenfelddurchmesser des Standard-Singlemode-LWL liegt bei einer Übertragungswellenlänge von 1,31 µm bei 9,2 µm und wächst auf etwa 10,4 µm an, wenn die Übertragung im dritten optischen Fenster (1,55 µm) erfolgt. Das Modenfeld wird flacher und breiter. Etwa 15 % weniger Leistung wird im Kern und entsprechend mehr Leistung im Mantel geführt. Im Mantel geführtes Licht reagiert auf Biegungen des Lichtwellenleiters. Folglich wächst die Makrobiegeempfindlichkeit mit der Wellenlänge. Das bedeutet, dass man besonders sorgfältig installieren muss, wenn die Übertragung bei 1,55 µm oder gar 1,625 µm erfolgt. Der zulässige Biegeradius darf nicht unterschritten werden. Der Makrobiegeeffekt kann genutzt werden, indem man bei zwei verschiedenen Wellenlängen misst und die Messergebnisse vergleicht. So werden Installationsmängel erkannt (Abschnitte 4.7.6). Bild 1.31 vergleicht einige wellenlängenabhängige Parameter des Singlemode-LWL. Modenfelddurchmesser normierte Frequenz Biegeempfindlichkeit kleiner größer größer kleiner fällt wächst c Bild 1.31: Spektrale Eigenschaften des Singlemode-LWL 63520_Eberlein_SL4.indd 50 63520_Eberlein_SL4.indd 50 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="66"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 51 51 Die zunehmende Makrobiegeempfindlichkeit mit wachsender Wellenlänge ist ein typischer Effekt des Singlemode-LWL, der beim herkömmlichen Multimode-LWL nicht auftritt. Nur biegeoptimierte Multimode-LWL zeigen ein wellenlängenabhängiges Verhalten. Durch Messung herkömmlicher Multimode-LWL bei 850 nm und 1300 nm und Vergleich der Messwerte kann man nicht auf Installationsmängel schließen. 1.3.5.6 Parameter Standard-Singlemode-Lichtwellenleiter Die Norm ITU-T G.652 unterteilt den Standard-Singlemode-LWL in vier Kategorien. Für alle Klassen gilt: • Modenfelddurchmesser bei 1310 nm: = 0 w 2 8,6 µm bis 9,2 µm • Toleranz des Modenfelddurchmessers bei 1310 nm: ± 0,4 µm • Modenfelddurchmesser und Toleranz bei 1550 nm: keine Festlegung • Manteldurchmesser: 125 µm ± 0,7 µm • Kern-Mantel-Exzentrizität: ≤ 0,6 µm • Abweichungen des Mantels von der Kreisform: ≤ 1,0 % • Grenzwellenlänge des Kabels: ≤ λ C 1260 nm • Nulldispersionswellenlänge: λ 0min = 1300 nm, λ 0max = 1324 nm • Maximaler Anstieg des Koeffizienten der chromatischen Dispersion bei der Nulldispersionswellenlänge: S 0max = 0,092 ps/ (nm²∙km) • Koeffizient der chromatischen Dispersion: λ λ − ⋅ λ ≤ λ ≤ λ λ − ⋅ λ 4 min 0 max 0 CD 4 max 0 max 0 1 4 S ) ( D 1 4 S (1.37) • Faserspannung beim Zugtest: 0,69 GPa (100 KPSI) • Die Makrobiegeempfindlichkeit wird für einen Biegeradius von 30 mm spezifiziert. ITU-T G.652.A G.652.B G.652.C G.652.D IEC B1.1 B1.3 Dämpfungskoeffizient bei 1310 nm ≤ 0,5 dB/ km ≤ 0,4 dB/ km (1383 ± 3) nm nicht spezifiziert ≤ Wert (1310...1625) nm*) 1550 nm ≤ 0,4 dB/ km ≤ 0,35 dB/ km ≤ 0,3 dB/ km 1625 nm nicht spezifiziert ≤ 0,4 dB/ km PMD Link Design Value ≤ 0,5 ps/ km ≤ 0,20 ps/ km ≤ 0,5 ps/ km ≤ 0,20 ps/ km Tabelle 1.9: Unterschiede zwischen G.652.A, G.652.B, G.652.C und G.652.D *) nach Wasserstoffalterung Tabelle 1.9 zeigt die Unterschiede zwischen den vier Kategorien des Standard- Singlemode-LWL. Eine Kategorisierung der Dämpfungskoeffizienten findet man auch in DIN EN 50173-1 (Tabelle 1.10). Die Forderungen sind sehr schwach. 63520_Eberlein_SL4.indd 51 63520_Eberlein_SL4.indd 51 12.11.2020 12: 55: 44 12.11.2020 12: 55: 44 <?page no="67"?> 52 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 52 maximaler Dämpfungskoeffizient Wellenlänge 1310 nm 1383 nm 1550 nm OS1 1,0 dB/ km OS2 0,4 dB/ km Tabelle 1.10: Kategorisierung Dämpfungskoeffizienten entsprechend DIN EN 50173-1 Wegen des geringen Dämpfungskoeffizienten bei 1383 nm (Abschnitt 1.3.6) und der geringen Polarisationsmodendispersion (Abschnitt 1.3.14) hat die Kategorie D die größte Bedeutung erlangt. Typische Parameter eines guten G.652.D-LWL: • Dämpfungskoeffizient bei 1310 nm: α = 0,33 dB/ km • Dämpfungskoeffizient bei 1383 nm nach Wasserstoffalterung: α = 0,31 dB/ km • Dämpfungskoeffizient bei 1550 nm: α = 0,19 dB/ km • Dämpfungskoeffizient bei 1625 nm: α = 0,21 dB/ km • typischer CD-Koeffizient bei 1550 nm: D CD ≈ 17 ps/ (nm∙km) • typischer Anstieg des CD-Koeffizienten bei 1550 nm: S ≈ 0,056 ps/ (nm²∙km) • Nulldispersionswellenlänge: λ 0 = (1302...1322) nm • Modenfelddurchmesser bei 1310 nm: 2w = 9,2 µm • Modenfelddurchmesser bei 1550 nm: 2w = 10,4 µm • Brechzahl bei 1310 nm: n = 1,468 • Brechzahl bei 1550 nm: n = 1,467 • Kerndurchmesser: d K = 8,3 µm • Manteldurchmesser: d M = 125 µm • PMD Link Design Value (PMD-Konstruktionswert): PMD Q = 0,04 ps/ km Die CD-Koeffizienten sind determiniert: Ein bestimmter Fasertyp hat bei einer bestimmten Wellenlänge unabhängig vom Hersteller einen bestimmten Wert. Damit ist der Einfluss der chromatischen Dispersion planbar. Anders als bei der Polarisationsmodendispersion gibt es keine guten oder schlechten Fasern bezüglich der CD- Koeffizienten. Für andere Fasertypen gelten andere Koeffizienten der chromatischen Dispersion und andere Anstiege. Neben den oben beschriebenen Singlemode-LWL, die für die Telekommunikation dimensioniert wurden, sind auch Lichtwellenleiter verfügbar, die bereits im sichtbaren Bereich einmodig arbeiten. Sie kommen in der Sensorik, zur Ankopplung an Wellenleiter, für faseroptische Verstärker und Gyroskope sowie für spezielle Anwendungen in der Forschung zum Einsatz. Die Modenfelddurchmesser überstreichen einen Bereich von 3,4 µm ( λ = 488 nm) bis 10,4 µm ( λ = 1550 nm). Typische numerische Aperturen (auch für Telekommunikationsanwendungen) liegen im Bereich von 0,11 bis 0,13. Singlemode-LWL für Sensorzwecke sind auch mit erhöhter numerischer Apertur lieferbar (bis 0,2). Diese Lichtwellenleiter haben dann entsprechend Gleichung (1.36) einen sehr kleinen Modenfelddurchmesser. 63520_Eberlein_SL4.indd 52 63520_Eberlein_SL4.indd 52 12.11.2020 12: 55: 45 12.11.2020 12: 55: 45 <?page no="68"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 53 53 1.3.6 Singlemode-Lichtwellenleiter mit reduziertem Wasserpeak Der Trend geht dahin, den nutzbaren Wellenlängenbereich zu vergrößern. Beim Groben Wellenlängenmultiplex (CWDM) werden bis zu 18 Kanäle im Wellenlängenbereich von 1271 nm bis 1611 nm übertragen. Aber auch in FTTx-Netzen (Abschnitt 5.4) nutzt man Wellenlängen, die außerhalb der klassischen optischen Fenster liegen. Eine sinnvolle Nutzung des Wellenlängenbereiches zwischen dem zweiten und dritten optischen Fenster wurde bei älteren Lichtwellenleitern durch die hohe Dämpfung des Wasserpeaks bei 1383 nm verhindert. Durch Modifikation des Herstellungsprozesses gelingt es, den Wasserpeak zu unterdrücken (Bild 1.32). 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1300 1400 1500 1600 Wellenlänge in nm Dämpfungskoeffizient in dB/ km O E S C L G.652.A&B G.652.C&D ZWP U Bild 1.32: Optische Bänder des Singlemode-LWL und Dämpfungsverlauf verschiedener LWL-Typen Die Norm lässt noch einen kleinen Peak zu (G.652.C&D). Es gibt aber auch Hersteller, die das Wasserpeak komplett eliminieren (ZWP: Zero-Water-Peak). Die Wellenlängenbereiche der Bänder sind folgendermaßen spezifiziert: • O-Band: 1260 nm...1360 nm • L-Band: 1360 nm...1460 nm • S-Band: 1460 nm...1530 nm • C-Band: 1530 nm...1565 nm • L-Band: 1565 nm...1625 nm • U-Band: 1625 nm...1675 nm 63520_Eberlein_SL4.indd 53 63520_Eberlein_SL4.indd 53 12.11.2020 12: 55: 45 12.11.2020 12: 55: 45 <?page no="69"?> 54 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 54 Die Low-Water-Peak (LWP)-Fasern haben die gleichen Eigenschaften wie die Standard-Singlemode-LWL aber eben eine geringere Dämpfung im Wellenlängenbereich zwischen dem zweiten und dritten optischen Fenster (Tabelle 1.9). In den Klassen C und D darf der Dämpfungskoeffizient bei (1383 ± 3) nm nicht größer als der Dämpfungskoeffizient im Wellenlängenbereich von 1310 nm bis 1625 nm sein. 1.3.7 Dispersionsverschobener Singlemode-Lichtwellenleiter Der Standard-Singlemode-LWL hat den Nachteil, dass er im dritten optischen Fenster einen relativ großen Koeffizienten der chromatischen Dispersion hat. Das kann bei Datenraten ab 10 Gbit/ s zu Problemen führen: Bei direkt modulierten Lasern liegt die Längenbegrenzung durch chromatische Dispersion bei 5 km, bei extern modulierten Lasern etwa bei 60 km (NRZ-Modulation). Deshalb wurde der dispersionsverschobene Lichtwellenleiter (Dispersion-shifted fiber: DSF) entwickelt und in der Norm ITU-T G.653 bzw. in DIN EN 60793-2-50, VDE 0888-325, Kategorie B 2 standardisiert. Bei diesem LWL-Typ liegt der Nulldurchgang der chromatischen Dispersion bei 1550 nm (Bild 1.33). Bild 1.33: Koeffizient der chromatischen Dispersion D CD , der Materialdispersion D MAT und der Wellenleiterdispersion D WEL als Funktion der Wellenlänge des dispersionsverschobenen Lichtwellenleiters Durch Veränderung des Brechzahlprofils des Lichtwellenleiters werden der Koeffizient der Wellenleiterdispersion und damit auch der Koeffizient der chromatischen Dispersion verändert. Das führt zur Verschiebung des Nulldurchganges. Einige nationale Telekom-Gesellschaften haben diesen LWL-Typ eingeführt. Die Besonderheit des G.653-LWL liegt darin, dass beide Vorteile des Lichtwellenleiters, nämlich minimale Dispersion und minimale Dämpfung in einem einzigen optischen Fenster (bei 1550 nm), vereinigt sind. 63520_Eberlein_SL4.indd 54 63520_Eberlein_SL4.indd 54 12.11.2020 12: 55: 45 12.11.2020 12: 55: 45 <?page no="70"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 55 55 Während mit dem Standard-Singlemode-LWL immer nur einer dieser Vorteile genutzt werden kann (im zweiten optischen Fenster die minimale Dispersion, im dritten optischen Fenster die minimale Dämpfung), werden mit dem dispersionsverschobenen Lichtwellenleiter beide Vorteile vereint, wenn man bei 1550 nm arbeitet. Für den dispersionsverschobenen Lichtwellenleiter gelten folgende Parameter: • Nulldispersionswellenlänge: 1500 nm ≤ λ 0 ≤ 1600 nm • Anstieg im Dispersionsnulldurchgang: S 0max ≤ 0,085 ps/ (nm²∙km) • Arbeitsbereich: λ min = 1525 nm ≤ λ ≤ λ max = 1575 nm • CD-Koeffizient im Arbeitsbereich: |D CD ( λ ≈ 1550 nm)| ≤ 3,5 ps/ (nm∙km) Damit erhöht sich die überbrückbare Streckenlänge mit 10 Gbit/ s extern modulierten Lasern (NRZ) etwa auf das Fünffache: ≈ 300 km. 1.3.8 Cut-off shifted Lichtwellenleiter Der Cut-off shifted Lichtwellenleiter wurde ursprünglich für Unterwasserstrecken entwickelt und in der ITU-T G.654 genormt. Er erlangt in modernen Netzen mit hohen Datenraten zunehmend Bedeutung. Derzeit laufen Pilotversuche mit 400 Gbit/ s- Systemen (G.654.E). Die Faser wurde für den Wellenlängenbereich von 1530 nm bis 1625 nm optimiert. Das erreicht man durch Verwendung von reinem Silizium im LWL-Kern. Dadurch ist die Rayleighstreuung geringer und Dämpfungskoeffizienten von 0,15 dB/ km bis 0,19 dB/ km werden möglich. Um dennoch zu gewährleisten, dass der Kern eine höhere Brechzahl als der Mantel hat, wird der Mantel mit einem Material dotiert, welches die Brechzahl absenkt (F oder B 2 O 3 ). Das ist wesentlich aufwändiger, da ein viel größeres Glasvolumen dotiert werden muss. Weitere wichtige Eigenschaften: • Unterscheidung von fünf Kategorien A, B, C, D und E. • Erhöhte Grenzwellenlänge (≤ 1530 nm): Die Faser ist für den Betrieb im zweiten optischen Fenster nicht geeignet (Übertragung würde multimodig). • Nulldispersionswellenlänge bei 1310 nm • Großer Kerndurchmesser, großer Modenfelddurchmesser (Kategorie D bis 15 µm): Es können höhere Leistungen eingekoppelt werden. Die Faser ist robuster gegenüber nichtlinearen Effekten. • Großer Koeffizient der chromatischen Dispersion bei 1550 nm (Kategorie D und E bis 23 ps/ (nm∙km)). • Klasse E mit reduzierter Makrobiegeempfindlichkeit 1.3.9 Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter Da der dispersionsverschobene Lichtwellenleiter im dritten optischen Fenster sowohl eine minimale Dämpfung als auch Dispersion hat, erscheint er besonders für moder- 63520_Eberlein_SL4.indd 55 63520_Eberlein_SL4.indd 55 12.11.2020 12: 55: 45 12.11.2020 12: 55: 45 <?page no="71"?> 56 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 56 ne Anwendungen geeignet. Allerdings kann es in vielkanaligen (DWDM-)Systemen zu Problemen kommen. Durch die Überlagerung der Leistungen vieler Laser in einem Lichtwellenleiter ergeben sich sehr hohe Leistungen (bis zu einigen 100 mW). Da die Fläche des Modenfeldes sehr klein ist, führt das zu extrem hohen Intensitäten (Leistungsdichten) im LWL-Kern. Wenn die Intensität einen Schwellwert überschreitet, werden die Eigenschaften des Glases nichtlinear. Es kommt zu einer Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die mit den Gesetzen der nichtlinearen Optik erklärt werden können. Besonders störend ist die Vierwellenmischung: Es entstehen neue Lichtfrequenzen, die die Originalfrequenzen stören können. Dieser Effekt ist besonders stark, wenn der Koeffizient der chromatischen Dispersion Null ist. Das ist beim dispersionsverschobenen Lichtwellenleiter der Fall. Kompromiss: Der Koeffizient der chromatischen Dispersion darf bei 1550 nm nicht zu groß sein (wie beim G.652-LWL). Andererseits darf er auch nicht null werden (wie beim G.653-LWL). Der Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter (NZDSF) realisiert diesen Kompromiss. Er ist ein Lichtwellenleiter mit verschobener Dispersionskurve, wobei der Nulldurchgang außerhalb des Bereiches der Betriebswellenlängen (C-Band) liegen muss. Innerhalb dieses Bereiches darf der Koeffizient der chromatischen Dispersion einen bestimmten Wert nicht unterschreiten (Bild 1.34). Bild 1.34: Typischer Verlauf des Koeffizienten der chromatischen Dispersion eines NZDS-LWL Der NZDS-LWL wird in der ITU-T G.655 genormt. Die aktuelle Version der Norm unterscheidet drei Kategorien (Tabelle 1.11). 63520_Eberlein_SL4.indd 56 63520_Eberlein_SL4.indd 56 12.11.2020 12: 55: 45 12.11.2020 12: 55: 45 <?page no="72"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 57 57 Für alle Kategorien gilt: • Wellenlängenbereich: 1530 nm bis 1565 nm (C-Band) • Modenfelddurchmesser bei 1550 nm: (8…11) µm ± 0,6 µm • Grenzwellenlänge des Kabels: ≤ 1450 nm • Die Makrobiegeempfindlichkeit wird für einen Biegeradius von 30 mm spezifiziert. ITU-T G.655.C G.655.D G.655.E Wellenlängenbereich 1530 nm…1565 nm 1460 nm…1625 nm Koeffizient der chromatischen Dispersion km) ps/ (nm 0 10 D D km) ps/ (nm 1 CD CD ⋅ ≤ ≤ ⋅ , Paar begrenzender Geraden in Abhängigkeit von der Wellenlänge min CD max CD D D − ≤ 5,0 ps/ (nm∙km) Dämpfungskoeffizient 1550 nm ≤ 0,30 dB/ km 1625 nm ≤ 0,40 dB/ km PMD-Link-Design-Value km / ps 5 , 0 ≤ km / ps 5 , 0 ≤ km ps/ 20 , 0 ≤ Tabelle 1.11: Unterschiede zwischen G.655.C, G.655.D und G.655.E Für die Klasse D gilt: • Im Wellenlängenbereich 1530 nm…1565 nm erfüllt der Koeffizient der chromatischen Dispersion die Forderungen der Klasse C. • Für λ > 1530 nm ist der Koeffizient der chromatischen Dispersion positiv und hinreichend groß, um nichtlineare Effekte zu unterdrücken. Geeignet für DWDM- Übertragung. • Im Wellenlängenbereich 1460 nm…1530 nm durchläuft der Koeffizient der chromatischen Dispersion den Nulldurchgang. Dieser Wellenlängenbereich ist geeignet für die CWDM-Übertragung (1471 nm, 1491 nm,…). Für die Klasse E gilt: • Für λ > 1460 nm ist der Koeffizient der chromatischen Dispersion positiv und größer als in Klasse D. DWDM-Übertragung ist möglich. Ansonsten lässt die Norm G.655 viel Spielraum bei der konkreten Dimensionierung des Lichtwellenleiters. Das führte dazu, dass die verschiedenen Anbieter ihre G.655- LWL unterschiedlich optimieren und sie voneinander abweichende Parameter haben. Diese Fasern sind unter verschiedenen Markennamen bekannt: • LEAF von Corning • TrueWave RS von OFS (ehemals Lucent) • TeraLight von Alcatel • PureGuide hat identische Parameter wie TeraLight • FreeLight hat identische Parameter wie LEAF In Tabelle 1.12 wurden einige wichtige Parameter verschiedener G.655-LWL-Typen zusammengestellt. 63520_Eberlein_SL4.indd 57 63520_Eberlein_SL4.indd 57 12.11.2020 12: 55: 45 12.11.2020 12: 55: 45 <?page no="73"?> 58 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 58 Wenn verschiedene LWL-Typen miteinander gekoppelt werden, führen die unterschiedlichen Modenfelddurchmesser zu Koppelverlusten und Stufen im Rückstreudiagramm (Abschnitt 4.4.3). Dies ist bei der Planung und Messung derartiger Strecken zu berücksichtigen. Die unterschiedlichen Brechzahlen können zu minimalen Reflexionen führen, die aber meist unkritisch sind. LWL-Typ Modenfelddurchmesser Gruppenbrechzahl Toleranzbereich Nennwert Standard-SM-LWL 9,5 µm…11,5 µm 10,5 µm 1,4681 TeraLight 8,7 µm... 9,7 µm 9,2 µm 1,470 PureGuide 8,7 µm... 9,7 µm 9,2 µm 1,470 LEAF 9,2 µm…10,0 µm 9,6 µm 1,468 FreeLight 9,2 µm…10,0 µm 9,6 µm 1,470 TrueWave RS 7,8 µm... 9,0 µm 8,4 µm 1,470 Tabelle 1.12: Vergleich wichtiger Parameter verschiedener NZDS-LWL (G.655) mit dem Standard-Singlemode-LWL (G.652) für die Wellenlänge 1,55 µm Die maximale Grenzwellenlänge wird für den G.655-LWL mit 1450 nm festgelegt. So ist es möglich, dass der Lichtwellenleiter im zweiten optischen Fenster multimodig wird. Es ist nicht sinnvoll, den Lichtwellenleiter bei dieser Wellenlänge einzusetzen. Die Grenzwellenlänge 1450 nm beschreibt eine obere Grenze. NZDS-LWL mit Grenzwellenlängen kleiner als 1300 nm sind auf dem Markt. Beabsichtigt man auch das zweite optische Fenster mit dem NZDS-LWL zu nutzen, muss man die passende Faser anhand der Datenblätter auswählen. 1.3.10 NZDSF für erweiterten Wellenlängenbereich Dieser Lichtwellenleiter wurde in der Norm ITU-T G.656 standardisiert. Dabei findet die Tatsache Berücksichtigung, dass Wellenlängenmultiplex nicht nur im C-Band, sondern zunehmend auch im L-Band bzw. S-Band erfolgt. Auch in diesen Wellenlängenbereichen muss gewährleistet sein, dass der Koeffizient der chromatischen Dispersion keinen Nulldurchgang hat. Die Spezifikation der Parameter erfolgt für einen erweiterten Wellenlängenbereich: 1460 nm bis 1625 nm. Weiterhin wurde spezifiziert: • Modenfelddurchmesser bei 1550 nm: (7…11) µm ± 0,7 µm • Grenzwellenlänge des Kabels: ≤ 1450 nm • Dämpfungskoeffizient bei 1550 nm und 1625 nm: wie G.655-LWL • Dämpfungskoeffizient bei 1460 nm: ≤ 0,4 dB/ km. Dieser Parameter ist wichtig, wenn Raman-Pumplaser zum Einsatz kommen. • Die Makrobiegeempfindlichkeit wird für einen Biegeradius von 30 mm spezifiziert. Maximale Dämpfung bei 1625 nm (100 Windungen): 0,50 dB. 63520_Eberlein_SL4.indd 58 63520_Eberlein_SL4.indd 58 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="74"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 59 59 • Der Kanalabstand darf ≤ 100 GHz betragen. • Der zulässige Toleranzbereich des Koeffizienten der chromatischen Dispersion wird durch Paare begrenzender Kurven D CD min ( λ ) und D CD min ( λ ) festgelegt: D CD min = 1,00 ps/ (nm∙km), D CD max = 4,60 ps/ (nm∙km) bei 1460 nm D CD min = 3,60 ps/ (nm∙km), D CD max = 9,28 ps/ (nm∙km) bei 1550 nm D CD min = 4,58 ps/ (nm∙km), D CD max = 14,00 ps/ (nm∙km) bei 1625 nm • PMD-Konstruktionswert: ≤ 0,20 ps/ km 1.3.11 Lichtwellenleiter mit reduzierter Biegeempfindlichkeit Multimode- und Singlemode-LWL reagieren unterschiedlich stark auf Makrobiegungen. Während im Multimode-LWL die gesamte Leistung im Wesentlichen im Kern transportiert wird, reicht das annähernd gaußförmige Modenfeld des Singlemode- LWL in den inneren Glasmantel. Deshalb reagiert der herkömmliche Singlemode-LWL deutlich empfindlicher auf Makrobiegungen als der Multimode-LWL. Für Fiber-to-the-Home- oder Fiber-to-the-Building-Anwendungen werden Fasern mit reduzierter Biegeempfindlichkeit benötigt. Zur Verringerung des Platzbedarfs und um Kabel unauffällig verlegen zu können, sollen geringere Biegeradien möglich sein. Die Abmessungen der Spleiß- und Kopplerboxen können reduziert, die Packungsdichte erhöht und Kosten gespart werden. Entsprechende Fasern wurden in der Norm ITU-T G.657 „Characteristics of a Bending Loss Insensitive Single Mode Optical Fibres and Cables for the Access Network“ spezifiziert. Bei der Verringerung des Radius des Lichtwellenleiters sind zwei Aspekte zu beachten: Erhöhung der Dämpfung und Verringerung der Lebensdauer. Bei herkömmlichen primärgeschützten Singlemode-LWL darf ein Biegeradius von 30 mm nicht unterschritten werden. Die Biegeempfindlichkeit wird verringert durch Modifikation des Brechzahlprofils. (a) Radius Brechzahl (b) (c) Bild 1.35: Brechzahlprofile zur Verringerung der Biegeempfindlichkeit 63520_Eberlein_SL4.indd 59 63520_Eberlein_SL4.indd 59 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="75"?> 60 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 60 Entsprechend Bild 1.35 (a) reduziert man die Biegeempfindlichkeit durch Erhöhung der Kernbrechzahl und Verringerung des Kerndurchmessers. Dadurch wird der Modenfelddurchmesser kleiner und das Licht wird stärker im Kernbereich lokalisiert. Der Nachteil dieser Variante besteht darin, dass der Modenfelddurchmesser nicht mehr mit demjenigen der Standardfaser kompatibel ist. Es kommt zu Fehlanpassungen. Bild 1.35 (b) zeigt eine biegeoptimierte Faser, die im inneren LWL-Mantel einen Brechzahlgraben hat (AllWave ® FLEXFiber). Die Brechzahlabsenkung wird durch Fluor-Dotierung erreicht. So werden die weit in den Mantel hinein reichenden gaußförmigen Wellenschwänze unterdrückt. Entsprechend Bild 1.35 (c) hält ein tiefer Graben im Brechzahlprofil das Licht im Kern gefangen (Trench-Assisted-Fiber). Des Weiteren wird die Biegeunempfindlichkeit durch das Einbringen einer Löcherstruktur um den LWL-Kern erreicht. Diese Fasern haben eine besonders geringe Biegeempfindlichkeit. Allerdings sind sie schwieriger herstell- und handhabbar und haben am Markt keine Akzeptanz gefunden. Die Norm G.657 unterscheidet zwischen der Kategorie A, die kompatibel mit der G.652.D-Faser ist und der Kategorie B, die kompatibel mit der G.652.D- und der G.657.A-Faser bis auf die Dispersionsparameter (CD, PMD) ist. 1.3.11.1 Kategorie A Für die Kategorie A (Tabelle 1.13 und 1.15) gilt: • Modenfelddurchmesser bei 1310 nm: 8,6 µm…9,2 µm ± 0,4 µm • Zugtest mit 0,69 GPa (100 KPSI) Kategorie A1 Kategorie A2 Radius 15 mm 10 mm 15 mm 10 mm 7,5 mm Anzahl der Windungen 10 1 10 1 1 maximale Dämpfung bei 1550 nm 0,25 dB 0,75 dB 0,03 dB 0,1 dB 0,5 dB maximale Dämpfung bei 1625 nm 1,0 dB 1,5 dB 0,1 dB 0,2 dB 1,0 dB Tabelle 1.13: Zulässige Dämpfungen der G.657.A-Faser Die Makrobiegedämpfung wächst proportional zur Anzahl der Windungen. Sie wächst exponentiell mit Verringerung des Radius und mit Erhöhung der Wellenlänge. Man unterscheidet zwischen drei Unterkategorien: • A1 erlaubt einen minimalen Biegeradius von 10 mm: etwa zehnmal geringere Makrobiegeempfindlichkeit als der G.652-LWL. • A2 erlaubt einen minimalen Biegeradius von 7,5 mm: etwa hundertmal geringere Makrobiegeempfindlichkeit als der G.652-LWL. • A3 erlaubt einen minimal zulässigen Biegeradius von 5 mm. Die Dämpfung beträgt pro Windung bei diesem Radius und 1550 nm: 0,15 dB. Diese Klasse ist noch nicht verabschiedet. 63520_Eberlein_SL4.indd 60 63520_Eberlein_SL4.indd 60 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="76"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 61 61 1.3.11.2 Kategorie B Für die Kategorie B (Tabelle 1.14 und 1.15) gilt: • Gleiche Parameter wie G.652.D bzw. G.657.A bis auf die Dispersionsparameter: chromatische Dispersion (größere Toleranz); PMD-Konstruktionswert (schlechter). • Geeignet für Zugangsnetze im Gebäude oder in der Nähe von Gebäuden (geringe Streckenlängen; Dispersion spielt keine Rolle). • Modenfelddurchmesser bei 1310 nm: 8,6 µm…9,2 µm ± 0,4 µm • Zugtest mit 0,69 GPa (100 KPSI) Man unterscheidet zwischen zwei Unterkategorien: • B2 hat die gleiche Makrobiegeempfindlichkeit, wie die Unterkategorie A2. • B3 hat die gleiche Makrobiegeempfindlichkeit, wie die Unterkategorie A3. Radius 10 mm 7,5 mm 5 mm Anzahl der Windungen 1 1 1 maximale Dämpfung bei 1550 nm 0,03 dB 0,08 dB 0,15 dB maximale Dämpfung bei 1625 nm 0,1 dB 0,25 dB 0,45 dB Tabelle 1.14: Zulässige Dämpfungen der G.657.B3-Faser minimal zulässiger Biegeradius 10 mm 7,5 mm 5 mm Kategorie A: kompatibel mit G.652.D G.657.A1 G.657.A2 G.657.A3: noch nicht verabschiedet Kategorie B: kompatibel mit G.652.D bis auf CD und PMD - G.657.B2 G.657.B3 Tabelle 1.15: Vergleich der Unterkategorien Man unterscheidet folgende Begriffe: • G.657.A1: „bend-improved“ = „biegeverbessert“ • G.657.A2: „bend-tolerant“ = „biegetolerant“ • G.657.B3: „bend-insensitive“ = „biegeunempfindlich“ Die biegeunempfindlichen Fasern sind nicht nur für die Haus- oder Wohnungsinstallation interessant: Die Übertragung erfolgt bei zunehmend höheren Wellenlängen (RFoG: 1610 nm; DWDM: bis 1610 nm; CWDM: bis 1617,5 nm; Überwachung: bis 1650 nm). Die Faser wird mit höheren Wellenlängen biegeempfindlicher. Für derartige Anwendungen bieten sich biegeunempfindliche Fasern an. Kabel mit kleineren Durchmessern und höheren Faser-Packungsdichten, die in einem großen Temperaturbereich zum Einsatz kommen (Abschnitt 5.6.3), erhöhen die Beanspruchungen der Faser durch Mikrobiegungen (Biegeradien im Mikrometerbereich). 63520_Eberlein_SL4.indd 61 63520_Eberlein_SL4.indd 61 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="77"?> 62 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 62 Mikrobiegungen entstehen durch Druckpunkte oder Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, durch lokalen Stress. G.657-Fasern reagieren nicht nur auf Makro-, sondern auch auf Mikrobiegungen unempfindlicher. 1.3.11.3 Praktische Aspekte Alle namhaften Faserhersteller bieten heute Fasern mit reduzierter Biegeempfindlichkeit an. Einige Anbieter offerieren auch Fasern, die einen Biegeradius von 5 mm erlauben. Je nach Faserinfrastruktur kann es zu einer Mischung zwischen der Standard-Faser und der biegeunempfindlichen Faser kommen. Ein solcher Übergang ist denkbar am Hausübergabepunkt: Von der Vermittlungsstelle zum Haus wird eine Standard-Singlemode-Faser verlegt; im Haus selbst eine biegeunempfindliche Faser. Ältere G.657-Fasern können sich in ihren Modenfelddurchmessern von der G.652.D-Faser unterscheiden. Das betrifft insbesondere die G.657.B. Die aktuelle Version der Norm ITU-T G.657 spezifiziert sowohl für die G.657.A als auch für die G.657.B den gleichen Modenfelddurchmesser wie für die Standard- Singlemode-Faser (G.652.D). Abweichungen sind nur noch innerhalb der Toleranzbereiche möglich (8,6 µm...9,2 µm ± 0,4µm). Tendenziell haben G.657-Fasern etwas kleinere Modenfelddurchmesser als G.652- Fasern. Das führt zu kleinen Dämpfungen und Stufen im Rückstreudiagramm. Zur Charakterisierung der Strecke empfiehlt sich eine bidirektionale Rückstreumessung und Auswertung (Abschnitt 4.4.2). Bei einseitiger Messung würde man die Stufe im Rückstreudiagramm als Dämpfung interpretieren. Die tatsächliche Dämpfung ist aber in der Regel deutlich kleiner als die Stufe. Bei der Fertigung der G.657-LWL erfolgt der Zugtest mit der gleichen mechanischen Spannung (0,69 GPa) wie bei herkömmlichen Fasern (Abschnitt 1.3.15). Das bedeutet, die mechanischen Eigenschaften der biegeunempfindlichen Fasern sind unverändert. Das Glas kann bei unsachgemäßer Handhabung beschädigt werden oder brechen. Zu geringe Biegeradien führen zu einer übermäßigen mechanischen Beanspruchung der Faser, weil die zulässige Zugkraft im Außenbereich überschritten wird. Das beeinträchtigt die Lebensdauer. Durch Erhöhung der Prüfspannung beim Zugtest von 100 KPSI auf 200 KPSI und eine Modifikation des Coatings (Erhöhung der Spannungskorrosionsempfindlichkeit) kann man die mechanische Festigkeit und damit die Lebensdauer erhöhen. Biegeradien von ≥ 15 mm ermöglichen eine hohe Zuverlässigkeit. Eine Ausfallwahrscheinlichkeit von maximal 10 -6 in 30 Jahren (typische Anforderung im Weitverkehr) kann mit Biegeradien < 15 mm jedoch nicht garantiert werden. Im Zugangsbereich werden meist höhere Ausfallraten zugelassen. Dann kann man kleinere Biegeradien akzeptieren (Abschnitt 1.3.15.5). 63520_Eberlein_SL4.indd 62 63520_Eberlein_SL4.indd 62 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="78"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 63 63 Kabel mit G.657-Fasern müssen bei der Installation genauso sorgfältig behandelt und verlegt werden wie Kabel mit herkömmlichen Fasern. Übermäßige Zugkräfte und Temperaturextreme sind unzulässig. Die Coating- und Mantelmaterialien unterliegen den gleichen Beschränkungen wie herkömmliche Kabel. Es ist ein gutes Kabelmanagement erforderlich. 1.3.12 Kategorien von Singlemode-LWL Die Normen DIN EN 60793-2-50 (VDE 0888-325), IEC und ITU teilen die Singlemode- LWL in verschiedene Kategorien ein (Tabelle 1.16). ITU-T G.65X klassifiziert folgende Fasertypen: • ITU-T G.652: Characteristics of a singlemode optical fiber and cable (Abschnitt 1.3.5). • ITU-T G.653: Characteristics of dispersion-shifted singlemode optical fiber and cable (Abschnitt 1.3.7). • ITU-T G. 654: Characteristics of a cut-off shifted singlemode optical fiber cable (Abschnitt 1.3.8). • ITU-T G.655: Characteristics of a non-zero dispersion-shifted singlemode optical fiber (Abschnitt 1.3.9). • ITU-T G.656: Characteristics of a fiber and cable with non-zero dispersion for wideband optical transport (Abschnitt 1.3.10). • ITU-T G.657: Characteristics of a bending loss insensitive singlemode optical fibres and cables for the access network (Abschnitt 1.3.11). Kategorien ITU verabschiedet letzte Version Kategorien IEC Kategorie DIN EN 60793-2-50 G.652.B 1984 Nov. 2016 B1.1 dispersionsunverschoben G.652.D B1.3 reduzierter Wasserpeak G.653.A 1988 Juli 2010 B2 dispersionsverschoben G.653.B G.654.A 1988 Nov. 2016 dämpfungsminimiert G.654.B B1.2_b G.654.C G.654.D G.654.E G.655.C 1996 Nov. 2009 B4_c dispersionsverschoben im Arbeitsbereich Dispersion ungleich Null G.655.D B4_d G.655.E B4_e G.656 2004 Juli 2010 B5 dispersionsverschoben; im Arbeitsbereich Dispersion ungleich Null; erweiterter Arbeitsbereich G.657.A1 2006 Nov. 2016 B6_a1 biegeoptimiert G.657.A2 B6_a2 G.657.B2 B6_a3 G.657.B3 B6_a4 Tabelle 1.16: Kategorien Singlemode-LWL 63520_Eberlein_SL4.indd 63 63520_Eberlein_SL4.indd 63 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="79"?> 64 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 64 1.3.13 Trends bei der Faserentwicklung Bei der Weiterentwicklung der Normen zeichnen sich folgende Trends ab: • Spezifikation des Dämpfungskoeffizienten der Faser für die Wellenlänge 1650 nm. Diese Wellenlänge wird zunehmend wichtiger bei der Faserüberwachung. • Spezifikation der Dämpfungskoeffizienten von längeren Kabelstrecken, die sich aus vielen Abschnitten zusammensetzen. Erleichtert die Planung der Dämpfung der Strecken. • Engere Spezifikation des Koeffizienten der chromatischen Dispersion bei 1310 nm, um 4 x 25 Gbit/ s über G.652.D-LWL realisieren zu können (CWDM). • G.654-LWL sollen im terrestrischen Bereich zum Einsatz kommen. 1.3.13.1 Weiterentwicklung des Standard-Singlemode-LWL Moderne Fasern unterbieten hinsichtlich optischer Parameter und Toleranzen der geometrischen Parameter deutlich die Forderungen laut Norm: Die Normen hinken der technischen Entwicklung hinterher. Unter dem Gesichtpunkt, dass das LWL-Kabel eine sehr langfristige Investition ist (Lebensdauer mindestens 25 Jahre), müssen Fasern verwendet werden, die beste Parameter haben. Deshalb sollte man bei der Spezifikation der Kabel nicht Fasern laut G.652.D fordern, sondern konkrete Parameter oder konkrete Produkte spezifizieren. Als Beispiel betrachten wir einen Standard-Singlemode-LWL mit verbesserten Parametern (SMF-28e+ ® LL). Dieser unterbietet deutlich die Forderungen der Norm (Tabelle 1.17). Dämpfungskoeffizient G.652.D SMF-28e+ ® LL bei 1310 nm ≤ 0,4 dB/ km ≤ 0,32 dB/ km bei 1383 nm ± 3 nm ≤ 0,4 dB/ km ≤ 0,32 dB/ km bei 1490 nm - ≤ 0,21 dB/ km bei 1550 nm ≤ 0,3 dB/ km ≤ 0,18 dB/ km bei 1625 nm ≤ 0,4 dB/ km ≤ 0,20 dB/ km Tabelle 1.17: Vergleich der Dämpfungskoeffizienten Geringere Dämpfungskoeffizienten ermöglichen größere Systemreserven, zum Beispiel für Reparaturen oder für die Aufrüstung des Systems. Die geringen Dämpfungskoeffizienten gelten in einem großen Wellenlängenbereich. Das ermöglicht zukünftige Anwendungen, zum Beispiel Passive Optische Netze der nächsten Generationen (Abschnitt 5.4). Durch die Verkabelung der Faser steigt der Dämpfungskoeffizient, beispielsweise durch Mikrobiegeverluste, minimal an. Dennoch spezifiziert die Deutsche Telekom die Dämpfungskoeffizienten moderner Kabel folgendermaßen: 63520_Eberlein_SL4.indd 64 63520_Eberlein_SL4.indd 64 12.11.2020 12: 55: 46 12.11.2020 12: 55: 46 <?page no="80"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 65 65 • Wellenlängen 1310 nm: α ≤ 0,34 dB/ km • Wellenlängen 1550 nm: α ≤ 0,20 dB/ km Das setzt sehr gute Fasern voraus. Auch der PMD-Konstruktionswert (Abschnitt 1.3.14) einer modernen Faser unterbietet deutlich die Norm. Das hat zur Folge, dass die Polarisationsmodendispersion erst bei viel längeren Strecken störend wird. Tabelle 1.18 zeigt die maximal überbrückbaren Streckenlängen in Abhängigkeit vom Fasertyp und der Datenrate. Die Längen gelten für die herkömmliche NRZ-Modulation. Längenbegrenzung bei PMD-Konstruktionswert PMD Q G.652.D: km / ps 20 , 0 ≤ SMF-28e+ ® LL: km / ps 04 , 0 ≤ 10 Gbit/ s 2.500 km 62.500 km 40 Gbit/ s 156 km 3.906 km 100 Gbit/ s 25 km 625 km Tabelle 1.18: Längenbegrenzung durch Polarisationsmodendispersion Die Fasern SMF-28e+ ® Ultra und FutureGuide-Ace haben die gleichen optischen, geometrischen und mechanischen Parameter wie die SMF-28e+ ® LL. Darüber hinaus ist die Biegeempfindlichkeit geringer als beim G.657.A1-Lichtwellenleiter (Tabelle 1.19). Radius Anzahl der Windungen Wellenlänge G.657.A1 SMF-28e+ ® Ultra FutureGuide-Ace 10 mm 1 1550 nm ≤ 0,75 dB ≤ 0,50 dB 10 mm 1 1625 nm ≤ 1,5 dB ≤ 1,5 dB 15 mm 10 1550 nm ≤ 0,25 dB ≤ 0,05 dB 15 mm 10 1625 nm ≤ 1,0 dB ≤ 0,30 dB Tabelle 1.19: Vergleich der Biegeempfindlichkeit Moderne Fasern haben geringe Dämpfungskoeffizienten, geringe PMD- Konstruktionswerte und eine geringe Biegeempfindlichkeit. Sie erfüllen die Anforderungen an zukünftige Netze. Darüber hinaus sind sie spleißkompatibel zur Standard- Singlemode-Faser (Spleißdämpfungen ≤ 0,02 dB). 1.3.13.2 Fasern mit reduziertem Coating-Durchmesser Herkömmliche Telekommunikationsfasern haben einen Glasdurchmesser von 125 µm und einen Coating-Durchmesser von 250 µm. Speziell in FTTx-Projekten kommen hochfasrige Kabel zum Einsatz. Die Kosten für die Miete von Leerrohren hängen vom Querschnitt ab. Deshalb sollten die Fasern im Kabel möglichst dicht gepackt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 65 63520_Eberlein_SL4.indd 65 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="81"?> 66 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 66 Das kann man erreichen durch Verringerung des Coating-Durchmessers auf 200 µm (DIN EN 60793-2-50). Die das Glas schützende Coating-Schicht wird von 62,5 µm auf 37,5 µm reduziert (Bild 1.36). Der Querschnitt reduziert sich um 36 %. Bild 1.36: Reduktion des Coating-Durchmessers Die Faser reagiert empfindlicher auf mechanische Einflüsse. Das Licht kann aus dem Kern austreten. Die Störungen werden durch Verwendung von biegeunempfindlichen Fasern (G.657) und weiterentwickeltes mikrobiege-resistentes Coating reduziert. Dieses dämpft die äußeren Kräfte. Entsprechende Produkte sind auf dem Markt. Die Fasern können in engeren Röhrchen untergebracht und die Faserdichte kann beträchtlich erhöht werden (Abschnitt 5.6.3). Das ermöglicht: • kleinere, leichtere Kabel • geringeres Gewicht je Kabeltrommel • Einblasen größerer Streckenlängen • geringere Kosten für die Miete der Rohre 200 µm-Coating lässt sich mit den gleichen Werkzeugen absetzen wie 250 µm- Coating. Die weitere Verarbeitung (brechen, spleißen) ist unverändert, da der Durchmesser des Glasmantels unverändert ist. Es gibt keine erhöhten Spleißdämpfungen. Die Fasern sind nicht geeignet für Faserbändchen, weil diese auf eine Rasterung von 250 µm ausgelegt sind. Kabel, die Fasern mit 200 µm-Coating-Durchmesser enthalten, erfüllen die herkömmlichen Anforderungen an das Temperaturverhalten und die mechanische Belastung. Bei Reparaturen beeinflussen unterschiedliche Coating-Durchmesser die Zuverlässigkeit des Spleißes nicht. Es ist für den Spleißschutz unerheblich, ob er mit einem Durchmesser von 200 µm oder 250 µm in Kontakt kommt. 63520_Eberlein_SL4.indd 66 63520_Eberlein_SL4.indd 66 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="82"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 67 67 Durch Verbesserung der Glasmaterialien in den letzten Jahrzehnten gewährleisten Fasern mit 200 µm-Coating wie herkömmliche Fasern eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren und eine Festigkeit > 600 KPSI (Abschnitt 1.3.15). In Abhängigkeit von der Anwendung werden folgende Fasertypen empfohlen: • Weitverkehr: G.652.D (G.654, G.655/ 6) • Verteilnetz bis zum KVz: G.652.D • Verteilnetz bis ins Haus: G.652.D / G.657.A1 • Hausverkabelung: G.657.A2 (G.652.D, G.657.A1) • Kabel mit 200 µm-Coating: G.657.A1, G.657.A2 • Abschlussequipment mit Biegeradien < 30 mm: G.657.A2, G.657.A1 1.3.13.3 Fasern für Raummultiplex Raummultiplex nutzt räumlich parallele Kanäle, um mehrere unabhängige optische Signale gleichzeitig zu übertragen. So können höchste Übertragungskapazitäten erreicht werden. Raummultiplex kann man realisieren durch Parallelschaltung vieler Fasern im Kabel (Abschnitt 6.2). Man kann aber auch viele Kanäle innerhalb einer einzigen Faser realisieren. Das ist technologisch sehr anspruchsvoll und die optischen Schnittstellen sind sehr aufwändig. Insgesamt erwartet man aber mit Raummultiplex eine Kostenreduktion durch einen höheren Grad der Integration. Man unterscheidet zwei verschiedene Ansätze: Few-mode fibers (FMF) Unterschreitet man beim Singlemode-LWL die Grenzwellenlänge (Abschnitt 1.3.5.5) bzw. vergrößert man den Kerndurchmesser geringfügig, schwingen zusätzliche Moden an (Bild 1.37). Aus dem Einmoden-LWL wird ein Mehrmoden-LWL. Auf jede Mode wird eine separate Information aufmoduliert. Der Manteldurchmesser bleibt unverändert (125 µm). Bild 1.37: Ausbildung unterschiedlicher Moden in der Faser 63520_Eberlein_SL4.indd 67 63520_Eberlein_SL4.indd 67 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="83"?> 68 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 68 Mehrkernfaser (MCF) Die Mehrkernfaser enthält mehrere unabhängige optische Kerne innerhalb eines gemeinsamen optischen Mantels. So kann beispielsweise ein vierfasriges Bändchenkabel durch eine Mehrkernfaser mit vier Kernen ersetzt werden (Bild 1.38). Besondere Herausforderungen ergeben sich bei den Steckverbindern, beim Spleißen und durch die kleinen Abmessungen der Kerne. Bild 1.38: Mehrkernfaser mit vier Kernen (Quelle: Fibercore Ltd.) 1.3.14 Polarisationsmodendispersion (PMD) Die dominierende Dispersionsart im Singlemode-LWL ist die chromatische Dispersion (Abschnitt 1.3.5). Sie ist physikalisch unvermeidbar und determiniert. Bei sehr hohen Datenraten kann aber auch die Polarisationsmodendispersion (PMD) eine Rolle spielen. Die Impulsverbreiterung durch Polarisationsmodendispersion erfolgt statistisch und kann deshalb auch nur statistisch beschrieben werden. Es handelt sich um einen Effekt, der durch unsere Sinnesorgane nicht wahrgenommen werden kann. Das Licht schwingt senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung (Transversalwelle). Der Schwingungsvektor beschreibt in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unterschiedliche Bahnen, beispielsweise eine Gerade (linear polarisiertes Licht), einen Kreis (zirkular polarisiertes Licht), eine Ellipse (elliptisch polarisiertes Licht) oder regellos (unpolarisiertes Licht). Dieser Schwingungszustand wird durch eine komplexe Amplitude, die sich aus einer reellen Amplitude und einer imaginären Phase zusammensetzt, beschrieben. Unser Auge registriert nur das Betragsquadrat dieser komplexen Amplitude, die Intensität. Das heißt die Phaseninformationen werden im Auge unterdrückt. Wir können also nicht erkennen, welchen Schwingungszustand das Licht hat. Auch eine normale Empfängerdiode registriert nur Lichtintensitäten. Es wird vermutet, dass der Mensch prinzipiell die Eigenschaft besitzt, den Polarisationszustand des Lichtes zu erkennen, aber offensichtlich wird diese Information im 63520_Eberlein_SL4.indd 68 63520_Eberlein_SL4.indd 68 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="84"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 69 69 Gehirn unterdrückt. Es gibt einige Lebewesen (zum Beispiel der Tintenfisch), die tatsächlich in der Lage sind, den Polarisationszustand des Lichts zu registrieren. 1.3.14.1 PMD-Effekt Die Polarisationsmodendispersion führt in digitalen Systemen zu Impulsverzerrungen und damit zu einer Erhöhung der Bitfehlerrate. Die Wirkung der Polarisationsmodendispersion auf analoge Systeme ist wesentlich komplizierter als bei digitalen Systemen. Hier können Intermodulationsprodukte zu Kanal-Nebensprechen und damit zu Qualitätseinbußen führen. Wegen der größeren Bedeutung liegt im Folgenden das Schwergewicht auf der Untersuchung von digitalen Systemen. Die verschiedenen Bahnen, die der Schwingungsvektor senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung beschreibt, kann man sich vorstellen aus einer Überlagerung von zwei senkrecht zueinander schwingenden Vektoren. Je nach Phasenunterschied und Längenverhältnis zwischen diesen beiden Vektoren ergeben sich die oben beschriebenen verschiedenen Polarisationszustände. Das bedeutet, tatsächlich besteht die Grundmode des Singlemode-LWL aus zwei Anteilen, das heißt zwei Moden. Diese beiden orthogonalen Hauptzustände der Polarisation (PSP: Principal States of Polarization) entsprechen der langsamen bzw. schnellen Achse der Faser. In realen Fasern verändern sich die orthogonalen Hauptzustände der Polarisation mit der Zeit. Das wird durch Schwankungen der Temperatur und durch mechanische Unregelmäßigkeiten entlang der Faser bewirkt. Der Lichtwellenleiter wird doppelbrechend. Darunter versteht man, dass sich die Brechzahlen in den beiden senkrecht zueinander schwingenden Ebenen unterscheiden. (a) (d) (e) (f) (b) (c) Bild 1.39: Ursachen der Polarisationsmodendispersion 63520_Eberlein_SL4.indd 69 63520_Eberlein_SL4.indd 69 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="85"?> 70 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 70 Folgende Effekte führen zur Doppelbrechung: • Intrinsische Effekte (infolge Faserherstellung): mechanische Beanspruchung des Faserkerns (Bild 1.39 (a)), Kern-Mantel-Exzentrizität (b), Abweichungen von der Rotationssymmetrie (c) sowie innere Spannungen (zum Beispiel durch Einfärben). • Extrinsische Effekte (infolge Verkabelung und Verlegung): Torsion (d), mechanische Beanspruchung der Faser (e), Biegung (f) sowie Dehnung. Diese Effekte sind immer vorhanden, zeigen aber nur auf langen Strecken und bei hohen Datenraten deutliche Auswirkungen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Brechzahl abhängt, bewirken die geometrischen Unvollkommenheiten und Spannungen entlang des Lichtwellenleiters rasch fluktuierende Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden senkrecht zueinander schwingenden Moden. Das heißt es kann einmal die senkrecht schwingende Mode eine höhere Geschwindigkeit haben und einmal die waagerecht schwingende Mode. Die Änderungen der Geschwindigkeiten geschehen im Mikrosekundenbereich. Es entsteht ein Laufzeitunterschied zwischen den beiden Anteilen (Bild 1.40). DGD Bild 1.40: Laufzeitdifferenz zwischen zwei orthogonal schwingenden Moden Die Einflüsse variieren entlang des Lichtwellenleiters. Sie sind lokal verschieden. Entsprechend ändern sich ständig die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Moden. Die eine Mode kann zunächst vorauseilen, dann kann die andere Mode wieder aufholen usw. Deshalb erfolgt im Gegensatz zu allen bisher besprochenen Dispersionsarten die Impulsverbreiterung nicht stetig und proportional zur Länge, sondern sie ist statistisch und hängt schwächer von der Länge ab. Prinzipiell denkbar ist auch, dass die Laufzeitunterschiede am Streckenende Null sind. Außerdem zeigen die Lichtwellenleiter im Allgemeinen eine starke Kopplung zwischen den Polarisationsmoden. Modenkoppelstellen entstehen an Spleißen, Spannungen im Glas, Faserüberkreuzungen usw. So kommt es zwischen den Moden zu einer Reduktion des Laufzeitunterschieds. 63520_Eberlein_SL4.indd 70 63520_Eberlein_SL4.indd 70 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="86"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 71 71 Das Zusammenspiel von Doppelbrechung und Modenkopplung führt zur Polarisationsmodendispersion. Der Laufzeitunterschied zwischen den beiden Teilmoden wird als Differenzgruppenlaufzeit ∆τ (Differential Group Delay: DGD) bezeichnet, die von der Wellenlänge und der Zeit abhängt. Sie hat wegen des regellosen Zusammenhangs zwischen Faserort und Brechzahl einen statistischen Charakter (Maxwell-Verteilung). Der PMD-Wert (PMD-Verzögerung, PMD-Delay: 〈〈∆∆ττ〉〉 in ps) ist der über einen bestimmten Wellenlängenbereich und eine endliche Messzeit gemittelte Wert der Differenzgruppenlaufzeit. Zur Planung benötigt man einen Parameter, der die Eigenschaft der Impulsverbreiterung in der Faser durch die Polarisationsmodendispersion beschreibt. Das ist der PMD-Koeffizient erster Ordnung. Bei schwacher Modenkopplung (polarisationserhaltende Faser) gilt Gleichung (1.38). Die Impulsverbreiterung erfolgt tatsächlich proportional zur Streckenlänge: km / ps in L PMD 1 τ ∆ = (1.38) Bei starker Modenkopplung (normale Telekommunikationsfasern) gilt Gleichung (1.39). Die Impulsverbreiterung erfolgt wegen der beschriebenen statistischen Effekte proportional zur Wurzel der Streckenlänge: km / ps in L PMD 1 τ ∆ = (1.39) Der PMD-Wert lässt sich abschätzen, wenn der PMD-Koeffizient erster Ordnung bekannt ist. Die Polarisationsmodendispersion zweiter Ordnung kann ab 40 Gbit/ s eine Rolle spielen. Sie ist ein Maß für die Änderung des PMD-Vektors mit der Wellenlänge. Sie äußert sich in der „Depolarisation“ und der „Polarization Chromatic Dispersion“ (PCD). Das ist eine polarisationsabhängige chromatische Dispersion. Sie hat die gleiche Maßeinheit wie der Koeffizient der chromatischen Dispersion. Die PCD kann einen zufälligen sich ändernden Beitrag zur chromatischen Dispersion bringen. Unter Berücksichtigung der statistischen Schwankungen darf bei digitaler Übertragung (NRZ-Modulation) der maximal zulässige PMD-Wert ein Zehntel der Bitlänge T bit nicht überschreiten: 10 T bit ≤ τ ∆ (1.40) 63520_Eberlein_SL4.indd 71 63520_Eberlein_SL4.indd 71 12.11.2020 12: 55: 47 12.11.2020 12: 55: 47 <?page no="87"?> 72 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 72 Setzt man 1/ R T bit = , wobei R die Bitrate bezeichnet, erhält man aus Gleichung (1.39) und (1.40) eine Relation zwischen der realisierbaren Streckenlänge, der Datenrate und dem PMD-Koeffizienten: 2 1 PMD R 10 1 L ⋅ ⋅ ≤ (1.41) Aus Gleichung (1.41) ist ersichtlich, dass die Länge durch Polarisationsmodendispersion umgekehrt proportional zum Quadrat der Datenrate und umgekehrt proportional zum Quadrat des PMD-Koeffizienten begrenzt wird. Eine Erhöhung der Datenrate von 2,5 Gbit/ s auf 10 Gbit/ s (nächst höhere Hierarchiestufe), reduziert die Streckenlänge auf ein Sechzehntel! Eine gute Faser mit einem PMD-Koeffizienten von 0,05 ps/ km anstelle 0,5 ps/ km erhöht die überbrückbare Länge auf das Hundertfache! Deshalb ist es wichtig, Fasern mit möglichst geringem PMD-Koeffizienten auszuwählen! Allgemeiner gilt anstelle Gleichung (1.41): 2 1 PMD R K L ⋅ ≤ (1.42) Dabei ist K eine Konstante. Mit K = 0,1 (herkömmliche NRZ-Modulation) folgt aus Gleichung (1.42) die vorhergehende Gleichung (1.41). Bei robusteren Modulationsverfahren (Return-to-Zero (RZ), Duobinary (DB), Differential Quarternary Phase Shift Keying (DQPSK) ist K > 0,1. Größere Streckenlängen können überbrückt werden. Besonders gering wird der Einfluss der Polarisationsmodendispersion bei modernen kohärenten Übertragungsverfahren. Für die NRZ-Modulation (SDH) ergeben sich aus Gleichung (1.41) die Werte entsprechend Tabelle 1.20. Für OTN, Ethernet bzw. höherwertige Modulationsverfahren gelten andere maximale PMD-Werte bzw. PMD-Koeffizienten [1.1]. Datenrate in Gbit/ s Bitlänge in ps zulässiger PMD- Wert in ps zulässiger PMD-Koeffizient bei 400 km Länge in km / ps 2,5 400 40 2 10 100 10 0,5 40 25 2,5 0,125 100 10 1 0,05 Tabelle 1.20: Maximal zulässige PMD-Werte und -Koeffizienten für unterschiedliche Datenraten 63520_Eberlein_SL4.indd 72 63520_Eberlein_SL4.indd 72 12.11.2020 12: 55: 48 12.11.2020 12: 55: 48 <?page no="88"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 73 73 1.3.14.2 PMD-Koeffizient Bis 1994 wurden Fasern bezüglich des PMD-Koeffizienten nicht spezifiziert und der PMD-Koeffizient wurde nicht minimiert, da dieser Effekt bis dahin nicht bekannt war. Bei diesen Fasern ist der PMD-Koeffizient relativ groß, ändert sich stark mit den Umgebungsbedingungen und unterscheidet sich stark von Faser zu Faser innerhalb des Kabels und zwischen aufgetrommelten und verlegten Kabeln. Laut Deutsche Telekom wurden folgende mittlere PMD-Koeffizienten gemessen: • Fasern verlegt bis 1991: 0,32 ps/ km • Fasern verlegt bis 1998: 0,13 ps/ km • Fasern verlegt ab 1999: 0,052 ps/ km Häufigkeit 99,7 % 98,5 % 91,6 % 86,8 % 71,6 % 53,7 % PMD Q in ps/ km ≤ 2,0 1,26 0,5 0,316 0,125 0,079 Längenbegrenzung bei 10 Gbit/ s 25 100 400 1000 6400 16.000 Längenbegrenzung bei 40 Gbit/ s 1,56 6,25 25 62,5 400 1.000 Längenbegrenzung bei 100 Gbit/ s 0,25 1 4 10 64 160 Tabelle 1.21: Gemessene PMD-Koeffizienten und berechnete realisierbare Streckenlängen in km in Abhängigkeit von der Häufigkeit (Quelle: Hans-Jürgen Tessmann, T-Systems). Tabelle 1.21 zeigt die Häufigkeiten der gemessenen PMD-Koeffizienten. Der Index Q kennzeichnet den so genannten PMD-Konstruktionswert (PMD Link Design Value). Das ist der PMD-Koeffizient einer langen Strecke. Es ist ersichtlich, dass 1,5 % der gemessenen Fasern einen PMD-Koeffizienten größer als 1,26 ps/ km haben. Eine 10 Gbit/ s-Übertragung ist nur bis 100 km möglich. Das bedeutet, dass man an älteren Fasern unbedingt eine PMD-Messung durchführen muss, wenn Datenraten von 10 Gbit/ s oder höher übertragen werden sollen. Entsprechend Tabelle 1.21 haben 71,6 % der Fasern einen PMD-Koeffizienten ≤ 0,125 ps/ km . Diese ermöglichen eine 40 Gbit/ s-Übertragung über mindestens 400 km. Um den Einfluss der Polarisationsmodendispersion zu reduzieren, kann man sie kompensieren. Das ist jedoch sehr aufwändig und sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Ein Ausweg sind fortgeschrittene Modulationsverfahren (zum Beispiel DQPSK), da diese weniger empfindlich auf PMD reagieren. Alternativ kann man schlechte Faserabschnitte durch ein ortsaufgelöstes PMD-Messverfahren identifizieren und ersetzen. Am besten ist es, von vornherein Fasern und Komponenten mit minimaler PMD einzusetzen. 63520_Eberlein_SL4.indd 73 63520_Eberlein_SL4.indd 73 12.11.2020 12: 55: 48 12.11.2020 12: 55: 48 <?page no="89"?> 74 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 74 Es ist nicht ausreichend, einzelne Fasern innerhalb des Kabels stichprobenartig zu messen, da die PMD-Koeffizienten zwischen den Fasern eines Kabels schwanken können. Bei modernen Fasern wird die Faserproduktion optimiert, um eine geometrische und optische zirkulare Geometrie zu sichern. Außerdem werden Spannungen in der Faserstruktur verringert. Durch Drehen der Faser während des Ziehens wird eine starke Kopplung zwischen den Moden erzwungen. Die absoluten Werte und die Streuung der PMD-Koeffizienten werden verringert. Moderne Fasern werden hinsichtlich ihres PMD-Koeffizienten spezifiziert. • Forderung laut G.652.A, C; G.653.A; G.654.A; G.657.B: PMD Q ≤ 0,5 ps/ km . • Forderung laut G.652.B, D; G.653.B; G.654.B, C, D, E; G.655.C, D, E; G.656; G.657.A: PMD Q ≤ 0,2 ps/ km . • Beste in Datenblättern spezifizierte Werte: PMD Q = 0,04 ps/ km . Die maximal realisierbare Streckenlänge kann aus Gleichung (1.41) berechnet werden, sofern der PMD-Koeffizient bekannt ist. Datenrate in Gbit/ s PMD-Koeffizient in km / ps maximal realisierbare Streckenlänge in km 2,5 0,5 0,2 0,04 6.400 40.000 1.000.000 10 0,5 0,2 0,04 400 2.500 62.500 40 0,5 0,2 0,04 25 156 3.906 100 0,5 0,2 0,04 4 25 625 Tabelle 1.22: Maximal realisierbare Streckenlänge in Abhängigkeit von der Datenrate und dem PMD-Koeffizienten Verwendet man eine Faser mit sehr kleinem PMD-Koeffizienten (0,04 ps/ km ), erscheint entsprechend Tabelle 1.22 selbst eine 100 Gbit/ s-Übertragung unproblematisch. Allerdings muss auch die Polarisationsmodendispersion der optischen Bauelemente entlang der Strecke berücksichtigt werden. Es ist eine PMD-Budget-Planung, die sowohl den Einfluss der Faser als auch der optischen Bauelemente mit einbezieht, erforderlich. Der resultierende PMD-Wert darf bei 40 Gbit/ s 2,5 ps und bei 100 Gbit/ s 1 ps nicht überschreiten. 63520_Eberlein_SL4.indd 74 63520_Eberlein_SL4.indd 74 12.11.2020 12: 55: 48 12.11.2020 12: 55: 48 <?page no="90"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 75 75 Moderne Modulationsverfahren erlauben wesentlich höhere PMD-Werte und damit überbrückbare Streckenlängen. Bei nachfolgenden Beispielen wurde vorausgesetzt Datenrate: 100 Gbit/ s; PMD-Koeffizient: PMD 1 = 0,5 ps/ km : • DP-QPSK: 〈 〈∆∆ττ〉〉 = 2,5 ps => L = 25 km. • Kohärente Modulation DP-QPSK: 〈〈∆∆ττ〉〉 = 30 ps => L = 3.600 km. • Zum Vergleich: NRZ-Modulation: 〈 〈∆∆ττ〉〉 = 1 ps => L = 4 km. 1.3.14.3 Polarisationsmodendispersion optischer Bauelemente In Tabelle 1.23 werden Beispiele von PMD-Werten angegeben. Man beachte die Angaben in den Datenblättern und wähle die Komponenten unter dem Gesichtspunkt kleiner PMD-Werte aus. Optische Bauelemente bewirken keine statistischen Schwankungen der Polarisationszustände. Die Modenkopplung ist vernachlässigbar. Man erkennt aus Tabelle 1.23, dass ein einziges Bauelement das PMD-Budget für 100 Gbit/ s aufzehren kann. Unglücklicherweise erhöhen gerade Bauelemente zur Kompensation der chromatischen Dispersion die Polarisationsmodendispersion. Maßgebend für die Qualität der Übertragung ist die Impulsverbreiterung, die sich aus der Summe von chromatischer Dispersion und Polarisationsmodendispersion ergibt. Bei der Abschätzung der Dispersion ist der Einfluss beider Effekte zu betrachten. Bauelement PMD-Wert in ps Singlemode-LWL ca. 1 m ≈ 0,001 variables optisches Dämpfungsglied ≈ 0,05 optischer Isolator < 0,3 optischer Zirkulator < 0,1 Koppler < 0,02 Polarisator < 0,02 Multiplexer/ Demultiplexer ≈ 0,2 optischer Verstärker (EDFA) ≈ 0,5 dispersionskompensierendes Gitter < 0,5 dispersionskompensierende Faser bis zu 1*) wellenlängenselektiver Schalter ≤ 1 Tabelle 1.23: Typische PMD-Werte von Bauelementen *) Es gibt Anbieter von DCF, die PMD ≤ 0,1 ps realisieren. 1.3.14.4 Auswahl der zu messenden Fasern Die Messung der Polarisationsmodendispersion ist erforderlich: • an Lichtwellenleitern von No-Name-Anbietern bei Datenraten ab 2,5 Gbit/ s • an herkömmlichen Lichtwellenleitern (Fertigung etwa bis 1995) mit nicht minimiertem und unbekanntem PMD-Koeffizienten bei Datenraten größer als 2,5 Gbit/ s 63520_Eberlein_SL4.indd 75 63520_Eberlein_SL4.indd 75 12.11.2020 12: 55: 48 12.11.2020 12: 55: 48 <?page no="91"?> 76 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 76 • an Fasern, die während des Telekommunikationsboom (1998 bis 2001) installiert wurden bei Datenraten größer als 2,5 Gbit/ s • an gemischten LWL-Strecken (alte und neue Fasern) bei Datenraten größer als 2,5 Gbit/ s. Ein einzelner schlechter Faserabschnitt kann den PMD-Wert der Strecke gravierend beeinflussen. • an allen LWL-Strecken bei Datenraten größer als 10 Gbit/ s • zur Klassifizierung der Fasern wie nachfolgend beschrieben. Verschiedene Fasern innerhalb des Kabels haben unterschiedliche PMD-Werte. Es empfiehlt sich, vor der Inbetriebnahme alle Fasern des Kabels zu messen und die Fasern zu klassifizieren unter dem Gesichtspunkt, ob sie für die Übertragung von mindestens 2,5 Gbit/ s, 10 Gbit/ s, 40 Gbit/ s oder 100 Gbit/ s geeignet sind. Auch wenn im Augenblick für den Betreiber der Strecke eine 40 Gbit/ sbzw. 100 Gbit/ s-Übertragung noch kein Thema sein sollte, so kann das im Laufe der Lebensdauer der Fasern/ Kabel (mindestens 25 Jahre) eine realistische Forderung werden. Eine nachträgliche Messung kann problematisch sein, wenn ein Teil der Fasern bereits in Betrieb ist. Außerdem gewährleistet man mit dieser Maßnahme, dass die Fasern jeweils für die passende Anwendung vergeben werden. Eine Messung an modernen Lichtwellenleitern mit spezifiziertem (minimiertem) PMD- Koeffizient für Datenraten bis 10 Gbit/ s ist nicht erforderlich. Da dispersionskompensierende Bauelemente entsprechend Tabelle 1.23 Beiträge zur Polarisationsmodendispersion bringen, kann eine PMD-Messung nach der CD- Kompensation erforderlich sein. 1.3.14.5 PMD-Koeffizient langer Strecken Die Faserhersteller spezifizieren die PMD-Koeffizienten der einzelnen Fasern. Für den Planer des Übertragungssystems muss die Polarisationsmodendispersion der gesamten Strecke bekannt sein. Dabei ist die Strecke maßgebend, über die durchgängig eine optische Übertragung erfolgt. Der PMD-Wert der Strecke Strecke τ ∆ ergibt sich (bei starker Modenkopplung) durch quadratische Mittelwertbildung aus den PMD-Werten i τ ∆ der Teilstücke: ∑ τ ∆ = τ ∆ i 2 i Strecke (1.43) Aus den Gleichungen (1.39) und (1.43) folgt ein Zusammenhang zwischen dem PMD-Koeffizienten der Gesamtstrecke Strecke 1 PMD und den PMD-Koeffizienten i 1 PMD der Streckenabschnitte mit den Längen L i : 63520_Eberlein_SL4.indd 76 63520_Eberlein_SL4.indd 76 12.11.2020 12: 55: 48 12.11.2020 12: 55: 48 <?page no="92"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 77 77 ( ) ∑ ∑ = ⋅ = i i i 2 i 1 i Strecke 1 L L wobei L PMD L PMD (1.44) Somit kann man bei bekannten PMD-Koeffizienten und Längen der Streckenabschnitte den PMD-Koeffizienten der Gesamtstrecke berechnen. Aus der quadratischen Abhängigkeit entsprechend Gleichung (1.44) folgt, dass ein einzelner schlechter Kabelabschnitt den PMD-Koeffizienten der Gesamtstrecke signifikant beeinflussen kann. Beispiel: Zehn Strecken gleicher Länge, neun Strecken mit 9 ... 1 1 PMD = 0,2 km / ps , eine Strecke mit 10 1 PMD = 2 km / ps . Hieraus folgt mit Gleichung (1.44): Strecke 1 PMD = 0,66 km / ps . Der PMD-Koeffizient der Strecke hat den zulässigen Grenzwert überschritten. Daraus wird ersichtlich, dass bei einer Mischung von alten mit modernen Fasern unbedingt eine PMD-Messung erforderlich ist! 1.3.15 Alterung von Lichtwellenleitern Optische Kabel wurden erstmals 1977 kommerziell eingesetzt. Spontane Brüche dieser alten Fasern sind nicht bekannt. Die Glasmaterialien wurden in den letzten Jahrzehnten verbessert. Also sind noch deutlich höhere Lebensdauern zu erwarten. Für die Übertragungseigenschaften sind optische Parameter, wie Dämpfung und Dispersion maßgebend. Die optischen Parameter werden beeinflusst durch Biegungen, chemische Einwirkungen (insbesondere Wasserstoff) und radioaktive Strahlung. Die Lebensdauer wird durch mechanische Einwirkungen beeinflusst (Faserspannung, Makrobiegung). Obwohl die Faser durch das Kabel geschützt wird, sind bei der Fertigung, bei der Verlegung und auch während des Betriebes Zugbeanspruchungen im Lichtwellenleiter möglich. Um eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten, müssen Dauerdehnungen der Faser vermieden werden. Der Kabelaufbau und die Materialien werden so gewählt, dass die Faserspannung/ Faserdehnung minimiert wird: Die Faserüberlänge im Kabel bewirkt eine Faserspannungsreserve. Die Faserspannung wird von der Kabelspannung entkoppelt. 1.3.15.1 Materialeigenschaften Reines fehlerfreies Kieselglas hat eine theoretische Festigkeit von σ th = (14...30) GPa (Pa: Pascal; 1 GPa = 1 GN/ m² = 1000 N/ mm²), womit die Festigkeit der Metalle weit übertroffen wird (Beispiel harter Stahldraht: 1 GPa) [1.2]. In der Praxis erreicht man bei Fasern Festigkeiten von: σ = (0,7...14) GPa. Die typische Festigkeit der realen Faser liegt bei σ ≈ 5 GPa. Das ist der fünffache Wert von Stahldraht! Es wirken folgende Festigkeit mindernden Effekte: • Mikrorisse und Ablagerungen auf der Oberfläche • Ausbildung von thermischen Spannungen im Glaskörper 63520_Eberlein_SL4.indd 77 63520_Eberlein_SL4.indd 77 12.11.2020 12: 55: 48 12.11.2020 12: 55: 48 <?page no="93"?> 78 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 78 Quarzglas ist eine in amorpher Form glasig erstarrte Schmelze aus Siliziumdioxid, die infolge hoher Viskosität (Zähigkeit) fest erscheint. Quarzglas besitzt keinen Schmelzpunkt. Mit wachsender Temperatur wird es zunehmend weicher, teigig und verdampft bereits aus diesem Zustand heraus, ohne zwischenzeitlich in den flüssigen Zustand überzugehen. Hochreines Quarzglas wird im Allgemeinen durch das Abscheiden von SiO 2 aus der Gasphase gefertigt (Abschnitt 1.2). Durch Dotierung vorzugsweise mit GeO 2 im Bereich des Kernes werden die Brechzahl, aber auch andere Faserparameter verändert. Wegen seines äußerst geringen linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten ( α = 5,5 ⋅ 10 -7 / K) zeigt der Lichtwellenleiter eine hervorragende Temperaturwechsel- Beständigkeit. Das Elastizitätsmodul von Glas liegt bei E ≈ 70 GPa. Beim Durchlauftest wird die Faser typisch einer mechanischen Spannung von 100 KPSI ausgesetzt (1 KPSI = 0,68948 GPa). Nach dem Hookesschen Gesetz gilt: σ = E ∙ ε (1.45) Die Faserspannung σ ist proportional zur Faserdehnung ε. Unter der Faserdehnung versteht man die relative Längenänderung: ε = ∆ L/ L (1.46) Bei einer Zugspannung von 100 KPSI beträgt die relative Längenänderung: % 1 86 , 9 GPa 70 GPa 69 , 0 E 3 ≈ = = σ = ε − (1.47) Bei einer Faserspannung von 100 KPSI beim Durchlauftest wird die Faser um etwa 1 % gedehnt. Zur Erzielung einer Faserspannung von 100 KPSI benötigt man eine Zugkraft von F = 8,48 N = 863 g. Bei dieser Kraft verringert sich der Durchmesser um etwa 0,1 %. Bei 200 KPSI sind die Dehnung, die erforderliche Zugkraft sowie die Durchmesserverringerung doppelt so groß. 1.3.15.2 Durchlauftest und Risswachstum Unter idealen Bedingungen ist die Faseroberfläche völlig rein und frei von Verletzungen, die größer als die atomare „Rauheit“ der Faseroberfläche ist. Kommerzielle Glasfasern kommen dieser Idealvorstellung sehr nahe, jedoch verbleiben gewisse Störungen auf der Glasoberfläche, die die Lebenserwartung der Faser herabsetzen. Diese Fehlstellen werden durch den so genannten Durchlauftest (Proof-Test) entfernt, wobei die Faser einer größeren Zugkraft ausgesetzt wird, als sie für den Rest ihres Lebens aushalten muss. 63520_Eberlein_SL4.indd 78 63520_Eberlein_SL4.indd 78 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="94"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 79 79 Beim Durchlauftest wird die gesamte Faserlänge nach der Beschichtung abschnittsweise (etwa 20 m) kurzzeitig (etwa eine Sekunde) einer bestimmten Zugspannung unterworfen, indem sie ein Zugrollensystem durchläuft. Bild 1.41: Prinzip des Durchlauftests mit der „Eigengewichtsmaschine“ (Quelle: Dätwyler) Die Kraft wird so bemessen, dass eine bestimmte Zugspannung (typisch 100 KPSI entspricht 0,68948 GPa) auf die Faser ausgeübt wird. Diese Zugspannung entspricht etwa dem Zehnfachen der in der Praxis zulässigen Dauerbelastung. Es werden größere Störstellen, die durch statistische Methoden unerkannt bleiben, eliminiert. So wird gewährleistet, dass für den Kabelaufbau nur Fasern mit ausreichend hoher Festigkeit verwendet werden. Die beim Durchlauftest angewandte Zugspannung und die Ausfallwahrscheinlichkeit bezogen auf die Faserlänge sind wichtige Parameter bei der Abschätzung der Lebensdauer der Faser. Führt man den Durchlauftest mit einer Spannung von 100 KPSI (200 KPSI) durch, bricht die Faser an Stellen, wo die Risse tiefer als 1,0 µm (0,25 µm) sind. Nur Fasern mit kleineren Rissen überstehen den Durchlauftest. Bild 1.42: Mikrorisse auf der Faseroberfläche (Quelle: Dätwyler) 63520_Eberlein_SL4.indd 79 63520_Eberlein_SL4.indd 79 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="95"?> 80 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 80 Risse, die den Durchlauftest überleben, können mit der Zeit wachsen (statische Ermüdung). Verantwortlich hierfür sind eine geringe mechanische Spannung, die auf die Faser während des Betriebes einwirkt, sowie bestimmte Umwelt-, physikalische und chemische Einflüsse. Das führt zum Faserbruch durch spannungsinduziertes Risswachstum an Defekten. Die Alterung kann auch ohne den Einfluss mechanischer Spannungen erfolgen, beispielsweise durch Einwirkung von Chemikalien oder Wasser. Daraus wird ersichtlich, dass die Eliminierung der Schwachstellen durch den Durchlauftest allein keine Garantie für die Festigkeit der Faser während des Betriebes unter Feldbedingungen darstellt. Einfluss haben auch die Beanspruchungen, die die Faser während ihres Lebens erleiden muss. 1.3.15.3 Statistische Beschreibung der Ausfallwahrscheinlichkeit Der Lichtwellenleiter kann als eine Kette modelliert werden. Das schwächste Glied ist ausschlaggebend für die Festigkeit der Kette. Mikrorisse auf der Glasoberfläche und Material-Inhomogenitäten im Glas bewirken mechanisch schwache Punkte. 1 1 2 4 68 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 99 2 4 (a) (b) 6 8 10 Faserspannung in GPa Ausfallwahrscheinlichkeit in Prozent Bild 1.43: Kumulative Ausfallwahrscheinlichkeit als Funktion der Faserspannung für zwei unterschiedliche Fasern, dargestellt im Weibull-Diagramm (doppelt logarithmische Darstellung) 63520_Eberlein_SL4.indd 80 63520_Eberlein_SL4.indd 80 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="96"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 81 81 Diese Unregelmäßigkeiten können statistisch erfasst werden. Über die mechanische Festigkeit des Lichtwellenleiters ist nur eine Wahrscheinlichkeitsaussage möglich. Viele Proben werden einer zunehmenden Zugkraft ausgesetzt und es wird jeweils die Faserspannung ermittelt, bei der die Faser bricht. Die gemessene Kurve besteht aus einem intrinsischen Bereich (steiler Abschnitt; Probenlänge 0,5 m) und einem extrinsischen Bereich (Ausreißer: treten sehr selten auf; Probenlänge 20 m) (Bild 1.43). Die typische Bruchspannung liegt etwa bei dem 7fachen der Proofspannung, nämlich bei 5 GPa (entspricht 0,02 µm Risstiefe). Aus dem Kurvenverlauf können die Spannungskorrosionsempfindlichkeit n (wird im Wesentlichen durch die Qualität des Coatings beeinflusst) und der Weibullexponent m entnommen werden. 1.3.15.4 Richtlinien für zulässige Faserspannungen Die Spannung, die auf das Kabel während des Einblasens wirkt, ist etwa eine Größenordnung geringer als die Spannung, die beim Einziehen entsteht. Die Kabel werden gewöhnlich so konstruiert, dass die Fasern während ihres Lebens und insbesondere während der Installation keinerlei mechanische Spannungen erleiden. Wegen des Verseilzuschlages kann das Kabel bis zu einem bestimmten Betrag gedehnt werden, ohne die Faser zu beeinflussen. Beim Einziehen/ Einblasen ist eine kurzzeitige Belastung der Faser von zum Beispiel 33 KPSI zulässig (vergleiche Datenblatt). Die verbleibende Faserspannung ist nach der Installation des Kabels gewöhnlich gering und bereitet keine Probleme. Die Lichtwellenleiter sind in den meisten Fällen spannungsfrei, außer bei Biegungen. In Ausnahmefällen kann die verbleibende Faserspannung im Lichtwellenleiter zu einem verzögerten Bruch infolge Spannungskorrosion führen. Aus den mechanischen Parametern der Faser (Weibullexponent und Spannungskorrosionsempfindlichkeit) wird mit einem geeigneten Modell die Lebensdauer abgeschätzt. Das ursprüngliche Modell von Mitsunaga (1982) wurde weiterentwickelt und in dem Technischen Report IEC 62048 (2014) publiziert [1.3]. Es wurden Ausfallwahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von der Zugspannung bzw. dem Biegeradius angegeben. Die Annahmen bei den Berechnungen waren sehr vorsichtig. Die tatsächlichen Ausfallwahrscheinlichkeiten können geringer sein. Die Richtlinien gelten unter der Voraussetzung, dass keine Faserschäden (zum Beispiel durch Handhabung) nach dem Durchlauftest eingetreten sind. Bei den Berechnungen wurde zu Grunde gelegt: • Spannungskorrosionsempfindlichkeit: n = 20 • Faserspannung beim Durchlauftest: σ p = 100 KPSI ≈ 0,69 GPa Bei höheren Werten für n ist die Ausfallwahrscheinlichkeit geringer. Erhöht man die Faserspannung beim Durchlauftest auf 200 KPSI werden einige seltene Schäden erkannt, aber die gesunde Faser wird stärker beansprucht. 63520_Eberlein_SL4.indd 81 63520_Eberlein_SL4.indd 81 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="97"?> 82 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 82 Bild 1.44 veranschaulicht die Lebensdauer in Abhängigkeit von der Ausfallwahrscheinlichkeit für unterschiedliche relative Faserspannungen bezogen auf einen Kilometer Faserlänge. Die relative Faserspannung ist die einwirkende Faserspannung im Verhältnis zur Faserspannung beim Zugtest. 15% 20% 25% 30% Ausfallwahrscheinlichkeit Lebensdauer in Jahren 10% Bild 1.44: Lebensdauer von einem Kilometer Faserlänge nach [1.3] Tabelle 1.24 zeigt die Lebensdauer von einem Kilometer Faser in Abhängigkeit von der einwirkenden Faserspannung σ s bei einer Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 -6 . σ s / σ p in Prozent 10 15 20 25 30 Faserdehnung*) 0,1 % 0,15 % 0,2 % 0,25 % 0,3 % Lebensdauer in Jahren 2,1∙10 8 6,3∙10 4 2,0∙10 2 2,3 6,0∙10 -2 Tabelle 1.24: Lebensdauer in Abhängigkeit von der relativen Faserspannung *) beim Durchlauftest mit σ p = 100 KPSI Die zweite Spalte bedeutet, dass eine relative Faserspannung von 10 % eine Lebensdauer von 210.000.000 Jahren bei einem Kilometer Faser ermöglicht. Die Lebensdauer fällt mit wachsender Zugspannung exponentiell ab. Die tatsächliche Faserlänge in einem LWL-Netz ist wesentlich größer. Allerdings kann man davon ausgehen, dass nur auf einen Bruchteil der Faserlänge eine derart hohe Zugbelastung wirkt. 63520_Eberlein_SL4.indd 82 63520_Eberlein_SL4.indd 82 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="98"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 83 83 Größere Zugspannungen als 25 KPSI (entspricht 25 %), wie sie zum Beispiel beim Einziehen des Kabels auftreten können, dürfen nur kurzzeitig wirken. Entsprechend [1.4] wird empfohlen: • kurzzeitige Belastung (einige Stunden: zum Beispiel bei der Installation): maximal 60 % relative Faserspannung • langfristige Belastung (einige Monate bis Jahre): maximal 20 % relative Faserspannung Empfehlung für eine hohe Zuverlässigkeit: maximal 10 % relative Faserspannung für einen Zeitraum größer als 25 Jahre. 1.3.15.5 Richtlinien für zulässige Biegeradien Biegung bewirkt weniger Defekte als Faserdehnung, da auf die Hälfte der Faser Zug und auf die andere Hälfte Druck wirkt. Die maximale Zugspannung wirkt nur im Außenbereich (Bild 1.45). Ein bestimmter Biegeradius entspricht einer bestimmten Faserdehnung und damit Faserspannung. Dehnung Stauchung Biegung Bild 1.45: Dehnung der Faser durch Biegung Ein typischer Fall für einen engen Biegeradius, der eine kurze Zeit einwirkt, ist der Einsatz eines Spleißgerätes, das nach dem LID-Verfahren arbeitet (vergleiche Kapitel 3). Bei diesem Verfahren wird der Lichtwellenleiter um einen Dorn mit sehr kleinem Radius gewickelt, um Licht in die Faser einbzw. auszukoppeln. Zu enge Biegeradien (Installationsmängel) erkennt man beim herkömmlichen Singlemode-LWL an einer negativen Stufe im Rückstreudiagramm (Dämpfung), insbesondere bei höheren Wellenlängen. Der Multimode-LWL und biegeoptimierte Singlemode-LWL (G.657) werden bei kleinen Biegeradien wesentlich weniger gedämpft. Zu enge Biegeradien können nur schwierig nachgewiesen werden. Das bedeutet eine erhöhte Gefahr, dass die Faser durch Installationsmängel im Laufe ihres Lebens bricht. Tabelle 1.25 zeigt die Ausfallwahrscheinlichkeit einer gebogenen Faser bei einer Spannungskorrosionsempfindlichkeit n = 18, einem Durchlauftest mit 100 KPSI bei einer Lebensdauer von 25 Jahren [1.4]. 63520_Eberlein_SL4.indd 83 63520_Eberlein_SL4.indd 83 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="99"?> 84 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 84 Länge Radius 15 mm Radius 20 mm Radius 25 mm Radius 30 mm 1 m 5,0∙10 -6 4,7∙10 -7 7,9∙10 -9 1,9∙10 -10 10 m 5,0∙10 -5 4,7∙10 -6 7,9∙10 -8 1,9∙10 -9 Tabelle 1.25: Ausfallwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vom Radius 15 mm...30 mm Tabelle 1.26 veranschaulicht die Ausfallwahrscheinlichkeit einer gebogenen Faser bei einer Spannungskorrosionsempfindlichkeit n = 18, einem Durchlauftest mit 100 KPSI bei einer Lebensdauer von 30 Jahren [1.4]. Nur bei einem Biegeradius von mindestens 15 mm und einer Windung wird die Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 -6 unterschritten. Biegeradius in mm Ausfallwahrscheinlichkeit von 1 m Faser Anzahl der Windungen pro Meter Ausfallwahrscheinlichkeit einer Windung 5 1,02∙10 -4 31,8 3,2∙10 -6 7,5 4,2∙10 -5 21,2 1,98∙10 -6 10 2,09∙10 -5 15,9 1,31∙10 -6 15 6,08∙10 -6 10,6 0,57∙10 -6 Tabelle 1.26: Ausfallwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vom Radius 5 mm...15 mm Bei einer komplexen Installation mit unterschiedlichen Radien und unterschiedlicher Anzahl von Windungen sind die Ausfallwahrscheinlichkeiten zu summieren. Beispiel: • Zwanzig 90°-Biegungen um Ecken, jede mit einem Radius von 5 mm. Das entspricht fünf 360°-Biegungen: 5 x 3,2∙10 -6 = 16∙10 -6 • Zwanzig 360°-Biegungen, jede mit einem Radius von 15 mm: 20 x 0,57∙10 -6 = 11,4∙10 -6 Daraus ergibt sich eine Gesamtausfallrate von 27,4∙10 -6 . Betrachtet man ein FTTH- Netz mit 100.000 Wohnungen mit gleicher Installation, ergeben sich 2,7 Ausfälle durch mechanische Beanspruchung der Faser in 30 Jahren. Das ist ein Wert, der im Zugangsbereich akzeptabel ist. Bei sehr hohen Leistungen (im Watt-Bereich), die meist nur in Verbindung mit Raman-Verstärkern auftreten, und Biegeradien kleiner als 15 mm kann sich die Coating-Temperatur am Ort der Biegung erhöhen, da das Coating das Licht absorbiert, welches an der Biegung austritt. Dieser Effekt kann reduziert werden durch Verwendung von biegeunempfindlichen Lichtwellenleitern (G.657). Schaden kann entstehen durch Alterung bzw. Brennen des Coatings und falls 700 °C überschritten werden, durch eine starke Dämpfungserhöhung des Glases. 63520_Eberlein_SL4.indd 84 63520_Eberlein_SL4.indd 84 12.11.2020 12: 55: 49 12.11.2020 12: 55: 49 <?page no="100"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 85 85 10 2 10 1 10 -3 10 0 10 -1 10 -2 1 2 3 4 5 Biegeradius in mm Lebensdauer in Tagen Bild 1.46: Lebensdauer bei sehr geringen Biegeradien [1.4] Bild 1.46 veranschaulicht die Lebensdauer bei extrem geringen Biegeradien. Diese sind unbedingt zu vermeiden, da die Lebensdauer sehr gering ist. 1.3.15.6 Effekte, die die Lebensdauer der Faser herabsetzen Moderne Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung sind hochbelastbar und zuverlässig, wenn sie den Produktionsprozess verlassen. Ziel ist, diesen hohen Standard während der gesamten Lebensdauer aufrechtzuerhalten. Es gibt keinen Abnutzungsmechanismus, der die Leistungsfähigkeit oder die Lebensdauer des optischen Übertragungssystem begrenzt, solange die Faser nicht Beschädigungen oder übermäßigem mechanischem Stress ausgesetzt ist. Die Fehlermechanismen, die Ausfälle bewirken, werden durch äußere Einflüsse verursacht. Dazu zählen Baggerschäden, fehlerhafte Installation oder die Verwendung von ungeeigneten Lösungsmitteln bei der Faserhandhabung und der Spleißvorbereitung. Die Technik der Handhabung der Faser hat einen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit (vergleiche nächsten Abschnitt). Die Reinigung der gecoateten Lichtwellenleiter darf nur mit zugelassenen Reinigungstüchern erfolgen. Ansonsten kann das Coating beschädigt werden. Weitere Faktoren für mögliche Ausfälle sind: • ungeschützte Faseroberfläche nach dem Spleißen • vorübergehende Fertigungsfehler • dauerhaftes Einwirken von Wasser oder Feuchte • hohe Temperaturen (> 85 °C) Die Spannungskorrosion ist der Prozess, der Mikrorisse auf der Oberfläche von Lichtwellenleitern unter dem Einfluss von mechanischen Spannungen (Zug, Torsion, Biegungen) sowie Feuchte und Wärme wachsen lässt (mechanische Alterung). Das Bruchwachstum (Ermüdung) bzw. das Ausfallverhalten hängen ab von der ursprünglichen Rissgröße, der einwirkenden Zugspannung und den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, pH-Wert). 63520_Eberlein_SL4.indd 85 63520_Eberlein_SL4.indd 85 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="101"?> 86 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 86 1.3.15.7 Allgemeine Hinweise zur Faserhandhabung Die Faserhandhabung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit [1.5]. Die Kosten, die durch ungeeignete Handhabung der Faser verursacht werden, können beträchtlich sein. Die Beseitigung des Coatings ohne Beschädigung der Faser ist von größter Wichtigkeit. Ebenso wichtig ist der Schutz der Faser nach der Handhabung. Die Einwirkung von Staub, Luftfeuchtigkeit und Chemikalien auf die ungeschützte Faser kann durch Risserweiterung zur Verringerung der Festigkeit führen. Das nackte Glas darf maximal 60 Minuten ungeschützt bleiben. Es ist verboten: • Kontakt mit der Glasoberfläche beim Brechen, Spleißen bzw. Recoaten • Wiederverwendung von Reinigungstüchern • Beschädigung des Coatings • übermäßige Belastung durch Biegung Man unterscheidet folgende Kategorien von Faserschäden: • Ermüdungsschaden • Schaden durch Druck • Schaden durch Scheuern • Eindringen von Teilchen Zum Brechen oder Spleißen soll möglichst wenig Primärcoating abgesetzt werden. So wird weniger nacktes Glas freigesetzt und die Gefahr der Entstehung von Defekten reduziert. Das nackte Glas darf nach dem Absetzen nicht in direkten Kontakt mit Werkzeugen, Fingern usw. kommen. Das Glas darf nur mit einem fusselfreien Reinigungstuch berührt werden, das mit hochreinem Isopropyl-Alkohol benetzt wurde. Die Reinigung der Faser sollte begrenzt werden: nur einmal entlang der Faser fahren. Danach muss das Tuch entfernt und durch ein neues ersetzt werden. Beim Einlegen in die Brechvorrichtung bzw. in das Spleißgerät ist darauf zu achten, dass das nackte Glas nicht abgeschabt wird oder anderweitigem Kontakt ausgesetzt ist. Es ist darauf zu achten, dass die zulässigen Faserspannungen nicht überschritten werden. Die Spleiße müssen entweder mit einem Spleißschutz geschützt oder über die gesamte nackte Glasoberfläche recoatet werden. Das muss in einer Umgebung mit minimaler Luftverschmutzung erfolgen. Spleiße müssen ohne Biegung und unter minimaler Zugbelastung abgelegt werden. Polierte Steckerstirnflächen müssen vor Verunreinigungen (Schmutz, Fingerfett) und vor mechanischem Kontakt geschützt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 86 63520_Eberlein_SL4.indd 86 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="102"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 87 87 1.3.15.8 Faserhandhabung beim Spleißen Defekte können beim Spleißvorgang während des Absetzens, beim Reinigen, Brechen, Spleißen, Recoaten und beim Schützen der Faser entstehen. Die Festigkeit der Faser ist nach dem Absetzen des Primärcoatings stark herabgesetzt. Die Zugfestigkeit der Spleißverbindung ist deutlich geringer als die Ausgangsfestigkeit des Lichtwellenleiters. Eine Zugspannung von 100 KPSI am Spleiß würde eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 60 % bewirken (Bild 1.47). Sehr wichtig ist der Zugtest nach der Fertigstellung des Spleißes. Dabei wird eine Kraft von 200 g (entspricht einer Faserspannung von 23 KPSI) auf den Spleiß ausgeübt. Das entspricht 1,96 N. Zum Vergleich: 100 KPSI beim Durchlauftest entsprechen 8,48 N. Mehrfachspleiße werden mit einer Kraft von 500 g (entspricht 4,9 N) belastet. Ein Faserbruch nach dem Spleißen tritt nie exakt in der Spleißebene auf: Die hohe Temperatur in der Spleißebene bewirkt eine niedrige Viskosität an der LWL- Oberfläche und ermöglicht oberhalb 2500 K eine Ausheilung der Risse. Unterhalb dieser Temperatur (etwa ein Millimeter außerhalb der Spleißebene) führt die thermische Belastung zur Risserweiterung oder Rissentstehung. Bild 1.47: Zugfestigkeit vor und nach dem Spleißen Das Verkappen der fertigen Spleißstelle ist unbedingt erforderlich. Das muss so erfolgen, dass von der Spleißstelle Zugbelastungen aufgenommen werden können. 63520_Eberlein_SL4.indd 87 63520_Eberlein_SL4.indd 87 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="103"?> 88 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 88 Der Spleißschutz muss über die entmantelte Zone hinaus auch auf dem Coating des Lichtwellenleiters befestigt werden. Torsionsbelastungen an der Spleißstelle sind zu vermeiden. 1.3.16 Zusammenfassung Der Multimode-Stufenprofil-LWL bewirkt eine starke Impulsverbreiterung durch Modendispersion und ist deshalb zur Übertragung von nur geringen Datenraten geeignet. Besondere Bedeutung hat der PCF-LWL und der Kunststoff-LWL erlangt. Der Parabelprofil-LWL bewirkt die wesentlich geringere Profildispersion. Er kommt in Datennetzen mit geringen Anforderungen an die Streckenlänge zum Einsatz. Der Parabelprofil-LWL mit optimiertem Brechzahlprofil reduziert die Profildispersion so stark, dass hochbitratige Anwendungen wie Gigabit-Ethernet bzw. 10 Gigabit- Ethernet möglich werden. Um die Leistungsfähigkeit dieser Fasern voll auszunutzen, sind im ersten optischen Fenster spektral schmalbandige Laser erforderlich (VCSEL). Der Singlemode-LWL erfüllt höchste Anforderungen an die Dämpfung und Dispersion und ist für Weitverkehrssysteme zur Übertragung hoher Datenraten geeignet. In diesem Lichtwellenleiter breitet sich nur noch eine einzige Mode aus, so dass Modendispersion und Profildispersion nicht mehr auftreten. Im Singlemode-LWL kann die wesentlich geringere chromatische Dispersion störend werden, die sich aus der Summe von Materialdispersion und Wellenleiterdispersion zusammensetzt. Singlemode-LWL mit reduziertem Wasserpeak haben eine geringe Dämpfung im Wellenlängenbereich zwischen dem zweiten und dritten optischen Fenster und sind geeignet zur gleichzeitigen Übertragung vieler Wellenlängen (Grobes Wellenlängenmultiplex). Der dispersionsverschobene Lichtwellenleiter hat einen Nulldurchgang der chromatischen Dispersion im dritten optischen Fenster. Der Cut-off shifted Lichtwellenleiter hat einen extrem geringen Dämpfungskoeffizient und ist für die Übertragung sehr hoher Datenraten über große Streckenlängen geeignet. Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter wurden für den Einsatz von DWDM- Systemen im C-Band entwickelt. Der Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter für erweiterten Wellenlängenbereich ist für den Einsatz von DWDM-Systemen im S-, C- und L-Band geeignet. Biegeunempfindliche Lichtwellenleiter kommen in FTTHbzw. FTTB-Netzen, aber auch in Kabeln mit sehr hoher Faserpackungsdichte zum Einsatz. Die Polarisationsmodendispersion ist ein sehr geringer Dispersionseffekt, der im Allgemeinen erst ab Datenraten von 10 Gbit/ s störend werden kann. Durch Auswahl von Fasern mit sehr kleinem PMD-Koeffizienten kann man den störenden Einfluss der Polarisationsmodendispersion reduzieren. 63520_Eberlein_SL4.indd 88 63520_Eberlein_SL4.indd 88 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="104"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 89 89 Die Lebensdauer des Lichtwellenleiters ist im Allgemeinen sehr hoch. Durch Handhabungsfehler, Installationsmängel und Umgebungseinflüsse kann die Lebensdauer herabgesetzt werden. Die Faseralterung hat nur einen sehr geringen Einfluss auf das Ausfallverhalten des Kabels. 1.4 Optoelektronische Bauelemente Am Anfang der Übertragungsstrecke muss das elektrische in ein optisches Signal und am Ende der Strecke muss das optische wieder in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Hierfür kommen optoelektronische Bauelemente zum Einsatz, die speziell für die optische Nachrichtenübertragung entwickelt wurden. Die Wandlung des elektrischen Signals in ein optisches Signal erfolgt mit einer Lumineszenz- oder Laserdiode, die Wandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal bewerkstelligt eine PIN- oder eine Lawinen-Photodiode. Diese Bauelemente nutzen die physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien. Halbleitermaterialien erlauben sehr kleine Bauformen. Sender mit kleiner Fläche und kleinem Abstrahlwinkel sind notwendig, um effektiv in den LWL-Kern einkoppeln zu können (Bild 1.48). Akzeptanzwinkel emittierender Winkel Kern Mantel emittierende Fläche das Licht muss innerhalb des Akzeptanzwinkels in den Kern eingekoppelt werden dieses Licht geht verloren Sender Bild 1.48: Kopplung Sender an den Lichtwellenleiter An die Sender werden die folgenden Anforderungen gestellt: • hohe Zuverlässigkeit • hohe Ausgangsleistung • kleine aktive Zone, gute Kopplung an den Lichtwellenleiter • einfach und breitbandig modulierbar • geringe Kosten • schmale spektrale Emission • gute Linearität (vor allem bei Analogmodulation) • für die jeweilige Anwendung passende Emissionswellenlänge 63520_Eberlein_SL4.indd 89 63520_Eberlein_SL4.indd 89 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="105"?> 90 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 90 Die Lumineszenzdiode ist preiswert, erfüllt aber nicht alle genannten Kriterien. Sie kommt deshalb nur in Systemen mit geringeren Anforderungen zum Einsatz. Die Laserdiode ist teurer, erfüllt aber obige Kriterien. Die Empfänger arbeiten je nach Einsatzfall als PIN-Photodiode oder als Lawinen- Photodiode. Sie müssen folgende Eigenschaften haben: • an die Übertragungsgeschwindigkeit angepasste Bandbreite • kompakte Bauweise • geringes Rauschen • hohe Empfindlichkeit 1.4.1 Elektrooptische Wechselwirkungen im Halbleiter Atome, Moleküle und so genannte feste Körper (beispielsweise Halbleiterkristalle) können Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgeben bzw. aufnehmen und auf diese Weise miteinander wechselwirken. Die grundsätzlichen Vorgänge, die diese Wechselwirkung bestimmen, sind die Emission und die Absorption. Sie sind eng mit der atomaren, der molekularen bzw. der Festkörperstruktur verknüpft [1.6]. Die Lichtquanten (Photonen) wechselwirken als elektromagnetisches Strahlungsfeld mit den Elektronen. Entscheidend für das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist die Tatsache, dass den im Atom gebundenen Elektronen nur bestimmte, diskrete Energiewerte zur Verfügung stehen. Bei Absorption eines Photons wird das Elektron auf ein höheres Energieniveau angehoben. Fällt das Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau, wird ein Photon emittiert. Ein Atom kann Licht nur einer ganz bestimmten Wellenlänge absorbieren oder emittieren. Leitungsband Bandabstand Valenzband hf hf hf hf Absorption spontane Emission stimulierte Emission Elektron Loch hf Photon (a) (b) (c) Bild 1.49: Elektrooptische Wechselwirkungen in einem Halbleiter 63520_Eberlein_SL4.indd 90 63520_Eberlein_SL4.indd 90 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="106"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 91 91 Sind die Atome im Molekül oder Festkörper eng miteinander gekoppelt, so führt das zu einer Auffächerung der ursprünglich scharf definierten Energieniveaus in eine Vielzahl dicht beieinander liegender Niveaus, den Energiebändern. Wegen der großen Anzahl von Atomen im Festkörper sind die möglichen Energiewerte innerhalb eines Bandes dann quasi kontinuierlich. Analog zu den Verhältnissen beim Atom sind die Bänder durch Energielücken voneinander getrennt. Das Band, in dem sich die für die Bindung der Atome und Moleküle untereinander zuständigen Elektronen aufhalten, heißt Valenzband. Das nächsthöhere Band ist das Leitungsband. Durch die Absorption eines Photons in einem Halbleiter wird ein Ladungsträgerpaar erzeugt, bestehend aus einem Elektron im Leitungsband und einem Loch (freier Platz) im Valenzband (Bild 1.49 (a)). Dabei beschreibt h∙f die Energie des Lichtquants. Es ist h das Plancksche Wirkungsquantum und f die Frequenz des Lichts. Der Bandabstand E g berechnet sich aus der Differenz der Energieniveaus von Leitungsband E L und Valenzband E V : V L g E E E − = (1.48) Die äquivalente Photonenenergie W Ph beträgt dann: λ ⋅ = = = v h hf W E Ph g (1.49) Es ist v die Phasengeschwindigkeit und λ die Wellenlänge der emittierten Strahlung. Durch Energieabgabe kann das Elektron spontan vom Leitungsband zum Valenzband zurückfallen und ein Photon emittieren (Bild 1.49 (b)). Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit kann das Elektron zur Emission eines Photons „stimuliert“ werden, wenn es sich in einem elektromagnetischen Strahlungsfeld mit einer Energie befindet, die einer möglichen Übertragungsenergie entspricht. Das stimuliert abgegebene Photon stimmt dann in Wellenlänge, Phase und Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes mit dem Photon überein, das die Emission ausgelöst hat (Bild 1.49 (c)). Das Elektron fällt wie bei der spontanen Emission vom Leitungsband zum Valenzband zurück. Die drei Prozesse in Bild 1.49 treten immer gleichzeitig auf, wobei aber jeweils einer überwiegt und technisch genutzt wird. Das Prinzip der Absorption wird im LWL- Empfänger genutzt. Die spontane Emission ist charakteristisch für den Betrieb der Lumineszenzdiode und die stimulierte Emission für die Laserdiode. Die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband bestimmt die emittierte Wellenlänge und hängt von den Materialien ab: • erstes optisches Fenster: GaAs • zweites, drittes, viertes optisches Fenster: InP 63520_Eberlein_SL4.indd 91 63520_Eberlein_SL4.indd 91 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="107"?> 92 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 92 1.4.2 Lumineszenzdioden Die Strahlungsleistung einer Lumineszenzdiode (LED: Light Emitting Diode) wächst proportional zum Strom durch die Diode. Bei nicht zu großen Strömen ist der Zusammenhang zwischen Strom und Leistung nur näherungsweise linear. Mit wachsender Temperatur weicht die Kennlinie zunehmend von einer Geraden ab. Signale, die auf eine gekrümmte Kennlinie auftreffen, werden verzerrt. Es entstehen Harmonische höherer Ordnung und eventuell Intermodulationsprodukte. Lichtleistung Diodenstrom 20°C 70°C Deshalb werden gewöhnlich mit Lumineszenzdioden nur digitale Signale übertragen. Eine Temperaturerhöhung bewirkt nicht nur ein Absinken der Lichtleistung, sondern auch eine Verschiebung des Spektrums zu größeren Wellenlängen (Bild 1.51). normierte Lichtleistung Wellenlänge in nm 1 0,5 0 800 850 900 T = -20°C a T = 25°C a T = 70°C a Bild 1.51: Temperaturabhängigkeit des Spektrums der Lumineszenzdiode Aus Bild 1.51 ist auch die große Halbwertsbreite der Lumineszenzdiode ersichtlich. Typische Halbwertsbreiten liegen bei 20 nm (Peakwellenlänge 650 nm) bis 100 nm (Peakwellenlänge 1550 nm). Derart große spektrale Breiten bewirken eine große Materialdispersion im Multimodebzw. chromatische Dispersion im Singlemode-LWL. Bild 1.50: Kennlinie der Lumineszenzdiode bei verschiedenen Temperaturen 63520_Eberlein_SL4.indd 92 63520_Eberlein_SL4.indd 92 12.11.2020 12: 55: 50 12.11.2020 12: 55: 50 <?page no="108"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 93 93 Die aktive Fläche von Lumineszenzdioden hat eine typische Ausdehnung von 300 µm x 300 µm und strahlt ungerichtet (Bild 1.52). Dadurch erhält man geringe Koppelwirkungsgrade, insbesondere bei Einkopplung in den Singlemode-LWL. LWL Bild 1.52: Abstrahlcharakteristik einer flächenemittierenden Lumineszenzdiode (Lambertstrahler) Bei Kantenstrahlern (Bild 1.53) liegt die typische Ausdehnung der aktiven Fläche bei 0,1 µm ∙ 20 µm. Dem Vorteil der besseren Einkoppelbarkeit von Licht eines Kantenstrahlers in den Lichtwellenleiter steht der Nachteil einer höheren Temperaturabhängigkeit des Wellenlängenspektrums gegenüber. Außerdem ist die Ankopplung zwischen Lumineszenzdiode und Lichtwellenleiter kritischer. Lumineszenzdioden sind bequem über den Strom modulierbar. Die erzielte Modulationsbandbreite ist durch die Lebensdauer der Ladungsträger begrenzt. LWL Bild 1.53: Abstrahlcharakteristik eines Kantenstrahlers Die Ansteuerung der Lumineszenzdiode ist im Vergleich zur Laserdiode einfach und kostengünstig. Deshalb ist der Einsatz von Lumineszenzdioden als Senderdioden in LWL-Übertragungssystemen besonders attraktiv und unkompliziert. 1.4.3 Laserdioden Die Laserdiode ist ein komplexes Halbleiterbauelement, welches kohärente Strahlung emittiert. Sie ist die am häufigsten verwendete Laserquelle. Die kleine Größe, der relativ geringe Preis und die hohe Lebensdauer machen sie zu einer Komponente mit vielfältigen Anwendungen. 1.4.3.1 Arten von Laserdioden Traditionelle Laserdioden haben eine horizontale Resonatorstruktur, bei der doppelte Heterostrukturen dazu dienen, die Laseremission vertikal in der aktiven Zone zu führen (Bild 1.54). Die Beschränkung der Emission in horizontaler Richtung wird entweder durch Gewinnführung oder durch Indexführung erreicht. Beide Arten führen das Licht in vertikaler Richtung, also senkrecht zu den pn-Übergängen, indem Hüllschichten mit niedrigerem Brechungsindex verwendet werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 93 63520_Eberlein_SL4.indd 93 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="109"?> 94 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 94 doppelte Heterostruktur Abstrahlrichtung vorderer Spiegel hinterer Spiegel Stromfluss Bild 1.54: Prinzipieller Aufbau einer Laserdiode (Fabry-Perot-Typ) Indexgeführte Laser (IGL) besitzen ein zusätzlich eingebautes Brechungsindexprofil in horizontaler Richtung, welches die sich ausbreitende Lichtwelle parallel zum Übergang führt. Beim gewinngeführten Laser (GGL) geschieht die horizontale Eingrenzung durch seitliche Einengung und Konzentration des anregenden elektrischen Feldes. Gewinngeführte Laser sind einfacher herzustellen, haben einen niedrigeren Preis und eine höhere Zuverlässigkeit. Indexgeführte Laser haben den Vorteil einer guten Strahlqualität und eines niedrigen Schwellstromes. entspiegelte Endflächen Bragg-Reflektor aktive Zone Licht Stromfluss Bild 1.55: Schematischer Aufbau eines DFB-Lasers Eine besondere Ausführungsform des indexgeführten Lasers ist der DFB-Laser (Distributed Feedback Bragg (Reflector)). Hier bewirken nicht die ebenen Spiegel des Kristalls die Reflexion, sondern eine periodische Brechzahlstruktur über der aktiven Zone. Diese wirkt wie ein Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen (Bild 1.55). DFB-Laser sind in ihrer Wirkung sehr wellenlängenselektiv. Man spricht im Gegensatz zum Fabry-Perot-Resonator vom Bragg-Reflektor. Nur eine einzige Mode des Spektrums erfüllt die Resonanzbedingung. So wird es möglich, spektral extrem schmalbandige Laser zu realisieren, die beispielsweise in DWDM-Systemen zum Einsatz kommen. 63520_Eberlein_SL4.indd 94 63520_Eberlein_SL4.indd 94 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="110"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 95 95 Ein ähnliches Prinzip wird bei dem DBR-Laser (Distributed Bragg Reflector) realisiert. Die Reflektoren sind auf die Endbereiche des Kristalls aufgeteilt. Sie befinden sich also nicht über der aktiven Zone, sondern davor und dahinter. Die vertikal- oder oberflächenemittierende Laserdiode (VCSEL: Vertrical-Cavity Surface-Emitting Laser) hat einen Resonator, der rechtwinklig zur aktiven Schicht steht. Die Emission des Lasers erfolgt an der Oberfläche. Der Resonator besteht aus mehrschichtigen Spiegeln oberhalb und unterhalb der aktiven Zone (Bild 1.56). Der Strahl der VCSEL ist rund und hat eine geringe Divergenz. Bedingt durch ihren Aufbau, haben oberflächenemittierende Laserdioden im Vergleich zu herkömmlichen Dioden nur ein Strahlaustrittsfenster. Dies ist insofern nachteilig, als der zweite Strahl bei Laserdioden gewöhnlich für Regelzwecke genutzt wird, beispielsweise zur Stabilisierung der Ausgangsleistung. Das ist bei den VCSEL nicht möglich. Oberflächenemittierende Laser haben einen sehr geringen Energieverbrauch. Sie lassen sich in Arrays fertigen, testen und betreiben. Dadurch sind sie preiswert und haben eine hohe Zuverlässigkeit. Kontaktplatte Licht passive Region Bragg-Spiegel Bragg-Spiegel aktive Zone Bild 1.56: Oberflächenemittierende Laserdiode (VCSEL) Parameter VCSEL (Beispiel): • Bauform: SFP • in die Faser eingekoppelte Leistung: ≥ -9,5 dBm • Sättigungsleistung des Empfängers: ≥ -1,5 dBm • Empfängerempfindlichkeit: ≤ -17 dBm • Wellenlänge: 850 nm • maximale spektrale Halbwertsbreite: 0,85 nm • typische spektrale Halbwertsbreite: 0,1 nm Wegen der geringen spektralen Halbwertsbreite wurden die oberflächenemittierenden Laserdioden speziell für hohe Datenraten (Gigabit-, 10-Gigabit-Ethernet) über Multimode-LWL bei 850 nm entwickelt. Sie kommen in lokalen Netzen und Rechenzentren zum Einsatz. 63520_Eberlein_SL4.indd 95 63520_Eberlein_SL4.indd 95 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="111"?> 96 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 96 1.4.3.2 Kenngrößen und Eigenschaften von Laserdioden Die ideale Laserdiode zeigt oberhalb eines charakteristischen Schwellstromes I S , bei dem der Laserbetrieb einsetzt, einen linearen Zusammenhang zwischen optischer Ausgangsleistung und Laserstrom. Unterhalb der Schwelle erfolgt die Lichtemission wie bei der Lumineszenzdiode durch spontane Emission. 0 10 20 30 40 50 20 10 0 optische Leistung in mW Laserdiodenstrom in mA Laserdiode LED Bild 1.57: Kennlinie der Lumineszenzdiode und der Laserdiode Aus Bild 1.57 ist ersichtlich, dass sich die Laserdioden-Kennlinie bei niedrigem Betriebsstrom nicht von derjenigen der Lumineszenzdiode unterscheidet. Wichtige Parameter der Kennlinie sind ihre Steilheit, der Schwellstrom, die Verrundung im Bereich der Schwelle und die Linearität im Laserbetrieb. Gewinngeführte Laser haben im Vergleich zu indexgeführten Lasern eine geringere Steilheit, einen höheren Schwellstrom sowie einen größeren Krümmungsradius der Kennlinie im Bereich der Schwelle beim Übergang vom Lumineszenzzum Laserbetrieb. Zu hohe Leistungsdichten zerstören die Laserspiegel, wodurch die maximalen Leistungen begrenzt werden. Typische Leistungen für LWL-gekoppelte Komponenten liegen im Milliwatt-Bereich. Das optische Spektrum eines Lasers mit Fabry-Perot-Resonator besteht aus einzelnen Linien im Abstand ∆λ . Die spektrale Breite jeder Einzellinie wird durch viele Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die Laserdiodenleistung. Bei einer Intensitätsmodulation der Laserdiode wird gleichzeitig die Wellenlänge (Frequenz) moduliert, was zur Linienverbreiterung (Chirp) führt. Bild 1.58 zeigt die Spektren von gewinngeführten und indexgeführten Halbleiterlasern. Beim gewinngeführten Laser ist eine Vielmodenstruktur erkennbar. Die Hüllkurve entspricht dem Verstärkungsprofil oberhalb der Laserschwelle. Ihre Halbwertsbreite (HWB) beträgt einige Nanometer. Beim indexgeführten Fabry-Perot-Laser dominiert meist eine Linie, Nebenmoden sind noch vorhanden. 63520_Eberlein_SL4.indd 96 63520_Eberlein_SL4.indd 96 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="112"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 97 97 HWB Bild 1.58: Spektren von Streifenlasern: (a) gewinngeführter Laser, (b) indexgeführter Fabry-Perot-Laser, (c) DFB-Laser Im Gegensatz dazu ist beim indexgeführten DFB-Laser die Linienbreite δλ erheblich geringer und die Nebenmoden werden deutlich stärker als beim Fabry-Perot-Laser unterdrückt. Bei diesen beiden Typen bewirkt der Chirp eine deutliche Linienverbreiterung und damit eine Impulsverbreiterung durch chromatische Dispersion im Singlemode-LWL. Die Abstrahlung erfolgt divergent in einen vergleichsweise großen Raumbereich. Ursache hierfür ist die Beugung der Lichtwellen bei der Auskopplung. Im Laserinnern werden die Lichtwellen durch die Lichtleiterführung auf etwa den Querschnitt der aktiven Zone eingegrenzt. Beim Lichtaustritt wirkt der Querschnitt der aktiven Zone wie eine rechteckförmige Austrittsblende mit stark unterschiedlicher Kantenlänge. Die unterschiedlich großen Abmessungen bewirken unterschiedlich starke Divergenz des emittierten Strahls in den beiden zueinander senkrechten Richtungen: Je kleiner die Kantenlänge, desto stärker divergiert der Strahl. In einiger Entfernung von der Austrittsfläche erscheint der Strahl deshalb als elliptischer Fleck (Bild 1.59), so dass eine Einkopplung in einen Lichtwellenleiter mit geringer numerischer Apertur und kleinem Kerndurchmesser schwierig ist. senkrechte Ebene parallele Ebene Bild 1.59: Typische Abstrahlcharakteristik eines Halbleiterlasers 63520_Eberlein_SL4.indd 97 63520_Eberlein_SL4.indd 97 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="113"?> 98 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 98 Die Eigenschaften der Laserdioden sind stark temperaturabhängig. Bild 1.60 zeigt die Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen. Mit zunehmender Temperatur wächst der Schwellstrom und die Steilheit der Kennlinie im Laserbetrieb sinkt. optische Leistung Laserstrom T steigt T T T 1 2 3 Bild 1.60: Temperaturabhängigkeit der Laserdioden-Kennlinie Für die Verschiebung des Schwellstromes I S (Laserstrom am Knick der Kennlinie) wurde empirisch eine Abhängigkeit entsprechend Gleichung (1.50) gefunden. Dabei ist T 0 eine materialspezifische charakteristische Temperatur und ∆ T die Temperaturabweichung bezüglich der Temperatur T. Je kleiner T 0 , desto empfindlicher reagiert der Laser auf Temperaturänderungen. 0 T T S S e ) T ( I ) T T ( I ∆ ⋅ = ∆ + (1.50) Für Laser aus dem GaAIAs-Materialsystem wurde T 0 = 120 K bis 230 K und für Laser aus dem InGaAsP-Materialsystem T 0 = 60 K bis 80 K gefunden. Aber auch andere Parameter der Laserdiode sind temperaturabhängig, so die Lebensdauer: Diese verdoppelt sich bei Reduktion der Chiptemperatur um 10 K und halbiert sich bei Erhöhung um 10 K. Der Laserchip muss deshalb zumindest auf eine Wärmesenke montiert werden, um eine Überhitzung durch Eigenerwärmung auszuschließen. Besonders augenfällig sind die Temperatureffekte in der spektralen Verteilung: Mit steigender Temperatur dehnt sich der Kristall aus und die Resonatorlänge wird größer. Gleichzeitig wächst die Brechzahl. Dadurch verschiebt sich das Spektrum zu höheren Wellenlängen. Vor allem in DWDM-Systemen ist eine Temperaturdrift der Wellenlänge störend, da die einzelnen Linien einen sehr geringen spektralen Abstand haben. Deshalb wird bei vielen Anwendungen die Temperatur des Lasers stabilisiert. Die Temperaturregelung erfolgt thermoelektrisch über einen Thermistor (Thermometer) und über Peltierelemente, die es ermöglichen, die Laserdiode sowohl zu heizen als auch zu kühlen. 63520_Eberlein_SL4.indd 98 63520_Eberlein_SL4.indd 98 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="114"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 99 99 Peltierelement Monitordiode Laserdiode primärgeschützter LWL Thermistor Zugentlastung Bild 1.61: DIL- Gehäuse mit Laserdiode, Monitordiode, Thermistor, Peltierelement und LWL- Kopplung Außer der Temperaturregelung ist auch eine Leistungsregelung möglich. Hierfür nutzt man eine Empfängerdiode, die gegenüber der hinteren Austrittsfläche des Lasers angebracht wird (Monitordiode). Die Laserdiode, die Monitordiode, der Thermistor und das Peltierelement werden in einem hermetisch dichten Gehäuse untergebracht. Die gesamte Einheit nennt man Lasermodul (Bild 1.61, 1.62). Bild 1.62: Regelungsprozesse im Lasermodul Die Ansteuerschaltung von Laserdioden muss so ausgelegt sein, dass die Laserdiode trotz Temperaturänderungen und Alterungseinflüssen ein konstantes Ausgangssignal liefert. Laserdioden bewirken unterschiedliche Rauscheffekte. Die meisten Rauschquellen können kontrolliert und somit das Gesamtrauschen im Lasersystem in Grenzen gehalten werden. Die vier Hauptrauschquellen sind: Modensprünge, Amplitudenintensitätsrauschen, optische Rückkopplung und Speckle-Rauschen. 63520_Eberlein_SL4.indd 99 63520_Eberlein_SL4.indd 99 12.11.2020 12: 55: 51 12.11.2020 12: 55: 51 <?page no="115"?> 100 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 100 Optische Rückkopplung entsteht bei der Reflexion von Laserlicht an optischen Elementen, Steckverbindern usw. zurück in den Laserresonator. Es entsteht ein externer Resonator, der mit dem Laserresonator konkurriert. Der externe Resonator ist instabil, so dass die Amplituden- und Phasenabweichungen infolge der optischen Rückkopplung zu einem breitbandigen Rauschen führen. Vor allem DFB-Laser mit ihren schmalen Spektren sind sehr empfindlich gegenüber optischen Rückkopplungen. Deshalb sind in Übertragungssystemen, in denen diese Laser zum Einsatz kommen, die Leistungsrückflüsse zu minimieren. Das wird möglich durch Verwendung von Steckern mit hoher Reflexionsdämpfung (APC-Stecker) und/ oder durch Einfügung von optischen Isolatoren. Die Lebensdauer des Laserdiodenchips liegt bei 10 6 Stunden (114 Jahre), die des Laserdiodenmoduls bei 10 5 Stunden (11,4 Jahre). Die Module sind komplexer aufgebaut. Es überlagern sich die Ausfallraten der einzelnen Bauelemente. Lumineszenzdioden haben höhere Lebensdauern als Laserdioden, da sie einfacher aufgebaut sind und mit geringeren Stromdichten betrieben werden. Generell sind die Bauelemente jedoch äußerst empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung, Überschreitung des zulässigen Laserstromes und Stromspitzen. Anzeichen für eine Beschädigung sind eine reduzierte Ausgangsleistung, eine Verschiebung des Schwellstromes, eine Veränderung der Strahldivergenz, nicht mehr erreichbare Brennfleckgrößen oder das vollständige Fehlen der Lasertätigkeit (nur noch LED-ähnliche Emission). Halbleiter können durch verschiedene Mechanismen beschädigt werden. Vor allem sind sie sehr empfindlich bei schnellen Überschwingeffekten, wie kurze elektrische Transienten, elektrostatische Entladung, sowie dem Betrieb mit nicht zulässigen Laserströmen. Die erforderlichen Schutzmaßnahmen sind sehr umfangreich und werden durch die Hersteller spezifiziert. Die durch die menschliche Berührung ausgelöste elektrostatische Entladung ist die häufigste Ursache für den vorzeitigen Ausfall der Laserdiode. Besonders problematisch sind latente Schädigungen, die momentan nicht ersichtlich sind, aber zu einer raschen Alterung des Lasers führen. 1.4.4 Empfängerdioden 1.4.4.1 PIN-Photodiode Die Wirkungsweise der Photodiode beruht auf dem inneren Photoeffekt entsprechend Abschnitt 1.4.1: Durch Absorption eines Photons mit einer Energie, die größer als der Bandabstand des Halbleitermaterials ist, wird ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Gelingt es, das Paar durch ein elektrisches Feld zu trennen, bevor Elektron und Loch rekombinieren, entsteht eine messbare Ladungsträgerkonzentration, die proportional zur Anzahl der auftreffenden Photonen ist. 63520_Eberlein_SL4.indd 100 63520_Eberlein_SL4.indd 100 12.11.2020 12: 55: 52 12.11.2020 12: 55: 52 <?page no="116"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 101 101 Bei einer Photodiode wird zur Trennung der Elektron-Loch-Paare das elektrische Feld ausgenutzt, das durch Raumladungen im Bereich der Verarmungszone zwischen p- und n-dotiertem Halbleitermaterial erzeugt wird. Dabei werden die freigesetzten Elektronen zur n-dotierten Schicht und die Löcher zur p-dotierten Schicht beschleunigt. Dies führt zu einer Anhäufung positiver Ladungen im Valenzband der p-dotierten Schicht und negativer Ladungen im Leitungsband der n-dotierten Schicht. Werden beide Schichten durch einen Stromkreis miteinander verbunden, so fließen Elektronen von der n-dotierten Schicht (also in Sperrrichtung der Diode), wo sie mit überschüssigen Löchern rekombinieren. Der Absorptionskoeffizient des Bauelements wird durch den Einbau einer nicht dotierten Halbleiterschicht (i-Zone, intrinsic) zwischen p- und n-Halbleiter vergrößert und man erhält die PIN-Photodiode (Bild 1.63). - + ringförmiger Metallkontakt SiO 2 Antireflexschicht hf i n p U R L Bild 1.63: PIN-Photodiode Nicht jedes einfallende Photon erzeugt ein Ladungsträgerpaar. Sehr gute Photodioden erreichen einen Quantenwirkungsgrad η von 90%, das heißt 90% der einfallenden Photonen erzeugen ein Elektron-Loch-Paar. Der durch das Bauelement erzeugte Strom I ph bezogen auf die einfallende optische Leistung P opt bei einer bestimmten Wellenlänge λ wird als spektrale Empfindlichkeit S( λ ) bezeichnet (Maßeinheit: Ampere/ Watt). λ ⋅ ⋅ η = ⋅ η = = λ hc q hf q P I ) ( S opt ph (1.51) Dabei ist q die Ladung des Elektrons und h das Plancksche Wirkungsquantum. Man erkennt, dass die Empfindlichkeit im idealen Bauelement proportional mit der Wellenlänge anwächst (Gleichung (1.51)). Die Absorption bewirkt die Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares. Dies ist aber nur möglich, wenn die vom Photon an das Valenzelektron übertragene Energie W Ph ausreicht, um das Elektron in das Leitungsband zu heben. Dazu ist mindestens die Energie E g des Bandabstands notwendig, das heißt es muss W Ph ≥ E g sein. Nach Gleichung (1.49) ist diese Bedingung für W Ph erfüllt, wenn die Wellenlänge einen bestimmten Grenzwert λ g nicht überschreitet. 63520_Eberlein_SL4.indd 101 63520_Eberlein_SL4.indd 101 12.11.2020 12: 55: 52 12.11.2020 12: 55: 52 <?page no="117"?> 102 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 102 Folglich ist Strahlungsabsorption nur möglich, wenn die Photonenenergie größer als die Bandlückenenergie ist, bzw. wenn die Wellenlänge der Strahlung die zur Bandlücke E g korrespondierende Grenzwellenlänge λ g = h∙c/ E g unterschreitet. Gleichung (1.51) gilt also nur bis zu einer bestimmten Grenzwellenlänge λ g . Oberhalb λ g ist S = 0. Die Grenzwellenlänge hängt vom Bandabstand E g ab und dieser wiederum vom jeweiligen Materialsystem. Die Grenzwellenlänge der Silizium-Photodioden liegt etwa bei 1,1 µm. Sie sind für die Übertragung im sichtbaren Wellenlängenbereich und im ersten optischen Fenster geeignet. Für höhere Wellenlängen (zweites und drittes optisches Fenster) verwendet man Germanium oder InGaAs. Bild 1.64 zeigt die spektrale Empfindlichkeit S( λ ) für verschiedene Detektormaterialien. Deutlich ist der oben diskutierte Verlauf ersichtlich: Annähernd linearer Anstieg der Empfindlichkeit mit der Wellenlänge und abrupter Abfall oberhalb einer bestimmten Grenzwellenlänge. Germanium kann im ersten, zweiten und dritten optischen Fenster eingesetzt werden. Allerdings ist zu beachten, dass die spektrale Empfindlichkeit der Germaniumdiode bereits bei 1550 nm abfällt. Die abfallende Flanke hat darüber hinaus eine starke Temperaturabhängigkeit. Bei Nutzung größerer Wellenlängen (L-Band bei DWDM-Übertragung oder obere Wellenlängen bei CWDM-Übertragung) sind die InGaAs-Dioden unbedingt den Ge- Dioden vorzuziehen. InGaAs-Dioden ermöglichen eine hohe Empfindlichkeit bis 1650 nm. spektrale Empfindlichkeit in A/ W S Wellenlänge in m 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 InGaAs Ge Si Bild 1.64: Spektrale Empfindlichkeit von Silizium, Germanium und InGaAs 63520_Eberlein_SL4.indd 102 63520_Eberlein_SL4.indd 102 12.11.2020 12: 55: 52 12.11.2020 12: 55: 52 <?page no="118"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 103 103 Die maximale spektrale Empfindlichkeit der Si-Diode liegt bei 0,5 A/ W. Eine Empfangsleistung von 1 µW bewirkt also einen Photostrom von 0,5 µA, der an einem Lastwiderstand R L von beispielsweise 10 k Ω eine Spannung von 5 mV entstehen lässt. Mit der Gebzw. InGaAs-Photodiode erzielt man spektrale Empfindlichkeiten bis nahe 1 A/ W. 1.4.4.2 Lawinen-Photodiode Wenn die im elektrischen Feld erzeugten Ladungsträger so große Geschwindigkeiten erreichen, dass durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugt werden, dann erhält man einen besonders hohen Photostrom. Die Photodiode wird dann Lawinen-Photodiode oder Avalanche-Photodiode (APD) genannt. Diese Bauelemente haben spezielle für den Lawinenprozess optimierte Strukturen. Um eine hohe Verstärkung zu erzielen, werden Spannungen nahe 100 V benötigt. Diese hohen Spannungen bewirken im Vergleich zur PIN-Photodiode einen erhöhten schaltungstechnischen Aufwand. Während bei der PIN-Photodiode der Zusammenhang zwischen Leistung und Photostrom über neun Dekaden proportional ist, ist der Linearitätsbereich bei der Lawinen-Photodiode eingeschränkt. Mit wachsendem Verstärkungsfaktor wächst nicht nur der Signalstrom, sondern auch das Rauschen, so dass man ab einem bestimmten Multiplikationsfaktor keinen Gewinn mehr am Signal-Rausch-Verhältnis erzielt. Die Anforderungen an die Schaltung zur Ansteuerung einer Lawinen-Photodiode sind im Vergleich zur PIN-Photodiode höher. Nachteilig sind die hohe Betriebsspannung der Lawinen-Photodiode sowie die Forderung an deren hohe Konstanz. 1.4.4.3 Wichtige Eigenschaften von Empfängerdioden Neben Rauscheffekten, bedingt durch den Sender und die Übertragungsstrecke, Dispersionseffekten und Nichtlinearitäten wird die Qualität des Übertragungssystems auch durch das Rauschen des Empfängers beeinträchtigt. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Bandbreite der Photodiode. Diese kann die maximale Datenrate des Systems begrenzen. Das Frequenzverhalten und damit die Bandbreite werden durch die Sperrschichtkapazität beeinflusst. Diese wird durch die Struktur der Diode, vor allem aber durch die Größe der lichtempfindlichen Fläche festgelegt. Sie sollte zur Realisierung hoher Bandbreiten möglichst klein sein. Wie die Sender, sind auch die Empfänger als komplette Module verfügbar. Das Empfängermodul besitzt in der Regel einen LWL-Anschluss (Pigtail) sowie eine Vorverstärkerstufe, beispielsweise einen Transimpedanz-Verstärker. 63520_Eberlein_SL4.indd 103 63520_Eberlein_SL4.indd 103 12.11.2020 12: 55: 52 12.11.2020 12: 55: 52 <?page no="119"?> 104 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 104 1.4.5 Transceiver 1.4.5.1 Übersicht Transceiver Weit verbreitet sind Transceiver (Transmitter + Receiver = Sender + Empfänger). Das sind standardisierte Übertragungsbausteine, die aus einem optischen Sender mit einem Treiber und einem optischen Empfänger mit Empfängerschaltung bestehen. Der Transceiver bietet ein hohes Einsparpotential. Auf der Senderseite wandelt er elektrische in optische Signale um. Über einen geeigneten Stecker wird Licht direkt in die Faser gekoppelt. Auf der Empfängerseite wird das optische Signal an die Diode gekoppelt und in ein elektrisches Signal gewandelt. Transceiver können fest (lötbar) oder steckbar sein. Die Multi-Source-Vereinbarung (MSA) definiert die Abmessungen und die elektrischen Schnittstellen der Transceiver, damit diese zwischen verschiedenen Herstellern kompatibel sind (Defacto-Standard). Unterscheidungskriterien: • Fasertyp: Multimode, Singlemode • Wellenlängen: 850 nm, 1300/ 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm, CWDM (1271 nm... 1611 nm), DWDM • Streckenlängen • Datenraten • Protokolle: Ethernet, Fibre Channel, SDH/ SONET, GPON,... Die erste auswechselbare Transceiver-Bauform war GBIC (Gigabit Interface Converter). Am weitesten verbreitet ist SFP (Small Form Factor Pluggable). 1.4.5.2 Gigabit Interface Concerter (GBIC) Dieser Transceiver hat die Abmessungen etwa einer Streichholzschachtel und ist für die Übertragung von 1 Gbit/ s-Ethernet geeignet. Der Einsatz erfolgt in Backbone- und Speichernetzen (SAN). Beim MGBIC handelt es sich um einen miniaturisierten GBIC. Dieser hat die Abmessungen eines SFP-Moduls. Man unterscheidet folgende Versionen: • SX: Multimode 50 µm, Reichweite 500 m; Multimode 62,5 µm, Reichweite 220 m • LX: Singlemode, Reichweite 10 km • LH(X): Singlemode, Reichweite 40 km • ZX: Singlemode, Reichweite 80 km • CWDM • DWDM 1.4.5.3 Small Form Factor Pluggable (SFP) SFPs sind kleiner und Platz sparender als GBICs. SFP+ haben geringere Abmessungen als SFP und ermöglichen höhere Portdichten (13 mm x 57 mm x 9 mm). 63520_Eberlein_SL4.indd 104 63520_Eberlein_SL4.indd 104 12.11.2020 12: 55: 52 12.11.2020 12: 55: 52 <?page no="120"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 105 105 SFP für Duplex-Verbindungen haben LC-Duplex-Stecker. SFPs gibt es in vielen verschiedenen Versionen: • CSFP (Compact SFP): Benötigt nur eine einzige Faser. Es erfolgt bidirektionale Übertragung mit zwei Wellenlängen. • 10 Gbit/ s: XFP (römische X = 10) • 40 Gbit/ s: QSFP, QSFP+: Quad Small Form Factor Pluggable. Ersetzt vier XFP- Module (4 x 10 Gbit/ s). QSFP-DD: doppelte Dichte (acht Kanäle). • 100 Gbit/ s: CFP (römische C = 100); Miniaturisierung: CFP2 (2. Generation; doppelte Packungsdichte, CFP4 (3. Generation; vierfache Packungsdichte). • 100 Gbit/ s: QSFP28 (vier Sender á 28 Gbit/ s). • 400 Gbit/ s: CDFP (römisch CD = 400). Tabelle 1.27 zeigt einige Varianten für 1 Gbit/ s. Typ Wellenlänge Reichweite Medium IEEE 802.3 Standard / Bemerkungen 1000Base-SX 850 nm 500 m MM 50 µm Faserpaar Clause 38 220 m MM 62,5 µm Faserpaar 1000Base-LX 1310 nm 5 km Singlemode Faserpaar Clause 38 1000Base-LX10 1000Base-LH 10 km Clause 59; häufig nur noch „1000Base-LX“ 1000Base-EX 1310 nm 40 km kein IEEE-Standard identisch mit -LX leistungsfähigere Optik 1000Base-ZX 1550 nm 80 km kein IEEE-Standard ähnlich -LX leistungsfähigere Optik 1000Base-EZX 1550 nm 120 km kein IEEE-Standard 1000Base-PX10 1000Base-PX D: 1490 nm U: 1310 nm 10 km Singlemode Einzelfaser Clause 59 CSFP Tabelle 1.27: Interfacetypen 1 Gbit/ s In der letzten Zeile steht der bidirektionale Transceiver (CSFP), wie er im GPON im Einsatz kommt: Es erfolgt eine bidirektionale Übertragung (BiDi) über eine Faser im Wellenlängenmultiplexbetrieb. 1310 nm und 1490 nm werden in entgegen gesetzten Richtungen übertragen (Bild 1.65). 1310 nm 1490 nm 1310 nm 1490 nm 2 x 1- WDM 1 x 2- WDM Sender Sender Empfänger Empfänger Bild 1.65: Bidirektionale Übertragung über eine Faser 63520_Eberlein_SL4.indd 105 63520_Eberlein_SL4.indd 105 12.11.2020 12: 55: 52 12.11.2020 12: 55: 52 <?page no="121"?> 106 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 106 D: downstream (Richtung Kunde); U: upstream (Richtung Vermittlungsstelle). Die Richtungstrennung erfolgt über wellenlängenselektive Koppler (WDM) im Transceiver. 1.4.5.4 Nomenklatur von Ethernet-Transceivern Das Ethernet Standard legt ein Schema zur Kennzeichnung der Ethernet- Transceiver fest: nType-LLLm Dabei gilt: • n: Datenrate: 10 10 Mbit/ s 100 100 Mbit/ s 1000 1000 Mbit/ s 10G 10 Gbit/ s 40G 40 Gbit/ s 100G 100 Gbit/ s 400G 400 Gbit/ s • Type: Modulationstyp; Base: Basisband • L: Wellenlänge/ Reichweite; Übertragungsmedium 1550 nm/ Extended Reach 1310 nm/ Long Reach 850 nm/ Short Reach F: Fiber K: Backplane T: Twisted pair • L: Leitungscodierung R: Scrambled coding X: External sourced coding e: Energy efficient Ethernet • L: Kennzeichnung der Multimode-Faser M • m: Anzahl der Faserpaare bzw. Anzahl der Wellenlängen. Die Realisierung höherer Faserpaare erfolgt über Paralleloptiken (Abschnitt 6.2) und die Realisierung mehrerer Wellenlängen mit Wellenlängenmultiplex. Beispiel: 40GBase-SR4. In Abhängigkeit vom Hersteller kann es zu Abweichungen in der Nomenklatur kommen. 1.4.5.5 Reichweiten entsprechend Ethernet-Standard IEEE 802.3 Tabelle 1.28 vergleicht die Parameter verschiedener Ethernet-Transceiver (Auswahl): • G bedeutet Multimode-LWL (Gradientenprofil). • E9 kennzeichnet Standard-Singlemode-LWL. • Blau: Raummultiplex. Die Ziffer steht für die Anzahl der Faserpaare (zum Beispiel 4, 10); erfordert Paralleloptik. • Rot: Wellenlängenmultiplex. Die Ziffer steht für die Anzahl der Wellenlängen (zum Beispiel 4). 63520_Eberlein_SL4.indd 106 63520_Eberlein_SL4.indd 106 12.11.2020 12: 55: 53 12.11.2020 12: 55: 53 <?page no="122"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 107 107 Anwendung Wellenlänge Faseranzahl/ typ Reichweite in km Fast Ethernet 100Base-FX 1300 nm 2 G50, OM2 2 2 G62, OM1 2 Gigabit Ethernet 1000Base-PX10 1310 nm/ 1490 nm 1 E9 10 1000Base-PX20 1310 nm/ 1490 nm 1 E9 20 1000Base-SX 850 nm 2 G50, OM2 - OM4 0,55 2 G62,5, OM1 0,275 1000Base-LX 1300 nm 2 G50, OM2 0,55 2 G62,5, OM1 0,55 1310 nm 2 E9 5 1000Base-LX10 1310 nm 2 E9 10 1000Base-ZX 1550 nm 2 E9 70 10 Gigabit-Ethernet 10GBase-SR/ SW 850 nm 2 G50, OM2/ OM3 0,082/ 0,3 2 G50, OM4 0,4 2 G62,5, OM1 0,032 10GBase-LX4 4 λ á 2,5 Gbit/ s 1271 nm, 1291 nm, 1311 nm, 1331 nm 2 G50, OM2 0,3 2 G62,5, OM1 0,3 2 E9 10 10GBase-LR/ LW 1310 nm 2 E9 10 10GBase-ER/ EW 1550 nm 2 E9 40 40/ 100 Gigabit-Ethernet 40GBase-SR4 850 nm 4 Fasern á 10 Gbit/ s 8 G50, OM3 0,1 8 G50, OM4 0,15 40Base-LR4 4 λ á 10 Gbit/ s 1271 nm, 1291 nm, 1311 nm, 1331 nm 2 E9 10 100GBase-SR4 850 nm 4 Fasern á 25 Gbit/ s 8 G50, OM3/ OM4 0,07/ 0,1 100GBase-SR10 850 nm 10 Fasern á 10 Gbit/ s 20 G50 OM3/ OM4 0,1/ 0,15 100GBase-LR4 4 λ á 25 Gbit/ s 1295,56 nm, 1300,05 nm, 1304,58 nm, 1309,14 nm 2 E9 10 100GBase-ER4 4 λ á 25 Gbit/ s 1295,56 nm, 1300,05 nm, 1304,58 nm, 1309,14 nm 2 E9 Verwendung optischer Verstärker 40 400 Gigabit-Ethernet 400GBase-SR8 850 nm; Modulation PAM4 8 Fasern á 50 Gbit/ s 16 G50, OM3/ OM4 0,07/ 0,1 400GBase-SR16 850 nm 16 Fasern á 50 Gbit/ s 32 G50, OM3/ OM4 0,07/ 0,1 400GBase-DR4 1310 nm; Modulation PAM-4 4 Fasern á 100 Gbit/ s 8 E9 0,5 400GBase-FR8 CWDM; 8 Wellenlängen 2 E9 2 400GBase-LR8 1310 nm-Band; 8 Wellenlä. 2 E9 10 Tabelle 1.28: Reichweiten nach Ethernet-Standard IEEE 802.3 63520_Eberlein_SL4.indd 107 63520_Eberlein_SL4.indd 107 12.11.2020 12: 55: 53 12.11.2020 12: 55: 53 <?page no="123"?> 108 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 108 1.4.5.6 Ausblick Bild 1.66 veranschaulicht die Entwicklung der Datenraten mit der Zeit. Ein Ende ist nicht abzusehen. Höhere Datenraten werden mit höhertorigen Transceivern realisiert. Bild 1.67 vergleicht die verschiedenen Transceiver-Bauformen. Bild 1.66: Entwicklung der Übertragungsgeschwindigkeiten (Quelle: Ethernet Alliance) Bild 1.67: Vergleich verschiedener Transceiver-Bauformen (Quelle: Ethernet Alliance) 63520_Eberlein_SL4.indd 108 63520_Eberlein_SL4.indd 108 12.11.2020 12: 55: 54 12.11.2020 12: 55: 54 <?page no="124"?> 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 109 109 Das Bild 1.67 links bezieht sich auf 1 bis 4 Kanäle und das Bild rechts auf 4 bis 16 Kanäle. Bei geringen Kanalanzahlen kommen vorzugsweise LC-Duplex-Stecker, zukünftig auch SN-, MDC- oder CS-Stecker (Abschnitt 2.9.2.4) zum Einsatz. Höhere Kanalanzahlen werden mit Mehrfasersteckern (Abschnitt 2.9.2.2) realisiert. In Bild 1.67 sind folgende Bauformen für die optische Übertragung dargestellt: • SFP: Small Form Pluggable Transceiver; zwei Kanäle (Stecker: LC-Duplex). • On Board Optics (OBO): Lichtwellenleiter bis zur Leiterplatte. Rechteckige Ferrulen, die auf ihrer Oberfläche mit Linsen (PRIZM ® MT) oder mit Prismen (PRIZM ® Light Turn ® ) bestückt sind. • QSFP: Quad Small Form Factor Pluggable; vier Kanäle je Richtung; insgesamt acht Kanäle (Stecker: MPO-12). • QSFP-DD für 400Base-SR8: 8 x 50 Gbit/ s = 400 Gbit/ s; acht Kanäle je Richtung; insgesamt 16 Kanäle (Stecker: MPO-16). • OSFP (Octal Small Form Factor Pluggable) für 400Base-SR8; 8 x 50 Gbit/ s = 400 Gbit/ s; acht Kanäle je Richtung; insgesamt 16 Kanäle (Stecker: MPO-16). • CFP8 für 400Base-SR16: 16 x 25 Gbit/ s = 400 Gbit/ s; 16 Kanäle je Richtung; insgesamt 32 Kanäle (Stecker: MPO-32). 1.4.6 Zusammenfassung Sender- und Empfangsbauelemente für die optische Nachrichtenübertragung nutzen die elektrooptischen Wechselwirkungen im Halbleiter. Die spontane Emission wird bei der Lumineszenzdiode, die stimulierte Emission bei der Laserdiode und die Absorption von Licht bei der Empfängerdiode genutzt. Lumineszenzdioden sind preisgünstig und einfach handhabbar, haben jedoch eine große spektrale Halbwertsbreite, eine schlechte Linearität der Kennlinie und einen geringen Koppelwirkungsgrad bei Einkopplung in den Lichtwellenleiter. Laserdioden sind teuer, erfordern einen erhöhten schaltungstechnischen Aufwand sowie besondere Vorsicht bei der Handhabung. Sie ermöglichen durch die hohe Linearität der Kennlinie auch eine Übertragung analoger Signale. Laserdioden sind mit sehr hohen Datenraten modulierbar und haben in den Bauformen DFB oder DBR eine extrem geringe spektrale Halbwertsbreite. Sie ermöglichen eine hochbitratige Übertragung. Wegen ihrer hohen Ausgangsleistung und dem hohen Koppelwirkungsgrad bei der Einkopplung in den Singlemode- LWL kann man mit Laserdioden große Streckenlängen überbrücken. Photodioden sind für die Wandlung optischer in elektrische Signale geeignet. Für unterschiedliche Wellenlängenbereiche sind unterschiedliche Detektormaterialien erforderlich. Das Rauschen der Photodiode begrenzt die überbrückbare Streckenlänge und die Bandbreite begrenzt die maximalen Datenraten, die empfangen werden können. 63520_Eberlein_SL4.indd 109 63520_Eberlein_SL4.indd 109 12.11.2020 12: 55: 54 12.11.2020 12: 55: 54 <?page no="125"?> 110 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 110 Für herkömmliche Anwendungen kommt die PIN-Photodiode zum Einsatz. Die Lawinen-Photodiode ermöglicht höhere Empfindlichkeiten, erfordert aber einen deutlich größeren schaltungstechnischen Aufwand. Sender und Empfänger kommen als komplette Module in Transceivern zum Einsatz. Sie sind in vielen Versionen verfügbar. 1.5 Literatur [1.1] Understanding PMD Specifications in New Advanced High-Speed Networks. EXFO White Paper. [1.2] G. Mahlke, P. Gössing: Lichtwellenleiter-Kabel. 4. Auflage 1995. Publicis MCD Verlag. [1.3] IEC TR 62048 Edition 2.0 2014-01; Technical Report: Optical fibres - Reliability - Power law theory. [1.4] ITU-T G-series, Supplement 59: Guidance on optical fibre and cable reliability. [1.5] J. M. Jacobs: Suggested Guidelines for the Handling of Optical Fiber. CORN- ING, White Paper WP 3627, Dezember 2001. [1.6] W. Bludau: Halbleiter-Optoelektronik. 1. Auflage München Wien: Carl Hanser Verlag, 1995. 63520_Eberlein_SL4.indd 110 63520_Eberlein_SL4.indd 110 12.11.2020 12: 55: 54 12.11.2020 12: 55: 54 <?page no="126"?> 111 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern Dieter Eberlein 2.1 Allgemeine Eigenschaften Die Verbindungstechnik stellt höchste Anforderungen an die Präzision, da die sehr kleinen LWL-Kerne im Sub-Mikrometerbereich zueinander ausgerichtet werden müssen, um kleine Dämpfungen zu erzielen. In Kapitel 2 wird die lösbare und in Kapitel 3 die nicht lösbare Verbindungstechnik (Spleißen) abgehandelt. Um eine hohe Präzision zu gewährleisten, sind Stecker und Kupplungen nur von namhaften Anbietern einzusetzen. Das Material der Ferrule (Steckerstift) sollte verschleißfestes Material, zum Beispiel Zirkonia-Keramik, sein. Für die Kupplung hat sich eine geschlitzte Keramikhülse durchgesetzt. Darüber hinaus ist sorgfältig mit Steckern und Kupplungen umzugehen und ein hoher Reinigungsstandard zu gewährleisten. Gereinigte Steckerstirnflächen sind vor dem Stecken mit dem Fasermikroskop zu überprüfen (Abschnitt 2.10.4). Alle Steckverbinder, die in der Telekommunikation zum Einsatz kommen, sind konvex geschliffen. Beim Stecken kommt es zu einer Berührung der Steckeroberflächen (Bild 2.1). Dieser so genannte physische Kontakt ermöglicht eine dauerhaft stabile optische Verbindung. Da die Steckerstirnflächen durch die Kraft der Federn in den Steckverbindern aufeinandergepresst werden, kann kein Schmutz in den Strahlengang eindringen. Die optischen Parameter (Dämpfung, Reflexionsdämpfung) verändern sich nicht. Bild 2.1: Physischer Kontakt An einen modernen Steckverbinder stellt man folgende Anforderungen: • geringe Dämpfung • hohe Reflexionsdämpfung • große Anzahl von Steckzyklen • hohe Lebensdauer 63520_Eberlein_SL4.indd 111 63520_Eberlein_SL4.indd 111 12.11.2020 12: 55: 54 12.11.2020 12: 55: 54 <?page no="127"?> 112 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 112 Eine geringe Dämpfung erreicht man durch das Ablageverfahren (Tunen: Abschnitt 2.6.1) oder das Prägeverfahren (aktive Kernzentrierung: Abschnitt 2.6.2) sowie durch die Reduktion der Reflexionen am Steckverbinder. Licht, welches reflektiert wird, fehlt in Vorwärtsrichtung und bewirkt Dämpfung. Eine hohe Reflexionsdämpfung, das heißt eine geringe Reflexion (das reflektierte Licht wird stark gedämpft) erreicht man durch Modifikation des Stirnflächenkontaktes (Abschnitt 2.3). Eine große Anzahl von Steckzyklen (500...2000) ist vor allem wichtig bei Messschnüren. Sie kann nur erreicht werden, wenn die Steckverbinder regelmäßig gereinigt und inspiziert werden. Folgende Trends zeichnen sich ab: • Erhöhung der Packungsdichte (Miniaturisierung): Small-Form-Factor-Stecker (SFF). Das kann man erreichen durch Verringerung des Ferrulendurchmessers von 2,5 mm auf 1,25 mm, zum Beispiel LC- oder URM-Stecker. Alternativ kann man mehrere Fasern in einer (rechteckigen) Ferrule anordnen: Mehrfaserstecker (Abschnitt 2.9.2). • Verringerung der Einfügedämpfung: Dämpfungsklasse A (0,1 dB) (Abschnitt 2.7). • High-Power-Stecker: geeignet zur Übertragung sehr hoher Leistungen (> 500 mW) (Abschnitt 2.8.4). Die Vielfalt der Steckverbinder ergibt sich durch folgende Unterscheidungsmerkmale: • direkte Stirnflächenkopplung oder Kopplung über ein optisches System (Linsenkopplung: Abschnitt 2.8.4) • unterschiedliche Oberflächenkontakte (Abschnitt 2.3): eben (nur noch im industriellen Bereich), PC, APC bzw. HRL („schräg“) • unterschiedliche Steckerstift-Durchmesser: 3,175 mm (nur noch im industriellen Bereich), 2,5 mm, 1,25 mm • Simplex-, Duplex-, Mehrfaserstecker • unterschiedliche Materialien • unterschiedliches Steckprinzip: Bajonett (ST), schraubbar (DIN, FC), Push-Pull (E- 2000, LC, F-3000, MU) 2.2 Koppelverluste zwischen Lichtwellenleitern Bei der Kopplung von Lichtwellenleitern treten Koppelverluste (Dämpfungen) auf. Man unterscheidet: • intrinsische Verluste: bedingt durch unterschiedliche Faserparameter • extrinsische Verluste: bedingt durch die Verbindungstechnik Der Koppelverlust hängt vom LWL-Typ (Stufenprofil-LWL, Gradientenprofil-LWL, Singlemode-LWL) und (beim Multimode-LWL) von der Modenverteilung (Leistungsverteilung) über dem Querschnitt, ab. Zwei Parameter charakterisieren den Verlust an der Koppelstelle: Koppelwirkungsgrad und Dämpfung. 63520_Eberlein_SL4.indd 112 63520_Eberlein_SL4.indd 112 12.11.2020 12: 55: 54 12.11.2020 12: 55: 54 <?page no="128"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 113 113 Der Koppelwirkungsgrad η ist das Verhältnis der im Lichtwellenleiter 2 geführten Leistung P 2 zu der vom Lichtwellenleiter 1 ankommenden Leistung P 1 . Falls P 1 = P 2 ist η = 1: kein Koppelverlust: 1 P P 1 2 ≤ = η (2.1) Die Dämpfung a an der Koppelstele wird folgendermaßen definiert: η − = η = = lg 10 1 lg 10 P P lg 10 dB in a 2 1 (2.2) Falls η = 1, ist a = 0 dB. 2.2.1 Verluste zwischen Multimode-LWL Für die intrinsischen Verluste, Modengleichverteilung und Stufenbzw. Gradientenprofil gilt: d d > K1 K2 Bild 2.2: Fehlanpassung Kerndurchmesser 2 K 1 K 2 K 1 K 2 K 1 K d d wenn dB 0 a d d wenn dB in d d lg 20 a ≤ = ≥ = (2.3) Beispiele: • d K1 = 62,5 µm, d K2 = 50 µm => a = 1,94 dB; • d K1 = 50 µm, d K2 = 62,5 µm => a = 0 dB NA NA > 1 2 Bild 2.3: Fehlanpassung numerische Aperturen 2 1 2 1 2 1 NA NA wenn dB 0 a NA NA wenn dB in NA NA lg 20 a ≤ = ≥ = (2.4) Beispiele: • NA 1 = 0,275, NA 2 = 0,20 => a = 2,77 dB • NA 1 = 0,20, NA 2 = 0,275 => a = 0 dB 63520_Eberlein_SL4.indd 113 63520_Eberlein_SL4.indd 113 12.11.2020 12: 55: 55 12.11.2020 12: 55: 55 <?page no="129"?> 114 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 114 g g > 1 2 Bild 2.4: Fehlanpassung Brechzahlprofile 2 1 2 1 1 2 2 1 g g wenn dB 0 a g g wenn dB in ) g 2 ( g ) g 2 ( g lg 10 a ≤ = ≥ + ⋅ + ⋅ = (2.5) Beispiele: • Kopplung Stufenprofil-LWL (g 1 = ∞ ) an Parabelprofil-LWL (g 2 = 2) => a = 3 dB • Kopplung Parabelprofil-LWL (g 2 = 2) an Stufenprofil-LWL (g 1 = ∞ ) => a = 0 dB Aus obigen Beispielen ist ersichtlich, dass die intrinsischen Verluste beim Multimode- LWL von der Richtung abhängen. Ursachen für extrinsische Verluste sind: • radialer, transversaler oder seitlicher Versatz • Verkippung der optischen Achsen • axialer, longitudinaler oder Längsversatz Die extrinsischen Verluste hängen nicht von der Richtung ab. Bei Modengleichgewichtsverteilung bzw. Encircled Flux anstelle Modengleichverteilung (Abschnitt 4.2.1) ist die Leistung stärker im Bereich der optischen Achse konzentriert. Parametertoleranzen wirken sich nicht so stark aus. Die Koppelverluste sind kleiner. 2.2.2 Verluste zwischen Singlemode-LWL Sowohl die intrinsischen als auch die extrinsischen Verluste sind beim Singlemode- LWL unabhängig von der Richtung. Im Gegensatz zum Multimode-LWL hängen beim Singlemode-LWL die Koppelverluste von der Wellenlänge ab: sowohl direkt als auch indirekt über den Modenfelddurchmesser 2w. Die Leistungsverteilung der Modenfelder über dem Faserquerschnitt wird als annähernd gaußförmig angenommen (Bild 2.5). Bei der Kopplung von Singlemode-LWL mit unterschiedlichen Modenfelddurchmessern kommt es zur Fehlanpassung von gaußschen Strahlen. Für die Dämpfung gilt Gleichung (4.19) (Abschnitt 4.4.3). w w < 1 2 w w > 1 2 Bild 2.5: Fehlanpassung Modenfelddurchmesser 63520_Eberlein_SL4.indd 114 63520_Eberlein_SL4.indd 114 12.11.2020 12: 55: 55 12.11.2020 12: 55: 55 <?page no="130"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 115 115 2.3 Stirnflächenkontakt Die Stirnflächengestalt des Steckverbinders hat gravierenden Einfluss auf die Dämpfung a und die Reflexionsdämpfung a R . Die Dämpfung wurde in Abschnitt 2.2 definiert. Für die Reflexion R bzw. die Reflexionsdämpfung a R gelten die Gleichungen (2.6). Dabei ist P 0 die ankommende und P R die reflektierte Leistung. 0 R P P R = R 0 R P P lg 10 a = (2.6) Berispiele: • a R = 10 dB => ein Zehntel der Leistung wird reflektiert (R = 1/ 10) • a R = 20 dB => ein Hundertstel der Leistung wird reflektiert (R = 1/ 100) • a R = 30 dB => ein Tausendstel der Leistung wird reflektiert (R = 1/ 1.000) • a R = 40 dB => ein Zehntausendstel der Leistung wird reflektiert (R = 1/ 10.000) • a R = 50 dB => ein Hunderttausendstel der Leistung wird reflektiert (R = 1/ 100.000) • a R = 60 dB => ein Millionstel der Leistung wird reflektiert (R = 1/ 1.000.000) Hohe Reflexionsdämpfung bedeutet, dass das reflektierte Licht stark gedämpft wird. Moderne Übertragungssysteme benötigen Stecker mit geringer Dämpfung und hoher Reflexionsdämpfung, da die Sender sehr rückwirkungsempfindlich sein können. 2.3.1 Stecker mit ebener Stirnfläche Die ersten optischen Steckverbinder hatten eine eben polierte Stirnfläche (Bild 2.6). Durch geringfügige Rauhigkeiten auf der Oberfläche bzw. eine minimale Verkippung der Stecker in der Kupplungshülse berühren sich die Stirnflächen nur an einzelnen Punkten, aber nicht auf der gesamten Oberfläche. Ein minimaler Luftspalt bewirkt eine erhöhte Dämpfung und Reflexion. Ursache hierfür ist der Brechzahlsprung bei Übergang von Glas zu Luft (4 % Reflexion) und von Luft zu Glas (4 % Reflexion). Es gehen 8 % des Lichts verloren. Das entspricht einer theoretischen Dämpfung von etwa 0,35 dB. Hinzu kommen herstellerbedingte Dämpfungen. 4 % Reflexion entsprechen nach Gleichung (2.6) etwa 14 dB Reflexionsdämpfung. Dieser Wert ist für moderne Übertragungssysteme wesentlich zu gering. Bild 2.6: ebene Oberfläche 63520_Eberlein_SL4.indd 115 63520_Eberlein_SL4.indd 115 12.11.2020 12: 55: 55 12.11.2020 12: 55: 55 <?page no="131"?> 116 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 116 2.3.2 Stecker mit physischem Kontakt Die Stirnflächen werden konvex geschliffen und sie werden mit Federn im Stecker aufeinandergepresst. Es entsteht eine ebene Berührungsfläche (Glas auf Glas): physischer Kontakt (PC). Der Luftspalt verschwindet und Dämpfung und Reflexion werden verringert (Bild 2.7). Bild 2.7: physischer Kontakt (PC) Die theoretische Einfügedämpfung reduziert sich auf 0 dB und die Reflexionsdämpfung erhöht sich auf 30 dB bis 60 dB. Beispiele: • Multimode-Stecker (MM-PC): a R ≈ 35 dB • Singlemode-Stecker (SM-PC): a R ≈ 45 dB • besonders sorgfältig polierte Steckerstirnfläche (Ultra-Polished Connector): Singlemode-Stecker (SM-UPC): a R ≈ 55 dB Ein Staubkörnchen kann die guten Eigenschaften des PC-Steckers zunichte machen (Bild 2.8). Es entsteht ein Luftspalt, der die gleichen Eigenschaften bewirkt, wie ein Stecker mit ebener Stirnfläche: a > 0,35 dB; a R ≈ 14 dB. Starke Reflexionen können das System instabil machen. Um den Effekt zu vermeiden, ist ein hoher Reinigungsstandard erforderlich. Bild 2.8: unterbrochener physischer Kontakt 2.3.3 Schrägschliffstecker Die Steckerstirnfläche wird schräg geschliffen (Bild 2.9). Ein typischer Neigungswinkel gegen die ebene Stirnfläche ist 8° (selten 9°). Der Glas-Luft-Glas-Übergang zwischen den ebenen Stirnflächen bewirkt, sinngemäß wie in Abschnitt 2.3.1 beschrie- 63520_Eberlein_SL4.indd 116 63520_Eberlein_SL4.indd 116 12.11.2020 12: 55: 55 12.11.2020 12: 55: 55 <?page no="132"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 117 117 ben, eine erhöhte Dämpfung (a > 0,35 dB) und eine starke Reflexion. Das Licht wird schräg reflektiert, weil das Lot (die Linie, die senkrecht auf der Stirnfläche steht) verkippt gegen die optische Achse steht. Bild 2.9: Schrägschliffstecker Der Lichtwellenleiter führt das Licht nur, wenn es einen bestimmten Neigungswinkel gegen die optische Achse nicht überschreitet: es muss innerhalb des Akzeptanzkegels liegen (Abschnitt 1.1.4). Beim Schrägschliffstecker wird absichtlich der maximal zulässige Neigungswinkel überschritten: Das Licht wird nicht mehr total reflektiert, sondern in den Mantel hinein gebrochen und stark gedämpft. Beim Standard-Singlemode-LWL ereicht man folgende Reflexionsdämpfungen: • 8°-Schliff: a R ≈ 56 dB • 9°-Schliff: a R ≈ 67 dB 2.3.4 APC/ HRL-Stecker Bei diesem Stecker werden beide reflexionsmindernden Prinzipien kombiniert: Die Oberflächen werden derart konvex geschliffen, dass sie bei Berührung schräg aufeinandertreffen (Bild 2.10). Bild 2.10: APC/ HRL-Stecker APC bedeutet Angled-Physical Contact (physischer Kontakt mit Winkel) und HRL bedeutet High-Return-Loss (hohe Rückflussdämpfung). Man erreicht eine sehr große Reflexionsdämpfung (a R > 70 dB) und eine sehr geringe Dämpfung, da der Luftspalt nicht mehr vorhanden ist. Auch bei diesem Stecker können Verschmutzungen eine Unterbrechung des physischen Kontaktes bewirken, aber die Reflexionsdämpfung fällt nicht so stark ab, da nach wie vor der Schrägschliff reflexionsmindernd wirkt (Bild 2.9). Die nachteiligen Auswirkungen auf die Stabilität des Systems sind wesentlich geringer. Tabelle 2.1 zeigt einen Vergleich der Parameter. 63520_Eberlein_SL4.indd 117 63520_Eberlein_SL4.indd 117 12.11.2020 12: 55: 55 12.11.2020 12: 55: 55 <?page no="133"?> 118 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 118 Reflexionsdämpfung farbliche Markierung Verbindung in Ordnung unterbrochener physischer Kontakt, zum Beispiel durch Verschmutzung PC blau ≈ 45 dB 14 dB APC/ HRL 8° grün > 70 dB ≈ 56 dB Dämpfung unverändert Erhöhung um ≈ 0,35 dB Tabelle 2.1: Vergleich der optischen Parameter bei korrekter und verschmutzter Verbindung 2.4 Verdrehsicherung Bei Steckverbindern und Kupplungen mit rechteckförmigem Querschnitt (zum Beispiel E-2000-Stecker) wird beim Stecken stets eine definierte azimutale Orientierung gewährleistet. Bei rotationssymmetrischen Steckern (DIN, FC) wird das realisiert, indem der Stecker über eine Nase und die Kupplung über eine Nut verfügt (Bild 2.11). Bild 2.11: Verdrehsicherung Eine definierte azimutale Orientierung ist beim APC-Stecker notwendig, damit die schräg geschliffenen Stirnflächen parallel stehen. Beim PC-Stecker verhindert die Verdrehsicherung, dass nach dem Aufeinanderpressen der konvexen Steckerstirnflächen, diese noch gegeneinander verdreht werden können. Das würde das Glas übermäßig beanspruchen. Infolge von Exzentrizitäten werden die Kernflächen nie exakt deckungsgleich sein. Dadurch entsteht eine Dämpfung durch radialen Versatz. Je nach azimutaler Orientierung der beiden Kernflächen zueinander, sind diese Dämpfungen unterschiedlich. Die Verdrehsicherung ermöglicht eine hohe Reproduzierbarkeit bei wiederholtem Stecken. Man beachte, dass es beim FC-Stecker unterschiedliche Abmessungen von Nase und Nut gibt: Narrow Key (2,0 mm) und Wide Key (2,2 mm). Bei der Auswahl von Stecker und Kupplung ist jeweils die passende Kombination zu wählen. Wide-Key- Stecker (Nase) in Kombination mit Narrow-Key-Kupplung (Nut) bewirkt einen Luftspalt in der Steckverbindung. Das führt zu einer hohen Dämpfung und Reflexion. 2.5 Stift-Hülse-Prinzip Die Steckerstifte (Ferrulen) mit einem Durchmesser von 2499,0 µm ± 0,5 µm (2,5 mm) bzw. 1249 µm ± 0,5 µm (1,25 mm) werden in die längs geschlitzte Kupplungshülse eingeführt und zueinander ausgerichtet. Ein straffer Sitz der Ferrulen in der Kupplung wird gewährleistet. Die Kernmitten müssen auf die optische Achse der 63520_Eberlein_SL4.indd 118 63520_Eberlein_SL4.indd 118 12.11.2020 12: 55: 55 12.11.2020 12: 55: 55 <?page no="134"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 119 119 Kupplungshülse mit Mikrometer-Genauigkeit ausgerichtet werden (Bild 2.12). Das erfordert höchste Präzision der verwendeten Komponenten. Fertigungstoleranzen führen dazu, dass die Kernmitten nicht exakt auf der optischen Achse liegen. Steckerkopf Kupplung Steckerstift (Ferrule) Faser Verguss optische Achse Bild 2.12: Stift-Hülse-Prinzip Kern-Mantel-Exzentrizität: Kern-Mitte und Mantel-Mitte sind nicht identisch. Die Kerne können gegeneinander verschoben sein (Bild 2.13). Bild 2.13: Kern-Mantel-Exzentrizität Schwankungen im Manteldurchmesser: Kann ebenfalls dazu führen, dass die Kerne nicht deckungsgleich sind (Bild 2.14). Bild 2.14: Schwankungen der Manteldurchmesser Bild 2.15: Unterschiedliche Lage der Klebezonen 63520_Eberlein_SL4.indd 119 63520_Eberlein_SL4.indd 119 12.11.2020 12: 55: 56 12.11.2020 12: 55: 56 <?page no="135"?> 120 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 120 Spiel der Faser in der Bohrung: Um die Faser in die Bohrung einführen zu können, muss der Durchmesser der Bohrung größer als der Manteldurchmesser sein. Es verbleibt eine Klebezone, die unterschiedlich positioniert sein kann (Bild 2.15). Auch das kann zur Verschiebung der Kerne gegeneinander führen. Wegen der beschriebenen Effekte liegen die Kernmitten nicht auf der optischen Achse des Systems (Mittelpunkt des Kreises), sondern als Punktwolke außerhalb. Bild 2.16: Exzentrizitäten durch Toleranzen Werden zwei Stecker miteinander verbunden, haben die Kernmitten einen bestimmten Abstand. Die Dämpfung hängt vom Abstand der beiden Punkte (Konzentrizität) ab und unterliegt statistischen Schwankungen. Im ungünstigsten Fall kann der Abstand 2∙r = d betragen. Während einige Mikrometer Versatz beim Multimode-LWL zu verkraften sind, ist das beim Singlemode-LWL nicht akzeptabel. Die Dämpfung bei radialem Versatz d zwischen zwei Singlemode-LWL mit einem Modenfeldradius w berechnet sich folgendermaßen: 2 w d 34 , 4 a = in dB (2.7) Lässt man eine Exzentrizität von r = 1,0 µm (gilt für Dämpfungsklasse B; Singlemode, APC-Stecker), das heißt maximale Konzentrizität von d = 2,0 µm zu, ergibt sich für den Standard-Singlemode-LWL: • Wellenlänge λ = 1310 nm; Modenfeldradius w = 4,6 µm: Dämpfung a = 0,82 dB • Wellenlänge λ = 1550 nm; Modenfeldradius w = 5,2 µm: Dämpfung a = 0,64 dB Das sind Worst-Case-Werte, die sich aus einer maximalen Exzentrizität von 1 µm ergeben. Die Dämpfung erhöht sich weiter, wenn man noch eine Verkippung der Fasern (Schielwinkel) berücksichtigt. Derartige Dämpfungen sind für einen Singlemode- Stecker nicht akzeptabel. Die mittleren Dämpfungen liegen deutlich darunter. Befinden sich die Exzentrizitäten beliebig innerhalb eines Kreises mit einem bestimmten Durchmesser (Bild 2.16) spricht man von einem untuned Stecker. 2.6 Verringerung der Steckerdämpfung Untuned Stecker sind ausreichend bei der Verbindung von Multimode-Fasern. Bei Singlemode-Steckern kann man die Dämpfung verringern durch: • Ablageverfahren (Tuning) • Prägeverfahren (aktive Kernzentrierung) 63520_Eberlein_SL4.indd 120 63520_Eberlein_SL4.indd 120 12.11.2020 12: 55: 56 12.11.2020 12: 55: 56 <?page no="136"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 121 121 2.6.1 Ablageverfahren Beim Ablageverfahren wird die Exzentrizität in Richtung der Verdrehschutznase orientiert. Dann zeigen die Exzentrizitäten aller Stecker annähernd in die gleiche Richtung. Als maximaler Winkel bezüglich der Lage der Nase wird ±50° festgelegt. 50° 50° Bild 2.17: Sektor, in dem die Exzentrizitäten abgelegt werden Kleine Toleranzen infolge Messungenauigkeit werden zugelassen. Daraus ergibt sich das „Schlüsselloch“ in Bild 2.17 mit einem Radius von 0,3 µm (bei Dämpfungsklasse B und C). Geht man wieder von einer maximalen Exzentrizität von r = 1 µm aus, verringert sich die maximale Konzentrizität der exzentrischen Fasern auf 1,532 µm. Daraus ergeben sich folgende maximale Dämpfungen (Worst-Case; Standard-Singlemode-LWL): • Wellenlänge λ = 1310 nm; Modenfeldradius w = 4,6 µm: Dämpfung a = 0,48 dB • Wellenlänge λ = 1550 nm; Modenfeldradius w = 5,2 µm: Dämpfung a = 0,38 dB Durch das Ablageverfahren wird die Dämpfung in Dezibel etwa auf die Hälfte reduziert. Verringert man die Toleranzen der Komponenten (Lichtwellenleiter, Ferrule, Kupplung) gelingt es, die Exzentrizitäten und die Schielwinkel zu reduzieren. So kann man mit dem Ablageverfahren auch 0,1 dB-Stecker fertigen. Das Ablageverfahren wird weltweit von namhaften Firmen realisiert. Dabei kommen Vollkeramikferrulen (Zirkonoxid: ZrO 2 ) zum Einsatz. 2.6.2 Prägeverfahren Beim Prägeverfahren wird die optische Achse des LWL-Kernes auf die optische Achse der Ferrule ausgerichtet (aktive Kernzentrierung: Active Core Alignment ACA). Das erfolgt in zwei Schritten: prägen und nachprägen. Dieses Verfahren wird ausschließlich von der Firma DIAMOND realisiert. Die Ferrule besteht aus einem präzise geschliffenen verschleißfesten Außenmantel (Keramik, Hartmetall) sowie einem verformbaren Titaneinsatz. Titan ist für raue Umgebungsbedingungen (IEC 61753-1, Klasse E) geeignet (Freiluftanwendungen; Betriebstemperatur: -40 °C... +85 °C; relative Luftfeuchte: 0 %...95 %). 63520_Eberlein_SL4.indd 121 63520_Eberlein_SL4.indd 121 12.11.2020 12: 55: 56 12.11.2020 12: 55: 56 <?page no="137"?> 122 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 122 Die Bohrung der Ferrule hat einen Durchmesser von 130 µm und nimmt problemlos Faser und Kleber auf (Bild 2.18). Die Faser wird mit Kleber in der Bohrung fixiert und noch vor Aushärtung des Klebers geprägt. Dabei wird ein kreisförmiger Keil in die Stirnfläche der Ferrule gedrückt (bei Multimode- und bei Singlemode-Steckern) (Bild 2.19 links). So reduziert sich der Bohrungsdurchmesser auf den jeweiligen Faserdurchmesser (ca. 125 µm) (Bild 2.19, Mitte). Die Restexzentrizität beträgt etwa 1,5 µm. Bild 2.19 rechts zeigt den Prägeeindruck in der Draufsicht. Bild 2.18: Zweikomponentenferrule von DIAMOND Bild 2.19: Erster Prägeschritt Nach der Aushärtung des Klebers werden die Fasern geschnitten und vorgeschliffen. In einem zweiten Schritt (nur bei Singlemode-Steckern) wird die Faser auf Restexzentrizität untersucht. Dabei wird Licht in das entgegengesetzte Ende der Faser eingekoppelt und der Kern auf einem Monitor sichtbar gemacht (Bild 2.20 rechts). Dann wird die Ferrule in einer hochpräzisen Hülse gedreht und das Wandern des Lichtpunktes beobachtet (Bild 2.20 links). Aus der Auswanderung des Lichtpunktes kann auf die Exzentrizität geschlossen werden. Bild 2.20: Beobachtung der Konzentrizität 63520_Eberlein_SL4.indd 122 63520_Eberlein_SL4.indd 122 12.11.2020 12: 55: 56 12.11.2020 12: 55: 56 <?page no="138"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 123 123 Bild 2.21: Zweiter Prägeschritt Beim Nachprägen wird die optische Achse des lichtführenden Kerns auf die geometrische Mitte ausgerichtet. So werden die Toleranzen der Steckerkonstruktion und der Faser eliminiert. Die Korrektur der Lage des Kerns erfolgt mit einem 120°- Segmentstempel (Bild 2.21). Die Restexzentrizität beträgt < 0,25 µm (Standard) bzw. < 0,125 µm (0,1 dB-Technik). Nach dem Nachprägen wird die Steckerstirnfläche geschliffen und poliert. 2.7 Dämpfungs- und Reflexionsklassen Die Dämpfungen und die Reflexionsdämpfungen werden sowohl für Singlemodeals auch für Multimodestecker klassifiziert. Die Werte gelten für die komplette Steckverbindung (Stecker-Kupplung-Stecker) und für zufällige Steckung (jeder gegen jeden) nicht gegen Referenz. Das ist der realistische Fall. Entsprechend DIN EN 61755-1 gelten für Singlemode-Stecker die Klassen in Tabelle 2.2. Klasse A wird für höchste Anforderungen empfohlen (0,1 dB-Stecker), ist aber noch nicht standardisiert. Für viele Anwendungen ist Klasse B ausreichend. Dämpfungsklasse Dämpfung (97 %) Mittelwert Tabelle 2.2: Dämpfungsklassen (1310 nm, 1550 nm) A noch nicht festgelegt B ≤ 0,25 dB ≤ 0,12 dB C ≤ 0,50 dB ≤ 0,25 dB D ≤ 1,00 dB ≤ 0,50 dB Die gleiche Norm spezifiziert die Reflexionsdämpfungen von Singlemode-Steckern (Tabelle 2.3). Klasse 1 gilt für APC-Stecker. Die Klassen 2, 3 und 4 gelten für PC- Stecker. Für Singlemode-PC-Stecker wird die Klasse 2 empfohlen. Reflexionsklasse Reflexionsdämpfung gesteckt Bemerkungen Tabelle 2.3: Reflexionsklassen (1310 nm, 1550 nm) 1 ≥ 60 dB ≥ 55 dB ungesteckt 2 ≥ 45 dB 3 ≥ 35 dB 4 ≥ 26 dB 63520_Eberlein_SL4.indd 123 63520_Eberlein_SL4.indd 123 12.11.2020 12: 55: 56 12.11.2020 12: 55: 56 <?page no="139"?> 124 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 124 Theoretisch kann jede Dämpfungsmit jeder Reflexionsklasse kombiniert werden. Es ist jedoch nicht jede Kombination sinnvoll (Tabelle 2.4). Klasse A Klasse B Klasse C Klasse D Klasse 1 x x x - Klasse 2 x x x (x) Klasse 3 - - x Klasse 4 - - - (x) Tabelle 2.4: Sinnvolle Kombinationen der Dämpfungs- und Reflexionsklassen Für 50 µm-Multimode-Stecker werden folgende Dämpfungsklassen empfohlen (Wellenlängen 850 nm und 1300 nm): • Klasse Bm: Dämpfung (97 %) ≤ 0,6 dB; Dämpfung (Mittelwert) ≤ 0,35 dB • Klasse Cm: Dämpfung (97 %) ≤ 1,0 dB; Dämpfung (Mittelwert) ≤ 0,50 dB Für diese Stecker werden folgende Reflexionsdämpfungen empfohlen (Wellenlängen 850 nm und 1300 nm): Klasse 2m: ≥ 20 dB (gesteckt); ≥ 13 dB (ungesteckt). Die Messungenauigkeit liegt laut DIN EN 61300-1 in Abhängigkeit von den Anregungsbedingungen, das heißt von der Modenverteilung, bei bis zu 0,12 dB. Darüber hinaus wird die Messgenauigkeit (auch bei Singlemode-Steckern) durch die Stabilität der Quelle beeinflusst (zum Beispiel ± 0,05 dB innerhalb einer Stunde). 2.8 Steckertypen 2.8.1 Farbmarkierungen Zur Kennzeichnung und Unterscheidung werden Patchkabel und Stecker farblich gekennzeichnet. Folgende Markierungen sind marktüblich: Singlemode • Patchkabel: gelb • PC-Stecker: Steckerkörper und Knickschutz blau • 4°-APC-E-2000-High-Power-Stecker: Steckerkörper und Knickschutz rot • 8°-APC-Stecker: Steckerkörper und Knickschutz grün • 9°-APC-Stecker: Steckerkörper grün, Knickschutz rot mit Aufdruck 9° (nur Deutsche Telekom, SC-Stecker) Man achte auf die Farbmarkierungen. Mischungen sind zu vermeiden. Diese führen zu erhöhten Dämpfungen und Reflexionen (Abschnitt 4.7.5.2). Besteht der Steckerkörper aus Metall, ist nur anhand der Farbe des Knickschutzes eine Unterscheidung möglich. Nicht jeder PC-Stecker hat einen blauen Knickschutz. Mitunter wird auch eine andere Farbe gewählt, zum Beispiel schwarz. Ist der Knickschutz grün, handelt es sich um einen 8°-APC-Stecker. Andernfalls ist es ein PC-Stecker. 63520_Eberlein_SL4.indd 124 63520_Eberlein_SL4.indd 124 12.11.2020 12: 55: 57 12.11.2020 12: 55: 57 <?page no="140"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 125 125 Auch Kupplungen werden farblich markiert: blau (für PC-Stecker), grün (für APC- Stecker), rot (für High-Power-Stecker). Diese sind in ihrem Aufbau identisch. Zwei PC-Stecker können über eine grüne bzw. zwei APC-Stecker über eine blaue Kupplung problemlos verbunden werden. Dennoch sollte man das vermeiden. Beispielweise im Patchfeld kann das zu Fehlanpassungen führen, weil die Farbe des inneren Steckers nicht sichtbar ist. Darüber hinaus ist auch bei den optischen Schnittstellen der Messgeräte (Sender, Leistungsmesser, optisches Rückstreumessgerät) auf die farbliche Markierung zu achten: Eine grüne Markierung bedeutet APC-Schliff, keine Markierung bedeutet PC- Stecker. Multimode 50 µm In Tabelle 2.5 sind die Farbmarkierungen der Patchkabel und Stecker für 50 µm- Multimode-LWL zusammengefasst. Eine Mischung unterschiedlicher Fasern ist problemlos möglich. Die Dämpfung und die Reflexionsdämpfung verschlechtern sich nicht. Nur das resultierende Bandbreite-Längen-Produkt wird beeinflusst. OM1 OM2 OM3 OM4 OM5 Patchkabel orange orange aqua erika-violett lindgrün Stecker beige beige aqua erika-violett lindgrün Tabelle 2.5: Farbmarkierungen 50 µm-Multimode-Patchkabel und Stecker 2.8.2 Herkömmliche Steckertypen F-SMA-Stecker (Sub-Miniature Assembly: IEC 61754-22) Der F-SMA-Stecker ist ein Stecker mit Schraubverschluss, Gewindemutter SW 8 und Metallferrule (Bild 2.22). Er kommt nur noch im industriellen Bereich, nicht in Telekommunikationsnetzen, zum Einsatz. Der Ferrulendurchmesser beträgt 3,175 mm, die Steckerstirnfläche ist plan und der Stecker für Multimode-LWL geeignet. Bei neueren Ausführungen sind auch Ferrulendurchmesser 2,5 mm, eine konvexe Stirnfläche (PC) und Singlemode-LWL möglich. Der Stecker besitzt keine Federung. Bild 2.22: F-SMA-Stecker ST-Stecker (BFOC, Straight Tip: IEC 61754-2) Dieser Stecker war weit verbreitet in den lokalen Netzen, wurde aber durch den SC- Stecker ersetzt. Er hat eine Außenfederung, was zur Änderung der optischen Parameter bei Manipulation am Patchkabel führen kann. 63520_Eberlein_SL4.indd 125 63520_Eberlein_SL4.indd 125 12.11.2020 12: 55: 57 12.11.2020 12: 55: 57 <?page no="141"?> 126 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 126 Der ST-Stecker hat einen Bajonett-Verschluss, eine 2,5 mm-Ferrule und ist mit PC- Schliff für Multimode- und Singlemode-LWL verfügbar. Bild 2.23: ST-Stecker DIN-Stecker (LSA: IEC 61754-3, DIN 47256) Dieser Stecker kam vorzugsweise im Netz der Deutschen Telekom zum Einsatz, hat heute aber nur noch eine geringe Bedeutung. Der DIN-Stecker ist schraubbar, hat eine Innenfederung, eine 2,5 mm-Ferrule und ist für Multimode- (PC) und Singlemode-LWL (PC, APC) verfügbar. Bild 2.24: DIN-Stecker FC-Stecker (Fibre Connector: IEC 61754-13) Der FC-Stecker ist ein robuster und zuverlässiger Stecker, der oft an Messgeräten zu finden ist. Der Stecker ist schraubbar, hat eine 2,5 mm-Ferrule und ist für Multimode- (PC) und für Singlemode-LWL (PC, APC) geeignet. Bild 2.25: FC-Stecker SC-Stecker (Subscriber Connector, IEC 61754-4) Der SC-Stecker wurde standardisiert für den Einsatz bei der universellen Verkabelung (DIN EN 50173-1). Er hat eine 2,5 mm-Ferrule und ist als Simplex- oder Duplex- Stecker (Push-Pull) verfügbar. Der Stecker wird konfektioniert auf Multimode- (PC) und Singlemode-LWL (PC, APC 8° oder 9°). Bild 2.26: SC-Stecker 63520_Eberlein_SL4.indd 126 63520_Eberlein_SL4.indd 126 12.11.2020 12: 55: 57 12.11.2020 12: 55: 57 <?page no="142"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 127 127 SC-RJ-Stecker (IEC 61754-24) Der SC-RJ-Stecker hat ein kompaktes Design: zwei SC-Stecker bilden eine Einheit von der Größe des RJ45- Steckers. Der Stecker ist robust, zuverlässig und hat sehr gute optische und mechanische Parameter. Bild 2.27: SC-RJ-Stecker E-2000 TM -Stecker (LSH: IEC 61754-15) Der E-2000-Stecker ist bei den großen Netzbetreibern in Deutschland weit verbreitet. Der Stecker und die Kupplung haben eine integrierte Staubschutzklappe, die sich beim Ziehen des Steckers aus der Kupplung schließt. So wird Augensicherheit und ein gewisser Staubschutz gewährleistet. Nach dem Lösen der Verbindung muss auf den Stecker keine Staubschutzkappe aufgesteckt werden. Der E-2000 lässt sich mit Hilfe des Entriegelungshebels des Steckers und des Rähmchens der Kupplung farblich markieren. Durch Entfernen des Entriegelungshebels wird die Steckverbindung arretiert. Der Stecker ist für Multimode- (PC) und Singlemode-LWL (PC, APC) geeignet. Bild 2.28: E-2000-Stecker 2.8.3 Small-Form-Factor-Stecker Small-Form-Factor-Stecker (SFF) haben geringere Abmessungen (Ferrulendurchmesser 1,25 mm anstelle 2,5 mm). Sie ermöglichen eine höhere Packungsdichte. MU-Stecker (IEC 61754-6) Der MU-Stecker hat den gleichen Aufbau wie der SC-Stecker, aber eine 1,25 mm- Ferrule (Mini-SC). Er ist für Multimode- (PC) und Singlemode-LWL (PC, APC) verfügbar. Bild 2.29: MU-Stecker 63520_Eberlein_SL4.indd 127 63520_Eberlein_SL4.indd 127 12.11.2020 12: 55: 57 12.11.2020 12: 55: 57 <?page no="143"?> 128 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 128 LC-Stecker (Lampert Connector, Lucent Connector; IEC 61754-20) Viele Transceiver (SFP) haben LC-Kupplungen. Aber auch in FTTx-Netzen kommen LC-Stecker zum Einsatz. Der LC-Stecker ist ein Push-Pull-Stecker, geeignet für Multimode- (PC) und Singlemode-Fasern (PC, APC). Bild 2.30: LC-Stecker F-3000-Stecker (DIAMOND) Der F-3000-Stecker hat einen ähnlichen Aufbau wie der E-2000-Stecker und erfüllt die Norm IEC 61754-20 (LC-Stecker). Nicht jeder F-3000 ist mit der Kupplung der SFPs kompatibel, da manche Kupplungen nicht die Abmessungen laut Norm erfüllen. Der F-3000s (s: simplified) hat keine Staubschutzklappe und ist generell kompatibel mit LC-Kupplungen. Bild 2.31: F-3000-Stecker BLINK-Stecker (IEC 61754-29) Bevorzugt Einsatz in FTTx-Projekten: vergleiche Abschnitt 5.6.1. Bild 2.32: BLINK-Stecker 2.8.4 Spezielle Steckerlösungen High-Power-Stecker (DIAMOND) Bei sehr hohen Leistungen (> 500 mW) in der Singlemode-Faser besteht die Gefahr, dass sich ein Staubkörnchen, welches sich direkt im Kernbereich befindet, so stark erwärmt, dass es in die Glasoberfläche einschmilzt und der Stecker nicht mehr brauchbar ist. Durch Strahlaufweitung wird der Modenfelddurchmesser etwa auf das Dreifache, die Fläche etwa auf das Neunfache erhöht. Die Leistungsdichte (Leistung je Fläche) an der Steckverbindung reduziert sich etwa auf ein Neuntel und damit auch die Gefahr des Einschmelzens. 63520_Eberlein_SL4.indd 128 63520_Eberlein_SL4.indd 128 12.11.2020 12: 55: 57 12.11.2020 12: 55: 57 <?page no="144"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 129 129 Die Strahlaufweitung wird mit Hilfe einer GRIN-Faser realisiert, die den divergenten Strahl parallelisiert (Bild 2.33). Mit einem derartigen Steckkontakt können Leistungen bis 3 W (3000 mW) übertragen werden. (Bei 6 W Gleichlicht, Wellenlänge 1550 nm maximal 2000 Stunden.) Bild 2.33: High-Power-Stecker (Quelle: DIAMOND) Linsenstecker Der Linsenstecker wird bei rauen Umgebungsbedingungen verwendet, zum Beispiel Bergbau oder Militärtechnik, wenn eine oftmalige Trennung/ Verbindung im Betrieb erfolgen muss. Er ist vorzugsweise als Mehrkanalstecker verfügbar. Der Strahl zwischen den beiden zu koppelnden LWL-Stirnflächen wird durch ein Linsenpaar aufgeweitet (Bild 2.34). Der High-Power-Stecker ist ein Spezialfall: Linsenstecker ohne Luftspalt und mit geringer Strahlaufweitung. Bild 2.34: Prinzip Linsenstecker Bild 2.35: links: Ansicht; rechts: 12 Kanäle, ein Führungsstift, eine Bohrung (Quelle: Fibreco) Von Vorteil ist, dass ein Staubpartikel im aufgeweiteten Strahl viel weniger störend als bei direkter Stirnflächenkopplung ist. Von Nachteil ist, dass zusätzliche Bauele- 63520_Eberlein_SL4.indd 129 63520_Eberlein_SL4.indd 129 12.11.2020 12: 55: 58 12.11.2020 12: 55: 58 <?page no="145"?> 130 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 130 mente erforderlich sind. Somit ist der Linsenstecker teurer als eine direkte Stirnflächenkopplung. Die Dämpfung und die Reflexion sind größer. Bild 2.35 zeigt einen Mehrkanal-Linsenstecker. Crimp & Cleave-Stecker Das Crimp & Cleave-Verfahren (C & C) ermöglicht eine einfache Feldmontage von Steckverbindern auf PCF-LWL (Abschnitt 1.3.1.3: Glaskern, polymerer Mantel). Mit einem geeigneten Werkzeug wird die Faser geritzt und gezogen. Es entsteht ein Spiegelbruch (ebene Stirnfläche). Die Stirnfläche wird weder geschliffen noch poliert. Ein physischer Kontakt mit dem Gegenstecker ist nicht möglich. Die Stecker sind zum Beispiel in der Bauform E-2000, SC, FC oder ST verfügbar. Steckerspleiß: vergleiche Abschnitt 5.8.3. Mechanischer Steckerspleiß: vergleiche Abschnitt 5.8.4. 2.9 Trends der lösbaren Verbindungstechnik Die Trends der lösbaren Verbindungstechnik sind vielgestaltig. Die folgenden Ausführungen sollen sich auf Telekommunikationsanwendungen im weiteren Sinne beschränken. Neue Anforderungen: • Spezielle Umgebungsbedingungen. Lösung: Stecker für den Outdoorbereich. • Miniaturisierung. Lösung: MPO-, URM-, CS-, SN-, MDC-Stecker. • Steigende optische Leistung: High-Power-Stecker. • Leiterplattenkopplung: Prismenstecker. 2.9.1 Stecker für den Outdoorbereich Der Lichtwellenleiter durchdringt zunehmend alle Lebensbereiche. So kommt er auch im Outdoorbereich zum Einsatz und muss vielfältigen Umwelteinflüssen widerstehen. Eine Lösung sind Linsenstecker, die zum Beispiel für IP 68 (staubdicht; Schutz gegen dauerndes Untertauchen) verfügbar sind. Alternativ hat DIAMOND einige Stecker entwickelt, die für den Outdoorbereich geeignet sind. E-2000 TM -IP-65 (staubdicht; geschützt gegen starkes Strahlwasser) 1...2 mm nach hinten schieben Dieser Stecker schützt den optischen Kontakt vor eindringender Feuchte. Beispielweise kann Kondensationsfeuchte bei starken Temperaturschwankungen auftreten. Ein O-Ring, der auf die Ferrule eines herkömmlichen E- 2000-Steckers geschoben wird, verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit. Auch das Mittelstück besitzt einen O-Ring, welcher die Führungshülse abdichtet. Bild 2.36: Montage O-Ring (Quelle: DIAMOND) 63520_Eberlein_SL4.indd 130 63520_Eberlein_SL4.indd 130 12.11.2020 12: 55: 58 12.11.2020 12: 55: 58 <?page no="146"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 131 131 HE-2000 TM Der HE-2000 erfüllt die Schutzklasse IP 67 (staubdicht; geschützt gegen Wirkungen beim zeitweiligen Untertauchen in Wasser). Er sieht aus wie ein E-2000-Stecker (Staubschutzklappe, Push-Pull-Stecker), hat aber größere Abmaße (Bild 2.37). Der HE-2000 enthält einen Mehrfach-Einsatz, der bis zu vier Verbindungen je Stecker zulässt. Die Verbindungen können rein optisch sein oder hybrid (auch elektrische Kontakte). Der Einsatz erfolgt in der Energietechnik, im Off-Shore-Bereich, im Bergbau oder Broadcast. Bild 2.37: HE-2000-Stecker und Gegenstecker (Quelle: DIAMOND) revos E-2000 Der revos-Stecker dient der Kupferverkabelung von Maschinen. Zunehmend wird die Ansteuerung von Maschinen über Lichtwellenleiter interessant. Der revos E-2000 hat die Bauform des revos-Steckers, enthält aber optische Kontakte: E-2000-Compact- Stecker bzw. -Kupplung. Die Steckverbindung ermöglicht eine maximale Dämpfung von 0,1 dB und das Gehäuse gewährleistet IP 65-Schutz (staubdicht; geschützt gegen Strahlwasser). Bild 2.38: revos E-2000 (Quelle: DIAMOND) 2.9.2 Erhöhung der Faserpackungsdichte 2.9.2.1 Datenübertragung in Rechenzentren Die Datenübertragung in Rechenzentren ist durch immer höhere Bandbreiten gekennzeichnet: • 400 Gbit/ s über Multimode-LWL (Tabelle 6.4) • 1,2 Tbit/ s über Singlemode-LWL (Tabelle 6.5) 63520_Eberlein_SL4.indd 131 63520_Eberlein_SL4.indd 131 12.11.2020 12: 55: 58 12.11.2020 12: 55: 58 <?page no="147"?> 132 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 132 Das wird möglich durch Mehrkanalübertragung (Abschnitt 6.2): • Raummultiplex: Die Bandbreite wird auf viele Fasern aufgeteilt. • Wellenlängenmultiplex: Viele Wellenlängen werden über eine Faser übertragen. • Kombination von Raum- und Wellenlängenmultiplex. Raummultiplex erfordert eine hohe Packungsdichte am Steckverbinder, die man mit Mehrfasersteckern realisieren kann (Abschnitt 2.9.2.2). Alternativ wird der Ferrulenabstand reduziert (Abschnitte 2.9.2.3 und 2.9.2.4). 2.9.2.2 Mehrfaserstecker Der Mehrfaserstecker (MPO: Multipath Push On) wurde in IEC 61754-7 standardisiert. Weit verbreitet ist die Bezeichnung MTP (Mechanical Transfer Push-On). Dabei handelt es sich um ein eingetragenes Warenzeichen der Firma US Conec. Mehrfaserstecker können in einer Reihe bis zu zwölf oder 16 Fasern aufnehmen. Darüber hinaus können mehrere Reihen gestapelt werden. Der Faserabstand in einer Reihe und zwischen den Reihen beträgt 250 µm (entspricht dem herkömmlichen Coating-Durchmesser). 40GBase-SR4 wird mit vier Fasern je Richtung, 10 Gbit/ s je Faser realisiert. Hierfür ist der MPO-12 geeignet (Bild 2.39; Abmaße der Ferrule: 2,5 mm x 6,4 mm). Die Ausrichtung erfolgt mit zwei hochpräzisen Führungsstiften, die in die Bohrungen des gegenüberliegenden Steckers ragen. Bild 2.39: MPO-12 eine Reihe: links Belegung, Mitte: Stecker, rechts: Receptacle (Quelle: [2.1], [2.2]) 400GBase-LR/ FR8 wird mit acht Fasern je Richtung, 50 Gbit/ s je Faser realisiert. Hierfür ist der MPO-12 mit zwei Reihen geeignet (Bild 2.40). Bild 2.40: MPO-12 zwei Reihen: links Belegung, Mitte: Stecker, rechts: Receptacle (Quelle: [2.1], [2.2]) 63520_Eberlein_SL4.indd 132 63520_Eberlein_SL4.indd 132 12.11.2020 12: 55: 58 12.11.2020 12: 55: 58 <?page no="148"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 133 133 Alternativ kann man 8 + 8 = 16 Signale über einen MPO-16 übertragen (Bild 2.41): 400GBase-SR8 (8 x 50 Gbit/ s = 400 Gbit/ s). Beträgt die Datenrate pro Faser nur die Hälfte, sind 16 Kanäle pro Richtung erforderlich: 400GBase-SR16 (16 x 25 Gbit/ s = 400 Gbit/ s), was man mit einem zweireihigen MPO-16 realisieren kann. Bild 2.41: MPO-16 eine Reihe: links Belegung, Mitte: Stecker, rechts: Receptacle (Quelle: [2.1], [2.2]) Die MPO-Stecker arbeiten nach dem Push-Pull-Prinzip, ermöglichen 1000 Steckzyklen und sind für einen großen Temperaturbereich spezifiziert. Typische Parameter: • MPO-12, Multimode/ PC: (Standard/ Elite) Einfügedämpfung (typisch): 0,20 dB/ 0,1 dB Einfügedämpfung (maximal): 0,60 dB/ 0,35 dB Reflexionsdämpfung: ≥ 35 dB • MPO-12, Singlemode/ APC: (Standard/ Elite) Einfügedämpfung (typisch): 0,25 dB/ 0,1 dB Einfügedämpfung (maximal): 0,75 dB/ 0,35 dB Reflexionsdämpfung: ≥ 60 dB Da viele Kanäle gleichzeitig gesteckt werden, ist die Realisierung einer geringen Einfügedämpfung und hohen Reflexionsdämpfung anspruchsvoll. Besonders problematisch ist der Einfluss von Verschmutzungen. Zur Inspektion und Reinigung von Mehrfasersteckern vergleiche Abschnitt 6.2.4. 2.9.2.3 URM-Stecker Eine Alternative zur Mehrkanalübertragung über MTP/ MPO-Stecker sind URM- Stecker von EUROMICRON Werkzeuge GmbH. Diese wurden 10/ 2016 in IEC 61754-34 genormt und ermöglichen ebenfalls die Übertragung hoher Datenraten (40G/ 100G) und eine hohe Packungsdichte. Ein erster Schritt zur Miniaturisierung der Einzelsteckverbinder wurde mit den Small- Form-Factor-Steckern erreicht (Abschnitt 2.8.3), Beispiel LC-Stecker. Im Vergleich zum LC-Stecker wird die Packungsdichte verdoppelt und im Vergleich zum SC-Stecker vervierfacht. URM-Stecker haben eine hochpräzise Keramikferrule und sind als Zweifaser- (URM P2 NG) oder als Achtfaser-Stecker (URM P8 NG) verfügbar. Über eine Kupplung können vier Zweifaserstecker zu einem Achtfaserstecker kaskadiert werden (Bild 2.42). 63520_Eberlein_SL4.indd 133 63520_Eberlein_SL4.indd 133 12.11.2020 12: 55: 58 12.11.2020 12: 55: 58 <?page no="149"?> 134 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 134 Der Vorteil der URM-Stecker gegenüber den MPO-Steckern ist, dass die URM- Stecker einzeln zueinander ausgerichtet werden. Das ermöglicht gute optische Parameter: • Dämpfung Multimode, PC: typisch ≤ 0,20 dB • Dämpfung Singlemode, PC oder APC: typisch ≤ 0,12 dB (Klasse B) • Reflexionsdämpfung: SM, PC ≥ 50 dB; SM, APC ≥ 70 dB Bild 2.42: URM NG-Stecker (Quelle: LWL-Sachsenkabel GmbH) 2.9.2.4 CS-, SN- und MDC-Stecker CS TM - und SN TM -Stecker von SENKO haben kleinere Abmessungen als der LC- Stecker und ermöglichen so eine noch höhere Packungsdichte im Transceiver und in den Patchfeldern. Die Bilder 2.43 zeigen einen Vergleich der Abmaße. Bild 2.43: Vergleich der Querschnitte von LC-, CS- und SN-Stecker (Quelle: SENKO) CS TM - und SN TM sind Push-Pull-Duplexstecker mit 1,25 mm-Keramikferrule und ermöglichen die Dämpfungsklasse B. CS TM -Stecker sind geeignet für die Adaptierung von MPO-Steckern auf Duplex- Stecker. Ist der MPO-Stecker mit 16 Kanälen belegt, kann auf acht Duplex-CS- Stecker adaptiert werden. Diese ermöglichen eine Reduktion der Ausdehnung im Patchfeld in vertikaler Richtung um 30 % und in horizontaler Richtung um 40 % im Vergleich zum LC-Stecker. Das entspricht bezogen auf die Fläche etwa der doppelten Packungsdichte. 63520_Eberlein_SL4.indd 134 63520_Eberlein_SL4.indd 134 12.11.2020 12: 55: 59 12.11.2020 12: 55: 59 <?page no="150"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 135 135 SN TM -Stecker sind geeignet für die Aufteilung von OSFP oder QSFP-DD auf vier Duplex-Kanäle. SN TM -Stecker ermöglichen eine hohe Packungsdichte am Transceiver und in der Kupplung (Bild 2.44: Beispiel acht Kanäle). Bild 2.44: Vier SN-Stecker am Transceiver und in der Kupplung (Quelle: SENKO) MDC-Stecker von US Conec sind ebenfalls Push-Pull-Duplex-Stecker mit 1,25 mm Ferrulendurchmesser (Bild 2.45). Im Vergleich zum LC-Stecker ermöglichen sie im Patchfeld die dreifache Packungsdichte. Vier MDC-Stecker entsprechen dem Querschnitt von QSFP und zwei MDC-Stecker dem Querschnitt von SFP. Bild 2.45: MDC-Stecker (Quelle: US Conec) 2.9.3 Stecker für die Leiterplattenkopplung Da die steigende Bandbreite auch für die elektrische Übertragung auf der Leiterplatte ein Problem darstellen kann, gibt es optische Steckverbinder, die direkt auf der Leiterplatte am Prozessor eingesetzt werden (Prismenstecker). Dafür geeignet ist PRIZM® LightTurn® von US Conec. Dabei handelt es sich um einen miniaturisierten Stecker für paralleloptische Module. Dieser ermöglicht ein mehrfaches Stecken (ca. 50) senkrecht zur Leiterplatte. PRIZM® LightTurn® besteht aus einer Mehrfaserferrule und einem total reflektierenden Linsenarray. Die ankommenden Fasern eines Faserbändchens werden senkrecht gebrochen und müssen nicht poliert werden. Der Stecker wurde optimiert für den Einsatz in Verbindung mit dem Mechanischen Optischen Interface (MOI) von US Conec. Dieses befindet sich über der aktiven Technik (VCSEL-Array, Photodioden-Array) und parallelisiert das Licht vom Sender) bzw. fokussiert das Licht zum Empfänger. 63520_Eberlein_SL4.indd 135 63520_Eberlein_SL4.indd 135 12.11.2020 12: 55: 59 12.11.2020 12: 55: 59 <?page no="151"?> 136 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 136 Oben: Schalter für das Faserbändchen. Rechts: Faserbändchen. Mitte: Ferrule mit Linsenarray. Darunter: parallele Strahlenbündel (bidirektional). Unten: Mechanisches Optisches Interface. Darunter (nicht dargestellt): aktive Technik (Sender, Empfänger) am Prozessor. Bild 2.46: Prismenschalter PRIZM® LightTurn® (Quelle: US Conec) 2.9.4 Selbstreinigende Steckeroberflächen Die Sauberkeit und gegebenenfalls Reinigung der Steckeroberflächen ist Voraussetzung für eine Übertragung mit hoher Qualität (Abschnitt 2.10). Rosenberger OSI beansprucht mit PreCONNECT ® LOTUS eine Beschichtung für Steckeroberflächen entwickelt zu haben, die eine Reinigung erübrigt. Die Beschichtung wirkt wie der Lotus-Effekt in der Natur: Bei einem Lotusblatt sorgen mikroskopisch kleine Wachskristalle für eine raue, genoppte Oberflächenstruktur. Diese bewirkt, dass Schmutzpartikel und Wassertropfen nur wenige Kontaktstellen mit dem Blatt haben. Anhaftungen sind praktisch ausgeschlossen. Die Steckerstirnflächen sind schmutz-, feuchtigkeits- und fettabweisend. Dabei wird eine Nanostruktur in die Glasoberfläche eingebracht (Patent: WO 2015/ 185194). Die Schicht ist so dünn, dass keine Dämpfung durch axialen Versatz entsteht. Bei physischem Kontakt werden die Steckerstirnflächen aufeinandergepresst. Nach Aussage von Rosenberger OSI hält die Beschichtung mindestens 150 Steckzyklen stand. Gegenwärtig werden LC-Stecker beschichtet. In einem nächsten Schritt sollen MTP- Stecker mit LOTUS-Beschichtung in den Markt eingeführt werden. Bild 2.47: LC-Duplex-Stecker mit LOTUS-Beschichtung (Quelle: Rosenberger OSI) 63520_Eberlein_SL4.indd 136 63520_Eberlein_SL4.indd 136 12.11.2020 12: 55: 59 12.11.2020 12: 55: 59 <?page no="152"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 137 137 2.10 Sorgfalt im Umgang mit Steckverbindern 2.10.1 Auswirkungen von Verschmutzungen Verunreinigte Stecker können die Leistungsfähigkeit der Übertragungsstrecke beträchtlich herabsetzen. Zur Gewährleistung einer hohen Messgenauigkeit sind Stecker höchster Qualität einzusetzen. Darüber hinaus ist ein hoher Reinigungsstandard zu gewährleisten. Mindestens 80 % der Probleme im Netz werden durch verschmutzte Stecker verursacht. Ein Staubkorn ist 2 µm bis 15 µm groß. Größere Partikel zerbrechen und vermehren sich bei jedem Stecken. Beim Lösen der Steckverbindung entsteht ein Unterdruck. Staubteilchen können in den Kern wandern. Partikel größer als 5 µm können den physischen Kontakt verhindern und Dämpfung und Reflexion erhöhen (Bild 2.8). Teilchen kleiner als 5 µm können in die Oberfläche eindringen und Absplitterungen verursachen. Bild 2.48: Staubkorn im Steckverbinder (Quelle: EXFO/ Opternus) Bild 2.49: Übertragung von Schmutz (Quelle: EXFO/ Opternus) 63520_Eberlein_SL4.indd 137 63520_Eberlein_SL4.indd 137 12.11.2020 12: 55: 59 12.11.2020 12: 55: 59 <?page no="153"?> 138 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 138 Auch wenn die eingedrungenen Partikel entfernt werden, verbleiben Löcher und Splitter auf der Faserstirnfläche. Der Gegenstecker kann beschädigt werden. Schmutzpartikel können Transceiver zerstören. Bild 2.48 zeigt die Auswirkungen von Verschmutzungen: • Staub im Kernbereich blockiert den Signalweg • Staub kann physischen Kontakt (Berührung) verhindern • Staub kann Kratzer und Ausbrüche verursachen • Dämpfung und Reflexion erhöht sich Mit verschlissenen Steckern der Messleitungen (A) können die neuen Stecker der installierten Strecke (B) verschmutzt und beschädigt werden (Kratzer, Ausbrüche) (Bild 2.49). 2.10.2 Ursachen für Verunreinigungen Die Ursachen für Verunreinigungen sind vielfältig, zum Beispiel: Falsche Handhabung: • Berührung der Steckerstirnflächen mit den Händen: Übertragung von Hautfett, Handcreme,... (Bild 2.50) • Abwischen mit ungeeigneten Materialien: Fussel Bild 2.50: verschmutzte und gereinigte Steckerstirnfläche Umgebungsbedingte Verunreinigungen: • Sägemehl, Gipskarton oder Farbdämpfe auf Baustellen • in der Luft schwebender Staub von Klimaanlagen • Kondenswasser (Bild 2.51) Bild 2.51: Nässerückstände (Quelle: EXFO/ Opternus) 63520_Eberlein_SL4.indd 138 63520_Eberlein_SL4.indd 138 12.11.2020 12: 55: 59 12.11.2020 12: 55: 59 <?page no="154"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 139 139 Falsche Reinigungstechnik oder Verwendung minderwertiger Reinigungsprodukte: • Öltröpfchen von Treibmitteln (Bild 2.52), zum Beispiel Trockenluftspray (nicht mehr zugelassen). Außerdem kann Druckluft Verunreinigungen enthalten und die Steckerstirnfläche beschädigen. Bild 2.52: Ölrückstände (Quelle: DIAMOND) • Rückstände von Reinigungsmitteln nach Feuchtreinigung • Offene Alkoholbehälter: Alkohol verschmutzt und zieht Feuchtigkeit an. Dieser minderwertige Alkohol wird auf die Steckerstirnflächen zum „Reinigen“ aufgetragen. • Abgelagertes Material: zum Beispiel Rückstände von Reinigungstüchern. Abfallprodukte durch Verschleiß: • Ferrulen-Material; Adapter-Material • Anschlusskomponenten (zum Beispiel Federn, Gehäuse) • Abrieb Bild 2.53: Kratzer (Quelle: EXFO/ Opternus) Eine Reinigung kann aufgrund statischer Aufladung Staub anziehen. Spezielle Reinigungstücher verhindern das. 2.10.3 Steckerreinigung Auf offene Stecker und Kupplungen sind Staubschutzkappen aufzustecken. Ungenutzte Staubschutzkappen sind in einem verschließbaren Plastikbeutel aufzubewahren. Sie werden sonst selbst zur Quelle von Verschmutzungen. Vor jedem Stecken müssen Kupplungshülse und beide Stecker inspiziert und gegebenenfalls gereinigt werden. Das gilt auch, wenn Staubschutzkappen die Stecker geschützt haben. Die Inspektion erfolgt mit dem Videomikroskop (Abschnitt 2.10.4). Dann erst darf gesteckt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 139 63520_Eberlein_SL4.indd 139 12.11.2020 12: 56: 00 12.11.2020 12: 56: 00 <?page no="155"?> 140 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 140 Zur Steckerreinigung verwende man Reinigungskoffer und -materialien von namhaften Anbietern (Bilder 2.54 bis 2.61) und beachte die Reinigungsanleitungen. Bild 2.54: Analyse- und Reinigungs-Koffer (Quelle: AFL/ Opternus) Folgende Reinigungsmaterialien und -werkzeuge werden empfohlen: Reinigungskassette Cletop Die Reinigungskassette dient der Trockenreinigung von 400 Steckerstirnflächen mit einem Reinigungsband (auswechselbar). Sie ist nicht geeignet, durch die Kupplung hindurch die Steckerstirnfläche zu reinigen. Bild 2.55: Reinigungskassette (links) und Ersatzband (Quelle: Fujikura/ Opternus) Auf dem Reinigungsband Stecker nur einmal und nur in einer Richtung bewegen. Das Band lädt sich statisch auf und hält die Schmutzpartikel fest. One-Click-Cleaner TM Der One-Click-Cleaner TM ist für die Trockenreinigung von Steckerstirnflächen aber auch durch die Kupplung hindurch geeignet. Ein Reinigungsband wird auf die Steckerstirnfläche gedrückt. Gleichzeitig wird das Band über die Stirnfläche gezogen und gedreht. Ein One-Click-Cleaner TM ermöglicht 500 Reinigungen. Eine Reinigung von einem PC- und einem APC-Stecker ist mit dem gleichen Gerät möglich. Der One-Click-Cleaner TM links im Bild 2.56 (grüne Markierung) ist für die Reinigung von 2,5 mm-Steckern geeignet. Das Gerät im Bild Mitte links (blaue Markierung) dient der Reinigung von 1,25 mm- Steckern. Daneben (Mitte rechts) ist ein One-Click-Cleaner TM mit breiterem Reinigungsband (2 mm) dargestellt. Rechts ist die Reinigungsspitze erkennbar. 63520_Eberlein_SL4.indd 140 63520_Eberlein_SL4.indd 140 12.11.2020 12: 56: 00 12.11.2020 12: 56: 00 <?page no="156"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 141 141 Bild 2.56: One-Click-Cleaner TM (Quelle: Fujikura/ Opternus) Flüssigkeits-Pumpspender CP41 Der Flüssigkeits-Pumpspender (Bild 2.57) ist ein verschließbarer Alkoholbehälter mit Dosierpumpe. Der Alkohol im Behälter bleibt sauber, da die Pumpe ein Zurückfließen von verschmutztem Alkohol verhindert. Der Deckel kann mit einem Bajonettverschluss arretiert werden. So wird das Auslaufen des Alkohols während des Transports vermieden. Zum Einsatz kommt hochreiner Isopropyl-Alkohol. Bild 2.57: Flüssigkeits-Pumpspender (Quelle: Opternus) Glasfaserreinigungstücher Empfohlen werden fusselfreie Reinigungstücher von Sticklers oder Präzisionswischtücher von Kimtech (Bild 2.58). Sie laden sich bei Reinigung nicht statisch auf. Bild 2.58: Glasfaserreinigungstücher (links: Quelle: Sticklers/ Opternus; rechts: Quelle: Kimtech/ Opternus) 63520_Eberlein_SL4.indd 141 63520_Eberlein_SL4.indd 141 12.11.2020 12: 56: 00 12.11.2020 12: 56: 00 <?page no="157"?> 142 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 142 Reinigungsvlies Das Reinigungsvlies ist für Trocken- und Feuchtreinigung geeignet. Für eine Feuchtreinigung wird das Vlies mit dem „Electro-Wash“-Flüssigkeitsspender befeuchtet. Bild 2.59: Reinigungsvlies (Quelle: Lightel/ Opternus) Reinigungsstifte Reinigungsstifte dienen der Reinigung der Kupplung (Durchmesser 1,25 mm oder 2,5 mm; Bild 2.60). Zur Feuchtreinigung Stäbchen mit Reinigungsflüssigkeit benetzen. AFL-Fluid AFL-Fluid dient der Feuchtreinigung als Alternative zum Alkohol (Bild 2.61). Bild 2.60: Cletop Reinigungsstifte (Quelle: Fujikura/ Opternus) Bild 2.61: AFL-Fluid (Quelle: AFL/ Opternus) Für die Reinigung von Steckern mit Staubschutzklappe ist die Verwendung eines Service-Adapters hilfreich, der die Klappe während der Reinigung offenhält. Man unterscheidet Adapter für 2,5 mm- (E-2000) und 1,25 mm-Stecker (F-3000). Bild 2.62: Einsatz Service-Adapter 63520_Eberlein_SL4.indd 142 63520_Eberlein_SL4.indd 142 12.11.2020 12: 56: 01 12.11.2020 12: 56: 01 <?page no="158"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 143 143 Die Technische Richtlinie DIN IEC/ TR 62627-01 beschreibt die Reinigungsverfahren für LWL-Steckverbinder: Zuerst ist eine trockene Reinigung zu versuchen. Nach jedem Reinigen ist mit dem Videomikroskop zu kontrollieren. Der Prozess ist gegebenenfalls mehrfach zu wiederholen. Falls das nicht zum Ziel führt, ist ein Trocken-Nass-Reinigungsverfahren zu versuchen. Dabei ist jeweils nur eine kleine Flüssigkeitsmenge zu verwenden. Dieser Prozess muss gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden. Die Reinigung erfolgt mit einem fusselfreien Tuch, das mit einer geeigneten Flüssigkeit (zum Beispiel Isopropyl-Alkohol) benetzt wird. Beim Reinigen nicht zu stark aufdrücken. Niemals die Faserendfläche gegen eine harte Unterlage pressen. Flüssigkeiten wie Aceton oder Spiritus sind nicht für die Feuchtreinigung zugelassen. Sie enthalten Verschmutzungen und können das Coating beschädigen. Niemals dürfen metallische oder scharfe Gegenstände zur Steckerreinigung verwendet werden. Steckerstirnflächen sind mit der gleichen Sorgfalt wie Linsen optischer Instrumente zu behandeln. Ein Nachpolieren der Steckerstirnfläche vor Ort sollte nur in Ausnahmefällen erfolgen. Eine fehlerhafte Bearbeitung führt zur Erhöhung der Dämpfung und Reflexion des Steckers. 2.10.4 Sichtprüfung an Steckerstirnflächen Verschmutzungen und Kratzer auf der Steckerstirnfläche können mit LWL-Mikroskopen erkannt werden. DIN EN 61300-3-35 beschreibt drei Methoden zur Stirnflächeninspektion. Methode A: Lichtmikroskopie mit direkter Sicht Dabei kommen Handmikroskope zum Einsatz, die eine direkte Betrachtung der Steckerstirnfläche ermöglichen (Bild 2.63). Es ist keine Inspektion durch die Kupplung hindurch möglich. Das Ergebnis der Inspektion kann nicht dokumentiert werden. Das Handmikroskop darf nur bei ausgeschaltetem Sender benutzt werden, ansonsten besteht die Gefahr der Augenschädigung. Bild 2.63: Handmikroskop (Quelle: Noyes) 63520_Eberlein_SL4.indd 143 63520_Eberlein_SL4.indd 143 12.11.2020 12: 56: 01 12.11.2020 12: 56: 01 <?page no="159"?> 144 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 144 Methode B: Videomikroskopie Videomikroskope gewährleisten höchste Augensicherheit, da nicht direkt in den Strahl geblickt wird. Das Ergebnis der Inspektion wird auf einem Monitor dargestellt (zum Beispiel Laptop) und kann gespeichert werden. Das Ergebnis der Inspektion ist also jederzeit wieder abrufbar! Ein geeigneter Adapter ermöglicht die Inspektion durch die Kupplung hindurch, zum Beispiel in Patchfeldern (Bild 2.64). Eine typische Vergrößerung liegt bei 200 (für die Inspektion von Multimode-LWL) bzw. 400 (für die Inspektion von Singlemode-LWL). Moderne Videomikroskope sind zwischen verschiedenen Abbildungsmaßstäben umschaltbar. Bild 2.64: Inspektion Patchfeld (links); Ergebnisdarstellung auf dem Laptop (rechts) (Quelle: JDSU) Methode C: Mikroskopie mit automatisierter Analyse Die Steckerstirnfläche wird in verschiedene Zonen unterteilt und es werden Kriterien definiert, welche Kratzer bzw. Verschmutzungen in der jeweiligen Zone zugelassen werden. Im Gegensatz zu Methode B erfolgt die Beurteilung nicht subjektiv, sondern objektiv auf der Basis definierter Kriterien. DIN EN 61300-3-35 spezifiziert die Zonen und beschreibt die Kriterien, die die Stirnfläche erfüllen muss. In Tabelle 2.6 sind die Abmessungen der Zonen dargestellt. Zone Durchmesser bei SM-LWL Durchmesser bei MM-LWL A: Kern 0 µm...25 µm 0 µm...65 µm B: Mantel 25 µm...115 µm 65 µm...115 µm C: Kleber 115 µm...135 µm D: Kontakt 135 µm...250 µm Tabelle 2.6: Abmessungen der Zonen 63520_Eberlein_SL4.indd 144 63520_Eberlein_SL4.indd 144 12.11.2020 12: 56: 01 12.11.2020 12: 56: 01 <?page no="160"?> 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 145 145 Bild 2.65 veranschaulicht die Zonen am Beispiel des Multimode-LWL. Defekte werden dargestellt. Sie erfüllen aber die Kriterien, so dass „Bestanden“ angezeigt wird. Bild 2.65: Zonen am Beispiel des Multimode-LWL (Quelle: nach Opternus) In Bild 2.66 ist eine Analyse der Steckerstirnflächenqualität eines Singlemode-LWL dargestellt. Die Zoneneinteilung ist jetzt eine andere: Der Kernbereich ist entsprechend Tabelle 2.6 enger gefasst. • Defekte außerhalb der Kontaktzone werden grau dargestellt. • Zulässige Defekte in der Kern-, Mantelbzw. Kontaktzone werden grün gekennzeichnet. • Unzulässige Defekte in der Kern-, Mantelbzw. Kontaktzone werden rot markiert. Bild 2.66: Beispiele für bestanden (links: Pass) und nicht bestanden (rechts: Fail) (Quelle: EXFO/ Opternus) 63520_Eberlein_SL4.indd 145 63520_Eberlein_SL4.indd 145 12.11.2020 12: 56: 01 12.11.2020 12: 56: 01 <?page no="161"?> 146 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 146 Die zulässigen Kriterien hängen vom Fasertyp (Multimode, Singlemode), der Oberflächengestalt, der Reflexionsdämpfung und weiteren Kriterien ab. Tabelle 2.7 zeigt als Beispiel die Kriterien für Singlemode-APC-Stecker, Reflexionsdämpfung ≥ 60 dB. Die Kleberzone wird generell bei der Analyse nicht berücksichtigt. Für diese Zone werden keine Kriterien formuliert. Zone Kratzer Defekte A: Kern vier: ≤ 3 µm keine: > 3 µm keine B: Mantel unbegrenzt unbegrenzt: < 2 µm fünf: ab 2 µm bis 5 µm keine: > 5 µm C: Kleber ungegrenzt unbegrenzt D: Kontakt unbegrenzt keine > 10 µm Tabelle 2.7: Kriterien für die Steckerstirnflächenqualität nach DIN EN 61300-3-35 für Singlemode-APC-Stecker, Reflexionsdämpfung ≥ 60 dB In Abhängigkeit vom Fasertyp, der Oberflächenqualität usw. müssen die richtigen Kriterien für die Analyse ausgewählt werden. Eine mangelhafte Fokussierung oder unvollständige Bilderfassung kann zu Fehlinterpretationen führen. Verschmutzungen oder Kratzer werden nicht erkannt. Abhilfe schafft ein Videomikroskop mit automatischer Zentrierung und Fokussierung. Verschmutzte Stecker erhöhen die Dämpfung und Reflexion (Abschnitt 2.3). Eine hohe Dämpfung ist bei Gigabit-Ethernet problematisch, wegen des geringen Budgets: • 10 GBase-SR: 2,6 dB • 40 GBase-SR4: 1,9 dB (OM3) bzw. 1,5 dB (OM4) • 100 GBase-SR10: 1,9 dB (OM3) bzw. 1,5 dB (OM4) Hohe Reflexionen (geringe Reflexionsdämpfungen) sind extrem schädlich bei kohärenter Übertragung und bei Einsatz von Raman-Verstärkern. Verschmutzte Stecker können eine aufwändige und kostenintensive Fehlersuche bewirken. 2.11 Literatur [2.1] T. Palkert, S. Sommers: SFP-DD MSA; SFP-DD Hardware Specification for SFP douple density 2x pluggable transceiver; Rev. 3.0; 10.04.2019. [2.2] T. Palkert, M. Nowell, S. Sommers: QSFP-DD MSA; QSFP-DD Hardware Specification for QSFP double density 8x pluggable transceiver; Rev. 4.0; 18.09.2018. 63520_Eberlein_SL4.indd 146 63520_Eberlein_SL4.indd 146 12.11.2020 12: 56: 01 12.11.2020 12: 56: 01 <?page no="162"?> 147 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen Christina Manzke 3.1 Einführung Seitdem es gelang, Lichtwellenleiter herzustellen, wurde besonderes Augenmerk auf die Verbindungstechnologien gelegt, da dort die höchsten singulären Verluste in die Übertragungsstrecke eingefügt werden. Besonders beim Verlegen von großen LWL- Längen wird versucht, die Verbindungsstellen möglichst dämpfungsarm zu realisieren. Während man am Anfang und am Ende der Strecke aus Flexibilitätsgründen lösbare Verbindungen bevorzugt (Kapitel 2), werden auf der Strecke fast ausschließlich nichtlösbare Verbindungen ausgeführt. Bild 3.1: Schematische Darstellung einer Übertragungsstrecke Nach Versuchen mit verschiedenen anderen Verbindungstechnologien (wie zum Beispiel anfangs das Kleben) kristallisierte sich schnell das Fusionsspleißen als ein Verfahren heraus, welches geringe Dämpfungen und eine hohe Langzeitstabilität versprach. Ein großer Vorteil besteht darin, dass keine Zusatzstoffe, wie Lot, Kleber oder Indexgel in den Lichtweg eingebracht werden müssen, sondern die beiden Glasmaterialien direkt durch Aufschmelzen miteinander verbunden werden. Zusatzstoffe bergen die Gefahr in sich, bei Umweltbelastungen wie Temperaturwechsel oder hoher Luftfeuchte sich mechanisch und/ oder optisch anders zu verhalten als Glas. Dadurch kann es zu erhöhten Verlusten an der Verbindungsstelle bis zur Zerstörung kommen. Das gilt zum Beispiel auch für mechanische Spleiße. Die Entwicklung von Spleißgeräten begann Mitte der 80er Jahre in Japan und Deutschland. Damit stand erstmalig die Hardware zur Verfügung, Glasfasern schnell und verlustarm miteinander zu verbinden. Nachdem man zunächst mit manuellen und halbautomatischen Geräten gestartet ist, sind heute vollautomatische Geräte 63520_Eberlein_SL4.indd 147 63520_Eberlein_SL4.indd 147 12.11.2020 12: 56: 01 12.11.2020 12: 56: 01 <?page no="163"?> 148 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 148 üblich, die durch ihre unterstützende Software sehr bedienerfreundlich sind und mit einem überschaubaren Schulungsaufwand eingesetzt werden können. In den folgenden Abschnitten wollen wir die Technologie des Fusionsspleißens näher beleuchten und auf spezielle physikalische Effekte und Unterschiede im Verbinden der in der Praxis am häufigsten eingesetzten Fasern bzw. Faserbändchen eingehen. Äußere (extrinsische) wie interne (intrinsische) Einflussfaktoren auf das Spleißergebnis werden behandelt sowie die Vorbereitung der Fasern und den Schutz der Spleißstelle. 3.2 Fusionsspleißen Das Fusionsspleißen ist zum heutigen Zeitpunkt das Verfahren zum Herstellen von nichtlösbaren LWL-Verbindungen, welches die geringsten Verluste an der Verbindungsstelle, die höchste mechanische Festigkeit und die beste Langzeitstabilität aufweist. Bisher konnten keinerlei Alterungsprozesse an einer Spleißverbindung nachgewiesen werden. Die Fasern werden stoffschlüssig durch Aufschmelzen miteinander verbunden, ohne die Verwendung von weiteren Zusatzmaterialien. Das Verfahren, Spleiße durch direktes Verschmelzen der LWL-Enden herzustellen, wurde bereits 1971 von dem Amerikaner Bisbee vorgeschlagen. Im Laufe der Entwicklung sind für das Aufschmelzen des Quarzglases verschiedene Energiequellen erprobt worden. Neben dem Laserstrahl, der Gasflamme und dem Plasma-Lichtbogen hat sich in der Praxis die elektrische Glimmentladung, sehr häufig auch als elektrischer Lichtbogen bezeichnet, durchgesetzt. Geräte, die durch Widerstandserwärmung einer legierten Wolframwendel eine Infrarotstrahlung zur Erwärmung der LWL-Enden erzeugen, sind gleichfalls auf dem Markt. Letztere sind allerdings sehr kostenintensiv, nicht feldtauglich und werden vor allem zum Verbinden von Spezialfasern eingesetzt. Gleiches gilt auch für Spleißgeräte, die einen CO 2 -Laser zum Aufschmelzen des Glases verwenden. 3.2.1 Einflussfaktoren Verschiedene äußere (extrinsische) und innere (intrinsische) Faktoren können entweder die Dämpfung an der Spleißstelle oder die mechanische Festigkeit negativ beeinflussen. Während die intrinsischen Verluste durch die Faserherstellung selbst hervorgerufen werden und damit im Nachhinein nicht mehr beeinflussbar sind, treten extrinsische Verluste beim Spleißprozess auf. 63520_Eberlein_SL4.indd 148 63520_Eberlein_SL4.indd 148 12.11.2020 12: 56: 02 12.11.2020 12: 56: 02 <?page no="164"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 149 149 3.2.1.1 Intrinsische Faktoren Zu den hauptsächlichen intrinsischen Faktoren zählen: • Unterschiede in den Kern- oder Modenfelddurchmessern • Unterschiede in den Manteldurchmessern • unterschiedliche Dotierungsmaterialien oder -konzentrationen • Indexprofilunterschiede (Stufenindex, Gradientenindex, Singlemode-Profile) • nichtrotationssymmetrische Profile (PANDA, Elliptischer Kern, BOW TIE,…) • Kernexzentrizitäten • unterschiedliche numerische Aperturen. Die hier genannten Faktoren treten in Abhängigkeit von dem zu spleißenden LWL- Typ unterschiedlich in Erscheinung: Die theoretischen Spleißverluste in Abhängigkeit von Unterschieden in den Kerndurchmessern bzw. numerischen Aperturen berechnen sich entsprechend Abschnitt 2.2.1. Treten beide Toleranzen gleichzeitig auf, addieren sich die daraus resultierenden Verluste, sofern die relativen Abweichungen relativ klein sind. Darüber hinaus ist zu beachten, dass beim Multimode-LWL die Dämpfung richtungsabhängig ist. Sie tritt nur auf, wenn sich das Licht von dem größeren Kern bzw. der größeren numerischen Apertur in Richtung des jeweils kleineren Parameters ausbreitet. Theoretisch ist in der entgegengesetzten Richtung keine Dämpfung zu verzeichnen (vergleiche Abschnitt 2.2.1). Bei Singlemode-LWL haben eine Fehlanpassung der Modenfelddurchmesser und eine Kernexzentrizität die stärksten Auswirkungen. Legt man ältere Toleranzen im Modenfelddurchmesser von 10,5 µm ± 1 µm zu Grunde, kommt es im Extremfall zu Dämpfungen an der Verbindungsstelle von 0,16 dB. Damit liegt die Spleißdämpfung außerhalb der üblichen Grenze von 0,1 dB und kann auch durch erneutes Spleißen nicht reduziert werden. Mit den in jüngerer Vergangenheit reduzierten Toleranzfeldern der Faserkerndurchmesser und damit der Modenfelddurchmesser von ± 0,5 µm reduziert sich der Wert auf etwa 0,04 dB, so dass die oben genannten Probleme bei neueren Fasern nicht mehr auftreten sollten. Eine Richtungsabhängigkeit der Spleißdämpfung, wie beim Multimode-LWL, tritt beim Singlemode-LWL nicht auf (Gleichung (4.19)). Bei der Messung mit einem Rückstreumessgerät kann es jedoch zu scheinbar unterschiedlichen Dämpfungen in beiden Richtungen kommen. Der wahre Spleißverlust ergibt sich in jedem Fall aus der Mittelung beider Messwerte (Kapitel 4). Kernexzentrizitäten können durch Spleißgeräte mit einer aktiven Kern-zu-Kern-Justage zum Teil ausgeglichen werden, können aber bei nicht optimalen Spleißparametern (Lichtbogenintensität, Spleißzeit) trotzdem zu erhöhten Spleißdämpfungen führen. 63520_Eberlein_SL4.indd 149 63520_Eberlein_SL4.indd 149 12.11.2020 12: 56: 02 12.11.2020 12: 56: 02 <?page no="165"?> 150 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 150 Bei Spleißgeräten mit passiver Justage der Fasern durch Verwendung von feststehenden V-Nuten wirken sich Unterschiede im Manteldurchmesser und Kernexzentrizitäten extrem stark aus. Ein Versatz von 2 µm verursacht eine Spleißdämpfung zwischen Singlemode-LWL von etwa 0,16 dB, ein Versatz von 3 µm verursacht bereits 0,35 dB Dämpfung. Diese Werte sind in gängigen Installationen inakzeptabel. Beim Verbinden von NZDS-LWL gilt im Wesentlichen das für den Standard- Singlemode-LWL Gesagte. Zusätzlich müssen hier noch die sehr komplizierten Brechzahlprofile betrachtet werden, die je nach Faserhersteller stark voneinander abweichen können. Zwischen NZDS-LWL unterschiedlicher Hersteller kann es außerdem zu Unterschieden im Modenfelddurchmesser von mehr als 2 µm kommen (Tabelle 1.12), wodurch Spleißdämpfungen von > 0,2 dB auftreten können. 3.2.1.2 Extrinsische Verluste Extrinsische Verluste werden durch äußere Einflüsse verursacht. Hier spielen alle Faktoren eine Rolle, die einen Versatz der zu spleißenden Fasern nach sich ziehen, wie Coating-Reste, Schmutz auf der Faser oder eine Biegung der Fasern. Aber auch zu große Abweichungen vom senkrechten Brechwinkel oder eine durch den Spleißprozess bedingte Deformation der Kerne wirken sich auf das Spleißergebnis negativ aus. Weitere Ausführungen dazu finden sich im Abschnitt 3.2.3. 3.2.2 Spleißvorbereitung 3.2.2.1 Vorbereitung des Arbeitsplatzes In der Praxis muss unter ständig wechselnden und häufig nicht optimalen Bedingungen gespleißt werden. Optimale Bedingungen bietet ein Arbeitstisch, an dem sitzend gearbeitet werden kann. Die Anordnung der Werkzeuge, des Spleißgerätes und der Ablagen sollte unter ergonomischen Gesichtspunkten erfolgen. Ein Arbeiten von vorn (Vorbereitung der Faser, Faserbrechen) nach hinten (Spleißen, Anbringen des Spleißschutzes und Ablage), mit möglichst kurzen Wegen, ist im Feld zu bevorzugen. Im Produktionsbereich kann es sinnvoller sein, das Werkzeug zum Anbringen des Spleißschutzes im vorderen Bereich anzuordnen. Bei der Ausstattung des Arbeitsplatzes ist vor allem auf höchstmögliche Sauberkeit zu achten. 63520_Eberlein_SL4.indd 150 63520_Eberlein_SL4.indd 150 12.11.2020 12: 56: 02 12.11.2020 12: 56: 02 <?page no="166"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 151 151 Versucht man Lichtwellenleiter zu spleißen, während im direkten Umfeld beispielsweise ein Trennschleifer läuft, Gipskartonplatten geschnitten werden oder Teppichboden verlegt wird, führt das immer zu erhöhten Spleißdämpfungen und es ist besser, das Spleißen ganz zu unterlassen. Bereits kleinste Staubpartikel zwischen den Fasern führen zu Einschlüssen und damit zu hohen Verlusten, da sie während des Spleißprozesses verdampfen. Bei der Verwendung von V-Nut-Spleißgeräten bewirken Staubpartikel einen Versatz zwischen den Fasern und ebenfalls schlechte Ergebnisse. Umwelteinflüsse müssen möglichst klein gehalten werden. Faktoren wie starker Wind, hohe Luftfeuchtigkeit, sehr niedrige oder hohe Temperaturen, korrosive Atmosphäre, starke Erschütterungen oder die Einwirkung von Kondenswasser haben erheblichen Einfluss auf das Spleißergebnis bzw. die optimalen Spleißparameter. Im Außenbereich sollte man daher nach Möglichkeit unter einem Zelt arbeiten. Ist es erforderlich zu heizen, ist elektrischen Heizungen der Vorzug zu geben, da es bei Verwendung von Propangasheizungen zu einer hohen Luftfeuchte im Zelt kommt, was Kondenswasser im Spleißbereich zur Folge haben kann. Starker Wind (beispielsweise an der Küste oder im U-Bahn-Schacht) und Erschütterungen (Bahndamm, Brücken) führen zu einem unstetigen Brennen des Lichtbogens und damit zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung im Spleißbereich. Erhöhte Spleißdämpfungen können die Folge sein. Zwischen den verschiedenen Spleißgeräten gibt es erhebliche Unterschiede bezüglich Windfestigkeit und Erschütterungsempfindlichkeit! Bei starken Temperatur- und Luftfeuchte-Schwankungen über den Tag (beispielsweise Sonneneinstrahlung, Regen) sollte man überprüfen, ob sich das verwendete Spleißgerät automatisch an diese Veränderungen anpasst. Anderenfalls muss man die Spleißparameter manuell verändern. 3.2.2.2 Kabelvorbereitung Der Aufbau der zu verbindenden Kabel kann in Abhängigkeit vom Einsatzbereich und den Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich sein. Beim Entfernen der äußeren Schutzumhüllungen bis hinunter zur Primärbeschichtung (250 µm) sollte man sich an die Vorgaben der Kabelhersteller halten. In der Praxis existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen Werkzeugen und Zangen für jedes Material und jeden Durchmesser. Stets muss man aber folgende Rahmenbedingungen einhalten: • vorgegebene Absetzlängen einhalten • ausreichende Faserreserve vorsehen für eventuelles Nachspleißen • Einhaltung der zulässigen Biegeradien • Vermeiden von hohen Zug- oder Druckkräften (zum Beispiel durch straffe Kabelbinder) 63520_Eberlein_SL4.indd 151 63520_Eberlein_SL4.indd 151 12.11.2020 12: 56: 02 12.11.2020 12: 56: 02 <?page no="167"?> 152 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 152 • Knicke vermeiden • Gel von der Faser fernhalten Besteht die Möglichkeit, mit zwei Monteuren zu arbeiten, hat es sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, die Arbeiten in das anstrengende Kabelabsetzen einschließlich Gelentfernung einerseits und das feinmotorig anspruchsvollere Faservorbereiten und Spleißen andererseits aufzuteilen. 3.2.2.3 Faservorbereitung Nachdem die Kabelmaterialien soweit entfernt wurden, dass etwa 80 cm bis 150 cm lange gelfreie Faserenden, nur noch mit dem letzten 250 µm dicken Primärschutz (typisch: Acrylat) beschichtet, vorliegen, kann mit der eigentlichen Faservorbereitung für das Spleißen begonnen werden. Dazu sind folgende Arbeitsschritte auszuführen: Abstrippen oder Absetzen Darunter versteht man das Entfernen des Primärschutzes, so dass im Ergebnis die blanke Glasfaser vorliegt. Das Abstrippen kann mechanisch, thermisch oder chemisch erfolgen. Die Absetzlängen richten sich im Wesentlichen nach dem verwendeten Brechwerkzeug und liegen in der Größenordnung von 30 mm bis 50 mm. Am weitesten verbreitet ist die mechanische Entfernung mittels verschiedener Zangen, die speziell auf die gegebenen Durchmesser des Coatings (250 µm) bzw. des Glases (125 µm) optimiert sind. Gängige Zangen sind zum Beispiel die Millerzange oder die Claußzange. Verbliebene Coating-Reste werden mit fusselfreien Tüchern und hochreinem Alkohol oder im Ultraschallbad entfernt. Das mechanische Verfahren ist sehr schnell und preiswert ausführbar. Allerdings muss man beachten, dass das Coating hierbei von der Glasfaser abgekratzt wird, was in jedem Fall zu kleinen Störungen der Glasoberfläche führt. Werden die Störungen zu stark, kann es an diesen Stellen auch noch nachträglich zu Brüchen kommen, die durch mechanische Einwirkungen oder Temperaturzyklen (Sommer-Winter) ausgelöst werden. Um die Verletzungen der Glasoberfläche so gering wie möglich zu halten, sollte man das Coating in einem Arbeitsgang entfernen. Daher wird bei den so genannten High-Strength-Spleißen (Spleiße mit einer erhöhten mechanischen Festigkeit, beispielsweise für Unterseekabel) das thermische oder chemische Entfernen des Coatings bevorzugt. Diese Verfahren haben den Vorteil, die Glasoberfläche nicht zu berühren (siehe Abschnitt 3.2.5). Beim chemischen Abstrippen wird das Coating-Material chemisch aufgeweicht (zum Beispiel durch Säure), was den Nachteil hat, dass, wenn der chemische Prozess nicht konsequent gestoppt wird, es zum weiteren Aufweichen kommen kann, auch 63520_Eberlein_SL4.indd 152 63520_Eberlein_SL4.indd 152 12.11.2020 12: 56: 02 12.11.2020 12: 56: 02 <?page no="168"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 153 153 noch lange nachdem der Spleiß abgelegt wurde. Dadurch wird die mechanische Festigkeit erheblich gestört. Dieses Verfahren wird hauptsächlich im Labor eingesetzt; für den Feldeinsatz ist es nicht zu empfehlen und auch nicht üblich. Für das thermische Absetzen gibt es spezielle Werkzeuge (Bild 3.2), die sowohl für Einzelfasern als auch für Faserbändchen einsetzbar sind. Bild 3.2: Thermischer Abstripper mit Faserbändchen (Quelle: Laser Components GmbH) Das Coating-Material wird auf etwa 90 °C erhitzt und in einem Stück mechanisch abgezogen, ohne die Faseroberfläche zu berühren. Das ermöglicht Spleiße mit sehr hoher mechanischer Festigkeit. Einsatzgebiete sind High-Strength-Spleiße und Faserbändchen. Auch kann für spezielle Anwendungen das Coating in der Mitte der Faser entfernt werden, um zum Beispiel Gitter in die Faser einzuschreiben (Sensorik). Reinigen der Fasern Diesem Arbeitsschritt ist erhöhte Aufmerksamkeit zu widmen. Mit einer sauberen Faser schafft man die besten Voraussetzungen für einen guten Spleiß. Coating-Reste, Gel-Rückstände und Schmutz werden mit fusselfreien Tüchern (zum Beispiel Kim- Wipes ) und hochreinem Alkohol (Isopropanol, Reinheit > 90 %) rückstandsfrei entfernt. Das Reinigen mit Kosmetiktüchern, Spiritus oder den Fingern sind ungeeignete Technologien: Sie hinterlassen Rückstände in Form von Flusen, Fett, Gel und Hautpartikeln. Diese können dann beim Spleißen zu erhöhten Dämpfungswerten und zum Verschmutzen des Spleißgerätes (optische Oberflächen, Elektroden) führen. Die Fasern sollten nun bis zum Ablegen des fertigen Spleißes möglichst nicht mehr berührt werden. Ein zügiges Verarbeiten ist in jedem Fall empfehlenswert. 63520_Eberlein_SL4.indd 153 63520_Eberlein_SL4.indd 153 12.11.2020 12: 56: 02 12.11.2020 12: 56: 02 <?page no="169"?> 154 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 154 Brechen der Fasern Einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf das Spleißergebnis ist neben der Sauberkeit die Qualität der Faserstirnfläche. Die Fasern müssen in einem Winkel von möglichst 90° zur Faserachse gebrochen werden. Die Brechwinkelabweichung sollte beim Spleißen mit Kernzentrierung (SMF, NZDS, DSF) unter 1° liegen; beim Spleißen mit Manteljustage sind Abweichungen bis 2° tolerabel, da hier die Fasern länger aufgeschmolzen werden. Zur Unterstützung kann man bei den meisten Spleißgeräten maximal zulässige Toleranzen vorgeben, die bei Überschreitung der Brechwinkel zu einem Hinweis durch das Spleißgerät führen. 0 2 4 6 8 0 1 2 3 4 Dämpfung in dB SMF TrueWave Brechwinkelabweichung in Grad Bild 3.3: Abhängigkeit der Dämpfung von der Brechwinkeltoleranz bei TrueWave- LWL und Standard-Singlemode-LWL (Quelle: Lucent/ OFS) In Bild 3.3 wird die unterschiedliche Empfindlichkeit von Standard-Singlemode-LWL und NZDS-LWL, hier speziell der TrueWave-LWL, gegenüber Brechwinkel-Abweichungen gezeigt. Daher muss vor allem bei der Verarbeitung von NZDS-LWL auf eine gute Qualität und Reproduzierbarkeit des Brechwerkzeuges geachtet werden. Die Klinge sollte scharf und sauber sein und regelmäßig kontrolliert werden. Eine Brechwinkeltoleranz von ± 0,5° ist ein Wert, der von guten Brechwerkzeugen auch unter Feldbedingungen reproduzierbar erreicht wird. Aus arbeitsschutztechnischen Gründen ist besondere Vorsicht im Umgang mit den Faserresten, die beim Brechen anfallen, gegeben. Achtloser Umgang kann zu einer erheblichen Gesundheitsgefährdung für sich selbst und andere Personen führen. Nach Möglichkeit verwendet man ein Brechwerkzeug, das eine automatische Faserrestentsorgung beinhaltet oder zumindest einen speziellen Behälter, in den die Reste manuell entsorgt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 154 63520_Eberlein_SL4.indd 154 12.11.2020 12: 56: 03 12.11.2020 12: 56: 03 <?page no="170"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 155 155 Die Technologie des Brechens Alle Verfahren zum Brechen von Glasfasern basieren darauf, dass sich ein Bruch von einer Verletzung der Glasoberfläche oder von einer Oberflächeninhomogenität ausgehend ausbreitet. Das können kleine Ausbrüche, Kerben oder Risse sein. Beim Anlegen einer äußeren mechanischen Spannung an diese Riss- und Kerbspitzen kommt es zu sehr hohen Spannungskonzentrationen, die zu einem Aufspalten der Glasverbindungen führen und so den Bruch auslösen. Bei Glas tritt im Bereich der üblichen Anwendungstemperaturen ausnahmslos Sprödbruch auf. Spröde verlaufende Brüche sind reine Trennbrüche und eine Materialabtragung durch Abgleiten kann ausgeschlossen werden. Entsprechend dem Normalgesetz erfolgt der spröde Bruch stets senkrecht zur momentan herrschenden Hauptzugspannung. Das heißt auch bei Kerben, die nicht senkrecht zur Hauptzugspannung orientiert sind, erfolgt ein schnelles Einschwenken der wachsenden Bruchfläche in die zur Hauptspannung senkrecht stehende Richtung. Vom Bruchursprung an der Glasfaseroberfläche sollte sich eine möglichst über die gesamte Stirnfläche ausbreitende Spiegelfläche, der so genannte Spiegelbruch, ausbilden. Sie wird durch die Bruchgeschwindigkeit bestimmt. Je größer die Bruchgeschwindigkeit ist, umso kleiner ist die Spiegelfläche und umso rauer die Oberfläche, was für einen Verbindungsvorgang Lichtwellenleiter mit Lichtwellenleitern außerordentlich ungünstig ist. In der Praxis haben sich zwei Verfahren durchgesetzt: Das Ritz-Biege-Prinzip und die Längszugmethode. Letztere wird eher bei Spezialfasern im Laborumfeld verwendet. Das Ritz-Biege-Prinzip ist Standard im Telekommunikationsbereich für Faserdurchmesser von 125 µm. Das Ritz-Biege-Prinzip Es zeichnet sich durch eine einfache Handhabung der Trenngeräte, eine geringe notwendige Arbeitszeit für den Bruch und auch durch die Möglichkeit aus, reproduzierbar gute Bruchflächen herstellen zu können. Das Prinzip ist in Bild 3.4 dargestellt. Der Lichtwellenleiter wird für das Trennen zwischen zwei Gummibacken geklemmt und mittels eines Schneidrades aus Hartmetall angeritzt. Dabei ist es sehr wichtig, dass das Schneidrad scharf und die Tiefe des Risses definiert ist. Das wird über die Höhe des Rades bezüglich der Faser eingestellt, typisch 10 µm bis 20 µm. Im Anschluss wird die Faser in einem bestimmten Radius gebogen. Bei den gängigsten Brechwerkzeugen erfolgt das durch das Drücken eines Stempels von oben, wodurch eine Zugspannung in der Faser entsteht. 63520_Eberlein_SL4.indd 155 63520_Eberlein_SL4.indd 155 12.11.2020 12: 56: 03 12.11.2020 12: 56: 03 <?page no="171"?> 156 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 156 Bild 3.4: Ritz-Biege-Prinzip zum Trennen von Lichtwellenleitern Durch das Aufbiegen des Risses breitet sich nun der Faserbruch, idealerweise ein Spiegelbruch, von der Verletzung ausgehend senkrecht zu der Zugspannung durch die Faser aus. Da der ideale Radius der Biegung abhängig ist von dem jeweiligen Außendurchmesser der Faser, sind diese Brechgeräte nur für einen bestimmten Durchmesser einsetzbar. In der Kommunikationstechnik sind diese Brechgeräte auf einen Außendurchmesser von 125 µm optimiert. Die Längszugmethode Bei der Längszugmethode wird die Zugspannung direkt auf die Faser aufgebracht. Die Faser wird an zwei Stellen geklemmt und abhängig vom Faserdurchmesser in Achsenrichtung gezogen. Bei einer 125 µm-Faser beträgt die ideale Zugspannung etwa 2 N. Die gespannte Faser wird nun mit einem Diamanten oder Hartmetallmeißel eingekerbt und bricht, sobald der Riss tief genug ist. Auch hier breitet sich der Bruch rechtwinklig zur anliegenden Zugspannung aus. Ist die Zugspannung zu gering, bricht die Faser nicht. Ist die Zugspannung zu hoch, bildet sich im Anfangsbereich eine spiegelnde Fläche aus, im hinteren Teil reißt die Faser und es ergibt sich eine raue Oberfläche. Außerdem sind auf der dem Anriss entgegengesetzten Seite zwei typische Marken sichtbar. 63520_Eberlein_SL4.indd 156 63520_Eberlein_SL4.indd 156 12.11.2020 12: 56: 03 12.11.2020 12: 56: 03 <?page no="172"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 157 157 Bild 3.5: Brechgerät mit Längszug (ProCleave II, Quelle: Laser Components GmbH) Bricht die Faser in einem Winkel, wirkt die Zugspannung nicht genau axial. Dieses Verhalten wird bei speziellen Brechgeräten zum Erzeugen eines definierten Bruchwinkels genutzt. Erzeugen eines Winkelbruchs In manchen Anwendungen ist es von Vorteil, die Glasfaser nicht mit einem 90°- Winkel zu versehen, sondern zum Beispiel einen 8°-Winkel zu erzeugen, um Reflexionen der blanken Faser zu reduzieren. Da der Brechwinkel immer senkrecht zur Zugspannung entsteht, kann man durch eine definierte Rotation der Faser auch von 0° abweichende Brechwinkel erzeugen. Speziell dafür vorgesehene Brechgeräte setzen die Faser wie oben beschrieben unter einen definierten Längszug und verdrehen dann die Faser um ihre Längsachse. Wird nun die Faser angeritzt oder eingekerbt, bricht sie in einem Winkel. Um einen 8°-Winkel zu erzeugen, muss die Faser etwa um 16° rotiert werden. Brechfehler In der Praxis können verschiedene Brechfehler auftreten, die im Bild 3.6 schematisch dargestellt wurden. X-Ansicht Y-Ansicht Ausbruch Nase Winkelfehler Bild 3.6: Fehler beim Brechen 63520_Eberlein_SL4.indd 157 63520_Eberlein_SL4.indd 157 12.11.2020 12: 56: 03 12.11.2020 12: 56: 03 <?page no="173"?> 158 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 158 Während ein Glasausbruch durch das Anritzen an der Oberfläche des Fasermantels meistens während des Spleißvorgangs „ausheilt“, führen die beiden anderen Fehler im Allgemeinen zu erhöhten Spleißdämpfungen oder einer schlechteren mechanischen Stabilität. Manchmal können die Fasern überhaupt nicht verbunden werden und müssen neu vorbereitet werden. Nach dem Trennen dürfen die präparierten LWL-Enden, insbesondere die Stirnflächen, nicht mehr berührt und müssen zügig verarbeitet werden. Ein erneutes Reinigen verschlechtert in jedem Fall die Qualität der Stirnfläche! 3.2.3 Spleißen Zum Spleißen sollten die Fasern möglichst sofort nach dem Brechen in das Spleißgerät eingelegt werden, um erneuten Verschmutzungen vorzubeugen. Bevor der eigentliche Spleißvorgang beginnt, werden die Faserenden grob zusammengefahren und ein Reinigungslichtbogen sehr geringer Intensität gezündet. Er bewirkt, dass Schmutz- und Coating-Reste im unmittelbaren Spleißbereich verdampfen und die scharfen Bruchkanten leicht abgerundet werden. Allerdings darf diese Funktion nicht als Freibrief für unsauberes Arbeiten betrachtet werden. Die verdampften Verunreinigungen setzen sich bevorzugt auf allen glatten Oberflächen, wie Optiken und Elektroden ab und führen so zu schnellerem Verschleiß. Nun fährt das vollautomatische Spleißgerät die Fasern auf einen sehr kleinen Abstand zusammen (typisch 10 µm bis 20 µm) und bewertet den Brechwinkel und den Versatz der Fasern zueinander. Liegen diese Werte in den voreingestellten Grenzen, wird der Spleißprozess fortgesetzt. 3.2.3.1 Justage der Fasern Die Justage der Fasern zueinander erfolgt je nach verwendetem Spleißgerät entweder passiv (V-Nut-Geräte) oder aktiv (3-Achsen-Geräte). Sowohl bei den V-Nut-Geräten als auch bei den 3-Achsen-Geräten gibt es manuelle, halb- und vollautomatische Geräte. Allerdings ist das vollautomatische Spleißgerät heute Stand der Technik, das heißt nach dem Einlegen der vorbereiteten Fasern läuft der Spleißprozess vollautomatisch ab. 63520_Eberlein_SL4.indd 158 63520_Eberlein_SL4.indd 158 12.11.2020 12: 56: 03 12.11.2020 12: 56: 03 <?page no="174"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 159 159 Arten von Spleißgeräten Einzelfasern Faserbändchen V-Nut-Gerät (Mantelzentrierung) 3-Achsen-Gerät Kernzentrierung Automatisierungsgrad Halbautomatisch Manuell Vollautomatisch Bild 3.7: Klassifizierung von Spleißgeräten nach dem Justierprinzip und dem Automatisierungsgrad 3.2.3.2 V-Nut-Geräte Das Herzstück der V-Nut-Geräte sind zwei miteinander verbundene Halterungen aus Keramik (seltener Silizium), in die zwei hochpräzise V-Nuten eingebracht sind. Durch das Einlegen der Fasern in diese Nuten und Fixieren von oben wird eine sehr genaue Ausrichtung der Fasern auf den Mantel erreicht. Dieses Prinzip wird bevorzugt zum Spleißen von Multimode-LWL und Faserbändchen eingesetzt. Sollen Singlemode-LWL verarbeitet werden, muss man einige Randbedingungen beachten. Vor allem eine vorhandene Kernexzentrizität führt zu erhöhten Spleißdämpfungen und kann mit dieser Justageart nicht ausgeglichen werden. Weitere Faktoren beeinflussen das Spleißergebnis negativ: Kern-Mantel-Exzentrizität (vor allem beim Singlemode-LWL) Da die Fasern über die Justage des äußeren Durchmessers aufeinander ausgerichtet werden, bewirkt die Kern-Mantel-Exzentrizität einer oder beider Fasern auch bei optimalem Verschmelzen der Fasern miteinander einen Versatz zwischen den Kernen (Bild 3.8) und damit eine erhöhte Spleißdämpfung. Bild 3.8: Auswirkungen von Kern-Mantel-Exzentrizitäten in V-Nut-Geräten 63520_Eberlein_SL4.indd 159 63520_Eberlein_SL4.indd 159 12.11.2020 12: 56: 03 12.11.2020 12: 56: 03 <?page no="175"?> 160 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 160 Unterschiede im Manteldurchmesser Kernversatz Bild 3.9: Auswirkungen von Manteldurchmesser-Schwankungen in V-Nut-Geräten: Versatz zwischen den Kernen, der nicht ausgeglichen werden kann. Biegung der Faser keine Faserbiegung Faserbiegung Bild 3.10: Auswirkungen von Faserbiegungen im V-Nut-Gerät: Transversaler Versatz zwischen den Kernen und relativer Winkel zwischen den Fasern. Beides kann erhöhte Spleißdämpfungen zur Folge haben. Die Eigenbiegungen können beispielsweise bei Fasern auftreten, die längere Zeit in einer Spleißkassette aufgewickelt waren und sich nach dem Herausnehmen nicht mehr vollständig entspannen. Verschmutzte V-Nuten Bild 3.11: Kleine Staubpartikel oder Reste des Coatings auf der Faseraußenseite oder in den V-Nuten des Spleißgerätes verhindern eine optimale Faserjustage. Die Folge ist wiederum ein Kernversatz. Als Unterstützung für den Bediener sind die meisten Spleißgeräte in der Lage, den Brechwinkel der Fasern und den Faserversatz zu bestimmen und eine Überschreitung der maximal zulässigen Werte anzuzeigen. In diesem Fall müssen die Fasern nochmals entnommen und neu vorbereitet werden. 3.2.3.3 3-Achsen-Geräte Spleißgeräte, die mechanisch in der Lage sind, die gehalterten Fasern in drei Raumrichtungen aufeinander auszurichten, werden allgemein als 3-Achsen-Geräte be- 63520_Eberlein_SL4.indd 160 63520_Eberlein_SL4.indd 160 12.11.2020 12: 56: 04 12.11.2020 12: 56: 04 <?page no="176"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 161 161 zeichnet. Diese Ausrichtung aufeinander kann entweder anhand des äußeren Glasdurchmessers (Manteljustage) oder auf den Kernbereich (Kernzentrierung) erfolgen. Die Manteljustage hat zwar geringe Vorteile gegenüber rein passiven V-Nut-Geräten, führt aber beim Verarbeiten von Standard-Singlemode-LWL und NZDS-LWL nicht zu den gewünschten Ergebnissen. Daher werden sowohl im Weitverkehrsbereich (WAN) als auch im Citynetzbereich (MAN), wo fast ausschließlich Singlemode-LWL eingesetzt werden, Geräte mit einer 3-Achsen-Kernzentrierung gefordert. Die Ausrichtung muss in den beiden transversalen Richtungen x und y (Ausrichten der Kerne zueinander) sowie entlang der Faserachse in z-Richtung erfolgen (Setzen des Abstandes und Zusammenfahren). Für die aktive Kernjustage gibt es verschiedene Methoden und Vorgehensweisen: • Leistungsmessung mit Sender und Empfänger • Dämpfungsmessung mit Sender und Empfänger • Rückstreumessung • LID (Light Injection and Detection) • PAS (Profile Aligning System) Leistungsmessung (Methode 1) Bei einer manuellen Justage der Fasern zueinander wird in die eine Seite der Faserstrecke Licht eingekoppelt, durch den Spleißbereich geleitet und am Ende der zweiten Faser die durchgehende Leistung gemessen. Nun werden die Fasern solange zueinander justiert (x-y-Richtung), bis die Leistung am Leistungsmesser maximal ist. Dazu müssen die Fasern so nah wie möglich zusammengefahren werden (z- Richtung). Insbesondere kann mit dieser Methode das Spleißen von Spezialfasern effektiv optimiert werden. Will man dieses Verfahren im Feld einsetzen, benötigt man eine zweite Person, die am hinteren Ende die Leistung abliest und dem Spleißenden kommuniziert. In der Praxis wird dieses Verfahren nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Dämpfungsmessung Die Dämpfungsmessung wird für die Überprüfung der Genauigkeit der vom Spleißgerät angezeigten Spleißdämpfung verwendet und liefert die exaktesten Werte für die wirklich auftretende Dämpfung am Spleiß. Das Verfahren wird vom Hersteller verwandt, um die angezeigte Spleißdämpfung zu dimensionieren, kann aber auch leicht vom Anwender benutzt werden, um die Genauigkeit seines Spleißgerätes zu überprüfen. Dazu wird in das vordere Ende einer durchgehenden Glasfaser Licht eingekoppelt und die Lichtleistung am Austritt bestimmt. Dieser Wert entspricht einer Dämpfung von 0 dB. Nun wird die Faser in der Mitte gebrochen und an derselben Stelle wieder 63520_Eberlein_SL4.indd 161 63520_Eberlein_SL4.indd 161 12.11.2020 12: 56: 04 12.11.2020 12: 56: 04 <?page no="177"?> 162 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 162 verspleißt. Die am Powermeter gemessene Dämpfung entspricht der realen Spleißdämpfung. Rückstreumessung Ähnliche Ergebnisse kann man erzielen, indem man Sender und Empfänger aus Methode 1 durch ein Rückstreumessgerät ersetzt und dort auf die minimale Dämpfung justiert. Voraussetzung ist allerdings, dass das Rückstreumessgerät im Echtzeitmode arbeiten kann. Erschwerend kommt hinzu, dass die Koppelstelle vor dem Spleißen auf Grund des vorhandenen Luftspaltes außerdem eine hohe Reflexion erzeugt und die exakte Bestimmung des Dämpfungswertes unter Umständen schwierig ist. Des Weiteren ist meist die Genauigkeit des optischen Rückstreumessgerätes bezüglich Dämpfung nicht ausreichend. Für den praktischen Einsatz hat dieses Verfahren keine große Bedeutung, da es zu umständlich ist. Light Injection and Detection (LID) Beim LID-System wird im Spleißgerät LED-Licht bei 1300 nm über einen Biegekoppler in die eine Faser eingekoppelt, über den Spleißbereich (Luftspalt) geleitet und an der zweiten Faser ebenfalls über einen Biegekoppler die ankommende Lichtleistung gemessen. Nun justiert das Spleißgerät automatisch die Fasern in zwei Achsen (x, y) zueinander, bis der ermittelte Wert am Leistungsmesser maximal wird (wie Methode 1). Um nach dem Spleißen die Spleißdämpfung angeben zu können, wird der gemessene Leistungswert als Referenzwert abgespeichert. Nach dem Spleißvorgang wird die durchgehende Leistung erneut gemessen und vom Referenzwert subtrahiert. Als Ergebnis steht eine scheinbare Verstärkung, da der Luftspalt während der Justage noch nicht berücksichtigt wurde und durch die verspleißte Faser mehr Licht durchgeht. Daher muss von dem vorliegenden Wert noch zweimal der theoretisch bekannte Verlust an einem Glas-Luft-Übergang von 4 % abgezogen werden. Das berechnete Ergebnis hat eine Genauigkeit von etwa 0,05 dB. Nachteilig wirkt sich aus, dass die Justierung der Fasern zueinander relativ lang dauert (bis zu einer Minute) und der Biegeradius der Biegekoppler auf das einfache Stufenindexprofil von Standard-Singlemode-LWL optimiert ist. Bei NZDS-LWL kann es auf Grund des sehr komplizierten Profilverlaufs zu Fehleinkopplungen kommen und bei biegeunempfindlichen LWL funktioniert das Prinzip gar nicht. Auch dunkle Coatings können Probleme beim Ein- und Auskoppeln des Lichtes bereiten. Daher hat sich in den letzten Jahren das im Folgenden beschriebene PAS- System international durchgesetzt. 2020_LC-GmbH_LWL_Lichtwellenleiter-Technik_150x215.indd 1 63520_Eberlein_SL4.indd 162 63520_Eberlein_SL4.indd 162 12.11.2020 12: 56: 04 12.11.2020 12: 56: 04 <?page no="178"?> OTDR-Messungen im PON lasercomponents.com Unser Schulungsangebot Auch bei Ihnen vor Ort ZTV-43 Zertifizierung des Zugangsnetzes VIER TRÜMPFE für den Breitbandausbau FTTx-Ausbau Kostengünstige Spleißgeräte NUTZEN SIE UNSERE ANGEBOTE! 08142 2864-0 2020_LC-GmbH_LWL_Lichtwellenleiter-Technik_150x215.indd 1 07.08.2020 08: 52: 42 63520_Eberlein_SL4.indd 163 63520_Eberlein_SL4.indd 163 12.11.2020 12: 56: 04 12.11.2020 12: 56: 04 <?page no="179"?> 63520_Eberlein_SL4.indd 164 63520_Eberlein_SL4.indd 164 12.11.2020 12: 56: 04 12.11.2020 12: 56: 04 <?page no="180"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 163 163 Profile Aligning System (PAS) Das mittlerweile am häufigsten verwendete Verfahren zum Justieren der Fasern und zur Bestimmung des Spleißverlustes ist das PAS- oder Video-System. Dort wird die Abbildung der eingelegten Fasern auf einer oder zwei CCD-Kameras in x- und y- Richtung ausgewertet. Wie in Bild 3.12 dargestellt, werden beide Fasern quer zur Ausbreitungsrichtung in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit parallelem weißen oder blauen Licht durchstrahlt. Durch die unterschiedlichen Brechindizes von Kern und Mantel wird das Licht unterschiedlich gebündelt. Das führt zu der oben rechts dargestellten charakteristischen Abbildung, die dem Schnitt entlang der gekennzeichneten Linie entspricht. Kern Objektebene der Kamera Kerndurchmesser Manteldurchmesser s Mantel Bild 3.12: Prinzip des PAS-Systems: links schematische Darstellung, rechts Kamerabild Der innere helle Bereich stellt den Faserkern dar, die Grenze des sich anschließenden hellen Bereiches ist die Abbildung des äußeren Mantels. Die tiefschwarze Zone ist der auch in der schematischen Darstellung gut sichtbare abgeschattete Bereich. Das dargestellte Indexprofil eines NZDS-LWL oder eines Multimode-LWL unterscheidet sich deutlich von der obigen Darstellung eines Standard-Singlemode-LWL. Dadurch kann man schon beim Zusammenfahren der Fasern den prinzipiellen Typ auf dem Display des Spleißgerätes erkennen. Einige Spleißgeräte sind mit diesem System sogar in der Lage, den Kerndurchmesser der eingelegten Fasern zu bestimmen, automatisch das geeignete Spleißprogramm auszuwählen und den Bediener auf unterschiedliche Fasern hinzuweisen, beispielsweise 50 µm- und 62,5 µm-Multimode-LWL oder Standard-Singlemode-LWL und NZDS-LWL oder biegeoptimierte Fasern. Die in den Spleißgeräten verwendeten PAS-Systeme unterscheiden sich im Wesentlichen durch den Abbildungsmaßstab, das heißt durch den verwendeten CCD-Chip 63520_Eberlein_SL4.indd 163 63520_Eberlein_SL4.indd 163 12.11.2020 12: 56: 05 12.11.2020 12: 56: 05 <?page no="181"?> 164 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 164 und die nachfolgende Optik. Nicht auf allen Spleißgeräten ist der Kernbereich scharf abgegrenzt dargestellt. Das ist allerdings die Voraussetzung, um mit dem PAS-System die Kerne von Singlemode-LWL in drei Achsen präzise aufeinander ausrichten zu können, in guten Geräten mit einer Genauigkeit von 0,1 µm! 3.2.3.4 Verschmelzen der Fasern Nach der Faserjustage, je nach Anwendung entweder über passive V-Nuten oder eine aktive Kernzentrierung, beginnt der eigentliche Spleißvorgang. Der zeitliche Ablauf gliedert sich in verschiedene Abschnitte: • Reinigungslichtbogen • Vorschmelzen • Hauptlichtbogen Der Reinigungslichtbogen wurde bereits im Beginn des Abschnitts 3.2.3 beschrieben. Das Vorschmelzen hat die Aufgabe, die Faserenden aufzuweichen. Dabei werden die Kanten weiter abgerundet und kleine Unebenheiten auf den Stirnflächen eingeebnet. Das dotierte Glas im Kernbereich absorbiert die eingebrachte Energie stärker als das undotierte Quarzglas im Mantel. Im Ergebnis wird der Kernbereich schneller aufgeweicht und wölbt sich etwas nach vorn (Bild 3.13 (a)). Dadurch ist gewährleistet, dass beim gleichzeitig stattfindenden Zusammenschieben der Fasern, sich zuerst die Kernbereiche und dann erst die Mantelbereiche miteinander verbinden. Ein Lufteinschluss im Kernbereich wird daher bei normal verlaufendem Spleißvorgang ausgeschlossen (Bild 3.13 (b)). Ist die Lichtbogenintensität zu hoch, kommt es zu einer zu starken Abrundung der Kanten, was zu erhöhten Spleißdämpfungen oder mechanisch instabilen Spleißen führen kann. Weiterhin besteht die Gefahr, dass es auf Grund der starken Aufschmelzung zu einer Vermischung von Kern- und Mantelglas kommt, wodurch an der Spleißstelle die Kern-Mantel-Geometrie stark gestört wäre. Ist die Lichtbogenintensität zu gering, reicht die zugeführte Energie nicht aus, um das Glasmaterial zu erweichen. Stoßen die Fasern nun aufeinander, kann es zu einer Verformung der Fasern kommen. Im Spleißbereich tritt ein erhöhter mechanischer Stress auf, der wiederum eine erhöhte Dämpfung nach sich zieht. Der eigentliche Verschmelzungsprozess geschieht durch den Hauptlichtbogen (Bild 3.13 (c)). Entscheidende Parameter für die Güte des Spleißprozesses sind seine Dauer und Intensität in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchte. 63520_Eberlein_SL4.indd 164 63520_Eberlein_SL4.indd 164 12.11.2020 12: 56: 05 12.11.2020 12: 56: 05 <?page no="182"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 165 165 (d) (a) C C 1 2 Q V Q V (b) Q V Q V C C Q S (c) C C Q S Bild 3.13: Schematischer Überblick zum Spleißen von Multimode-LWL (Q V : Vorschweißenergie; Q S : Hauptschweißenergie; C: Vorschub der Faserenden; ν : Fließen des niedrigviskosen Quarzglases; 1: Mantel; 2: Kern): (a) vor Beginn des Spleißens (b) Vorschweißen, Ineinander fahren der Faserenden (c) Hauptschweißen, weiteres Ineinander fahren der Faserenden (d) nach dem Spleißvorgang Bietet das Spleißgerät nicht die Möglichkeit, die Spleißparameter automatisch an sich ändernde Umgebungsbedingungen anzupassen, müssen diese gegebenenfalls entsprechend folgender Tabelle manuell nachgestellt werden, beispielsweise bei einsetzendem Regen (Erhöhung der Luftfeuchte) oder intensiver Sonneneinstrahlung. Umgebung Einstellung Temperatur Luftfeuchte Spleißzeit Spleißstrom hoch hoch kurz klein hoch gering kurz groß niedrig hoch lang klein niedrig gering lang groß Tabelle 3.1: Richtlinie für die Einstellung der Spleißparameter in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen 63520_Eberlein_SL4.indd 165 63520_Eberlein_SL4.indd 165 12.11.2020 12: 56: 05 12.11.2020 12: 56: 05 <?page no="183"?> 166 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 166 Beim Einsatz im Feld oder in Tunneln muss außerdem starker Wind beachtet werden, auf den manche Spleißgeräte sehr empfindlich reagieren. Ursache ist eine Beeinflussung des brennenden Lichtbogens bei ungenügender Windabschattung im Spleißgerät. Der Lichtbogen brennt nicht mehr konstant, was zu unbefriedigenden Spleißergebnissen führt. Der zeitliche Ablauf des Spleißvorganges sowie Intensität des Lichtbogens und Vorschub differieren zwischen unterschiedlichen Spleißgeräten und sind immer auch von der zu spleißenden Faser selbst abhängig, beispielsweise von Höhe und Profil der Dotierung sowie Kerndurchmesser. Glas besitzt keinen definierten Schmelzpunkt. Für das Aufschmelzen des Glases sind Temperaturen im Bereich zwischen 2200 °C und 2500 °C notwendig. Das Glas wird dadurch in einen niedrig viskosen Zustand versetzt, aber nicht verflüssigt. In diesem weichen Zustand fährt das Spleißgerät die beiden zu verbindenden Fasern ineinander, wodurch sich, wie in Bild 3.13 dargestellt, zuerst die Kern- und dann erst die Mantelmaterialien miteinander vermischen. Bei den meisten Speißgeräten werden die Fasern nun wieder leicht auseinandergezogen, um eine Verdickung im Spleißbereich zu verhindern. Beim Auskühlen und Erhärten des Glases wird die gespleißte Faser eine exakt runde Geometrie einnehmen, da hierbei die Oberflächenspannung am kleinsten ist (Bild 3.13 (d)). Bild 3.14: Intensität des Lichtbogens und Faservorschub als Funktion der Zeit 63520_Eberlein_SL4.indd 166 63520_Eberlein_SL4.indd 166 12.11.2020 12: 56: 05 12.11.2020 12: 56: 05 <?page no="184"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 167 167 Bild 3.14 zeigt den typischen Spleißvorgang: • t 0 : Zusammenfahren der Fasern beginnt • t 1 : Lichtbogen zündet • t 2 : Auseinanderziehen der Fasern beginnt • t 3 : Lichtbogen wird abgeschaltet 3.2.3.5 Selbstjustageeffekt Beim Verbinden der beiden Fasern wirkt ein physikalischer Effekt, der dazu führt, dass sich die Fasern radial zueinander ausrichten. Verbleiben die Fasern ausreichend lang im weichen Zustand, richten sich die Außendurchmesser aufeinander aus mit dem Ziel, die Oberflächenspannung zu minimieren. Trotz eines Versatzes zwischen beiden, verursacht beispielsweise durch Schmutz in den V-Nuten, entsteht ein stetiger Übergang zwischen beiden Fasermänteln und keine Stufe. Dieser Effekt wird beim Spleißen mit V-Nut-Geräten ausgenutzt. Versätze bis zu einer Größe von etwa 4 µm können dadurch fast vollständig ausgeglichen werden. (d) (b) (a) 1 2 (c) X 1 Fs Fs Z Bild 3.15: Selbstjustageeffekt beim Spleißen von Lichtwellenleitern aus Quarzglas (Modell) (1: Mantel; 2: Kern): (a) vor dem Spleißen (b) Vorschweißen (c) Hauptschweißen (d) fertiger Spleiß 63520_Eberlein_SL4.indd 167 63520_Eberlein_SL4.indd 167 12.11.2020 12: 56: 05 12.11.2020 12: 56: 05 <?page no="185"?> 168 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 168 Allerdings führt es beim Spleißen von Singlemode-LWL in V-Nut-Geräten dazu, dass nicht die Kerne, sondern die Mäntel aufeinander ausgerichtet werden. Besitzt die Faser eine Kernexzentrizität (Kern ist nicht in der geometrischen Mitte der Faser), kommt es durch den Kernversatz zu einer erhöhten Spleißdämpfung. Beim Einsatz eines Spleißgerätes mit 3-Achsen-Kernjustierung muss der Selbstjustageeffekt ausgeschaltet werden. Anderenfalls wird dadurch die aktive Ausrichtung der Kerne zunichte gemacht. Das bedeutet, dass der zeitliche Ablauf des gesamten Spleißprozesses optimiert werden muss. Sowohl Spleißdauer als auch Spleißstrom müssen exakt auf die jeweiligen Fasern angepasst werden. Bild 3.15 zeigt, wie es durch die axiale Bewegung der Fasern zu einer starken Deformation der Kerne im Spleißbereich kommt. Mechanischer Stress und Kernversatz sowie eine Störung des Indexprofils führen auch hier zu einer erhöhten Spleißdämpfung. Der dargestellte Effekt kann sowohl durch den Selbstjustageeffekt als Folge eines Faserversatzes verursacht werden, als auch beim Spleißen von Fasern mit erhöhter Kernexzentrizität und nicht optimalen Spleißparametern auftreten. 3.2.3.6 Becksche Linie Im Spleißbereich ist häufig eine sehr feine, senkrechte Linie zu erkennen die so genannte Becksche Linie. Es handelt sich hierbei nicht um einen Spleißfehler, sondern vielmehr um eine geringe Änderung des Brechindexes an der Verbindungsstelle. Während sich das Glas im weichen Zustand befindet, diffundieren die Dotierungsionen des Kernes (meist Ge) in Richtung Faseroberfläche und setzen sich dort in erhöhter Konzentration ab. Beim Durchstrahlen der Fasern quer zur Ausbreitungsrichtung (wie beim PAS-Verfahren verwendet) wird diese Brechzahländerung als dünne Linie sichtbar. Dem sich im Kern ausbreitenden Licht wird kein zusätzlicher Widerstand entgegengesetzt, eine erhöhte Spleißdämpfung ist hier nicht nachweisbar (siehe auch Bild 3.13 (d)). Nach erfolgtem Spleiß müssen nun die beiden Parameter Dämpfung und Zugfestigkeit bestimmt werden. 3.2.4 Bestimmen der Spleißdämpfung In modernen Spleißgeräten wird die Dämpfung nach erfolgtem Spleiß angezeigt. Der Wert wird entweder mit Hilfe des LID-Systems (Verwendung von Biegekopplern) berechnet oder bei Einsatz des PAS-Systems anhand vieler verschiedener Messwerte mittels eines sehr genauen Interpolationsverfahrens bestimmt. Mittlerweile weisen beide Verfahren die gleichen Genauigkeiten auf. Nur bei älteren Geräten oder Geräten mit einer sehr geringen Auflösung des PAS- Systems kann es zu größeren Unterschieden zwischen angezeigtem und realem Dämpfungswert kommen. Die Güte des Ergebnisses hängt wesentlich von der Vergrößerung des Faserbildes und der Auflösung der CCD-Kamera ab. 63520_Eberlein_SL4.indd 168 63520_Eberlein_SL4.indd 168 12.11.2020 12: 56: 05 12.11.2020 12: 56: 05 <?page no="186"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 169 169 Darüber hinaus ist eine visuelle Überprüfung sinnvoll: Grobe Spleißfehler wie Einschlüsse, dunkle Linien, sichtbarer Kernversatz, Schlieren, eine Faserverdickung oder ein zu geringer Durchmesser im Spleißbereich sind mit bloßen Augen auszumachen. Unabhängig von der verwendeten Methode im Spleißgerät kann der exakte Dämpfungswert nur durch eine nachträgliche Messung mittels eines Rückstreumessgerätes oder eines Dämpfungsmesssets bestimmt werden. Dazu sollte bei Singlemodefasern eine beidseitige OTDR-Messung durchgeführt und die beiden Messwerte gemittelt werden. Bei Multimodefasern muss die Richtungsabhängigkeit der Spleißdämpfung bei unterschiedlichen Kerndurchmessern oder numerischen Aperturen (NA) beachtet werden, um zu einer richtigen Bewertung der real wirkenden Dämpfung zu gelangen. Tabelle 3.2 zeigt typische Fehler, deren Auswirkungen sowie Möglichkeiten zur Fehlerbehebung. Fehler Wirkung Fehlerbehebung Unsauberkeit Faserversatz putzen! ! ! Verschmutzung der Elektroden Einschlüsse Brechwinkel hoher Spleißverlust, keine Verbindung Brechwerkzeug kontrollieren relativer Winkel höherer Spleißverlust Faser drehen Spleißparameter keine oder schlechte Verbindung Lichtbogentest, anderes Spleißprogramm Umgebungsbedingungen keine oder schlechte Verbindung Lichtbogentest Elektroden höhere Spleißverluste putzen oder ersetzen unterschiedliche Faserparameter keine oder schlechte Verbindung Lichtbogentest Spleißschutz Bruch am Ende des Spleißschutzes Absetzlänge 10 mm, Spleiß mittig einlegen Einlegen in Kassette Torsionsbruch Fasern beim Einlegen in Kassette nicht verdrehen hohe Dämpfung Biegeradien in und am Austritt aus der Kassette einhalten Zugentlastung Dämpfung Biegeradien einhalten Bruch Zugentlastung nicht zu straff Tabelle 3.2: Mögliche Spleißfehler und ihre Ursachen 3.2.5 Zugfestigkeit Die Zugfestigkeit der Spleißverbindung wird im Spleißgerät mit Hilfe des Zugtestes kontrolliert. Dabei reißt die Faser fast nie direkt im Spleiß, sondern in dem Bereich, 63520_Eberlein_SL4.indd 169 63520_Eberlein_SL4.indd 169 12.11.2020 12: 56: 06 12.11.2020 12: 56: 06 <?page no="187"?> 170 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 170 wo keine Wärmeeinwirkung stattgefunden hat. Die Festigkeit der ungestörten Glasfasern liegt im Bereich von (5,5...8)∙10 6 GPa [3.1]. Die festigkeitsvermindernden Faktoren für Glas sind: • Oberflächenfehler, zum Beispiel Mikrorisse und Ablagerungen auf der Oberfläche • Ausbildungen von thermischen Spannungen im Glaskörper • Bildung von Griffithschen Rissen durch Struktureffekte. Die Festigkeit der blanken Quarzglasfaser wird also im Wesentlichen durch Schwachstellen bestimmt. Sie muss deshalb nach dem Modell des schwächsten Gliedes beschrieben werden. Für die Festigkeit der blanken Fasern mit Spleißstelle gilt: • Die Zugfestigkeit der Spleißverbindungen liegt 30 % bis 50 % niedriger als die Ausgangsfestigkeit der Fasern. • Der Bruch tritt nie in der Spleißebene auf. Erst in einer Entfernung von 0,4 mm bis 1,2 mm zur Mitte der Spleißverbindung ist eine Bruchanhäufung festzustellen [3.2]. Entsprechend Bild 3.16 sind die Ursachen dafür zu finden in: • der Aufschmelzung mit niedriger Viskosität des Glases in unmittelbarer Nähe der Spleißstelle (log η ≈ 10 4 ) • dem initiierenden Wachstum von Mikrorissen an der Faser-Oberfläche im Bereich höherer Viskositäten • den durch den technologischen Ablauf hervorgerufenen Beschädigungen an den Faseroberflächen, vor allem beim mechanischen Entfernen des Coatings • der Ausbildung von thermischen Spannungen an der Oberfläche. GE-Mittelpunkt p = 8,5 W (l = 16 m A) s p = 4,5 W (l = 8 m A) s Abstand vom Glim mentladungs(GE)-Mittelpunkt Anzahl der Brüc he Tem peratur K keine Brüc he extra poliert X M 0 2 0,1 0,2 m m 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 3400 3000 2600 2200 1800 1400 1000 600 200 4 6 8 10 12 14 16 Bild 3.16: Histogramm für die Entfernung zwischen Bruchstelle und Spleißpunkt 63520_Eberlein_SL4.indd 170 63520_Eberlein_SL4.indd 170 12.11.2020 12: 56: 06 12.11.2020 12: 56: 06 <?page no="188"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 171 171 Zugfestigkeiten für Spleißverbindungen von blanken Fasern liegen in der Größenordnung von (2...3) GPa. Torsionsbelastungen der Spleißstelle sind sehr kritisch und sollten möglichst vermieden werden. Ausfälle in Spleißkassetten sind in der Regel darauf zurückzuführen. Das Ablegen der gespleißten Lichtwellenleiter muss daher sehr sorgfältig durchgeführt werden. Der in den meisten Spleißgeräten integrierte Zugtest hat die Funktion, die Gefahr von späteren Faserbrüchen, verursacht beispielsweise durch mechanischen Stress nach thermischen Zyklen (Sommer-Winter), zu minimieren. Allerdings kann eine zu hohe Zugkraft auch dazu führen, dass sich Mikrorisse stark vergrößern, die mechanische Festigkeit geschwächt wird und es später bei mechanischer oder thermischer Belastung zum Bruch kommt. Übliche Werte beim Zugtest sind 200 g bis 250 g. Das ist ein guter Kompromiss. 3.2.6 Spleiße mit hoher Festigkeit (high strength) Besonders im Seekabelbereich besteht die Forderung nach einer möglichst guten mechanischen Belastbarkeit der Fasern und natürlich auch der Verbindungsstellen, da der Aufwand, ein Unterseekabel zu reparieren, enorm ist. Daher wird bei der Herstellung vorgefertigter Unterseekabel besonderer Wert auf die möglichst hohe Zugfestigkeit der Spleißstellen und der Faser in der Umgebung der Spleiße gelegt. Wie man aus den oben genannten Feststellungen zur Zugfestigkeit bereits entnehmen kann, beeinflussen vor allem die Arbeitsschritte zum Entfernen des Primärcoatings und das Brechen der Faser die Oberfläche der zu spleißenden Fasern. Bei der Herstellung von Spleißen mit erhöhter mechanischer Festigkeit (High- Strength-Spleißen) wird in erster Linie darauf geachtet, die ungeschützte Faser nicht zu berühren. Während des ganzen Prozesses vom Absetzen bis zum Spleißen werden die Fasern mit Hilfe von Faserhaltern gehandhabt, die die Faser am Coating festhalten und das ungeschützte Glas nicht berühren. Einige der oben beschriebenen Arbeitsschritte werden modifiziert: Absetzen und Reinigen Das Primärcoating wird prinzipiell thermisch entfernt (siehe Abschnitt 3.2.2). Danach werden die verbliebenen Reste in einem mit hochreinem Alkohol gefüllten Ultraschallbad abgespült. Brechen Spezielle Vorrichtungen ermöglichen die Verwendung von Standardbrechwerkzeugen. Ziel ist hierbei ebenfalls, die Faser möglichst wenig oder gar nicht zu berühren. Lediglich die Verletzung der Oberfläche an der Bruchstelle ist erforderlich. Die Faser wird nur auf dem Coating geklemmt. Um die beeinflusste Faserlänge so klein wie 63520_Eberlein_SL4.indd 171 63520_Eberlein_SL4.indd 171 12.11.2020 12: 56: 06 12.11.2020 12: 56: 06 <?page no="189"?> 172 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 172 möglich zu halten, wird hier mit Absetzlängen von 3 mm bis 4 mm gearbeitet. Standard ist 10 mm. Spleißen Nach dem Brechen werden beide Fasern in ein entsprechendes Spleißgerät eingelegt. Hier dürfen nur solche Geräte Verwendung finden, die zu keinem Zeitpunkt die blanken Fasern berühren oder gar festhalten. Die Fasern dürfen ausschließlich am Coating geklemmt werden! Schutz der Spleißstelle Der Schutz der Spleißstelle erfolgt je nach weiterer Anwendung durch Recoating oder Standardspleißschütze, die im folgenden Abschnitt beschrieben werden. Unter Einhaltung dieser speziellen Handhabungshinweise erzielt man eine Zugfestigkeit von besser als 20 N. 3.2.7 Schutz des Spleißes Nach dem Zugtest muss die Spleißstelle mit einem Schutz versehen werden, der die Faser gegen mechanische und Umwelteinflüsse, vor allem Feuchtigkeit, abschirmt. Es gibt verschiedene Technologien dafür: • Recoating • Schmelzspleißschutz • mechanischer Spleißschutz Beim Recoating wird mittels einer speziellen Einrichtung ein dem Original- Primärcoating sehr ähnliches Material aufgebracht, wodurch annähernd der Ausgangsdurchmesser von 250 µm wiederhergestellt wird. Dieses Verfahren wird auf Grund des geringen Durchmessers vor allem in Baugruppen verwendet. Allerdings trägt das neue Coating nicht zur Erhöhung der Zugfestigkeit bei, da es keinen guten Verbund mit dem Originalcoating eingeht. Daher ist es bei Verwendung eines Recoaters empfehlenswert, die Technologie der High-Strength-Spleiße zu verwenden (Abschnitt 3.2.6). Im Feld werden im Allgemeinen mechanische oder thermische Spleißschütze verwendet. Sie werden so angebracht, dass sie auf beiden Seiten das Coating greifen und so eine gute Zugentlastung gewährleisten. Die thermischen oder auch Schrumpfspleißschütze sind weltweit betrachtet am weitesten verbreitet. Sie basieren auf dem Prinzip eines Schrumpfschlauches, der sich bei Erwärmung zusammenzieht. Im Inneren befindet sich neben einem Metallstab oder Keramikelement zur mechanischen Verstärkung ein zweites Röhrchen aus einer besonderen Art Heißkleber, der um das Glas herum schmilzt. 63520_Eberlein_SL4.indd 172 63520_Eberlein_SL4.indd 172 12.11.2020 12: 56: 06 12.11.2020 12: 56: 06 <?page no="190"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 173 173 Der für das Schrumpfen notwendige Ofen ist in den meisten Spleißgeräten integriert. Die Verarbeitungszeit beträgt zwischen 20 und 60 Sekunden. Die derzeit verfügbaren Längen liegen zwischen 10 mm und 60 mm. Die Vorteile sind vor allem die gute mechanische Stabilität, die reproduzierbare Verarbeitungsqualität und die Querwasserfestigkeit. Die Nachteile ergeben sich aus dem höheren Platzbedarf, der langsameren Verarbeitung und dem zusätzlichen Energiebedarf für den Ofen (Bild 3.17). Bild 3.17: Schrumpfofen mit Spleißschutz (Quelle: Laser Components GmbH) Die mechanischen oder Krimpspleißschutze finden hauptsächlich im deutschsprachigen Raum ihre Anwendung. Mit einem speziellen Krimpwerkzeug wird der Spleißschutz um die Faser herumgepresst. Im Innern befindet sich ein plastisches schwarzes Material, das durch seine weiche Konsistenz das Glas einbettet. Außen besteht er aus dünnem Blech. Die Länge beträgt typisch 30 mm; andere Längen sind ebenfalls verfügbar, aber seltener im Einsatz. Seine Vorteile liegen in der schnellen Verarbeitung und dem geringen Platzbedarf. Außerdem wird das Krimpwerkzeug ohne zusätzlichen Energiebedarf manuell bedient. Nachteilig wirkt sich aus, dass je nach Handhabung viele Fehlerquellen bei der Verarbeitung existieren. Die mechanische Stabilität ist nicht sehr hoch, besonders bezüglich Druck und Biegung. Eine Resistenz gegenüber Wasser und Feuchtigkeit ist ebenfalls nicht gegeben. Nach dem Anbringen des Spleißschutzes wird die Faser mit einer Reservelänge von 0,8 m bis 1,6 m in Spleißkassetten abgelegt. Dabei werden die Spleißschütze in die entsprechenden Spleißkämme gedrückt. Die Spleißkämme unterscheiden sich je nach verwendetem Spleißschutz. Typischerweise können sie bei Verwendung der Krimpspleißschütze zwölf Fasern und bei Einsatz der Schrumpfspleißschütze sechs Fasern aufnehmen. In letzterem Fall müssen zwei Spleißkämme verwendet werden, sollen zwölf Fasern pro Kassette abgelegt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 173 63520_Eberlein_SL4.indd 173 12.11.2020 12: 56: 06 12.11.2020 12: 56: 06 <?page no="191"?> 174 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 174 Beim Ablegen der Fasern in Spleißkassetten muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass die zulässigen Mindestbiegeradien nicht unterschritten und die Fasern nicht gestresst werden. Das Einfädeln der Fasern und Anbringen einer Zugentlastung bergen hier potenzielle Gefahren. 3.3 Spezielle Spleiße 3.3.1 Faserbändchen Die Technologie der Faserbändchen ist bereits seit Anfang der 90er Jahre bekannt und wurde vor allem im amerikanischen und asiatischen Raum eingesetzt. Im deutschsprachigen Raum wurden sie erst etwa im Jahr 2000 in größerem Umfang eingeführt, vor allem im Weitverkehrs- und Stadtnetzbereich. Hauptargumente für den Einsatz von Faserbändchen sind zum einen die extrem hohe Faseranzahl bezogen auf den Querschnitt, das heißt der sehr viel geringere Platzbedarf. Es werden Packungsdichten von neun Fasern pro mm² Querschnitt erreicht, statt 0,3 Fasern/ mm² bei Verwendung von Kabeln mit Einzelfasern. Heute werden Kabel mit bis zu 4.000 Fasern gefertigt. Betrachtet man vor allem im Citynetzbereich das immer geringer werdende Platzangebot zur Verlegung der Kabel, kann die Packungsdichte zu einem wichtigen Parameter werden. Darüber hinaus können bei gleicher Faseranzahl pro Kabel größere Längen Kabel auf eine Trommel aufgewickelt und zum Einziehen oder Einblasen zur Verfügung gestellt werden. Bändchenkabel lassen sich schneller verlegen. Die Praxis hat gezeigt, dass bei Einsatz von 12er-Bändchen die Installation etwa viermal schneller erfolgen kann als bei Verwendung von Einzelfasern. Faserbändchen oder auch Ribbon Fiber bestehen aus mehreren primärbeschichteten Fasern, die über eine Art Lack (UV härtendes Resin) miteinander verbunden sind. Sie können 2, 4, 8, 12 oder 24 Fasern enthalten. Bild 3.18: Beispiel für ein 4er- und 8er-Faserbändchen 63520_Eberlein_SL4.indd 174 63520_Eberlein_SL4.indd 174 12.11.2020 12: 56: 06 12.11.2020 12: 56: 06 <?page no="192"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 175 175 In Bild 3.18 sieht man bei dem 8er-Bändchen nach der vierten Faser eine Sollbruchstelle. Dort kann das Bändchen leicht aufgetrennt und wie zwei 4er-Bändchen weiterverarbeitet werden. Neuere Faserbändchen sind die so genannten Rollable Ribbon. Hier wird auf die zusätzliche Lackschicht verzichtet. Der Zusammenhalt der Fasern wird durch längst versetzte punktförmige Verbindungsstellen zwischen den Fasern erreicht. Mit dieser Bauform kann die Faserdichte nochmals um den Faktor 2 gegenüber den klassischen Faserbändchen erhöht werden (zum Beispiel 3.456 Fasern in einem 50 mm Innenrohr statt 1.728 Fasern). Hier wird zusätzlich noch der Trend zu geringeren Coatingdurchmessern, von 250 µm zu nur noch 200 µm für das Primärcoating, aufgegriffen. Bild 3.19: Rollable Ribbon, 12 Fasern (Quelle: OFS) Der große Vorteil der Rollable Ribbon Fiber ist, dass die Fasern eng zusammengerollt und beliebig abgelegt werden können. Bei den klassischen Faserbändchen muss darauf geachtet werden, dass die Bändchen nicht über die schmale Achse gebogen werden, da sonst in den äußeren Fasern verstärkter Stress auftritt: Stauchung bei den inneren und Streckung bei den äußeren Fasern. Bild 3.20: Links: 12er-Bändchen in V-Nuten; rechts: Bildschirm mit 12er-Bändchen (Quelle: Laser Components GmbH) 63520_Eberlein_SL4.indd 175 63520_Eberlein_SL4.indd 175 12.11.2020 12: 56: 07 12.11.2020 12: 56: 07 <?page no="193"?> 176 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 176 Zum Spleißen von Faserbändchen werden spezielle Spleißgeräte benötigt. Sie basieren auf dem V-Nut-Prinzip wie bereits beim Einzelfaserspleißen beschrieben. Das Kernstück sind zwei Keramikblöcke mit jeweils 4, 8 oder 12 V-Nuten, die die einzelnen Fasern aufnehmen und sie in einem Spleißvorgang miteinander verbinden. Die Anordnung der Elektroden ist gegenüber Einzelfaserspleißgeräten etwas modifiziert, um einen möglichst gleichmäßigen Lichtbogen über alle Fasern zu gewährleisten. 3.3.1.1 Vorbereiten der Faserbändchen Während des gesamten Spleißprozesses, inklusive Vorbereitung, werden die Bändchen in Faserhaltern gehandhabt. Für jede Faseranzahl gibt es spezielle Halter, die gewährleisten, dass von den zur Verfügung stehenden Nuten auf beiden Seiten die gleichen verwendet werden; auch Einzelfasern können auf diese Weise gespleißt werden. Das Absetzen des Lackes und des jeweiligen 200 µm- oder 250 µm-Primärcoatings erfolgt thermisch (siehe auch Abschnitt 3.2.2). Das Faserbändchen wird dazu mit Hilfe des Faserhalters in einen thermischen Abstripper gelegt, der das Coating erwärmt und in einem Arbeitsschritt abzieht. Bild 3.21: Links: thermischer Abstripper; rechts: Brechwerkzeug (Quelle: Laser Components GmbH) Danach werden die Fasern mit fusselfreien Tüchern und hochreinem Alkohol gründlich gesäubert, bis keine Schmutz- und Coating-Rückstände mehr vorhanden sind. In der Industrie oder im Labor kann hier auch ein Ultraschallreiniger verwendet werden, der außerdem die mechanische Belastung reduziert. Das Bändchen wird dann mit einem Standardbrechwerkzeug gebrochen. Alle Fasern haben nun die gleiche Länge und eine saubere Stirnfläche und können wieder mit Hilfe des Faserhalters in das Spleißgerät eingelegt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 176 63520_Eberlein_SL4.indd 176 12.11.2020 12: 56: 07 12.11.2020 12: 56: 07 <?page no="194"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 177 177 Unter Laborbedingungen, wie zum Beispiel in der Produktion, ist es darüber hinaus auch möglich, mehrere Einzelfasern miteinander zu verspleißen. Dazu stehen speziell entwickelte Faserhalter für unterschiedliche Faserzahlen (4, 6, 8, 12) zur Verfügung, die ein definiertes Einfädeln der Einzelfasern in der richtigen Reihenfolge ermöglichen. Die verspleißten Fasern werden mit einem einzigen Bändchenspleißschutz geschützt. 3.3.1.2 Spleißen der Faserbändchen Da die Bändchenspleißgeräte lediglich auf dem V-Nut-Prinzip basieren, ist höchstes Augenmerk auf eine saubere Verarbeitung zu legen. Es dürfen weder an den Fasern noch in den V-Nuten selbst irgendwelche Verschmutzungen sein, da sie sofort zu einem Versatz zwischen den gegenüberstehenden Fasern führen würden. Eine ausführliche Beschreibung der Effekte, die in V-Nut-Geräten auftreten, erfolgte im Abschnitt 3.2.3. Alle Bändchenspleißgeräte arbeiten ausschließlich mit dem PAS-System, um die Fasern begutachten und den Spleißverlust bestimmen zu können. Mit zwei Kameras werden in zwei rechtwinkligen Blickwinkeln der Faserversatz, der Abstand der Fasern zueinander sowie die Bruchwinkel bestimmt. Ist alles innerhalb der voreingestellten Toleranzen, wird der Spleißvorgang gestartet. Der weitere Ablauf ist identisch dem Spleißen von Einzelfasern, inklusive Zugtest. Spleißen von Faserbändchen mit 200 µm Coating Eine neue Herausforderung an die Hersteller von Bändchenspleißgeräten stellt die Reduzierung des Primärcoatings von 250 µm auf 200 µm dar. Beim Bändchenspleißen führt das zu einem geringeren Mittenabstand der Fasern und die herkömmlich verwendeten V-Nuten funktionieren nicht mehr. Bei der neuesten Generation der Bändchenspleißgeräte von FITEL (S124M12, 2019) können die V-Nuten gewechselt werden, so dass hiermit alle Bändchen trotz unterschiedlicher Coating-Durchmesser verspleißt werden können. 3.3.1.3 Grenzwerte für Spleißdämpfung Um den Vorteil einer schnelleren und damit preiswerteren Installation wirklich nutzen zu können, ist es von größter Wichtigkeit, sinnvolle Grenzwerte für die maximal zulässigen Spleißdämpfungen zu definieren. Werden hier die Grenzen zu eng gesetzt, beispielsweise 0,10 dB pro Spleiß, wird dieser Vorteil durch einen erhöhten Installations- und Messaufwand zunichte gemacht. Als sinnvoll hat sich die Definition einer mittleren Spleißdämpfung erwiesen: Alle Spleiße einer Faser über der gesamten Strecke werden aufsummiert und durch ihre Anzahl geteilt (arithmetisches Mittel). 63520_Eberlein_SL4.indd 177 63520_Eberlein_SL4.indd 177 12.11.2020 12: 56: 07 12.11.2020 12: 56: 07 <?page no="195"?> 178 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 178 Hier als Beispiel eine in der Praxis bewährte Vorgabe eines Netzbetreibers: Der mittlere Wert sollte in der Größenordnung von 0,15 dB liegen. Maximalwerte von 0,25 dB sind zulässig, da sie sich über die Strecke betrachtet durch bessere Spleiße an anderer Stelle ausgleichen lassen. Einzelne „Ausreißer“ bis 0,40 dB sind dann zugelassen, wenn auch erneutes Spleißen nicht zu einer Verbesserung führt. 3.3.1.4 Schutz des Spleißes Spleiße von Faserbändchen werden mit einem thermischen Spleißschutz gegen mechanische und Umwelteinflüsse geschützt. Krimpspleißschutze sind hier ungeeignet. Der thermische Spleißschutz enthält meist ein flächiges Keramikelement zur mechanischen Stabilisierung und hat typischerweise eine Länge von 40 mm oder 60 mm. 3.3.1.5 Abschluss der Strecke An den Enden einer Strecke aus Faserbändchen müssen die Fasern einzeln in Patchfeldern aufgelegt werden. Das Anspleißen der einzelnen Pigtails kann entweder in Form von Einzelspleißen erfolgen oder durch Haltern aller anzuspleißenden Pigtails in einem Faserhalter und Ausführen eines Bändchenspleißes. Im ersten Fall wird das Faserbändchen vorher vereinzelt und jeder Spleiß mit einem eigenen Spleißschutz geschützt. Im zweiten Fall wird der Spleiß mit einem Bändchenspleißschutz geschützt. Darüber hinaus sind auch vorkonfektionierte Systeme verfügbar, beispielsweise Fanouts, die dann über einen normalen Bändchen-Bändchen-Spleiß angeschlossen werden. 3.3.2 Spleißen unterschiedlicher Fasern In manchen Anwendungsfällen lässt es sich nicht vermeiden, unterschiedliche Fasern miteinander zu verbinden. Auch hier gilt die Prämisse, die Dämpfung möglichst klein zu halten und den Übergang möglichst stetig zu gestalten. 3.3.2.1 Standard-Singlemode-LWL auf biegeoptimierte Lichtwellenleiter (BIF) Biegeoptimierte oder auch biegeunempfindliche LWL sind spezielle Fasern, die einen engeren Biegeradius als bei Standardfasern erlaubt zulassen, ohne eine Dämpfungserhöhung zu verursachen. Dadurch ist es möglich, auch bei Biegeradien im Bereich von unter 10 mm eine nahezu verlustlose Übertragung sicherzustellen. Sie werden sowohl im Multimode- (Abschnitt 1.3.4) als auch im Singlemodebereich (Abschnitt 1.3.11) angeboten, wobei letztere häufiger zum Einsatz kommen. Vor allem im FTTx-Anschlussbereich und in Gebäuden bei engen räumlichen Verhältnissen finden Sie ihre Anwendung. 63520_Eberlein_SL4.indd 178 63520_Eberlein_SL4.indd 178 12.11.2020 12: 56: 07 12.11.2020 12: 56: 07 <?page no="196"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 179 179 Eine Standardisierung dieser speziellen Singlemodefasern ist in der ITU G.657.x hinterlegt, in der auch die minimalen Biegeradien definiert sind. Einen Vergleich mit dem Standard-Singlemode-LWL (G.652) finden Sie in Tabelle 3.3. ITU-T Empfehlung G.652.D G.657.A G.657.B Beschreibung Standard SMF mit geringem Wasserpeak biegeoptimierte Faser biegeunempfindliche Faser Einsatzgebiete Backbone, Metro, Verteilfasern Anschlussbereich mit kleinen Gehäusebauformen Tabelle 3.3: Vergleich Standard-Singlemode-LWL mit biegeoptimierten LWL Die verbesserte Biegeunempfindlichkeit wird durch ein stark verändertes Brechzahlprofil erreicht. Dazu wird der Brechungsindex im Mantel durch geeignete Maßnahmen so verringert bzw. modifiziert, dass das Licht stärker im Kern geführt und auch bei kleinen Biegeradien nicht in den Mantel abgestrahlt wird. Bild 3.22: Vergleich der Brechzahlprofile und Modenfelddurchmesser von Standard- Singlemode-LWL (links), BIF mit Grabenstruktur (Mitte), BIF mit Nanostruktur (rechts) Bild 3.23: Faserstirnflächen (Quelle: HUBER+SUHNER [3.3]) Verwendete Methoden hierfür sind die Einbringung einer ringförmigen mit Fluorid dotierten Schicht in den Mantel, in der der Brechungsindex grabenförmig um den Kern verringert wird (engl.: trench-assisted oder depressed clad) oder der Einsatz 63520_Eberlein_SL4.indd 179 63520_Eberlein_SL4.indd 179 12.11.2020 12: 56: 07 12.11.2020 12: 56: 07 <?page no="197"?> 180 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 180 einer ringförmigen Nanostruktur aus Hohlräumen im Glasmantel (engl.: nano structured), welche auch zu einer Reduzierung des effektiven Brechungsindexes in den entsprechenden Bereichen führt (Bilder 3.22 und 3.23). Das Verbinden der BIF-LWL untereinander oder auf Standard-Singlemode-LWL kann mit Standardspleißgeräten erfolgen. Allerdings sind hierbei einige Besonderheiten zu beachten: Durch das stark modifizierte Brechzahlprofil stellen sich die BIF-LWL auf der Kamera der Spleißgeräte mit PAS-System ganz anders dar. Sieht man beim Standard-Singlemode-LWL den Kern als zwei deutlich abgegrenzte schwarze Linien, ergeben sich bei der Grabenstruktur mindestens vier Linien und bei der Nanostruktur ist der Kern durch den Bereich mit den Nanolöchern abgedeckt und nicht sichtbar. Je nach Hersteller und verwendetem Prinzip zur Biegeoptimierung müssen am Spleißgerät spezielle Programme eingestellt werden. Die Unterschiede zwischen den Programmparametern liegen vor allem in der Vorgabe der richtigen Modenfelddurchmesser zur Berechnung des erreichten Spleißverlustes und der Auswahl der Justageart. Lichtwellenleiter mit Nanostrukturen können nur auf den Mantel ausgerichtet werden, da der Kern mittels PAS-System nicht sichtbar ist. Sollen Lichtwellenleiter mit Grabenstruktur verspleißt werden, muss dem Spleißgerät die zu erwartende Indexstruktur bekannt sein, damit die richtigen Strukturen aufeinander ausgerichtet werden und eine Kernjustage möglich ist. Die meisten Spleißgerätehersteller bieten hierfür optimierte Spleißprogramme an. In einigen Geräten ist ein speziell angepasstes Automatikprogramm für Singlemode- LWL vorhanden, das selbständig auf beiden Seiten den richtigen Kerndurchmesser ermittelt. Sollte eine Kernjustage nicht möglich sein, erreicht man auch mit der Manteljustage befriedigende Ergebnisse. Allerdings ist die Spleißdämpfung höher als bei einer Kernzentrierung. Standard-Automatikprogramme erkennen nur drei verschiedene Fasertypen: Singlemode-, Multimode- und NZDS-LWL. Die unterschiedlichen Typen der BIF-LWL sind dort nicht hinterlegt. Das führt im Allgemeinen dazu, dass das Spleißgerät auf das Multimode-Programm zurückgreift. Abzuraten ist in jedem Fall von der Verwendung eines Multimode-Spleißprogrammes. Die hier verwendete sehr lange Spleißzeit führt zu starken Diffusionsprozessen und zerstört die Brechindexstruktur im Spleißbereich, wodurch es zu einer erhöhten Dämpfung kommt. Eine Justage der BIF-LWL unter Verwendung des LID-Systems (siehe Abschnitt 3.2.3) ist nicht möglich, da die dort verwendeten Biegekoppler auf Standard-Singlemode- LWL optimiert sind und kein Licht in den Kern eines BIF-LWL einspeisen können. Die Verwendung von V-Nut-Spleißgeräten ist durchaus möglich, wenn die vorgegebenen Toleranzen für die Spleißdämpfungen das zulassen. Vorgaben < 0,3 dB sind hier sinnvoll. Da ein V-Nut-Gerät den Faserkern nicht detektieren kann, sind die angezeigten Werte der Spleißdämpfung für diese Fasertypen eher zweifelhaft. 63520_Eberlein_SL4.indd 180 63520_Eberlein_SL4.indd 180 12.11.2020 12: 56: 07 12.11.2020 12: 56: 07 <?page no="198"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 181 181 3.3.2.2 Standard-Singlemode-LWL auf NZDS-LWL Faser-Pigtails aus NZDS-LWL (Non Zero Dispersion Shifted) werden von verschiedenen Herstellern angeboten. Stehen Sie nicht zur Verfügung, können als Abschluss an eine NZDS-Strecke im Weitverkehrsbereich auch Standard-Singlemode-Pigtails angespleißt werden. Die Verbindung ist nicht optimal, da sich die Modenfelddurchmesser der verschiedenen Fasern unterscheiden (Tabelle 1.12). Das führt in Abhängigkeit von der jeweiligen Kombination zu unterschiedlichen Spleißdämpfungen (Abschnitt 4.4.3). Man beachte, dass der Koppelverlust zwischen Singlemode-LWL nicht von der Richtung abhängt. Er tritt also sowohl am Übergang vom kleineren zum größeren Modenfelddurchmesser als auch in umgekehrter Richtung auf. Die Werte in den Tabellen von Abschnitt 4.4.3 wurden aus den Herstellerangaben der typischen Modenfelddurchmesser berechnet. Da herstellungsbedingt immer Toleranzen möglich sind, können diese Werte sowohl in positiver als auch in negativer Richtung abweichen. Bezogen auf die Gesamtdämpfung der Strecke ist die zusätzliche Dämpfung der beiden Spleiße meistens vernachlässigbar. Die unterschiedlichen Modenfelddurchmesser ergeben sich aus den unterschiedlichen Brechzahlprofilen der Fasern. Während der Standard-Singlemode-LWL ein Stufenindexprofil mit einem Durchmesser von etwa 8,3 µm hat, sind die Profile der NZDS-LWL sehr viel komplizierter aufgebaut und haben Kerndurchmesser von 6 µm bis 7 µm (Bild 3.24). Die Brechzahlüberhöhung im Kernbereich in Bild 3.24 ist etwa doppelt so hoch wie beim Standard- Singlemode-LWL. Bild 3.24: Brechzahlprofil einer NZDS-Faser (Quelle: OFS) 63520_Eberlein_SL4.indd 181 63520_Eberlein_SL4.indd 181 12.11.2020 12: 56: 08 12.11.2020 12: 56: 08 <?page no="199"?> 182 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 182 Die zusätzlichen kleineren Indexerhöhungen neben dem eigentlichen Kern dienen dazu, dass sich das Modenfeld weiter in den Mantelbereich ausdehnt und daher die Modenfeldunterschiede nicht so extrem ausfallen, wie der große Unterschied der Kerndurchmesser zwischen Standard-Singlemode-LWL und NZDS-LWL erwarten ließe. Beim Spleißen solch unterschiedlicher Fasern kommt es erwartungsgemäß zu sehr inhomogenen Übergängen, an denen eine neue, ausbreitungsfähige Mode angeregt werden muss. Die verwendeten Spleißgeräte sollten nach Möglichkeit auf diese Anwendungen optimierte Programme besitzen. Ziel ist es, beide Kernbereiche möglichst symmetrisch miteinander zu verbinden und Spleißzeit und Spleißstrom so zu optimieren, dass die Diffusionsprozesse der unterschiedlichen Dotierungsmaterialien beider Kerne nicht zu stark werden. Bild 3.25 zeigt einen derartigen Spleißprozess. Im rechten Bild ist gut zu erkennen, dass der kleinere Kernbereich der TrueWave-Faser mittig mit dem Kern des Standard-Singlemode-LWL verbunden wurde, ohne dass die Brechzahlprofile sich zu stark durchmischt haben. Bild 3.25: Spleißen eines Standard-Singlemode-LWL (links) auf TrueWave (rechts) mit dem Spleißgerät FITEL S179. Linkes Bild: vor dem Spleiß, rechtes Bild: fertiger Spleiß. Spleißdämpfung 0,05 dB. (Quelle: Laser Components GmbH) Bei der messtechnischen Bestimmung der Spleißdämpfung mittels eines Rückstreumessgerätes ist es auf jeden Fall notwendig, die Messung von beiden Seiten auszuführen und das arithmetische Mittel zu bilden. Grund ist das stark unterschiedliche Rückstreuverhalten beider Fasern (siehe Abschnitt 4.4). 3.3.2.3 Singlemode-LWL auf hochdotierte Spezialfasern Der wichtigste Anwendungsfall hierfür ist das Spleißen vom Singlemode-LWL auf Erbium-dotierte Fasern (Er + -Fasern), die in optischen Verstärkern (EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier) verwendet werden. Das Besondere an Er + -Fasern ist der kleine Kerndurchmesser (3 µm bis 5 µm) und die hohe Dotierungskonzentration im Kernbereich. Das führt bei einfachem Aufeinanderspleißen zu sehr hohen Fehlanpassungen und Verlusten am Übergang. 63520_Eberlein_SL4.indd 182 63520_Eberlein_SL4.indd 182 12.11.2020 12: 56: 08 12.11.2020 12: 56: 08 <?page no="200"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 183 183 Daher wird hier ein spezieller Effekt ausgenutzt: Der Wärmeeintrag durch den Lichtbogen führt zu einer Aufweitung des Dotierungsbereiches, das heißt die Erbium- Ionen diffundieren in den Mantelbereich. Der Grad der Aufweitung ist abhängig von der Höhe der Dotierungskonzentration: Je höher die Konzentration, desto stärker die Aufweitung. Da eine Standard-Singlemodefaser nicht so hoch dotiert ist wie eine Er + -Faser, weitet sich der Singlemodekern langsamer auf. Daher gibt es einen Zeitpunkt, an dem die Kerne ungefähr gleichen Durchmesser haben und die Übergangsdämpfung minimal ist. Im untenstehenden Bild 3.26 wird dieser Effekt grafisch dargestellt. Der Pfeil an der Kurve markiert den Zeitpunkt, an dem beide Kerne annähernd gleichen Durchmesser haben und der Spleißverlust am geringsten ist. Zeit Spleißverlust Bild 3.26: Thermische Aufweitung des Kernbereiches (oben: SMF; unten: Er + -Faser) In der praktischen Umsetzung übernimmt das Spleißgerät, sofern es dafür vorgesehen ist, die automatische Steuerung. Es werden nacheinander mehrere Lichtbogen gezündet und im Anschluss jeweils die beiden Kerndurchmesser vermessen. Ist der Punkt erreicht, an dem die Kerndurchmesser annähernd gleich sind, wird der Spleißvorgang beendet. Diese Spleißgerätefunktion wird auch TCE (Thermal Core Expanding) genannt. Da für die Ausbreitung des Lichtes aber nicht die Gleichheit der Kerndurchmesser, sondern die Übereinstimmung der Modenfelddurchmesser relevant ist, muss bei der Bestimmung des optimalen Punktes die spätere Betriebswellenlänge beachtet werden. Daher bieten einige Spleißgeräte mehrere Programme für das Spleißen der gleichen Faserkombination an, beispielsweise Standard-Singlemode-LWL auf Er + -Faser optimiert für 980 nm/ 1480 nm oder 1550 nm. 63520_Eberlein_SL4.indd 183 63520_Eberlein_SL4.indd 183 12.11.2020 12: 56: 08 12.11.2020 12: 56: 08 <?page no="201"?> 184 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 184 3.3.2.4 Singlemode-LWL auf Multimode-LWL Das Verbinden von Singlemode-LWL mit einem 8 µm-Kern mit Multimode-LWL mit 50 µm oder 62,5 µm Kerndurchmesser ist prinzipiell möglich, aber mit großen Dämpfungen zumindest in Richtung Singlemode-LWL verbunden. Dort muss auf Grund der unterschiedlichen Kerndurchmesser und numerischen Aperturen mit einer Spleißdämpfung von etwa 21 dB gerechnet werden. Der Übergang vom Singlemode-LWL auf den Multimode-LWL ist nahezu verlustfrei. In der Praxis gibt es zwei relevante Anwendungen: Übergang von SMF auf MMF bei unidirektionaler Nutzung Dabei muss allerdings auch für die Zukunft gewährleistet sein, dass nur diese eine Richtung genutzt wird. Die Übertragung erfolgt ausschließlich bei 1300 nm. Gigabit-Ethernet Beim Gigabit-Ethernet werden auf Grund der hohen Übertragungsbandbreite ausschließlich Lasersender eingesetzt, die im Normalfall ein Singlemode-Pigtail als Ausgang besitzen. Das Netzwerk kann aus Multimode-LWL aufgebaut sein, so dass ein Spleiß Singlemode-LWL auf Multimode-LWL notwendig wird. Die beiden Fasern werden mittig aufeinander gespleißt. Dabei gibt es eine Besonderheit zu beachten: Hat der verwendete Multimode-LWL den typischen Mittendip im Indexprofil, ist nur noch eine sehr kleine Übertragungslänge möglich, wenn das Laserlicht genau mittig eingekoppelt wird. Dieser Effekt wir als DMD (Differential Mode Delay) bezeichnet, das heißt, es treten große Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Moden auf, die zu einer starken Impulsverbreiterung führen und damit die Übertragungslänge begrenzen. In diesem Fall muss der Singlemode-LWL um etwa 5 µm bis 10 µm versetzt mit dem Multimode-LWL verbunden werden (Bild 3.27). Dazu gibt es in einigen Spleißgeräten optimierte Spezialprogramme (zum Beispiel im FITEL S177 bis S179). SMF (9 µm) MMF (50 µm) Versatz 5 µm bis 10 µm Bild 3.27: Spleißen von Singlemode-LWL auf Multimode-LWL mit radialem Versatz 63520_Eberlein_SL4.indd 184 63520_Eberlein_SL4.indd 184 12.11.2020 12: 56: 08 12.11.2020 12: 56: 08 <?page no="202"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 185 185 3.3.3 Spleißen polarisationserhaltender Fasern (PMF) [3.4] Polarisationserhaltende Fasern werden überall dort eingesetzt, wo die Kontrolle der Polarisation von Interesse ist, wie zum Beispiel im Bereich der kohärenten Übertragung, der Sensorik und Medizintechnik. Es handelt sich hierbei um spezielle Singlemodefasern, die sich durch eine besondere Eigenschaft auszeichnen: die Erhaltung des Polarisationszustandes des eingekoppelten Lichts während der Übertragung. Die Grundmode des Singlemode-LWL besteht genau genommen aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Polarisationsmoden (Abschnitt 1.3.14). Beide breiten sich im Singlemode-Kern aus und es kommt zwischen ihnen zur Überkopplung von Energie und Laufzeitunterschieden während der Übertragung. Ursache sind Doppelbrechungseffekte durch äußeren und/ oder inneren Stress (zum Beispiel Biegung, Querdruck) und Unvollkommenheiten des Faserkerns. Dadurch kann der Polarisationszustand des übertragenen Lichts entlang der Faser jede mögliche Form annehmen, von linear polarisiert über elliptisch polarisiert bis zirkular polarisiert. Der spezielle Aufbau der PM-Faser verhindert das Überkoppeln von optischer Leistung zwischen den beiden Moden weitestgehend. Dadurch bleibt der Polarisationszustand des eingekoppelten Lichtes erhalten. Es sind verschiedene Typen von PM- Fasern bekannt: PANDA, Bow Tie, TIGER, elliptischer Kern und elliptischer Mantel. Bild 3.28: Faseraufbau polarisationserhaltender Fasern Die schwarz dargestellten Bereiche sind während der Herstellung der Faser injizierte Stresszonen mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das umgebende Mantelmaterial, was zu asymmetrischem Stress innerhalb der Faser führt. Das wiederum erhöht gezielt die Doppelbrechung der Faser in einer Achse. Die ursprüngliche Doppelbrechung einer normalen Faser, die durch die in Abschnitt 1.3.14 oben beschriebenen äußeren und inneren Einflussfaktoren erzeugt wird, ist sehr viel geringer und somit vernachlässigbar. 63520_Eberlein_SL4.indd 185 63520_Eberlein_SL4.indd 185 12.11.2020 12: 56: 08 12.11.2020 12: 56: 08 <?page no="203"?> 186 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 186 Starke Doppelbrechung wird möglich, da es in der Faser zwei unterschiedliche Brechindizes für die beiden Polarisationsmoden gibt. Dadurch ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit beider Moden unterschiedlich. Bild 3.29: Schnelle + langsame Achse in PMF Die Doppelbrechung (engl.: Birefringence) ist definiert als B = n slow n fast (3.1) das heißt als die Differenz zwischen dem Brechindex in der langsamen Achse (slow) und dem in der schnellen Achse (fast). Der Anteil des Lichtes, der in Richtung der schnellen Achse (fast axis) eingekoppelt wird, wird bevorzugt weitergeleitet. Ein weiterer wichtiger Parameter in PM-Fasern ist das Extinktionsverhältnis E r . Es stellt ein Maß für die Güte der Trennung beider Achsen dar und kann als Kriterium für die Präzision der Kopplung zwischen zwei PM-Fasern herangezogen werden, zum Beispiel beim Spleißen oder Stecken. Das Extinktionsverhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der optischen Leistung in der schnellen Achse zu der in der langsamen Achse: dB in P P lg 10 E fast slow r = (3.2) Typische Werte für polarisationserhaltende Fasern liegen im Bereich von 25 dB bis 40 dB je nach Fasertyp und -hersteller. Bild 3.30: Rotationsmechanismus (Quelle: Laser Components GmbH) 63520_Eberlein_SL4.indd 186 63520_Eberlein_SL4.indd 186 12.11.2020 12: 56: 09 12.11.2020 12: 56: 09 <?page no="204"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 187 187 Das Spleißen von PM-Fasern erfolgt mit speziell dafür entwickelten Spleißgeräten, die neben der üblichen Ausrichtung in drei Raumachsen zusätzlich noch die Drehung beider Fasern ermöglichen. Die Justage der Fasern zueinander erfolgt über das PAS-System. Dafür werden im Spleißgerät für verschiedene PM-Fasern die zu erwartenden Graustufenprofile hinterlegt. Danach kann das Spleißgerät nach Vorgabe des eingelegten Fasertyps automatisch auch die Rotationsebenen aufeinander ausrichten. Als Beispiel zeigen die Bilder: PANDA-FASER Bild 3.31 und Bild 3.32 das Verspleißen von PANDA-Fasern. Zuerst wird die eine Rotationsachse so gedreht, dass die beiden Stresszonen in der X-Achse symmetrisch zu sehen sind und danach wird die zweite Rotationsachse darauf ausgerichtet. Bei modernen Spleißgeräten wie dem FITEL S18xPM ist die Ausrichtung der Rotationsachsen mit einer Winkelgenauigkeit von ≤ 1° möglich. Bild 3.31 (links): Justage von PANDA-Fasern Bild 3.32 (rechts): X- und Y-Ansicht von PANDA-Fasern am Spleißgerät FITEL S183PM (Quelle: Laser Components GmbH) Bild 3.33: Zusammenhang zwischen Extinktionsverhältnis und Winkelabweichung Mit dieser Genauigkeit ergibt sich entsprechend der obigen Formel ein Extinktionsverhältnis nach dem Spleißen von 35 dB oder besser. Der Einfügeverlust bei gleichen Fasertypen (z. B. PANDA auf PANDA) liegt im Bereich von 0,05 dB. 63520_Eberlein_SL4.indd 187 63520_Eberlein_SL4.indd 187 12.11.2020 12: 56: 09 12.11.2020 12: 56: 09 <?page no="205"?> 188 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 188 Bild 3.34: Abhängigkeit des Extinktionsverhältnisses vom Rotationswinkel Für spezielle Anwendungsfälle kann es notwendig sein, die Stresszonen nicht exakt aufeinander auszurichten, sondern einen definierten Versatz von z. B. 45° oder 90° zu realisieren (Bild 3.35). Bild 3.35: Unterschiedliche Ausrichtung zweier PMF aufeinander Der 90°-Versatz kann zum Beispiel zur Kompensation der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten beider Polarisationsmoden Anwendung finden. Ein 45°-Versatz erzeugt eine Depolarisation. Das Spleißen von unterschiedlichen PM-Fasern (zum Beispiel PANDA auf TIGER) ist ebenfalls möglich, allerdings ist hier meistens der Spleißverlust etwas höher und das Extinktionsverhältnis geringer. 63520_Eberlein_SL4.indd 188 63520_Eberlein_SL4.indd 188 12.11.2020 12: 56: 09 12.11.2020 12: 56: 09 <?page no="206"?> 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 189 189 Beim Spleißen von polarisationserhaltenden auf nicht polarisationserhaltende Fasern (zum Beispiel herkömmliche Telekommunikationsfasern) ist keine Ausrichtung der Drehachse erforderlich. Daher kann das auch mit einem 3-Achsen-Spleißgerät erfolgen, wobei die Ausrichtung der Fasern zueinander über die Justage der Mäntel erfolgt. Die Höhe des Spleißverlustes hängt in diesem Fall hauptsächlich von der Exzentrizität der Fasern ab und inwieweit die Modenfelddurchmesser übereinstimmen. 3.4 Ausblick Im Weitverkehrsbereich und in Stadtnetzen haben sich Lichtwellenleiter bereits als das bevorzugte Übertragungsmedium durchgesetzt. Aber auch im Bereich der CATV-Netze und beim Erstellen von Gebäude- und Campusverkabelungen wächst zunehmend die Erkenntnis, dass das Medium Glasfaser erhebliche Vorteile gegenüber Kupferkabeln besitzt. Übertragungsraten im Gigabit-Bereich lassen in vielen Bereichen kein anderes Übertragungsmedium mehr zu. Über neue Übertragungsprotokolle mit mehreren parallelen Übertragungswegen (zum Beispiel vier oder acht Wellenlängen parallel in separaten Fasern) halten nun Transceiver mit MPO-Steckern und Faserbändchen Einzug, wodurch das Thema Bändchenspleißen wieder interessant wird. Eine wachsende Anzahl von Schlagworten wie Fiber-to-the-Home, Fiber-to-the-Desk, Fiber-to-the-Curb und ähnliche (Kapitel 5) künden vom Vormarsch der Glasfaser. In Kombination mit drahtloser Übertragung ist sie heute das bevorzugte und zukunftssicherste Medium für die Datenübertragung über mittlere und große Strecken. Im Mobilfunkbereich werden die Antennen durch Glasfasern angesteuert und auch die zukünftige 5G-Technologie erfordert eine LWL-Verkabelung für möglichst geringe Laufzeiten und hohe Bandbreiten. Die Entwicklung der Spleißgeräte hat einen Stand erreicht, der es gestattet, schnell und reproduzierbar LWL-Verbindungen von sehr guter Qualität herzustellen. Damit kommt man dem physikalisch Machbaren bereits sehr nahe. Die Spleißgeräte selbst werden immer leichter und kleiner, die Akkulaufzeiten steigen und die Bedienung wird intuitiver. Neueste Modelle besitzen Touchscreen und WIFI, speichern automatisch die Spleißbilder ab und lassen sich über ein App steuern und updaten. Die Entwicklung geht einerseits in Richtung Handspleißgeräte mit Kernzentrierung und andererseits in Richtung abgerüsteter, preiswerter Geräte beispielsweise für die letzte Spleißverbindung bei Fiber-to-the-Home oder im Inhouse-Bereich, wo der Absolutwert der Spleißdämpfung unkritisch ist. 63520_Eberlein_SL4.indd 189 63520_Eberlein_SL4.indd 189 12.11.2020 12: 56: 09 12.11.2020 12: 56: 09 <?page no="207"?> 190 3 Nichtlösbare Glasfaserverbindung - Fusionsspleißen 190 3.5 Literatur [3.1] G. Mahlke, P. Gössing: Lichtwellenleiterkabel. 4. Auflage 1995, Publicis MCD Verlag, Berlin und München 1995. [3.2] J. Labs: Verbindungstechnik für Lichtwellenleiter. DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf 1989. [3.3] Huber+Suhner, White Paper, Low Bend Fiber, Herisau 2009. [3.4] A. D. Yablon: Optical Fiber Fusion Splicing, Springer Verlag Berlin/ Heidelberg 2005. 63520_Eberlein_SL4.indd 190 63520_Eberlein_SL4.indd 190 12.11.2020 12: 56: 09 12.11.2020 12: 56: 09 <?page no="208"?> 191 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik Dieter Eberlein 4.1 Allgemeine Hinweise Zur Erzielung reproduzierbarer und genauer Messergebnisse sind folgende Hinweise zu beachten: Wichtig sind die Fragen der Sauberkeit und ein sorgfältiger Umgang mit den Steckverbindern. Mindestens 80 % der Probleme bei Übertragung mit Lichtwellenleitern werden durch verschmutzte Steckverbinder verursacht. Die Norm DIN ISO/ IEC 14763-3 fordert vor jeder Messung die Reinigung der Steckverbinder und der Adapter. Der Reinigungszustand muss mit einem Fasermikroskop kontrolliert werden. Verunreinigungen können Verfälschungen der Messergebnisse und Beschädigungen der Stecker verursachen. Zur Reinigung verwendet man Reinigungskoffer namhafter Anbieter. Lose Verschmutzungen können mit einer Steckerreinigungskassette oder einem Reinigungsstift beseitigt werden. Ansonsten ist für die Reinigung hochreiner Isopropyl-Alkohol oder ein anderes geeignetes Lösungsmittel zu verwenden. Die Kontrolle des Reinigungszustandes erfolgt mit einem Mikroskop mit einer Vergrößerung ≥ 100 (Multimode) bzw. ≥ 200 (Singlemode). Handmikroskope fokussieren einen großen Teil der aus der Faser austretenden Leistung auf das Auge. Sie dürfen nur bei ausgeschaltetem Sender verwendet werden, um Augenverletzungen zu vermeiden. Alternativ wird ein Videomikroskop verwendet. Dann besteht nicht die Gefahr der Augenschädigung, da nicht mehr direkt auf das Auge, sondern auf einen Videobildschirm abgebildet wird. Das Foto der Steckerstirnfläche kann als Datei zusammen mit den Messergebnissen gespeichert werden. Es ist ein sorgfältiger Umgang mit den Kabeln und Leitungen zu gewährleisten. Zu enge Biegeradien können die Messergebnisse verfälschen. Beim gecoateten Standard-Singlemode-LWL darf ein Biegeradius von 30 mm nicht unterschritten werden. Biegeunempfindliche Fasern (Abschnitt 1.3.11) erlauben geringere Radien. Die Fragen der Augensicherheit sind zu beachten. Zu hohe Leistungen können die Netzhaut oder die Hornhaut schädigen. Besonders kritisch ist die Betrachtung der Steckerstirnflächen mit optischen Instrumenten. Gegebenenfalls sind Laserschutzbrillen zu tragen. Besonders hohe Leistungen treten in Wellenlängen-Multiplex- Systemen und in Verbindung mit optischen Verstärkern auf. 63520_Eberlein_SL4.indd 191 63520_Eberlein_SL4.indd 191 12.11.2020 12: 56: 10 12.11.2020 12: 56: 10 <?page no="209"?> 192 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 192 Verschiedene Hilfsmittel erleichtern die Messung und Fehlersuche: Optische Adapter am Messgerät ermöglichen die Anpassung an den jeweiligen Steckertyp der zu messenden Strecke. So können zusätzliche Adapterkabel und Steckverbindungen vermieden werden. Messkabel mit Referenzsteckern enthalten Stecker mit besonders engen Toleranzen. Diese Kabel werden an das Messobjekt angekoppelt. Die Dämpfung der Steckverbindung wird durch die Qualität der beiden Stecker und der Kupplung beeinflusst. Da der Referenzstecker nur einen geringen Beitrag zur Dämpfung der Steckverbindung bringt, kann der jeweilige Stecker des Messobjektes genau gemessen werden. Der Referenzstecker (Bezugssteckverbider) wird in DIN ISO/ IEC 14763-3 folgendermaßen spezifiziert: • Exzentrizität Faserkernmitte und Stiftachse: < 0,3 µm • Verkippung zwischen Faserachse und Stiftachse (Schielwinkel): < 0,2° • Stiftaußendurchmesser: 1249,0 µm ± 0,5 µm bzw. 2499,0 µm ± 0,5 µm • Sichtprüfung der Faserendfläche mit 200facher Vergrößerung: Es dürfen keine Fehler in der Kernzone vorhanden sein. • Maximale Dämpfung zwischen zwei Referenzsteckern: Multimode: ≤ 0,10 dB Singlemode: ≤ 0,20 dB Die letzte Forderung kann zum Beispiel mit einem E-2000-0,1 dB-Stecker unterboten werden. DIAMOND bietet Referenzstecker mit besonders engen Toleranzen nach IEC 61755-2-4 und -5 an: • R1: maximale Exzentrizität = 0,15 µm, maximaler Schielwinkel = 0,2° => maximale Einfügedämpfung = 0,05 dB • R2: maximale Exzentrizität = 0,2 µm, maximaler Schielwinkel = 0,2° => maximale Einfügedämpfung = 0,07 dB Die Rotlichtquelle (VFL: Visual Fault Locator) ist ein nützliches Hilfsmittel zur Fehlersuche vor allem an kürzeren Strecken. Es wird rotes Licht in die Faser eingekoppelt und überprüft, wo das Licht austritt. So können Faserbrüche, schlechte Spleiße sowie defekte Stecker gefunden werden. Mit dem Fasererkennungsgerät (LFD: Live Fiber Detector) kann man überprüfen, ob die Faser beschaltet ist, ohne die Signalübertragung zu unterbrechen. Dabei wird die Ader gebogen und das austretende Licht gemessen. Der Detektor ist sehr empfindlich, so dass die Dämpfung im Durchgang gering ist und die Signalübertragung nicht gestört wird. Die Richtung des Datenverkehrs wird ermittelt. Die Geräte sind auch für G.657.A1-Fasern geeignet. Optische Dämpfungsglieder sind variabel oder fest einstellbar für Singlemodeoder Multimode-LWL verfügbar. Bei zu geringer Dämpfung bringt man sie in die Strecke (meist vor dem Empfänger) ein und kann so eine Übersteuerung des Empfängers vermeiden. 63520_Eberlein_SL4.indd 192 63520_Eberlein_SL4.indd 192 12.11.2020 12: 56: 10 12.11.2020 12: 56: 10 <?page no="210"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 193 193 Optische Sprechgeräte nutzen eine unbeschaltete Faser für die Sprachübertragung zwischen den Messtechnikern, die an den beiden Enden der Strecke arbeiten. Sie kommen zum Einsatz bei der Kabelinstallation, -wartung oder -reparatur. 4.2 Messung von Leistungen und Dämpfungen Die Dämpfung der Komponenten eines LWL-Systems begrenzt dessen Reichweite und damit deren Leistungsfähigkeit. Deshalb ist die Dämpfung ein wichtiger Parameter in der LWL-Technik. Die Dämpfung ergibt sich aus dem Verhältnis zweier Leistungen. Leistungen müssen fehlerfrei und reproduzierbar gemessen werden. Neben der Erklärung der Leistungs- und Dämpfungsmessung werden auch mögliche Fehlerquellen beschrieben sowie Verfahren, die eine reproduzierbare Messung ermöglichen. Zur Realisierung einer Leistungs- und Dämpfungsmessung von Multimode-LWL mit hoher Genauigkeit müssen definierte Anregungsbedingungen im Lichtwellenleiter realisiert werden. 4.2.1 Definierte Anregung des Multimode-LWL Das Ergebnis der Dämpfungsaber auch der Bandbreitenmessung am Multimode- LWL hängt von der Anregung der Moden ab. Die Leistungsverteilung über dem Querschnitt muss definiert sein. In der Vergangenheit wurde das durch Verwendung eines Vorlauf-LWL geeigneter Länge (ca. 100 m) erreicht. Dieser wandelt das eingekoppelte Licht in eine so genannte Modengleichgewichtsverteilung um. Durch die gute Qualität der Fasern funktioniert das heute nur noch eingeschränkt. Bild 4.1: Wickeldorne oben: Durchmesser 17 mm für 62,5 µm Fasern unten: Durchmesser 22 mm für 50 µm-Fasern (Quelle: Fluke) Eine Alternative ist die Verwendung von Wickeldornen, welche wegen ihrer geringen Durchmesser eine Abstrahlung der Energie der höheren Moden erzwingen und Mantellicht eliminieren. Dabei wickelt man den Lichtwellenleiter fünfmal auf einen 63520_Eberlein_SL4.indd 193 63520_Eberlein_SL4.indd 193 12.11.2020 12: 56: 10 12.11.2020 12: 56: 10 <?page no="211"?> 194 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 194 Dorn mit geeignetem Durchmesser. Die Durchmesser in Bild 4.1 gelten für Patchkabel mit 3 mm Durchmesser. Der Wickeldorn ist eine einfache und preiswerte Lösung, die allerdings nicht bei biegeunempfindlichen Multimode-LWL (Abschnitt 1.3.4) funktioniert. In DIN EN 61280-4-1 wurde eine Leistungsverteilung definiert, mit der der Multimode- LWL angeregt werden sollte: eingeschlossener Strahlungsfluss (EF). Dieser hat ein Maximum auf der optischen Achse und fällt zur Kern-Mantel-Grenze auf Null ab. Zukünftig sollte eine EF-kompatible Lichtquelle in Kombination mit einem „EFtransparenten“ Messkabel oder „overfilled“-Lichtquelle (LED) und Messkabel mit eingebautem Moden-Controller verwendet werden. Praktisch realisiert wird die zweite Variante. In manchen Geräten sind die EF- Controller bereits eingebaut. Sie werden als „EF ready“ gekennzeichnet. Bild 4.2 zeigt einen Moden-Controller. Er wandelt das eingekoppelte Licht in Encircled Flux. Der Moden-Controller funktioniert für 850 nm und 1300 nm und verursacht im ersten optischen Fenster eine Dämpfung kleiner als 3,0 dB. Bild 4.2: Moden-Controller von Arden Photonics (Quelle: Opternus GmbH) 4.2.2 Leistungsmessung Mit der Leistungsmessung kann die Ausgangsleistung des Senders überprüft werden. Eine Leistungsmessung am Ende der Strecke zeigt, ob die Leistung groß genug ist, damit der Empfänger fehlerfrei arbeiten kann. Außerdem liefert diese Messung eine Information darüber, ob die Leistung zu groß ist, so dass die Gefahr der Übersteuerung des Empfängers besteht. Mit diesen Messungen können die Herstellerangaben bezüglich der Transceiver überprüft werden. Für die Leistungsmessung wird ein optischer Empfänger benötigt. Dieser muss eine hohe absolute Genauigkeit haben. Das heißt, er muss geeicht werden. Es ist zu berücksichtigen, dass die Empfindlichkeit des Empfängers von der Wellenlänge abhängt (Abschnitt 1.4.4). Zur Realisierung einer hohen absoluten Genauigkeit muss die Wellenlänge des Senders genau bekannt sein und bei der Messung am Empfänger berücksichtigt werden. Das Messgerät muss unempfindlich gegen Temperatureinflüsse sein. Eine Übersteuerung am Empfänger ist zu vermeiden. 63520_Eberlein_SL4.indd 194 63520_Eberlein_SL4.indd 194 12.11.2020 12: 56: 10 12.11.2020 12: 56: 10 <?page no="212"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 195 195 Photodiode Lichteinkopplung elektronische Auswertung Anzeige Bild 4.3: Prinzip der optischen Leistungsmessung Eine Messanordnung zur Leistungsmessung ist in Bild 4.3 dargestellt. Das Licht des Lichtwellenleiters fällt auf die Photodiode, wird dort in ein elektrisches Signal gewandelt, elektronisch verstärkt und angezeigt. Die Detektorfläche ist so bemessen, dass der gesamte Strahlungskegel, der aus dem Lichtwellenleiter austritt, auf die Photodiode fällt. Die Messung absoluter Leistungswerte unterliegt einer Reihe von Fehlerquellen, die ungenaue Messergebnisse verursachen können. Bei der Dämpfungsmessung werden stets zwei Leistungen ermittelt. Durch Bildung des Verhältnisses aus den beiden Messwerten gehen absolute Fehler nicht in das Messergebnis ein, wohingegen sich die relativen Fehler im ungünstigsten Fall verdoppeln können. Man unterscheidet zwischen der Gleichlicht- und der Wechsellichtmessung. Bei der Gleichlichtmessung wird der zeitliche Mittelwert des optischen Pegels gemessen. Bei der Wechsellichtmessung wird das Licht mit einer bestimmten Frequenz moduliert und das modulierte Licht am optischen Empfänger selektiv nur innerhalb dieses Frequenzbereiches gemessen. Sender und Empfänger müssen bezüglich der Modulationsfrequenz aufeinander abgestimmt sein. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Fremdlicht das Messergebnis nicht beeinflusst. Bei der Gleichlichtmessung kann Umgebungslicht über den Sekundärschutz des Lichtwellenleiters zum Detektor gelangen und bei der Messung von sehr kleinen Leistungen das Messergebnis verfälschen. Das ist möglich, weil der Detektor großflächig misst, das heißt sein Durchmesser meist deutlich größer als der Kerndurchmesser des Lichtwellenleiters ist. Reflexionen am Gehäusefenster und Detektor sind bei der Kalibrierung des Messgerätes berücksichtigt, bewirken also keinen Fehler. Diese Reflexionen treffen aber wieder auf die spiegelnde Frontfläche des Steckers und werden zum Detektor reflektiert. Das führt zu Messfehlern. Durch eine Lochblende vor dem Stecker mit absorbierendem Konus, der sich in Richtung Detektor öffnet (Reflexionsfalle), wird der Effekt unterdrückt (Bild 4.4). Ein Adapter aus schwarzem Material vermeidet ebenfalls Reflexionen. Mit einem schräg gestellten Detektor wird verhindert, dass reflektiertes Licht wieder in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, zum Sender zurückläuft und dessen Emissionseigenschaften verändert. Eine solche Maßnahme ist vor allem bei rückwirkungsempfindlichen Laserdioden wichtig. 63520_Eberlein_SL4.indd 195 63520_Eberlein_SL4.indd 195 12.11.2020 12: 56: 10 12.11.2020 12: 56: 10 <?page no="213"?> 196 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 196 Steckerstirnfläche Empfängerdiode Bild 4.4: Lichtempfang links mit und rechts ohne Mehrfachreflexionen Reflexionsfalle und Wellenlängenkalibrierung sind für Leistungsmessungen wichtig, nicht aber für Dämpfungsmessungen, da durch die Bildung des Verhältnisses aus zwei Leistungen sich diese Effekte „kürzen“. Dennoch wird heute nicht mehr unterschieden, ob der Empfänger für eine Leistungs- oder eine Dämpfungsmessung verwendet wird. Der Messwert kann bei längerer Betriebsdauer, beispielsweise durch Temperaturschwankungen, Veränderungen unterliegen. Moderne Empfänger werden stabilisiert. Laut DIN EN 61300-3-4 liegt der maximale Messfehler stabilisierter Leistungsmesser bei ≤ 0,05 dB (Multimode) bzw. ≤ 0,02 dB (Singlemode). Auf dem Markt gibt es Leistungsmesser, die unterschiedlichen Ansprüchen gerecht werden: hohe Dynamik, Messung sehr kleiner oder sehr großer Leistungen. Beispiele: 1. Hohe Empfindlichkeit: -70 dBm bis +11 dBm, das entspricht 0,1 nW bis 13 mW. Dynamik 81 dB. 2. Sehr hoher Pegel: -47 dBm bis +30 dBm, das entspricht 20 nW bis 1000 mW. Dynamik 77 dB. 4.2.3 Dämpfungsmessung 4.2.3.1 Praktische Hinweise Zur Dämpfungsmessung an verlegten Lichtwellenleitern werden normalerweise zwei Personen benötigt. Während für die Leistungsmessung nur ein Empfänger erforderlich ist, benötigt man für die Dämpfungsmessung sowohl einen Sender als auch einen Empfänger. Meistens werden Sender, Empfänger, Vor- und eventuell Nachlaufprüfschnur als komplette Messausrüstung angeboten. Diese Komponenten sind in ihren Eigenschaften aufeinander abgestimmt. Sender und Empfänger können zwischen mehreren Wellenlängen umgeschaltet werden. Moderne Sender emittieren eine stabilisierte Ausgangsleistung. 63520_Eberlein_SL4.indd 196 63520_Eberlein_SL4.indd 196 12.11.2020 12: 56: 11 12.11.2020 12: 56: 11 <?page no="214"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 197 197 Grundsätzlich ist bei der Dämpfungsmessung auf Folgendes zu achten: • Absolute Sauberkeit und gut präparierte LWL-Endflächen. • Ausreichende Aufwärmzeit der Geräte berücksichtigen. (Kann beim Sender bis 30 Minuten betragen.) • Es sind Makrobiegeverluste zu vermeiden. Besonders empfindlich reagieren Singlemode-LWL. • Zur Vereinfachung des Messablaufes ist es sinnvoll, nur einmal zu referenzieren und alle folgenden Messwerte auf diese Referenz zu beziehen. Das ist nur zulässig, wenn sich die Leistung des Senders während des Zeitraumes, in dem die Messungen durchgeführt werden, nicht ändert. Dafür ist ein Sender mit stabilisierter Ausgangsleistung erforderlich. Andernfalls ist die Referenzierung in bestimmten Zeitabständen, spätestens aber am nächsten Tag, zu wiederholen. Nach der Referenzierung müssen Sender und Vorlaufprüfschnur verbunden bleiben. • Empfänger mit ausreichender Temperaturstabilität und optischer Linearität einsetzen. • Zur Messung von Lichtwellenleitern mit größeren Kerndurchmessern (PCF, POF) werden Empfänger mit größerer Detektorfläche benötigt, sonst wird nicht die gesamte Leistung erfasst. • Da die Dämpfung von der Wellenlänge abhängt, muss auf die Einstellung der richtigen Wellenlänge am Sender und Empfänger geachtet werden. • Bei modernen Dämpfungsmessplätzen übermittelt der Sender eine Kennung für die jeweilige Wellenlänge. Diese wird vom Empfänger berücksichtigt und die Leistung entsprechend der jeweiligen Wellenlänge richtig angezeigt. • Bei der Referenzierung ist darauf zu achten, dass die Leistung, die auf den Empfänger fällt, nicht zu groß ist, um eine Sättigung zu vermeiden. Durch Übersteuerung wird eine zu geringe Leistung angezeigt. Das heißt die Messwerte werden auf eine zu kleine Referenz bezogen: Die Dämpfungen werden zu klein gemessen. Deshalb sollte man mit einem Sender-Empfänger-Pärchen von einem Hersteller arbeiten, deren Parameter aufeinander abgestimmt sind. So wird die Gefahr der Sättigung, insbesondere bei der Referenzierung, vermieden. • Die Güte der Messschnüre ist regelmäßig zu überprüfen. Verschlissene Stecker bewirken Messfehler. • Bei Dämpfungsmessungen an Multimode-LWL muss mit einer definierten Leistungsverteilung eingekoppelt werden (Abschnitt 4.2.1). • Bei Messung mit einem unmodulierten Sender ist zu beachten, dass kein Fremdlicht auf den Empfänger fällt. • Bei Messung mit einem modulierten Sender muss am Empfänger die Modulationsfrequenz des Senders eingestellt sein. Moderne Empfänger erkennen diese automatisch (gebräuchlich sind 270 Hz, 1 kHz, 2 kHz). 4.2.3.2 Auswertung der Messergebnisse Durch zeitliche Schwankungen der Ausgangsleistung des Senders und der Empfindlichkeit des Empfängers sowie eine nicht ideale Anregung der Moden (bei Multimode- LWL) bzw. eine nicht ideale Kopplung beim Umstecken zwischen Messung und Referenzierung sind Fehler bei der Dämpfungsmessung ≤ 0,10 dB (Multimode) bzw. ≤ 0,04 dB (Singlemode) vorstellbar (doppelter Fehler wie bei der Leistungsmessung). 63520_Eberlein_SL4.indd 197 63520_Eberlein_SL4.indd 197 12.11.2020 12: 56: 11 12.11.2020 12: 56: 11 <?page no="215"?> 198 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 198 Bei der Messung von LWL-Strecken interessiert die auf die Länge des Lichtwellenleiters bezogene Dämpfung, also der Dämpfungskoeffizient. Die gemessene Dämpfung muss durch die Streckenlänge dividiert werden. Ist die Streckenlänge und damit die gemessene Dämpfung gering, so kann das zu großen Fehlern bei der Ermittlung des Dämpfungskoeffizienten führen. Der Grund hierfür ist, dass der mögliche Messfehler in der gleichen Größenordnung wie der Messwert selbst liegt. Beispiel: Messung eines 50 m langen Lichtwellenleiters bei 850 nm: Ein typischer Dämpfungskoeffizient im ersten optischen Fenster liegt bei 3 dB/ km. Die zu erwartende Dämpfung der 50 m langen Strecke beträgt folglich 0,15 dB. Legt man einen Messfehler von ±0,05 dB zugrunde, so ergibt sich ein Schwankungsbereich für den zu erwartenden Messwert von 0,15 dB ± 0,05 dB = 0,10 dB ... 0,20 dB. Durch Umrechnung von 50 m auf 1000 m (Faktor 20! ) folgt für den Dämpfungskoeffizienten ein Schwankungsbereich zwischen 2,0 dB/ km und 4,0 dB/ km. Die ermittelten Dämpfungskoeffizienten liegen weit ab von den realen Werten. Bei der Messung kurzer Längen (geringer Dämpfungen) können die Dämpfungskoeffizienten sehr ungenau sein. Vorsicht vor falschen Schlussfolgerungen! Es ist wenig sinnvoll in Ausschreibungen für kurze Streckenlängen bestimmte Dämpfungskoeffizienten zu spezifizieren. Misst man im zweiten oder dritten optischen Fenster, sind die Dämpfungskoeffizienten wesentlich geringer, und es sind selbst bei einigen Kilometern LWL-Länge noch große Messfehler bei den Dämpfungskoeffizienten möglich. 4.2.3.3 Normen zur Dämpfungsmessung ITU-T G.650-3 von 08/ 2017 gibt allgemeine Hinweise zur Messung an installierten LWL-Kabeln. DIN EN 60793-1-40, Entwurf von 11/ 2017 behandelt die Dämpfungsmessung allgemein. Die Dämpfungsmessung an passiven Bauteilen wird in DIN EN 61300-3-4 von 11/ 2013 beschrieben. Dämpfungsmessungen an Leitungen werden in folgenden Normen spezifiziert: • DIN EN 61280-4-1, 07/ 2010: Dämpfungsmessungen an Multimode-LWL • DIN EN 61280-4-2, 05/ 2015: Dämpfungsmessungen an Singlemode-LWL • DIN ISO/ IEC 14763-3, 10/ 2014: Dämpfungsmessungen an Multimode-, Singlemode-LWL, Rückstreumessung, Referenzstecker, Anregungsbedingungen, Sauberkeit usw. 4.2.3.4 Dämpfungsmessungen an Steckern Die Dämpfungsmessung erfolgt nach DIN EN 61300-3-4 (11/ 2013), Einfügeverfahren B: • Bauart 5: Messung Steckverbinder zu Steckverbinder (Rangierkabel) • Bauart 6: Messung eines einzelnen Steckers (Pigtail) Man benötigt für die Referenzierung (Bild 4.5 oben) eine Prüfschnur mit mindestens einem Referenzstecker. Dieser ist in den folgenden Bildern rot dargestellt. 63520_Eberlein_SL4.indd 198 63520_Eberlein_SL4.indd 198 12.11.2020 12: 56: 11 12.11.2020 12: 56: 11 <?page no="216"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 199 199 Zur Messung (Bild 4.5 Mitte) wird an die Prüfschnur das Messobjekt (zum Beispiel Rangierkabel) mit zwei Steckern angekoppelt. Diese Anordnung ermöglicht die Charakterisierung nur des Steckers S 1 und die Dämpfung der Faser. Durch die große Fläche der Empfängerdiode ist die Dämpfung der zweiten Steckverbindung am Empfänger vernachlässigbar und damit die Qualität des Steckers S 2 nicht messbar. Prüfschnur Sender Empfänger Empfänger Empfänger P S S S S P P 1 1 1 2 2 2 3 Messobjekt Messobjekt Sender Sender Bild 4.5: Einfügeverfahren B; oben: Referenzierung; Mitte und unten: Messung Deshalb müssen die Enden des Messobjektes vertauscht und die Messung wiederholt werden (Bild 4.5 unten). So misst man die Dämpfung des Steckers S 2 und die Dämpfung der Faser, aber nicht die Dämpfung des Steckers S 1 . Ist die Faser kurz, wie beim Rangierkabel oder Pigtail, ist deren Dämpfung vernachlässigbar und man misst jeweils nur die Dämpfung desjenigen Steckers, der an die Prüfschnur angeschlossen wurde. Dämpfung des Steckers S 1 : a 1 / dB = P 1 / dBm - P 2 / dBm Dämpfung des Steckers S 2 : a 2 / dB = P 1 / dBm - P 3 / dBm Das Einfügeverfahren B ist für Steckerkonfektionäre interessant. Es lässt sich die Dämpfung einzelner Stecker ermitteln. Nach den drei Messungen kann man das Kabel zerschneiden und als Pigtail ausliefern. 4.2.3.5 Dämpfungsmessungen an Leitungen Die verschiedenen in den Normen beschriebenen Messverfahren unterscheiden sich dadurch, wie die Referenzierung aufgefasst wird. Diese kann mit einer, mit zwei oder mit drei Prüfschnüren erfolgen. Die Anordnung zur Messung ist bei allen drei Varianten gleich. Nach der Referenzierung bleibt die Vorlaufprüfschnur am Sender gesteckt. Ein erneutes Stecken kann Nichtreproduzierbarkeiten bewirken. Bei Referenzierung mit zwei oder drei Schnüren bleibt auch die Nachlaufprüfschnur mit dem Empfänger verbunden. Bild 4.6 oben zeigt die Referenzierung mit nur einer Schnur. Diese Variante ist nur möglich, wenn die Kupplung am Empfänger mit dem Stecker der Kabelanlage übereinstimmt. 63520_Eberlein_SL4.indd 199 63520_Eberlein_SL4.indd 199 12.11.2020 12: 56: 11 12.11.2020 12: 56: 11 <?page no="217"?> 200 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 200 Sofern der Empfänger über Wechseladapter verfügt, lässt sich unter Umständen eine Anpassung erzielen. Der erste und letzte Stecker der Kabelanlage dürfen sich unterscheiden. Die Nachlaufschnur muss kurz sein, um zusätzliche Dämpfungen und damit Verfälschungen zu vermeiden. Bild 4.6: Oben: Referenzierung mit einer Schnur; unten: Messung Die Nachlaufprüfschnur ist erforderlich, um den hinteren Stecker der Kabelanlage messen zu können. Würde man diesen direkt in den Empfänger stecken, erfolgt die Messung großflächig und Steckerfehler können nicht erkannt werden. Die Referenzstecker an Vorlauf- und Nachlaufschnur sind erforderlich, um die Stecker der Kabelanlage mit hoher Genauigkeit zu messen (Abschnitt 4.1). Die Referenzstecker werden häufig gesteckt und unterliegen einem Verschleiß. In dem Maße, wie sich die Qualität der Referenzstecker verschlechtert, erhöht sich deren Dämpfung und damit auch die Dämpfung der Strecke. Um diesen Messfehler zu vermeiden, müssen alle Stecker vor jedem Messen gereinigt und die Sauberkeit mit dem Fasermikroskop kontrolliert werden. Verschlissene Referenzstecker müssen ausgewechselt werden. Ansonsten wird die Dämpfung der Kabelanlage zu groß gemessen. Bild 4.7 oben zeigt die Referenzierung mit zwei Schnüren. Diese Variante ist erforderlich, wenn die Kupplung am Empfänger nicht mit dem ersten Stecker der Kabelanlage übereinstimmt. Eine Nachlaufprüfschnur wird zur Adaptierung verwendet. Der erste und der letzte Stecker der Kabelanlage müssen gleich sein. Die Anordnung für die Messung ist unverändert (Bild 4.7 unten). Bild 4.7: Oben: Referenzierung mit zwei Schnüren; unten: Messung 63520_Eberlein_SL4.indd 200 63520_Eberlein_SL4.indd 200 12.11.2020 12: 56: 12 12.11.2020 12: 56: 12 <?page no="218"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 201 201 Die Nachlaufprüfschnur am Empfänger muss gesteckt bleiben. Bei der Referenzierung (Verbindung von Referenzsteckern) werden Referenzadapter verwendet. Bei der Messung kommen die Adapter der Kabelanlage zum Einsatz. Im Vergleich zur Anordnung in Bild 4.6 enthält die Referenzierung einen zusätzlichen Steckverbinder, der eine kleine, aber unbekannte zusätzliche Dämpfung verursacht. Die Leistung P 1 wird also etwas kleiner sein. Daraus ergibt sich eine etwas geringere Dämpfung. Bild 4.8 oben veranschaulicht die Referenzierung mit drei Schnüren. Diese Anordnung ist erforderlich, wenn die Kupplung am Empfänger nicht mit dem ersten Stecker der Kabelanlage übereinstimmt und wenn sich erster und letzter Stecker der Kabelanlage unterscheiden. Die Anordnung für die Messung (Bild 4.8 unten) ist unverändert. Die Substitutionsprüfschnur muss kurz sein, da sie bei der Messung nicht mehr berücksichtigt wird. Im Vergleich zur Anordnung in Bild 4.6 enthält die Referenzierung zwei zusätzliche Steckverbinder, die zusätzliche Dämpfungen verursachen. Die Leistung P 1 wird noch kleiner sein. Daraus ergibt sich eine geringere Dämpfung. Sender Vorlaufprüfschnur Kabelanlage Substitutionsprüfschnur Empfänger P 2 Empfänger P 1 Sender Vorlaufprüfschnur Nachlaufprüfschnur Nachlaufprüfschnur Bild 4.8: Oben: Referenzierung mit drei Schnüren; unten: Messung Je nachdem, wie die Referenzierung erfolgt, erhält man unterschiedliche Ergebnisse für die Dämpfung. Im Messprotokoll ist anzugeben, mit wie vielen Schnüren referenziert wurde. Ein einmal gewähltes Verfahren muss für die gesamte Anlage konsequent genutzt werden. Tabelle 4.1 zeigt, welche Norm welche Messvariante zulässt. Norm Anzahl der Schnüre bei der Referenzierung 1 2 3 DIN EN 60793-1-40 MM-LWL, SM-LWL - - Verfahren B DIN EN 61280-4-1, MM-LWL Anhang A Anhang C Anhang B DIN EN 61280-4-2, SM-LWL Konfiguration A Konfiguration C Konfiguration B ISO/ IEC 14763-3 MM-LWL, SM-LWL Alternativ- Verfahren - Standard- Verfahren Tabelle 4.1: Vergleich verschiedener Normen zur Dämpfungsmessung an Leitungen 63520_Eberlein_SL4.indd 201 63520_Eberlein_SL4.indd 201 12.11.2020 12: 56: 12 12.11.2020 12: 56: 12 <?page no="219"?> 202 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 202 Referenzierung mit einer Schnur: nicht immer möglich drei Schnüren: immer möglich Es wird eine zu geringe Dämpfung gemessen: kann bei kurzen Strecken eine scheinbare Verstärkung bewirken. Schnur mit Referenzstecker exzellente Genauigkeit gute Genauigkeit Schnur ohne Referenzstecker: gemessene Dämpfung kann richtungsabhängig sein geringe Genauigkeit sehr geringe Genauigkeit Tabelle 4.2: Messgenauigkeit in Abhängigkeit von der Anzahl der Schnüre und der Verwendung von Referenzsteckern Die Referenzierung mit einer Schnur enthält keine Steckverbinder (mit undefinierter Dämpfung) und ist damit das genaueste Verfahren. Jeder zusätzliche Steckverbinder verursacht Messfehler. Deshalb sollte mit möglichst wenig Schnüren referenziert werden. Die Messfehler können durch Verwendung von Referenzsteckern (Bezugssteckern) reduziert werden. In Tabelle 4.2 werden die Genauigkeiten verglichen. Nach spätestens 500 Steckungen sind die Messschnüre auszutauschen, da die Referenzstecker verschlissen sind und Messfehler verursachen. Unter bestimmten Umständen ist eine Nachbearbeitung beim Konfektionär möglich. Tatsächlich kann kein Minimum an Steckzyklen garantiert werden. Es hängt von den Umgebungsbedingungen und von der Handhabung ab. Die Referenzierung muss bei Bedarf regelmäßig wiederholt werden. 4.2.3.6 Hoch genaue Dämpfungsmessung Wie oben besprochen, ist eine hochgenaue Dämpfungsmessung besonders wichtig bei kleinen zulässigen Streckendämpfungen. Beträgt die zu messende Dämpfung 20,0 dB und der absolute Messfehler 0,2 dB entspricht das einem Prozent relativer Messfehler. Beträgt die zu messende Dämpfung jedoch nur 2,0 dB (zum Beispiel Verkabelungen in Rechenzentren) bewirkt ein absoluter Messfehler von 0,2 dB einen relativen Messfehler von 10 %! Im vorhergehenden Abschnitt wurde darauf verwiesen, dass eine hochgenaue Messung nur mit Referenzsteckern und Referenzierung mit möglichst wenig Schnüren möglich ist. Das soll in diesen Abschnitt anhand von Beispielen begründet werden. Die Überlegungen folgen einer Idee von Christian Schillab (Fluke Networks). Folgende Annahmen werden gemacht: • Dämpfungsmessung an Multimode-LWL bei 850 nm • Dämpfungskoeffizient 3,5 dB/ km Die Faser kann im Stecker mittig liegen (C: Zentrum), nach oben (N: Nord) oder nach unten (S: Süd) ausgewandert sein (Bild 4.9). 63520_Eberlein_SL4.indd 202 63520_Eberlein_SL4.indd 202 12.11.2020 12: 56: 12 12.11.2020 12: 56: 12 <?page no="220"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 203 203 Bild 4.9: Unterschiedliche Positionen der Faser im Stecker (Quelle: Fluke Networks) Daraus ergeben sich folgende Steckerkombinationen mit bestimmten beispielhaften Dämpfungen: • Nord-Süd, Süd-Nord: jeweils 0,6 dB (maximale Konzentrizität) • Zentrum-Nord, Nord-Zentrum: jeweils 0,3 dB (halbe Konzentrizität) • Zentrum-Süd, Süd-Zentrum: jeweils 0,3 dB (halbe Konzentrizität) • Nord-Nord, Zentrum-Zentrum, Süd-Süd: jeweils 0,1 dB (keine Konzentrizität) Es werden vier Fälle betrachtet (vergleiche auch Tabelle 4.2): • Referenzierung mit drei Schnüren, keine Referenzstecker • Referenzierung mit einer Schnur, keine Referenzstecker • Referenzierung mit drei Schnüren, Referenzstecker • Referenzierung mit einer Schnur, Referenzstecker Referenzierung mit drei Schnüren, keine Referenzstecker Bild 4.10: Referenzierung mit drei Schnüren, keine Referenzstecker (Quelle: nach Fluke Networks) Bild 4.10 zeigt oben die Referenzierung und darunter die Messung einer 100 m langen Strecke, mal von der einen, mal von der anderen Seite. Dabei bleiben Vorlauf- und Nachlaufschnur fest am Sender bzw. Empfänger. Da ohne Referenzstecker gemessen wird, gibt es Fehlanpassungen bei der Referenzierung. Bei der Dämpfungsmessung gibt es in einer Richtung keine und in der anderen Richtung die maximale Konzentrizität. In Tabelle 4.3 sind die zu erwartenden Dämpfungen aufgelistet. 63520_Eberlein_SL4.indd 203 63520_Eberlein_SL4.indd 203 12.11.2020 12: 56: 12 12.11.2020 12: 56: 12 <?page no="221"?> 204 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 204 Faser 1 Stecker 1 Faser 2 Stecker 2 Faser 3 Summe Referenzierung 2 m N/ S 2 m N/ S 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,60 dB 0,01 dB 0,60 dB 0,01 dB 1,23 dB Messung N nach S 2 m N/ N 100 m S/ S 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,10 dB 0,35 dB 0,10 dB 0,01 dB 0,57 dB Messung S nach N 2 m N/ S 100 m N/ S 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,60 dB 0,35 dB 0,60 dB 0,01 dB 1,57 dB Tabelle 4.3: Zu erwartende Dämpfungen im Beispiel Bild 4.10 Bei Messung von N nach S (Bild Mitte) ergibt sich eine Dämpfung von 0,57 dB - 1,23 dB = -0,66 dB, was eine Verstärkung bedeuten würde. Die Dämpfung bei dieser Messung ist kleiner als bei der Referenzierung! Bei Messung von S nach N (Bild unten) ergibt sich eine Dämpfung von 1,57 dB - 1,23 dB = 0,34 dB. Die Dämpfung des 100 m Lichtwellenleiters sollte in beiden Richtungen gleich groß sein. Tatsächlich beträgt der Unterschied 0,34 dB - (-0,66 dB) = 1,00 dB. Selbst der Mittelwert aus Hin- und Rückrichtung ergibt kein sinnvolles Ergebnis: 0,5∙(0,34 dB - 0,66 dB) = -0,16 dB, was eine Verstärkung bedeuten würde. Referenzierung mit einer Schnur, keine Referenzstecker Auch bei Messung entsprechend Bild 4.11 gibt es Fehlanpassungen zwischen den Steckverbindern. Tabelle 4.4 veranschaulicht die Ergebnisse. Im Gegensatz zum vorher betrachteten Fall erfolgt jetzt die Referenzierung mit einer Schnur. Da der Empfänger großflächig misst, bewirkt nur die (kurze) Schnur eine Dämpfung (0,01 dB). Die Dämpfungsmessung in Hin- und Rückrichtung ergibt wieder sehr große Unterschiede: 0,56 dB bzw. 1,56 dB. Das entspricht einer Differenz von 1,00 dB. Allerdings wird keine „Verstärkung“ mehr gemessen. Der Mittelwert beträgt 1,06 dB. Bild 4.11: Referenzierung mit einer Schnur, keine Referenzstecker (Quelle: nach Fluke Networks) 63520_Eberlein_SL4.indd 204 63520_Eberlein_SL4.indd 204 12.11.2020 12: 56: 13 12.11.2020 12: 56: 13 <?page no="222"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 205 205 Faser 1 Stecker 1 Faser 2 Stecker 2 Faser 3 Summe Referenzierung 2 m Ankopplung am Empfänger großflächig Dämpfung 0,01 dB 0,01 dB Messung N nach S 2 m N/ N 100 m S/ S 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,10 dB 0,35 dB 0,10 dB 0,01 dB 0,57 dB Messung S nach N 2 m N/ S 100 m N/ S 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,60 dB 0,35 dB 0,60 dB 0,01 dB 1,57 dB Tabelle 4.4: Zu erwartende Dämpfungen im Beispiel Bild 4.11 Referenzierung mit drei Schnüren, Referenzstecker Bild 4.12: Referenzierung mit drei Schnüren, Referenzstecker (Quelle: nach Fluke Networks) Faser 1 Stecker 1 Faser 2 Stecker 2 Faser 3 Summe Referenzierung 2 m C/ C 2 m C/ C 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,1 dB 0,01 dB 0,10 dB 0,01 dB 0,23 dB Messung N nach S 2 m C/ N 100 m S/ C 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,30 dB 0,35 dB 0,30 dB 0,01 dB 0,97 dB Messung S nach N 2 m C/ S 100 m N/ C 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,30 dB 0,35 dB 0,30 dB 0,01 dB 0,97 dB Tabelle 4.5: Zu erwartende Dämpfungen im Beispiel Bild 4.12 Sowohl für die Dämpfung von Nord nach Süd als auch in Gegenrichtung ergibt sich 0,74 dB. Die Dämpfung ist nicht mehr von der Richtung abhängig und es treten keine Verstärkungseffekte mehr auf. 63520_Eberlein_SL4.indd 205 63520_Eberlein_SL4.indd 205 12.11.2020 12: 56: 13 12.11.2020 12: 56: 13 <?page no="223"?> 206 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 206 Referenzierung mit einer Schnur, Referenzstecker Wie im vorherigen Beispiel ist die Dämpfung nicht mehr von der Richtung abhängig und es treten keine Verstärkungseffekte mehr auf. Die Dämpfung beträgt 0,96 dB und ist damit 0,22 dB höher als im vorherigen Beispiel: „Worst-Case“-Messung. Bild 4.13: Referenzierung mit einer Schnur, Referenzstecker (Quelle: nach Fluke Networks) Faser 1 Stecker 1 Faser 2 Stecker 2 Faser 3 Summe Referenzierung 2 m Ankopplung am Empfänger großflächig Dämpfung 0,01 dB 0,01 dB Messung N nach S 2 m C/ N 100 m S/ C 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,30 dB 0,35 dB 0,30 dB 0,01 dB 0,97 dB Messung S nach N 2 m C/ S 100 m N/ C 2 m Dämpfung 0,01 dB 0,30 dB 0,35 dB 0,30 dB 0,01 dB 0,97 dB Tabelle 4.6: Zu erwartende Dämpfungen im Beispiel Bild 4.13 Um mit einer Schnur referenzieren zu können, muss die Kupplung am Empfänger mit dem Stecker des Messobjekts übereinstimmen. Das wird möglich bei Verwendung eines Wechseladapters am Empfänger (Bild 4.14). Bild 4.14: Wechseladapter am Empfänger (Quelle: Fluke Networks) 63520_Eberlein_SL4.indd 206 63520_Eberlein_SL4.indd 206 12.11.2020 12: 56: 14 12.11.2020 12: 56: 14 <?page no="224"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 207 207 Zusammenfassung: • Misst man mit drei Schnüren und ohne Referenzstecker kann die Dämpfung der Strecke geringer sein als die Dämpfung bei der Referenzierung: scheinbare Verstärkung. • Haben die Prüfschnüre keine Referenzstecker ergibt sich eine richtungsabhängige Dämpfung. • Referenzierung mit einer Schnur mit Referenzsteckern ergibt höchste Genauigkeit, da kein Steckverbinder mit unbekannter Dämpfung die Referenzierung verfälscht. 4.2.3.7 Allgemeine Hinweise nach DIN ISO/ IEC 14763-3 Brechzahlangepasste Materialien zwischen den Steckerstirnflächen dürfen nicht verwendet werden, da sie die Messergebnisse (Dämpfung und Reflexionsdämpfung) verfälschen. Für die Messgeräte muss ein Kalibrierzertifikat vorliegen. Vor der Messung müssen aktive Sende- und Empfangsgeräte von der zu prüfenden Verkabelung getrennt werden. Sender mit hoher Stabilität der Ausgangsleistung verwenden. Empfänger mit ausreichender Temperaturstabilität und optischer Linearität einsetzen. Die Prüfschnüre für die Dämpfungsmessung müssen die gleichen optischen Parameter wie die zu messende Verkabelung haben (50 µm <=> 50 µm; 62,5 µm <=> 62,5 µm; G.652 <=> G.652; G.657 <=> G.657 vom gleichen Hersteller). Die miteinander verbundenen Steckverbinder müssen die gleiche Oberflächengestalt haben. Für Singlemode-Stecker gilt: • PC auf PC (blaue Markierung) • APC auf APC (grüne Markierung) • High-Power-Stecker auf High-Power-Stecker (rote Markierung) Die Länge der Prüfschnur bei der Dämpfungsmessung von Singlemode-LWL muss mindestens 2 m betragen. Es ist keine lange Vorlaufprüfschnur, wie bei der OTDR- Messung (zum Beispiel 1000 m) erforderlich. Für die Dämpfungsmessung von Multimode-LWL gibt es folgende Möglichkeiten: • Vorlaufprüfschnur mindestens 75 m (herkömmliches Verfahren: ungenau) • Prüfschnur (1 m bis 5 m) und Wickeldorn (problematisch bei biegeunempfindlichen Multimode-LWL) • Moden-Controller (genauestes Verfahren), beinhaltet Prüfschnüre. 4.2.4 Zusammenfassung Saubere Steckverbindungen (Stecker und Kupplungen) sind die Voraussetzung für genaue Messergebnisse. Es sind geeignete Reinigungswerkzeuge/ -materialien zu 63520_Eberlein_SL4.indd 207 63520_Eberlein_SL4.indd 207 12.11.2020 12: 56: 14 12.11.2020 12: 56: 14 <?page no="225"?> 208 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 208 verwenden und die Reinigungsanleitungen zu beachten. Der Reinigungszustand ist mit dem Fasermikroskop zu kontrollieren. Vorzugsweise sollten Videomikroskope zum Einsatz kommen. Verschiedene Messhilfsmittel, wie optische Adapter, Rotlichtquelle und Fasererkennungsgerät sind nützlich für die Messung und Fehlersuche. Für reproduzierbare Dämpfungsmessungen müssen die Moden im Multimode-LWL definiert angeregt werden. Die höchste Genauigkeit erhält man bei Verwendung einer Prüfschnur und eines Moden-Controllers. Bei der Leistungsmessung ist eine hohe absolute Genauigkeit erforderlich. Die Wellenlängenabhängigkeit der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers ist zu berücksichtigen. Mit dem Einfügeverfahren B entsprechend DIN EN 61300-3-4 kann die Dämpfung einzelner Stecker gemessen werden. Verschiedene Normen definieren die Dämpfungsmessung an Leitungen. Die Messverfahren unterscheiden sich dadurch, wie die Referenzierung aufgefasst wird. Sie kann mit einer, zwei oder drei Schnüren (Patchkabeln) erfolgen. Die Anordnung zur Messung ist bei allen drei Verfahren gleich. 4.3 Optische Rückstreumessung Die optische Rückstreumessung an Lichtwellenleitern ist ein universelles Messverfahren. Es ermöglicht das installierte LWL-Netz umfassend zu charakterisieren. Trotz komfortabler Messgeräte ist das Verständnis der prinzipiellen Wirkungsweise des Rückstreuverfahrens erforderlich, um die Messergebnisse richtig interpretieren zu können. In diesem Abschnitt wird das Prinzip der Rückstreumessung erläutert. Anschließend wird dargelegt, wie man aus dem Verlauf der Rückstreukurve die Parameter der LWL-Strecke erhält. Schließlich werden die Ereignisse untersucht, die die Rückstreukurve beeinflussen (Rayleighstreuung, Fresnelreflexionen) und ihre Größenordnungen abgeschätzt. 4.3.1 Prinzip der Rückstreumessung Die Rückstreumessung an Lichtwellenleitern mit einem optischen Rückstreumessgerät (OTDR: Optical Time Domain Reflectometer) liefert Aussagen über die Eigenschaften des verlegten Lichtwellenleiters, wie Dämpfungen, Dämpfungskoeffizienten, Störstellen (Stecker, Spleiße, Unterbrechungen), deren Dämpfungen und Reflexionsdämpfungen sowie die Streckenlängen bis zu den jeweiligen Ereignissen auf dem Lichtwellenleiter. 63520_Eberlein_SL4.indd 208 63520_Eberlein_SL4.indd 208 12.11.2020 12: 56: 14 12.11.2020 12: 56: 14 <?page no="226"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 209 209 Zur Übergabe einer neu installierten LWL-Strecke gehört eine Dokumentation durch Rückstreudiagramme und deren Auswertung mit Hilfe einer geeigneten Software. Aus dieser Dokumentation muss beispielsweise ersichtlich sein, ob die Abnahmevorschriften oder Standards eingehalten werden. Das Prinzip der Rückstreumessung ist aus Bild 4.15 ersichtlich. Ein kurzer leistungsstarker Laserimpuls wird über einen Strahlteiler und den Gerätestecker in das Messobjekt eingekoppelt. Der Lichtwellenleiter bewirkt aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften Leistungsrückflüsse, die gemessen werden. Verantwortlich für die Leistungsrückflüsse sind zwei Effekte: Fresnelreflexion und Rayleighstreuung. Eine Fresnelreflexion tritt immer dann auf, wenn die Brechzahl entlang des Lichtwellenleiters unstetig ist. Das ist zum Beispiel an einem Glas-Luft- Übergang am Ende der Strecke der Fall. Aber auch Steckverbindungen zwischen zwei LWL-Teilstücken erzeugen in Abhängigkeit von der Oberflächengestalt des Steckverbinders eine mehr oder weniger große Reflexion. Der Effekt der Fresnelreflexionen ist uns in Form von Spiegelungen an Glasoberflächen allgegenwärtig. Laserdiode Laserimpuls Takt Verstärker Messobjekt rückgestreute reflektierte Stecker Strahlteiler Photodiode AD-Wandler Anzeige Elektrischer Impulsgenerator digitale Signalverarbeitung Leistung Leistung Bild 4.15: Prinzip der Rückstreumessung Im Gegensatz zur Fresnelreflexion ist die Rayleighstreuung kein diskretes Ereignis, sondern tritt an jedem Ort entlang der gemessenen Strecke auf. Dadurch wird es möglich, den Lichtwellenleiter auf seiner gesamten Länge zu charakterisieren. Die Ursachen für die Rayleighstreuung sind Dichte- und Brechzahl-Fluktuationen im Glasmaterial, wobei die Rayleighstreuung mit zunehmender Dotierung des Glases ansteigt. Das Licht wird in alle Richtungen gestreut. Der Anteil, der in rückwärtiger Richtung im Lichtwellenleiter geführt wird, kann detektiert werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 209 63520_Eberlein_SL4.indd 209 12.11.2020 12: 56: 14 12.11.2020 12: 56: 14 <?page no="227"?> 210 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 210 Streueffekte begegnen uns beispielsweise an Scheinwerferstrahlen (PKW oder Leuchtturm) oder bei Lasershows: Wir können den Strahl wahrnehmen, obwohl wir nicht hineinblicken. Das ist möglich, weil durch Streueffekte an Staub- oder Feuchtigkeitsteilchen ein kleiner Anteil des Lichts seitlich austritt. Sinngemäß verhält sich das Licht im Lichtwellenleiter durch die Unregelmäßigkeiten im Glasmaterial. Der Strahlteiler in Bild 4.15 dient der Richtungstrennung von hin- und rücklaufendem Signal. Mit Hilfe eines optischen Zirkulators kann die Richtungstrennung mit geringer Dämpfung erfolgen. Das zurück gestreute und reflektierte Licht gelangt zum Detektor, der extrem empfindlich sein muss, und das Signal wird der Auswertung zugeführt. Das Besondere an der Rückstreumesstechnik ist, dass das Messgerät nicht einfach eine Summe über alle Leistungsrückflüsse bildet, die der einzelne Impuls verursacht. Stattdessen erfolgt mit der Prozessorsteuerung eine Synchronisation zwischen dem Zeitpunkt der Emission des Laserimpulses und dem der Detektierung. Aus der Verzögerung zwischen beiden Signalen kann man auf die Laufzeit des detektierten Signals und damit auf den Ort des jeweiligen Ereignisses schließen. Das heißt, es wird nicht über alle rückfließenden Leistungen integriert, sondern entsprechend der jeweiligen Laufzeit Punkt für Punkt aufgelöst und von jedem einzelnen Ort die rückfließende Leistung ermittelt. Moderne Messgeräte erfassen innerhalb des jeweiligen Messbereiches mindestens 32.000 Punkte. Bild 4.16: Rückstreukurve: (a) lineare Darstellung, (b) logarithmische Darstellung, (c) Mittelwertbildung Der Leistungsabfall im Lichtwellenleiter erfolgt exponentiell entsprechend Gleichung (1.8) (Bild 4.16 (a)). Um ein anschauliches Resultat auf dem Monitor zu erhalten, erfolgt eine Logarithmierung (Bild 4.16 (b)). Um das sehr kleine detektierte Signal aus dem Rauschen herausheben zu können, wird die Messung viele Male wiederholt und der Mittelwert gebildet (Rauschunterdrückung) (Bild 4.16 (c)). Der Laser wird mit einer bestimmten Impulswiederholrate betrieben, die so bemessen ist, dass der nächste Impuls frühestens nach dem vollständigen Hin- und Rücklauf des vorhergehenden Impulses durch den Lichtwellenleiter ausgesandt wird. Au- 63520_Eberlein_SL4.indd 210 63520_Eberlein_SL4.indd 210 12.11.2020 12: 56: 15 12.11.2020 12: 56: 15 <?page no="228"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 211 211 ßerdem verfügt das Rückstreumessgerät über ein geeignetes Speichermedium sowie verschiedene Schnittstellen. 4.3.2 Rückstreukurve als Messergebnis Bild 4.17 veranschaulicht eine Rückstreukurve mit typischen Ereignissen, wobei die Ordinate logarithmisch dargestellt wurde. Leistungsverhältnisse in Dezibel entsprechen Abständen in senkrechter Richtung (Gleichung (1.13)). Die Geraden-Abschnitte im Rückstreudiagramm werden durch die Rayleighstreuung verursacht, die an jedem Punkt entlang der Strecke auftritt. Die Spitzen entstehen durch Reflexionen, die diskret sind und meist deutlich größere Leistungsrückflüsse als die Rayleighstreuung bewirken. Bild 4.17: Rückstreukurve mit typischen Ereignissen Bild 4.17 zeigt die Leistungsrückflüsse in Abhängigkeit von der Streckenlänge. Das Messgerät misst die Laufzeiten der Signale. Der Anwender möchte den Ort wissen, der zur gemessenen Laufzeit gehört. Das Messgerät rechnet Laufzeiten in Orte um und zeigt diese an (Abschnitt 4.4.1). Der Verlauf des ungestörten Lichtwellenleiters wird durch die mit der Ziffer 1 gekennzeichneten Abschnitte veranschaulich. Aus deren Neigung, also aus dem Abfall der Rayleighstreuung, schließt man auf den Dämpfungskoeffizienten. Voraussetzung ist, dass die Rayleighstreuung entlang des jeweiligen Streckenabschnittes konstant ist. Der Streckenabschnitt kann durch das Setzen von Cursors ausgewertet werden. Entsprechend Bild 4.17 gilt für den Dämpfungskoeffizient: 63520_Eberlein_SL4.indd 211 63520_Eberlein_SL4.indd 211 12.11.2020 12: 56: 15 12.11.2020 12: 56: 15 <?page no="229"?> 212 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 212 km / dB in L L dBm / P dBm / P 1 2 2 1 − − = α (4.1) Bild 4.18: Ermittlung des Dämpfungskoeffizienten aus dem Abfall der Rayleighstreuung (L 1 und L 2 : Orte der Cursors, P 1 und P 2 zugehörige gestreute Leistungen) Prinzipiell kann man alle Ereignisse entlang der Rückstreukurve durch das manuelle Setzen von Cursors auswerten. Das ist aber sehr mühselig. Außerdem ergeben die automatischen Auswertealgorithmen des Messgerätes exaktere Resultate. Das Ergebnis der Auswertungen ist die Ereignistabelle. In dieser Tabelle werden die Ereignisse durchnummeriert und jedes Ereignis charakterisiert: Typ des Ereignisses, Ort, Dämpfungskoeffizient, Dämpfung, Reflexionsdämpfung usw. Für Routinemessungen ist eine vollautomatische Auswertung zu empfehlen. Ziffer 2 in Bild 4.17 zeigt eine negative Stufe: Das kann eine Dämpfung sein. Da nicht gleichzeitig eine Reflexion auftritt, kann es sich um einen Spleiß oder eine Makrobiegung handeln. Auch ein asymmetrischer Koppler kann eine solche Stufe verursachen. Ziffer 3 zeigt eine Reflexion ohne gleichzeitige Dämpfung: Ein solches Ereignis wird durch eine Geisterreflexion hervorgerufen (Abschnitt 4.7.3). Ziffer 4 veranschaulicht die Reflexion am Ausgang des Messgerätes. Die Reflexion am Ende der Strecke entsteht durch Übergang von Glas (Brechzahl ≈ 1,5) zu Luft (Brechzahl ≈ 1,0). Bei einem PC-Stecker ist diese Reflexion sehr groß (4a) und bei einem APC-Stecker sehr klein (4b). Ziffer 5 zeigt sowohl eine Dämpfung als auch eine Reflexion. Das ist typisch für einen PC-Stecker. Bei einem APC-Stecker kann die Spitze verschwinden. Folglich kann das Ereignis bei Ziffer 2 auch durch einen APC-Stecker hervorgerufen worden sein. Ziffer 6 zeigt eine positive Stufe. Diese hat nichts mit einem Koppelverlust oder gar einer „Verstärkung“ zu tun. Um das Ereignis zu verstehen, darf das Rückstreudiagramm nicht mit einem Pegeldiagramm verwechselt werden. Während das Pegeldiagramm den Leistungsabfall entlang der Strecke veranschaulicht, werden im Rückstreudiagramm die rückgestreuten und reflektierten Leistungen dargestellt. Verbindet man zwei Lichtwellenleiter mit unterschiedlichen Parametern, beispielsweise einen Lichtwellenleiter mit geringerer Dotierung mit einem Lichtwellenleiter mit höherer Dotierung, kann eine positive Stufe entstehen, da der zweite Lichtwellenleiter das Licht stärker streut. 63520_Eberlein_SL4.indd 212 63520_Eberlein_SL4.indd 212 12.11.2020 12: 56: 15 12.11.2020 12: 56: 15 <?page no="230"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 213 213 Wird das gleiche Ereignis aus der entgegengesetzten Richtung gemessen, entsteht eine entsprechend große negative Stufe. Diese Stufe hat nichts mit einer Dämpfung an der Koppelstelle, sondern mit Parametertoleranzen zu tun! Somit kann das Ereignis 2 auch durch Parametertoleranzen verursacht worden sein. Prinzipiell jede Stufe im Rückstreudiagramm setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: Einem Anteil, der tatsächlich durch eine Dämpfung hervorgerufen wird und einem Anteil bedingt durch Toleranzen zwischen den gekoppelten Lichtwellenleitern. Bei der Auswertung des Rückstreudiagramms sind nur die Dämpfungen an den diskreten Ereignissen interessant, nicht die Effekte, die durch Parametertoleranzen entstehen. Dieser Anteil an der Stufe muss eliminiert werden. Das ist möglich, indem man von beiden Seiten misst und den Mittelwert bildet. Oft hört man das Argument, dass eine Messung aus nur einer Richtung ausreichend sei, weil die Strecke nur in einer Richtung betrieben wird. Das ist falsch! Für exakte Resultate ist stets eine bidirektionale Messung erforderlich (Abschnitt 4.4.2). Die Tatsache, dass nur von einer Seite gemessen werden muss, wurde stets als ein besonderer Vorteil der Rückstreumessung im Vergleich zur Dämpfungsmessung herausgestellt. Auf diesen Vorteil muss verzichtet werden, wenn man genaue Resultate erhalten möchte. Die Messung aus beiden Richtungen kann eine Person allein bewältigen, sofern auf einen Nachlauf-LWL verzichtet wird. Insofern ist die Rückstreumessung immer noch vorteilhafter als die herkömmliche Dämpfungsmessung, die stets zwei Personen erfordert. Arbeitet man nicht nur mit Vor-, sondern auch mit Nachlauf-LWL (Abschnitt 4.7.2), muss aber auch dieser Vorteil aufgegeben werden, da dann eine zweite Person am Ende der Strecke benötigt wird. Die Leistung des Laserimpulses kann 10 mW bis 1 W betragen und die Impulswiederholrate liegt bei einigen kHz. Der eingekoppelte Laserimpuls hat stets eine endliche Dauer. Das entspricht einer endlichen Länge des Impulszuges. Eine Impulsdauer von 5 ns entspricht etwa einer Impulslänge von 1 m. Das heißt, es wird ein ca. 1 m langer Abschnitt im Lichtwellenleiter beleuchtet. Trifft der Impulszug auf ein diskretes Ereignis, beispielsweise eine Reflexion, benötigt er eine bestimmte Zeitdauer, um es zu durchlaufen. So wird dieses Ereignis im Rückstreudiagramm nicht als Nadelimpuls dargestellt, sondern es hat stets eine endliche Flankensteilheit. Die jeweilige Flankensteilheit ergibt sich aus der Impulslänge. Kurze Impulse ermöglichen eine steile Flanke und damit ein hohes Auflösungsvermögen. Eng benachbarte Ereignisse können getrennt werden. Bei langen Impulsen ist das Auflösungsvermögen begrenzt. Mit einem kurzen Impuls wird nur eine geringe Leistung in den Lichtwellenleiter gekoppelt. Die Dynamik und damit die messbare Streckenlänge sind begrenzt. Durch 63520_Eberlein_SL4.indd 213 63520_Eberlein_SL4.indd 213 12.11.2020 12: 56: 15 12.11.2020 12: 56: 15 <?page no="231"?> 214 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 214 Vergrößerung der Impulslänge lässt sich auf Kosten des Auflösungsvermögens die Dynamik erhöhen. Dann ist die Rayleighstreuung größer (jeder Impuls trägt eine höhere Energie) und damit sind auch die detektierbaren Strecken länger. Bild 4.19 zeigt ein reales Rückstreudiagramm. Die gemessene Strecke betrug mehr als 100 km und die Dämpfung mehr als 27 dB. Man erkennt, dass am Ende der Strecke das Messgerät an seine Grenzen stößt. Der Einfluss des Rauschens macht sich zunehmend bemerkbar, so dass am Streckenende keine vernünftige Auswertung mehr möglich ist. Durch Erhöhung der Messzeit (das heißt der Anzahl der Mittelungen) kann die Kurve geglättet werden. Allerdings ist die Messzeit ein wichtiger Kostenfaktor. Eine große Messzeit ist sinnvoll, wenn man einen Fehler sucht und besonders viele Informationen aus der Messkurve herausholen möchte. Für eine routinemäßige Messung sollte eine kürzere Messzeit reichen, vor allem wenn viele Fasern zu messen sind. Allerdings bedeutet eine kürzere Messzeit Verlust an Dynamik. Bild 4.19: Reales Rückstreudiagramm (Quelle: Wavetek) In den Datenblättern wird die Definition der Dynamik stets auf eine Messzeit von drei Minuten bezogen. Tatsächlich wird meist eine deutlich kleinere Messzeit gewählt. Eine andere Möglichkeit, die Messkurve am Ende der Strecke zu glätten ist die Messung mit einer größeren Impulslänge, was aber auf Kosten des Auflösungsvermögens geht. Die beste Lösung ist, mit einem OTDR-Modul mit hoher Dynamik zu messen. Für die Singlemode-Technik werden Module mit unterschiedlicher Dynamik und entsprechend unterschiedlichen Preisen angeboten. Die Dynamik ist die Differenz in Dezibel zwischen der eingekoppelten Leistung und der Leistung, bei der der Empfänger ein 63520_Eberlein_SL4.indd 214 63520_Eberlein_SL4.indd 214 12.11.2020 12: 56: 15 12.11.2020 12: 56: 15 <?page no="232"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 215 215 Signal-Rausch-Verhältnis von 1: 1 misst, bei einer Messzeit von drei Minuten und der maximal spezifizierten Impulslänge. Beispiel: Modul mit 45 dB Dynamik bei einer Impulslänge von 10 µs. Zur Erkennung eines Faserbruchs muss das Signal mindestens 3 dB über dem Rauschen liegen. Zur Erkennung einer Spleißdämpfung von 0,1 dB / 0,05 dB / 0,02 dB am Ende der Strecke muss das Signal mindestens 8,5 dB / 10 dB / 12 dB über dem Rauschen liegen. Die nutzbare Dynamik reduziert sich um diesen Betrag. Reduziert man die Messzeit von drei Minuten auf 30 Sekunden, verringert sich die Dynamik um weitere 4 dB. Die angegebene Dynamik bezieht sich auf die maximale Impulslänge, im Beispiel 10 µs. Das bedeutet: Wenn man eine Strecke mit einem 45 dB-Modul misst, eine Messzeit von 30 Sekunden einstellt und eine Spleißdämpfung von 0,02 dB am Ende der Strecke noch erkennen möchte, reduziert sich die Dynamik bei maximaler Impulslänge auf 45 dB - 12 dB - 4 dB = 29 dB! Bei geringerer Impulslänge verringert sich die Dynamik weiter. Reduziert man die Impulslänge von 10 µs auf 1 µs (Auflösungsvermögen 100 m), reduziert sich die Dynamik noch mal um 10 dB: verbleibende Dynamik: 19 dB. Reduziert man die Impulslänge auf 100 ns (Auflösungsvermögen 10 m), verringert sich die Dynamik um weitere 10 dB: verbleibende Dynamik 9 dB. Für die Messung sollte ein Modul mit deutlich höherer Dynamik als die Dämpfung der zu messenden Strecke gewählt werden. So kann man eine geringe Messzeit, eine hohe Genauigkeit, ein großes Auflösungsvermögen und einen großen Messbereich realisieren. Bei Messung mit zu geringer Dynamik ist die Strecke am Ende verrauscht und kleine Ereignisse können nicht erkannt bzw. ausgewertet werden. Das macht sich wegen des höheren Dämpfungskoeffizienten bei 1310 nm eher bemerkbar als bei 1550 nm. Ist ein APC-Stecker am Streckenende, wird dieser unter Umständen nicht erkannt und eine zu geringe Streckenlänge angezeigt. Impulslänge und Messzeit sollten so eingestellt werden, dass am Ende der Strecke die Kurve noch mindestens 12 dB über dem Rauschen liegt. Dann ist die Kurve auch am Ende der Strecke noch hinreichend glatt um kleine Spleiße erkennen und auswerten zu können. In Bild 4.19 sind weiterhin Reflexionen (einschließlich Anfangs- und Endreflexion) und Dämpfungsstufen erkennbar. Wegen der langen Impulse erscheinen die Stufen schräg. Etwa in der Mitte des Diagramms ist ein Stück Lichtwellenleiter mit höherer Rayleighstreuung ersichtlich. Erkennbar an der positiven Stufe am Anfang und an der negativen Stufe am Ende dieser Strecke. Dieser LWL-Abschnitt mindert nicht die Qualität der Gesamtstrecke! Die Ursache sind unterschiedliche Faserparameter. 63520_Eberlein_SL4.indd 215 63520_Eberlein_SL4.indd 215 12.11.2020 12: 56: 16 12.11.2020 12: 56: 16 <?page no="233"?> 216 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 216 Das Rückstreudiagramm zeigt den dekadischen Logarithmus des Verhältnisses von eingekoppelter zu zurückfließender Leistung als Funktion der LWL-Länge an. Die tatsächlich vom Rückstreumessgerät ermittelte Dämpfung ist doppelt so hoch, da der Lichtwellenleiter zweimal durchlaufen wird. Das heißt, es wird nur die Hälfte der gemessenen Dämpfung angezeigt! Auch jedes diskrete Ereignis wird vom Laserimpuls zweimal durchlaufen, sowohl in Hinals auch in Rückrichtung. Der Laserimpuls wird geschwächt, entsprechend der Dämpfung in Hin- und in Rückrichtung. Das bedeutet, dass nur der Mittelwert der Dämpfung des Ereignisses gemessen werden kann. Hat beispielsweise eine Verbindung zwischen zwei Multimode-LWL mit unterschiedlichen Parametern in einer Richtung gar keinen Koppelverlust und in der anderen Richtung einen Verlust von 2 dB, so wird im Rückstreudiagramm eine Stufe von 1 dB angezeigt (Abschnitt 4.5.2). 4.3.3 Interpretation der Ereignistabelle Die Rückstreukurve wird vollautomatisch ausgewertet und das Ergebnis in der Ereignistabelle dargestellt. Bild 4.20 zeigt das Ergebnis einer Rückstreumessung an einer Strecke bestehend aus drei Faserabschnitten und verbunden mit zwei APC- Steckern. In der ersten Spalte der Ereignistabelle werden die Ereignisse durchnummeriert. Die zweite Spalte zeigt den jeweiligen Ort. Die dritte Spalte veranschaulicht die Länge des jeweiligen Faserabschnittes und den Typ des Ereignisses. Die drei Längen wurden mit L 1 , L 2 und L 3 gekennzeichnet. Die Summe aus diesen Längen ergibt den Ort entsprechend der zweiten Spalte. In der vierten Spalte der Ereignistabelle stehen die Dämpfungen in Dezibel der einzelnen Ereignisse: • L 1 ∙ α 1 = 0,782 dB: Dämpfung des ersten Faserabschnittes • St 2 = 0,298 dB: Dämpfung des Steckers am Ereignis 2 • L 2 ∙ α 2 = 0,459 dB: Dämpfung des zweiten Faserabschnittes • St 3 = 0,128 dB: Dämpfung des Steckers am Ereignis 3 • L 3 ∙ α 3 = 2,028 dB: Dämpfung des dritten Faserabschnittes Die fünfte Spalte zeigt die Reflexionsgrade, sofern es sich um ein reflektierendes Ereignis handelt. Das sind die negativen Werte der Reflexionsdämpfungen (Abschnitt 4.3.4.2). Die Reflexionsdämpfungen sind sehr hoch, so dass keine Reflexionsspitzen an den Ereignissen 2 und 3 erkennbar sind. Die sechste Spalte zeigt die Dämpfungskoeffizienten (Dämpfungsbelag) der jeweiligen Abschnitte. Die siebente Spalte summiert die einzelnen Dämpfungsbeiträge (Fasern, Stecker) entsprechend der vierten Spalte auf. Als Gesamtdämpfung ergibt sich 3,694 dB. 63520_Eberlein_SL4.indd 216 63520_Eberlein_SL4.indd 216 12.11.2020 12: 56: 16 12.11.2020 12: 56: 16 <?page no="234"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 217 217 Bild 4.20: Ereignistabelle bei Auswertung mit Software von EXFO Fasst man den ersten Lichtwellenleiter als Vorlauf-LWL und den letzten Lichtwellenleiter als Nachlauf-LWL auf, so erhält man die Dämpfung der Strecke (hier: zweiter Faserabschnitt) plus ersten und letzten Stecker, indem man von der Gesamtdämpfung die Dämpfung des ersten und des letzten Lichtwellenleiters subtrahiert: 3,694 dB - 0,782 dB - 2,028 dB = 0,887 dB. Das heißt aus der Rückstreukurve kann die Dämpfung der Strecke einschließlich des ersten und letzten Steckers (nach bidirektionaler Messung) berechnet werden. Eine explizite Dämpfungsmessung ist nicht erforderlich. Entsprechend DIN EN 61280-4-2 ist das generell für Singlemode-LWL zulässig. Bei Messung an Multimode-LWL erhält man nur richtige Ergebnisse, wenn es sich durchgehend um den gleichen Fasertyp handelt. Die Genauigkeit ist geringer, als wenn man die Dämpfung mit einem Sender und Empfänger misst. 63520_Eberlein_SL4.indd 217 63520_Eberlein_SL4.indd 217 12.11.2020 12: 56: 16 12.11.2020 12: 56: 16 <?page no="235"?> 218 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 218 Bild 4.21: Ereignistabelle bei Auswertung mit Software von VIAVI oder FiberDoc Bild 4.21 zeigt eine sinngemäße, aber etwas verkürzte Auswertung der gleichen Rückstreukurve: • 1. Spalte: Nummerierung der Ereignisse • 2. Spalte: Symbol für den Typ des Ereignisses. 1: Stecker: Spitze und Stufe 2: Spleiß: Stufe. Tatsächlich handelt es sich um einen Schrägschliffstecker hoher Reflexionsdämpfung. Eine Spitze wird nicht erkannt. 3: Streckenende: große Stufe, Abfall ins Rauschen • 3. Spalte: Ort des jeweiligen Ereignisses • 4. Spalte: Reflexionsdämpfung hinter dem jeweiligen Ort • 5. Spalte: Dämpfungskoeffizienten (hier mit „Steigung“ bezeichnet) • 6. Spalte: Länge der einzelnen Abschnitte • 7. Spalte: erste Zeile: kumulative Dämpfung bis unmittelbar vor das Ereignis 1 zweite Zeile: kumulative Dämpfung bis unmittelbar vor das Ereignis 2 dritte Zeile: Gesamtdämpfung der Strecke 4.3.4 Gestreute und reflektierte Leistungen Zum Verständnis der Ereignisse auf der Rückstreukurve werden nachfolgend die Größenordnungen der gestreuten und der reflektierten Leistungen abgeschätzt. 63520_Eberlein_SL4.indd 218 63520_Eberlein_SL4.indd 218 12.11.2020 12: 56: 16 12.11.2020 12: 56: 16 <?page no="236"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 219 219 4.3.4.1 Rayleighstreuung Die Rayleighstreuung verursacht im Lichtwellenleiter eine physikalisch unvermeidbare Mindestdämpfung. Dieser nachteilige Effekt wird bei der Rückstreumessung in einen Vorteil umgemünzt: Ein Teil der verloren gegangenen Leistung wird als Messsignal genutzt. Die Rayleighstreuung entsteht durch örtliche Dichtefluktuationen des Quarzglases, was zu Schwankungen der Brechzahl und damit zu einer kontinuierlichen Streuung führt. Der LWL-Kern hat stets eine größere Brechzahl als der LWL-Mantel, damit das Licht im Kern durch Totalreflexion geführt werden kann. Die Brechzahlerhöhung realisiert man durch Dotierung von reinem Quarzglas SiO 2 mit Fremdatomen (zum Beispiel GeO 2 ). Die Rayleighstreuung hängt von den Dotierungsstoffen, der Wellenlänge sowie der Konzentration der Dotanten ab. Je stärker die Dotierung umso größer ist die Streuung. Eine stärkere Dotierung bewirkt eine größere Brechzahldifferenz zwischen Kern und Mantel und damit eine größere numerische Apertur des Lichtwellenleiters. Da die Inhomogenitäten des Glases meist kleiner als die Lichtwellenlänge sind, folgen die Streuverluste näherungsweise den Gesetzen der Rayleighstreuung, das heißt sie sind bei kurzen Wellenlängen sehr groß und nehmen mit zunehmender Wellenlänge proportional zu 4 / 1 λ ab. Zur Abschätzung der Rückstreudämpfung, das heißt des Anteils des zurück gestreuten Lichts zum einfallenden Licht, werden die besten spezifizierten Dämpfungskoeffizienten (zweite Spalte in Tabelle 4.7) zu Grunde gelegt. Dabei wird angenommen, dass die Dämpfung im Wesentlichen nur durch die Rayleighstreuung verursacht wird und die Absorption vernachlässigbar ist. In der dritten Spalte von Tabelle 4.7 wurden die Dämpfungskoeffizienten von dB/ km in 1/ km entsprechend Gleichung (1.10) umgerechnet. Fasertyp Rayleighstreudämpfungskoeffizienten αα s Rayleighstreudämpfungskoeffizienten αα ’ s Singlemode 1310 nm 0,32 dB/ km 0,074/ km Singlemode 1550 nm 0,18 dB/ km 0,041/ km MM, 50 µm, 850 nm 2,3 dB/ km 0,53/ km MM, 50 µm, 1300 nm 0,5 dB/ km 0,12/ km MM 62,5 µm, 850 nm 2,6 dB/ km 0,60/ km MM 62,5 µm, 1300 nm 0,7 dB/ km 0,16/ km Tabelle 4.7: Streukoeffizienten verschiedener LWL-Typen Die Werte in der rechten Spalte der Tabelle 4.7 entsprechen dem Verhältnis der gesamten gestreuten Leistung (in alle Raumrichtungen) zur eingekoppelter Leistung 63520_Eberlein_SL4.indd 219 63520_Eberlein_SL4.indd 219 12.11.2020 12: 56: 17 12.11.2020 12: 56: 17 <?page no="237"?> 220 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 220 bezogen auf eine Faserlänge von einem Kilometer. Messbar ist nur der Anteil, der im Lichtwellenleiter wieder zurückläuft, also innerhalb der numerischen Apertur der Faser liegt. Bild 4.22 zeigt den LWL-Kern mit den Streuzentren (kleine Kreise). Das Licht P 0 trifft auf ein Streuzentrum, wird in alle Richtungen gestreut, aber nur ein kleiner Anteil liegt innerhalb des Akzeptanzbereiches der Faser (Kegel). P 0 Bild 4.22: Wiedereinkopplung in Rückrichtung Das Streuverhalten ist leicht anisotrop. Die Größe des Akzeptanzkegels hängt von der numerischen Apertur NA des Lichtwellenleiters und dem Brechzahlprofil ab. Der Akzeptanzkegel ist groß beim Stufenprofil-Multimode-LWL und klein beim Singlemode-LWL. Entsprechend unterscheiden sich die Wiedereinkopplungsgrade S ([4.1], Seite 131-132): 2 K n NA 8 3 S ⋅ = für Multimode-Stufenprofil-LWL (4.2) 2 K n NA 4 1 S ⋅ = für Multimode-Parabelprofil-LWL (4.3) 2 K 2 2 2 M 2 K 2 K n w V 2 ) n n ( r 3 S − ⋅ = für Singlemode-Stufenprofil-LWL (4.4) Dabei ist r K der Kernradius, V die normierte Frequenz und w der Modenfeldradius. Wegen V 6 , 2 r w K ⋅ ≈ (4.5) kann man Gleichung (4.4) vereinfachen in: ∆ ⋅ = − ⋅ ≈ 444 , 0 n n n 222 , 0 S 2 K 2 M 2 K (4.6) Das zweite Gleichheitszeichen gilt wegen Gleichung (1.6). Tabelle 4.8 zeigt die Wiedereinkopplungswirkungsgrade für verschiedene LWL-Typen. 63520_Eberlein_SL4.indd 220 63520_Eberlein_SL4.indd 220 12.11.2020 12: 56: 17 12.11.2020 12: 56: 17 <?page no="238"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 221 221 LWL-Typ Wiedereinkopplungswirkungsgrad S MM-Stufenprofil-LWL, NA = 0,2 0,0069 MM-Parabelprofil-LWL, NA = 0,2 0,0045 MM-Parabelprofil-LWL, NA = 0,275 0,0085 Standard-SM-LWL, NA = 0,12 0,0013 Tabelle 4.8: Wiedereinkopplungswirkungsgrade typischer Lichtwellenleiter Die Werte in der dritten Spalte der Tabelle 4.7 müssen mit den entsprechenden Wiedereinkopplungsgraden aus Tabelle 4.8 multipliziert werden. Das Licht durchläuft den Lichtwellenleiter in Vor- und Rückwärtsrichtung. Es ist also der doppelte Dämpfungskoeffizient wirksam. Entsprechend müssen die Werte noch durch zwei dividiert werden. Die Ergebnisse sind in der zweiten Spalte der Tabelle 4.9 zusammengestellt. Die Rückstreudämpfungen beziehen sich auf einen Faserabschnitt von einem Kilometer. Die tatsächliche Streuung hängt von der Impulslänge ab. Wegen: n t c s nittes Faserabsch en beleuchtet des Länge die für gilt n c v t s ⋅ = = = (4.7) Üblicherweise werden die Rayleigh-Rückstreukoeffizienten für eine Impulslänge von t = 1 ns angegeben. Mit t = 1 ns, c ≈ 300.000 km/ s (Vakuum-Lichtgeschwindigkeit) und n ≈ 1,5 ergibt sich aus Gleichung (4.7) s ≈ 0,2 m. Bei einer Impulslänge von 1 ns wird also etwa 0,2 m der Faser beleuchtet. Multipliziert man die Werte in der mittleren Spalte der Tabelle 4.9 mit 0,2 m erhält man die Rayleigh-Rückstreukoeffizienten der rechten Spalte. Fasertyp Rückstreudämpfung Rayleigh-Rückstreukoeffizient bei Impulslänge 1 ns Singlemode 1310 nm 0,000048/ km 80 dB Singlemode 1550 nm 0,000027/ km 83 dB MM, 50 µm, 850 nm 0,0012/ km 66 dB MM, 50 µm, 1300 nm 0,00027/ km 72 dB MM 62,5 µm, 850 nm 0,0025/ km 63 dB MM 62,5 µm, 1300 nm 0,00068/ km 69 dB Tabelle 4.9: Rückstreudämpfung und Rayleigh-Rückstreukoeffizient für verschiedene LWL-Typen Bei manchen Rückstreumessgeräten müssen die Rayleigh-Rückstreukoeffizienten nicht für eine Nanosekunde, sondern für eine Mikrosekunde eingegeben werden. Entsprechend reduzieren sich die Werte in der rechten Spalte von Tabelle 4.9 um 30 dB. Auf der Grundlage der eingestellten Impulslänge rechnet das Gerät auf den jeweiligen Rayleigh-Rückstreukoeffizient um. 63520_Eberlein_SL4.indd 221 63520_Eberlein_SL4.indd 221 12.11.2020 12: 56: 17 12.11.2020 12: 56: 17 <?page no="239"?> 222 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 222 Tabelle 4.10 zeigt Rückstreudämpfungen für verschiedene LWL-Typen und für die jeweils kürzeste bzw. längste Impulslänge, die ein typisches OTDR-Modul emittiert. Es wurden die berechneten Rayleighstreukoeffizienten entsprechend der rechten Spalte von Tabelle 4.9 zu Grunde gelegt. LWL-Typ Impulslänge Rückstreudämpfung 850 nm Multimode 50 µm 5 ns/ 200 ns 59 dB/ 43 dB 850 nm Multimode 62,5 µm 5 ns/ 200 ns 56 dB/ 40 dB 1300 nm Multimode 50 µm 5 ns/ 200 ns 65 dB/ 49 dB 1300 nm Multimode 62,5 µm 5 ns/ 200 ns 62 dB/ 46 dB 1310 nm Singlemode 5 ns/ 10 µs 73 dB/ 40 dB 1550 nm Singlemode 5 ns/ 10 µs 76 dB/ 43 dB Tabelle 4.10: Rückstreudämpfungen typischer Lichtwellenleiter Aus Tabelle 4.10 ist ersichtlich, dass sich die Rückstreudämpfungen mit zunehmender Wellenlänge und beim Übergang von Multimode-LWL zu Singlemode-LWL erhöhen. Die höchsten Dämpfungen erzielt man mit kürzesten Impulslängen und bei der größten Wellenlänge. Die zurück gestreute Leistung kann 76 dB unter der eingekoppelten Leistung liegen. Zusätzlich bewirkt der Zirkulator im Rückstreumessgerät nach zweimaligem Durchlauf eine bestimmte Dämpfung. Außerdem soll eine Streckenlänge mit einer bestimmten Dämpfung (die doppelt wirksam wird, da das Signal hin und zurück läuft) überbrückt werden. Das bedeutet, dass das Rückstreumessgerät eine „interne“ Dynamik von mindestens 100 dB (10 Zehnerpotenzen) haben muss! Damit ist das Verhältnis von Laserdiodenleistung zu Empfängerempfindlichkeit gemeint. Um derart kleine Leistungen zu detektieren wird die Messung viele Male wiederholt und es wird gemittelt. Außerdem kommen als Lichtquelle ein Impulslaser mit hoher Spitzenleistung und ein extrem empfindlicher Empfänger zum Einsatz. Die eingekoppelte Leistung darf allerdings einen bestimmten Wert nicht überschreiten, da sonst die Leistungsdichte im Lichtwellenleiter zu hoch wird, so dass nichtlineare optische Effekte die Messung stören können. Der verwendete Empfänger muss sehr rauscharm sein, um extrem kleine Leistungen messen zu können. Bezüglich Detektierung, Signalverarbeitung und Mittelwertbildung verfügt man heute über ausgereifte leistungsfähige Messgeräte, die die Möglichkeiten bis nahe an die theoretische Grenze ausschöpfen. 63520_Eberlein_SL4.indd 222 63520_Eberlein_SL4.indd 222 12.11.2020 12: 56: 18 12.11.2020 12: 56: 18 <?page no="240"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 223 223 4.3.4.2 Reflektierende Ereignisse Neben den gestreuten Signalen gelangen auch reflektierte Signale zurück zum Empfänger. Reflexionen treten auf, wenn entlang der Übertragungsstrecke die Brechzahl unstetig ist (Brechzahlsprung). Die Reflexion R ist das Verhältnis von reflektierter Leistung P R und an der Reflexionsstelle ankommender Leistung P 0 . Sie berechnet sich für senkrechten Einfall nach Fresnel aus: 2 0 1 0 1 0 R n n n n P P R + − = = (4.8) Die Reflexionsdämpfung a R ergibt sich aus dem Verhältnis von an der Reflexionsstelle ankommender Leistung P 0 und reflektierter Leistung P R : dB in R lg 10 R 1 lg 10 P P lg 10 a R 0 R − = = = (4.9) Der Reflexionsgrad g R wird reziprok definiert: R R 0 R R a g dB in P P lg 10 g − = => = (4.10) Am Ende der Übertragungsstrecke ändert sich die Brechzahl von Glas n 1 ≈ 1,5 zu Luft n 0 ≈ 1. Mit den Gleichungen (4.8) und (4.9) folgt daraus eine Reflexionsdämpfung von etwa 14 dB. Dieser Wert liegt 25 dB bis 60 dB unter den üblichen Rayleighstreudämpfungen (Tabelle 4.10). Reflexionsspitzen ragen meist weit über die Rückstreukurve hinaus und können gesättigt sein. Aber auch kleinere Reflexionen bewirken Spitzen, die deutlich über der Rückstreukurve liegen und problemlos erkannt werden können (Tabelle 4.11). Bei kurzen Impulslängen und großen Wellenlängen, also bei hohen Rayleighstreudämpfungen, sind auch noch sehr kleine Reflexionen erkennbar. Ereignis Reflexionsdämpfung senkrecht gebrochenes LWL-Ende 14 dB 5° schräg gebrochener Parabelprofil-LWL ≈ 20 dB zerkratzte Oberfläche, schlechter Bruch (20...40) dB PC-PC-Steckerübergang (physischer Kontakt) (30...60) dB offener Schrägschliff-Stecker (8°) ≈ 56 dB offener Schrägschliff-Stecker (9°) ≈ 67 dB Brechzahldifferenz 0,001 69 dB APC-APC-Steckerübergang > 70 dB Tabelle 4.11: Größenordnungen typischer reflektierender Ereignisse 63520_Eberlein_SL4.indd 223 63520_Eberlein_SL4.indd 223 12.11.2020 12: 56: 18 12.11.2020 12: 56: 18 <?page no="241"?> 224 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 224 Werden zwei Lichtwellenleiter mit unterschiedlichen Kernbrechzahlen (bedingt durch unterschiedliche Fasertypen) miteinander verspleißt, kann die Brechzahldifferenz eine minimale Reflexion bewirken (vergleiche vorletzte Zeile in Tabelle 4.11). Der Spleiß erscheint dann im Rückstreudiagramm mit einer winzigen Spitze und bedeutet keinen Mangel der Spleißverbindung. 4.3.5 Zusammenfassung Die Rückstreumessung ist ein universelles Verfahren. Gestreute und reflektierte Leistungen können mit hoher räumlicher Auflösung gemessen werden. Das Ergebnis der Rückstreumessung ist eine Rückstreukurve und eine Ereignistabelle. Die Rückstreukurve liefert eine anschauliche Darstellung des Dämpfungs- und Reflexionsverhaltens des Lichtwellenleiters. Die Ereignistabelle wertet die Ereignisse quantitativ aus. Leistungen werden durch Unregelmäßigkeiten der Glasstruktur gestreut. Reflexionen entstehen an Inhomogenitäten der Brechzahl entlang der LWL-Strecke. Die reflektierten Leistungen sind meist wesentlich größer als die zurück gestreuten Leistungen und damit deutlich im Rückstreudiagramm erkennbar. Zur Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens, einer geringen Messzeit und zur Ausmessung einer möglichst langen Strecke wird ein OTDR-Modul mit hoher Dynamik benötigt. 4.4 Analyse von Rückstreudiagrammen In diesem Abschnitt werden die Informationen, die die Rückstreukurve liefert, genauer analysiert. Es werden die Längenmessung und die Dämpfungsmessung mit Hilfe der Rückstreumesstechnik erläutert. Im Weiteren wird darauf eingegangen, wie Toleranzen der Parameter der Lichtwellenleiter die Rückstreukurve beeinflussen. Es wird gezeigt, wie man den Einfluss der Toleranzen auf das Messergebnis reduzieren kann, um zu zuverlässigen Aussagen über die Eigenschaften der LWL-Strecke zu kommen. 4.4.1 Interpretation der Rückstreukurve 4.4.1.1 Längenmessung Auf der Abszisse im Rückstreudiagramm wird die LWL-Länge L aufgetragen (Bild 4.17), die aus der gemessenen Signallaufzeit t berechnet wird. Bei der Berechnung ist zu beachten, dass die Strecke doppelt durchlaufen wird: t L 2 v gr = (4.11) Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist die Gruppengeschwindigkeit v gr im LWL-Kern und wird durch die Gruppenbrechzahl n gr bestimmt: 63520_Eberlein_SL4.indd 224 63520_Eberlein_SL4.indd 224 12.11.2020 12: 56: 18 12.11.2020 12: 56: 18 <?page no="242"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 225 225 gr gr n c v = (4.12) Durch Gleichsetzen ergibt sich: gr n c 2 t L = (4.13) Bei der Fehlersuche, aber auch für die Ermittlung des richtigen Aufmaßes muss der Ort entlang der Strecke exakt ermittelt werden können. Hierfür wird die Gruppenbrechzahl benötigt. Die Gruppenbrechzahl des LWL-Kernes muss vom Lieferanten der Fasern bzw. Kabel erfragt werden. Sie kann dann am Rückstreumessgerät eingestellt werden. Liegen keine Informationen über diese Brechzahlen vor, sind näherungsweise die Werte entsprechend Tabelle 4.12 zu verwenden. LWL-Typ Gruppenbrechzahl nach DIN ISO/ IEC 14763-3 DIN EN 61280-1 850 nm Multimode 50 µm 1,490 1,4835 850 nm Multimode 62,5 µm 1,496 1300 nm Multimode 50 µm 1,486 1,4785 1300 nm Multimode 62,5 µm 1,491 1310 nm Standard-SM-LWL 1,467 - 1383 nm Standard-SM-LWL 1,467*) - 1550 nm Standard-SM-LWL 1,468 - 1625/ 1650 nm Standard-SM-LWL 1,469**) - Tabelle 4.12: Empfohlene Gruppenbrechzahlen *) nicht genormt **) entsprechend DIN EN 61280-4-2 Umgekehrt kann aus einer bekannten Faserlänge auf die Gruppenbrechzahl geschlossen werden: Dabei setzt man den Cursor auf das Ende der Strecke und liest die angezeigte Länge ab. Dann wird die Einstellung der Brechzahl derart verändert, dass die angezeigte Länge mit der bekannten Länge übereinstimmt. So können die Brechzahlen einzelner Teilabschnitte ermittelt werden. Bei der Längenmessung muss zwischen Faserlänge und Kabellänge unterschieden werden. Das LWL-Kabel enthält eine Faserüberlänge (Verseilzuschlag), die bewirkt, dass die Faser lose im Kabel liegt. Das ist erforderlich, damit bei Biegung des Kabels die Faser nicht reißt. Außerdem benötigt man den Verseilzuschlag wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Kabelmaterialien und Faser. 63520_Eberlein_SL4.indd 225 63520_Eberlein_SL4.indd 225 12.11.2020 12: 56: 18 12.11.2020 12: 56: 18 <?page no="243"?> 226 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 226 Der Verseilzuschlag hängt stark von der Art der Verseilung und von der Anzahl der Fasern im Kabel ab. Er liegt meist unter 1 %, kann aber bei speziellen Kabeln deutlich darüber liegen. Bei größeren Streckenlängen muss der Unterschied zwischen Kabellänge und Faserlänge beachtet werden. Die Kabellänge kann anhand der Markierung auf dem Kabelmantel ermittelt werden. Bei einem Verseilzuschlag von einem Prozent enthält ein 1000 m langes Kabel eine 1010 m lange Faser. Das Licht durchläuft in der gleichen Zeit 1010 m Faser, aber nur 1000 m Kabel. Die effektive Gruppenbrechzahl des Kabels ist um den Faktor des Verseilzuschlages größer als die der Faser. Für eine genaue Lokalisierung des fehlerhaften Ortes legt man die Kabellänge zugrunde, da deren Länge dem tatsächlichen Abstand zwischen Messort und Ort des Fehlers entspricht. Die Gruppenbrechzahl des Kabels kann ermittelt werden, wenn die exakte Kabellänge bekannt ist. Diese erhält man aus dem Zählstreifen im Kabel oder dem Kabelaufdruck. Dann wird eine Rückstreumessung gemacht, der Cursor auf das Ende der Strecke gesetzt (an den Punkt, ehe der Reflexionspeak ansteigt) und die Brechzahl derart verstellt, dass die angezeigte Länge mit der Kabellänge übereinstimmt. So kann man die Kabelbrechzahl ermitteln ohne Kenntnis der Gruppenbrechzahl des Glasfaserkernes und ohne Kenntnis des Verseilzuschlages. Diese Kabelbrechzahl wird zusammen mit dem Messprotokoll hinterlegt. Im Havariefall stellt man vor der Messung die Kabelbrechzahl ein und erhält den tatsächlichen Ort des Ereignisses. Vorlaufprüfschnur Leistung in dBm Streckenlänge Kabelanlage Länge der Kabelanlage OTDR Bild 4.23: Längenmessung 63520_Eberlein_SL4.indd 226 63520_Eberlein_SL4.indd 226 12.11.2020 12: 56: 19 12.11.2020 12: 56: 19 <?page no="244"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 227 227 Für die Längenmessung gilt entsprechend DIN ISO/ IEC 14763-3 (Bild 4.23): • Die effektive Gruppenbrechzahl des Faserkerns ist richtig einzustellen. • Die Cursors sind dort zu setzen, wo der Reflexionspeak ansteigt. Besser: automatische Auswertefunktion des Rückstreumessgerätes nutzen. • Ein Nachlauf-LWL ist nicht erforderlich. • Beim Singlemode-LWL kann in Abhängigkeit vom Stecker (APC) der Reflexionspeak verschwinden. 4.4.1.2 Dämpfungsmessung An der Ordinate der Rückstreukurve werden zurückfließende Leistungen in dBm abgelesen (Pegel). Die angezeigten Werte entsprechen nur der Hälfte der tatsächlichen Dämpfung, da die Strecke zweimal durchlaufen und das Signal tatsächlich doppelt gedämpft wird. So werden die Dämpfungen der Stufen im Rückstreudiagramm, aber auch die Neigung der Rückstreukurve richtig angezeigt. Ebenso der Dämpfungskoeffizient, der sich aus dem Dämpfungsabfall bezogen auf die LWL-Länge ergibt (Gleichung (4.1) und Bild 4.18). Die Reflexionsspitzen über dem Rückstreusignal werden allerdings nur mit halber Höhe dargestellt, da dieser Teil des Kurvenverlaufs auch durch zwei dividiert wird (Abschnitt 4.8). Die Dämpfungsstufen werden vom Rückstreumessgerät automatisch ausgewertet. Dabei wird meist so vorgegangen, dass in die Messkurve vor und hinter dem Ereignis jeweils eine Ausgleichsgerade gelegt wird (Minimierung der quadratischen Abweichung aller Messpunkte: LSA-Methode, Fünf-Punkt-Methode) und diese Geraden bis zum Ort des Ereignisses extrapoliert werden. Der Abstand der Geraden ist dann die (scheinbare) Dämpfung a (Bild 4.24). So werden geringfügige Schwankungen der Messwerte durch Rauscheffekte eliminiert. Bei der Zwei-Punkt-Methode wird eine Gerade durch zwei Punkte der Messkurve gelegt. Dadurch wird das Messergebnis durch Rauscheffekte verfälscht. Die Länge des Abklingvorganges in Bild 4.24 (a) entspricht der halben Impulslänge (Abschnitt 4.6.3). (a) (b) a a Bild 4.24: Messung einer Dämpfung (a) ohne bzw. (b) mit Reflexion 63520_Eberlein_SL4.indd 227 63520_Eberlein_SL4.indd 227 12.11.2020 12: 56: 19 12.11.2020 12: 56: 19 <?page no="245"?> 228 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 228 Um festzustellen, ob ein diskretes Ereignis und nicht eine Ungleichmäßigkeit des Dämpfungsverlaufs vorliegt, ist mit verschiedenen Impulslängen zu messen. Ein diskretes Ereignis bewirkt eine unendlich schmale Störung, welche nur bedingt durch die endliche Impulslänge auch eine endliche Signalbreite im Rückstreudiagramm bewirkt. Ändert man die Impulslänge, so ändert sich auch die Signalbreite. Wenn sich die Kurvenform bei Veränderung der Impulslängen nicht ändert, handelt es sich um eine Ungleichmäßigkeit des Dämpfungsverlaufs. Die Länge des Abklingvorganges in Bild 4.24 (b) hängt von den Empfängereigenschaften, der Reflexionsdämpfung und der Impulslänge ab. 4.4.2 Auswertung problematischer Rückstreudiagramme 4.4.2.1 Prinzip der bidirektionalen Messung Werden zwei Lichtwellenleiter mit identischen Parametern miteinander gekoppelt, so ist aus der Stufe im Rückstreudiagramm unmittelbar die Dämpfung ablesbar. Haben die miteinander gekoppelten Lichtwellenleiter unterschiedliche Parameter, so addieren sich zu den negativen Stufen durch Koppelverluste positive oder negative Stufen bedingt durch Toleranzen der LWL-Parameter. Die Stufe zeigt also mehr als nur die Qualität des Spleißes oder des Steckers! Dieser Effekt tritt vor allem bei der Kopplung von Multimode-LWL mit unterschiedlichen Dotierungen (unterschiedliche Dämpfungsklassen) auf. Beim Singlemode-LWL entstehen die Stufen vor allem durch Toleranzen in den Modenfelddurchmessern (Abschnitt 4.4.3). Die beiden Einflüsse auf die Stufe (Dämpfung, Parametertoleranz) kann man trennen, wenn man bidirektional misst. Das wird im Folgenden gezeigt. Hierfür werden zwei idealisierte Fälle betrachtet. Bild 4.25 (a) zeigt das Rückstreudiagramm von zwei Lichtwellenleitern mit identischen Parametern und folglich identischem Rückstreuverhalten. Diese beiden Lichtwellenleiter werden über einen schlechten Spleiß miteinander verbunden. Es ergibt sich ein Koppelverlust zwischen den beiden Lichtwellenleitern, der als negative Stufe im Rückstreudiagramm erscheint, sowohl wenn von A nach B (Bild 4.25 (b)) als auch wenn von B nach A (Bild 4.25 (c)) gemessen wird. LWL 1 LWL 1 LWL 2 LWL 2 LWL 2 A B B A (a) (b) (c) LWL 1 Bild 4.25: Kopplung zweier Lichtwellenleiter mit identischer Rayleighstreuung, schlechter Spleiß 63520_Eberlein_SL4.indd 228 63520_Eberlein_SL4.indd 228 12.11.2020 12: 56: 19 12.11.2020 12: 56: 19 <?page no="246"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 229 229 Der zweite idealisierte Fall veranschaulicht das Rückstreudiagramm von zwei Lichtwellenleitern mit unterschiedlichen Rayleighstreuungen. Lichtwellenleiter 1 hat eine größere Rayleighstreuung als Lichtwellenleiter 2. Entsprechend liegt die Rückstreukurve des ersten Lichtwellenleiters höher als die des zweiten (Bild 4.26 (a)). Alle anderen Parameter sind identisch (keine intrinsischen Verluste), und die Verbindung ist ideal (keine extrinsischen Verluste). LWL 1 LWL 1 LWL 2 LWL 2 LWL 2 LWL 1 A A B B (a) (b) (c) Bild 4.26: Kopplung zweier Lichtwellenleiter mit unterschiedlicher Rayleighstreuung, idealer Spleiß Beim Übergang vom Lichtwellenleiter 1 zum Lichtwellenleiter 2 (A nach B) (Bild 4.26 (b)) entsteht eine negative Stufe infolge der unterschiedlichen Rayleighstreuungen. Misst man in entgegengesetzter Richtung von B nach A (Bild 4.26 (c)), entsteht eine gleich große positive Stufe, da der Unterschied in den Rayleighstreuungen in entgegengesetzter Richtung gemessen wird. In der Realität überlagern sich Parametertoleranzen und Koppelverluste. Folglich addieren sich auch die Effekte von Bild 4.25 und 4.26. Eine Trennung der beiden Einflüsse ist möglich durch Messung von A nach B, von B nach A und Mittelwertbildung. Bildet man den Mittelwert der Ereignisse von 4.25 (b) und (c), wird eine negative Stufe zu einer negativen Stufe addiert und durch 2 geteilt: Es bleibt eine negative Stufe als Ergebnis. Bei der Mittelwertbildung der Ereignisse von 4.26 (b) und (c) addiert man eine positive zu einer gleich großen negativen Stufe: Diese kompensieren sich zu Null, es bleibt kein beobachtbares Ereignis mehr übrig. Daraus wird anschaulich klar, dass Einflüsse, die Koppelverluste auf der Strecke verursachen, durch die Mittelwertbildung erhalten bleiben. Einflüsse, die durch unterschiedliche Rayleighstreuung verursacht werden, kürzen sich und können auf diese Weise eliminiert werden. Bild 4.27 zeigt ein Ereignis, das in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung gemessen wurde (Pfeile „Spleiß“). Dabei wurde angenommen, man könnte am Ende der Strecke schleifen und in die gleiche Faser wieder einkoppeln. Die scheinbare Dämpfung in Vorwärtsrichtung beträgt a 12 = 0,32 dB und die scheinbare Dämpfung in Rückwärtsrichtung a 21 = -0,28 dB. Mittelwert: . dB 0,02 ) a (a 0,5 a 21 12 = + ⋅ = 63520_Eberlein_SL4.indd 229 63520_Eberlein_SL4.indd 229 12.11.2020 12: 56: 19 12.11.2020 12: 56: 19 <?page no="247"?> 230 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 230 -10 -5 0 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 7 6 5 4 3 2 1 Nachlauffaser an Dose (Faser 4 mit Faser 3 gebrückt) Spleiß Spleiß Nachlauf Vorlauf Bild 4.27: Negative bzw. positive Stufe in Vorwärtsbzw. Rückwärtsrichtung Bild 4.28 zeigt, wie sich die Stufen zusammensetzen (unterschiedliche Rayleighstreuungen rot, Dämpfungen blau dargestellt): • (a) unterschiedliche Streuung: 0,30 dB, Dämpfung: 0,02 dB; Summe: 0,32 dB • (b) unterschiedliche Streuung: -0,30 dB, Dämpfung: 0,02 dB; Summe: -0,28 dB Bild 4.28: Entstehung negativer und positiver Stufen Nicht jede Parametertoleranz verursacht eine negative Stufe. Die folgenden vier Beispiele (Bilder 4.29) veranschaulichen eine gleiche Dämpfung (0,1 dB) aber unterschiedliche Parametertoleranzen. Im ersten Beispiel ist die Parametertoleranz groß: es entsteht eine positive Stufe in Rückwärtsrichtung. Im zweiten Beispiel kompensieren sich in Rückrichtung Dämpfung und Toleranz. In Hinrichtung entsteht eine große negative Stufe. Im dritten Beispiel entstehen trotz Parametertoleranz in beiden Richtungen negative Stufen, die sich allerdings unterscheiden. Im vierten Beispiel sind die Faserparameter identisch und die Stufen in beiden Richtungen sind gleich groß. 63520_Eberlein_SL4.indd 230 63520_Eberlein_SL4.indd 230 12.11.2020 12: 56: 19 12.11.2020 12: 56: 19 <?page no="248"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 231 231 Stufen durch Parametertoleranzen wurden rot, Dämpfungen blau dargestellt. Namhafte Hersteller fertigen Lichtwellenleiter mit sehr engen Toleranzen. Verbindet man solche Fasern, sind die oben beschriebenen Effekte gering. Andererseits lassen die gültigen Normen relativ große Toleranzen für die Fasern zu. Faserhersteller, die den Herstellungsprozess weniger gut beherrschen, liefern Fasern mit starken Parameterschwankungen, so dass die oben beschriebenen Probleme deutlich auftreten können. 1. Beispiel: (a) Toleranz: 0,2 dB, Dämpfung: 0,1; Summe: 0,3 dB (b) Toleranz: -0,2 dB, Dämpfung 0,1 dB; Summe: -0,1 dB => positive Stufe in Rückrichtung 2. Beispiel: (a) Toleranz: 0,1 dB, Dämpfung: 0,1; Summe: 0,2 dB (b) Toleranz: -0,1 dB, Dämpfung 0,1 dB; Summe: 0,0 dB => keine Stufe in Rückrichtung 3. Beispiel: (a) Toleranz: 0,05 dB, Dämpfung: 0,1; Summe: 0,15 dB (b) Toleranz: -0,05 dB, Dämpfung 0,1 dB; Summe: 0,05 dB => negative Stufe in Rückrichtung 4. Beispiel: (a) Toleranz: 0,00 dB, Dämpfung 0,1 dB; Summe: 0,1 dB (b)Toleranz: 0,00 dB, Dämpfung 0,1 dB; Summe: 0,1 dB => gleich große Stufen in beiden Richtungen Bild 4.29: Verschiedene Relationen zwischen Dämpfungen und Parametertoleranzen 4.4.2.2 Vorteile der bidirektionalen Messung 1. Bestimmung der wahren Dämpfung diskreter Ereignisse: Die tatsächliche Dämpfung jedes einzelnen Ereignisses ergibt sich aus dem Mittelwert bei Messung in Hin- und Rückrichtung. Die Rückstreumessung von nur einer Seite ist nicht ausreichend. Die Mittelwertbildung hat sich in den Abnahmevorschriften (insbesondere im Singlemode-Bereich) weitgehend durchgesetzt. 63520_Eberlein_SL4.indd 231 63520_Eberlein_SL4.indd 231 12.11.2020 12: 56: 20 12.11.2020 12: 56: 20 <?page no="249"?> 232 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 232 2. Vergrößerung des messbaren Bereiches: Durch die bidirektionale Messung kann der Messbereich vergrößert werden. Man misst von einer Seite, wobei die Rayleighstreukurve ab einer bestimmten Länge im Rauschen verschwindet. Dann misst man von der anderen Seite. Die beiden Messkurven werden gespiegelt einander zugeordnet und die Endreflexion der einen Kurve wird auf den Anfang der anderen Kurve gelegt. Durch Überlagerung erhält man das Rückstreudiagramm der gesamten Strecke, wobei nur im mittleren Streckenbereich Messwerte aus beiden Richtungen vorliegen. Dieses Verfahren erlaubt keine bidirektionale Auswertung, da das Signal gegen Ende der Strecke verrauscht ist. 3. Erkennung von Ereignissen, die sonst in der Totzone liegen: Sind ein reflektierendes Ereignis (Stecker) und ein nicht reflektierendes Ereignis (Spleiß) eng benachbart, so kann der Spleiß innerhalb der Totzone der Reflexion liegen und nicht messbar sein. Das kann man vermeiden, wenn man die Richtung der Messung so wählt, dass erst der Spleiß und dann der Stecker durchlaufen werden. Misst man aus beiden Richtungen, kann das für alle Kombinationen Spleiß/ Stecker gewährleistet werden. 4.4.2.3 Änderung der Rückstreudämpfung an einer Koppelstelle Es sei P 1 die Leistung unmittelbar vor der Koppelstelle. Durch Rayleighstreuung gelangt die Leistung P 1 D S1 zurück zum Empfänger. Dabei ist D S1 der Rückstreufaktor vor der Koppelstelle. Hinter der Koppelstelle wird die Leistung P 1 entsprechend des Koppelverlustes η 12 gedämpft und der Rückstreufaktor hat den Wert D S2 (Bild 4.30). Bild 4.30: Änderung der Rückstreudämpfung an einer Koppelstelle Das rückgestreute Signal erleidet an der Koppelstelle nochmals einen Koppelverlust von η 21 . Das Leistungsverhältnis LV aus den rückgestreuten Leistungen unmittelbar hinter der Koppelstelle zu derjenigen vor der Koppelstelle ergibt sich dann aus: 1 S 2 S 21 12 D D LV η η = (4.14) Am Rückstreumessgerät wird die Hälfte der gemessenen Dämpfung angezeigt: 63520_Eberlein_SL4.indd 232 63520_Eberlein_SL4.indd 232 12.11.2020 12: 56: 20 12.11.2020 12: 56: 20 <?page no="250"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 233 233 dB in D D lg 5 LV lg 10 2 1 a 1 S 2 S 21 12 12 η η = ⋅ = (4.15) Bei Messung von der anderen Seite ergibt sich sinngemäß: dB in D D lg 5 a 2 S 1 S 21 12 21 η η = (4.16) Durch Mittelwertbildung kürzen sich die Rückstreufaktoren, und die unterschiedlichen Rückstreudämpfungen haben auf das Ergebnis keinen Einfluss mehr: dB in ) lg( 5 2 a a a 21 12 21 12 η η = + = (4.17) Bildet man die Differenz aus (4.15) und (4.16), so kürzen sich die Koppelverluste und man erhält eine Aussage über das Verhältnis der Rückstreudämpfungen: dB in D D lg 5 2 a a a 1 S 2 S 21 12 = − = ∆ (4.18) Damit ist mathematisch bewiesen, was in Abschnitt 4.4.2.1 (Bilder 4.25 und 4.26) anschaulich gezeigt wurde. 4.4.2.4 Quasibidirektionale Rückstreumessung Falls das Streckenende nicht zugänglich ist, kann man mit einer einzigen Messung eine quasibidirektionale OTDR-Messung durchführen (ITU-T G.650.3, Appendix IV). Hierfür wird ein Spiegel am Streckenende mit annähernd 100 % Reflexion benötigt. Bild 4.31: Quasibidirektionale Rückstreumessung 63520_Eberlein_SL4.indd 233 63520_Eberlein_SL4.indd 233 12.11.2020 12: 56: 20 12.11.2020 12: 56: 20 <?page no="251"?> 234 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 234 Der hinlaufende Impuls bewirkt Rückstreuung 1. Ordnung. Licht, das über das reflektierende Ende läuft, wirkt, als wäre am entgegengesetzten Ende Licht (zeitversetzt) eingekoppelt worden. Die entstehende Rayleighstreuung bewirkt Rückstreuung 2. Ordnung (Geisterkurve) (Bild 4.31). Nachteile dieses Verfahrens sind, dass die Messung die doppelte Dynamik beansprucht. Darüber hinaus können kleine Ereignisse (Spleißdämpfungen) in der Nähe des Reflexionspeaks nicht ausgewertet werden. Die korrespondierenden Ereignisse, über die gemittelt werden muss, liegen gespiegelt zum Reflexionspeak (Bild 4.32). Bild 4.32: Quasibidirektionale Rückstreukurve Ist die Reflexion am Streckenende schwächer (zum Beispiel 4 % bei offenem PC- Stecker oder senkrecht gebrochener Faser), liegt die Rückstreukurve 2. Ordnung entsprechend niedriger und verschwindet meist im Rauschen. Ist die Reflexionsdämpfung noch höher (zum Beispiel APC-Stecker), ist die Rückstreukurve 2. Ordnung vernachlässigbar. 4.4.3 Kopplung von Singlemode-Lichtwellenleitern mit unterschiedlichen Modenfelddurchmessern Modenfelddurchmesser werden mit Toleranzen angegeben. Namhafte Firmen spezifizieren zum Beispiel folgende Werte für den Standard-Singlemode-Lichtwellenleiter: • Modenfelddurchmesser bei 1310 nm: 2w 0 = 9,2 µm ± 0,4 µm • Modenfelddurchmesser bei 1550 nm: 2w 0 = 10,4 µm ± 0,5 µm Unterscheiden sich die Modenfelddurchmesser der beiden Lichtwellenleiter an der Koppelstelle, können Koppelverluste und Stufen im Rückstreudiagramm entstehen. Für den Koppelverlust gilt: dB in w 2w w w 20lg a 2 1 22 2 1 ⋅ + = (4.19) 63520_Eberlein_SL4.indd 234 63520_Eberlein_SL4.indd 234 12.11.2020 12: 56: 20 12.11.2020 12: 56: 20 <?page no="252"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 235 235 Aus der Formel ist ersichtlich, dass der Koppelverlust zwischen Singlemode-LWL von der Richtung unabhängig ist. Vertauscht man die Indizes „1“ und „2“ entsteht die identische Gleichung. Das heißt, beim Übergang sowohl vom kleineren zum größeren Modenfelddurchmesser als auch umgekehrt vom größeren zum kleineren Modenfelddurchmesser entsteht ein gleich großer Koppelverlust. Man spricht von einer Fehlanpassung von gaußschen Strahlen. Nur wenn die Modenfelddurchmesser identisch sind, entsteht kein Koppelverlust. Dann ist w 1 = w 2 und im Zähler und Nenner von Gleichung (4.18) steht der gleiche Wert. Der Logarithmus von 1 ergibt Null. Bei Kopplung eines Lichtwellenleiters mit dem Modenfeldradius w 1 und der Brechzahl n 1 an einen Lichtwellenleiter mit dem Modenfeldradius w 2 und der Brechzahl n 2 berechnet sich die Stufe a 12 im Rückstreudiagramm nach der Gleichung [4.2]: dB in w w lg 10 n n lg 10 a a 1 2 1 2 12 + + = (4.20) Dabei ist a die Dämpfung entsprechend Gleichung (4.19). Die Brechzahlunterschiede sind meist so gering, dass der zweite Summand vernachlässigt werden kann. In entgegengesetzter Richtung entsteht eine Stufe entsprechend Gleichung (4.21): dB in w w lg 10 n n lg 10 a a 2 1 2 1 21 + + = (4.21) Für einen Singlemode-LWL mit einem mittleren Modenfelddurchmesser von 10,4 µm ergeben sich in Abhängigkeit von der Toleranz Koppelverluste und Stufen entsprechend Tabelle 4.13. Die Stufen a 12 bzw. a 21 , die bei der Messung mit dem OTDR aus jeweils einer Richtung angezeigt werden, unterscheiden sich stark von der wahren Dämpfung a. Misst man nur aus einer Richtung deutet man die Stufe als Spleißdämpfung. Bei einer Toleranz von 2w = 10,4 µm ± 0,3 µm misst man beispielsweise eine negative Stufe von 0,27 dB, wohingegen der Koppelverlust nur 0,014 dB beträgt. Deshalb ist für die Messung der Dämpfung eines Steckers oder Spleißes in jedem Fall eine bidirektionale OTDR-Messung mit anschließender Mittelwertbildung notwendig! Toleranz w 1 w 2 a a 12 a 21 ±± 0,1 µm 10,3 µm 10,5 µm 0,002 dB 0,09 dB -0,08 dB ±± 0,2 µm 10,2 µm 10,6 µm 0,006 dB 0,17 dB -0,16 dB ±± 0,3 µm 10,1 µm 10,7 µm 0,014 dB 0,27 dB -0,24 dB ±± 0,4 µm 10,0 µm 10,8 µm 0,026 dB 0,36 dB -0,31 dB ±± 0,5 µm 9,9 µm 10,9 µm 0,040 dB 0,46 dB -0,38 dB Tabelle 4.13: Koppelverluste a und Stufen a 12 , a 21 in Abhängigkeit von den Modenfelddurchmessern 63520_Eberlein_SL4.indd 235 63520_Eberlein_SL4.indd 235 12.11.2020 12: 56: 21 12.11.2020 12: 56: 21 <?page no="253"?> 236 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 236 Kleine Toleranzen äußern sich in vernachlässigbaren Koppelverlusten aber in deutlichen Stufen im Rückstreudiagramm! Größere Stufen deuten auf die Mischung von verschiedenen Fasertypen hin. Das können Mischungen von NZDS-Fasern (Tabelle in Abschnitt 1.3.9) oder von biegeunempfindlichen Fasern (Abschnitt 1.3.11) miteinander oder mit Standard- Singlemode-Fasern sein. Werden NZDS-Fasern miteinander kombiniert erhält man Koppelverluste entsprechend Tabelle 4.14. Die Dämpfungen sind relativ klein und symmetrisch bezüglich der Hauptdiagonalen, das heißt von der Richtung unabhängig. Standard- SM-LWL NZDS-LWL TeraLight LEAF TrueWave RS Standard-SM-LWL 0 dB 0,08 dB 0,03 dB 0,21 dB TeraLight 0,08 dB 0 dB 0,01 dB 0,04 dB LEAF 0,03 dB 0,01 dB 0 dB 0,08 dB TrueWave RS 0,21 dB 0,04 dB 0,08 dB 0 dB Tabelle 4.14: Koppelverluste zwischen Standard-Singlemode-LWL und NZDS-LWL Die Stufen im Rückstreudiagramm sind wesentlich größer und hängen von der Richtung ab (Tabelle 4.15). Misst man von der TrueWave RS-Faser in Richtung Standard-Singlemode-LWL, erhält man eine negative Stufe (scheinbaren Koppelverlust) von 1,17 dB. In Gegenrichtung entsteht eine positive Stufe („Gainer“) von 0,75 dB. nach Standard-SM nach NZDS-LWL TeraLight LEAF TrueWave RS von Standard-SM 0 dB -0,49 dB -0,35 dB -0,75 dB von TeraLight +0,66 dB 0 dB +0,20 dB -0,36 dB von LEAF +0,42 dB -0,18 dB 0 dB -0,50 dB von TrueWaveRS +1,17 dB +0,43 dB +0,66 dB 0 dB Tabelle 4.15: Stufen im Rückstreudiagramm zwischen Standard-SM- und NZDS-LWL Bei Mischung von G.657-LWL mit Standard-Singlemode-LWL entstehen Dämpfungen und Stufen entsprechend Tabelle 4.16. Mischt man G.657.A mit G.652.D sind die Dämpfungen sehr gering und auch die Stufen sind moderat, da sich die Parameter wenig unterscheiden (oberer Teil der Tabelle). Mischt man G.657.B mit G.652.D, können die Dämpfungen und Stufen wesentlich größer sein (unterer Teil der Tabelle). Entsprechend Abschnitt 1.3.11 werden moderne biegeunempfindliche Singlemode- LWL (Kategorie A und B) mit den gleichen Modenfelddurchmessern spezifiziert, wie der Standard-Singlemode-LWL. Dann verbleiben nur noch geringe Dämpfungen und kleine Stufen im Rückstreudiagramm. 63520_Eberlein_SL4.indd 236 63520_Eberlein_SL4.indd 236 12.11.2020 12: 56: 21 12.11.2020 12: 56: 21 <?page no="254"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 237 237 Wellenlänge 2 w 1 2 w 2 a a 12 a 21 1310 nm 8,6 µm 9,2 µm 0,020 dB 0,31 dB -0,27 dB 1550 nm 9,8 µm 10,4 µm 0,015 dB 0,27 dB -0,24 dB Mischung ClearCurve XB (w 1 ) mit Standard-Singlemode-Faser (w 2 ) 1310 nm 8,8 µm 9,2 µm 0,009 dB 0,20 dB -0,18 dB 1550 nm 9,8 µm 10,4 µm 0,015 dB 0,27 dB -0,24 dB Mischung BendBright-XS (w 1 ) mit Standard-Singlemode-Faser (w 2 ) 1310 nm 8,9 µm 9,2 µm 0,005 dB 0,15 dB -0,14 dB 1550 nm 10,0 µm 10,4 µm 0,007 dB 0,18 dB -0,16 dB Mischung AllWave ® (w 1 ) mit Standard-Singlemode-Faser (w 2 ) 1310 nm 7,5 µm 9,2 µm 0,18 dB 1,07 dB -0,71 dB Mischung j-ULBL (w 1 ) mit Standard-Singlemode-Faser (w 2 ) 1310 nm 7,0 µm 9,2 µm 0,32 dB 1,51 dB -0,87 dB 1550 nm 8,0 µm 10,4 µm 0,30 dB 1,44 dB -0,84 dB Mischung TFO XtremeBend Plus (w 1 ) mit Standard-Singlemode-Faser (w 2 ) Tabelle 4.16: Mischung G.657-LWL mit Standard-Singlemode-LWL Bild 4.33 zeigt als Beispiel die Mischung zwischen verschiedenen Fasertypen. Die Faser mit kleinerem Modenfelddurchmesser (G.657) streut stärker als die Faser mit größerem Modenfelddurchmesser: • Übergang von G.652 auf G.657: positive Stufe • Übergang von G.657 auf G.652: negative Stufe Bild 4.33: Mischung G.652 - G.657 - G.652 (Quelle: Opternus GmbH) 63520_Eberlein_SL4.indd 237 63520_Eberlein_SL4.indd 237 12.11.2020 12: 56: 22 12.11.2020 12: 56: 22 <?page no="255"?> 238 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 238 Am Ereignis 1 entsteht eine positive Stufe (-0,24 dB) und am Ereignis 2 eine negative Stufe (0,439 dB). Würde man nur unidirektional messen, entspräche das einer viel zu hohen Spleißdämpfung. Tatsächlich muss die Rückstreumessung in beiden Richtungen durchgeführt und der Mittelwert gebildet werden. Setzt man gleiche Stufen in den beiden Richtungen voraus, ergibt sich als wahre Dämpfung: a = 0,5∙(0,439 dB - 0,240) dB ≈ 0,10 dB. Diese Dämpfung ist die Summe aus der Spleißdämpfung und der Dämpfung infolge der Fehlanpassung der Modenfelddurchmesser. 4.4.4 Zusammenfassung Längen, Dämpfungen und Dämpfungskoeffizienten können aus dem Rückstreudiagramm entnommen werden. Dabei sollten die automatischen Auswertefunktionen des Rückstreumessgerätes genutzt werden. Diese liefern eine höhere Genauigkeit als eine manuelle Auswertung. Bei der Längenmessung ist auf die richtige Einstellung der Brechzahl zu achten. Kabelbrechzahl und Faserbrechzahl unterscheiden sich. Die Auswertung des Rückstreudiagramms wird erschwert, falls die miteinander gekoppelten Lichtwellenleiter Toleranzen aufweisen. Dann können im Rückstreudiagramm zusätzliche positive und negative Stufen entstehen. Die Dämpfung diskreter Ereignisse (Stecker, Spleiße) lässt sich nur exakt bestimmen, wenn von zwei Seiten gemessen und der Mittelwert berechnet wird. Besonders deutlich sind die Stufen, wenn Singlemode-LWL mit unterschiedlichen Modenfelddurchmessern oder Multimode-LWL mit unterschiedlichen Dotierungen gekoppelt werden. 4.5 Interpretation der Messergebnisse 4.5.1 Vergleich zwischen Dämpfungs- und Rückstreukurve Bild 4.34 veranschaulicht den Unterschied zwischen Pegeldiagramm und Rückstreudiagramm bei einer richtungsabhängigen Dämpfung. Als Beispiel werden zwei Multimode-LWL mit unterschiedlichen Kerndurchmessern, aber ansonsten identischen Parametern betrachtet. Beim Übergang vom kleineren zum größeren Kerndurchmesser entsteht (theoretisch) kein Verlust. Das Pegeldiagramm (a) zeigt keine Stufe. Beim Übergang vom größeren zum kleineren Kerndurchmesser gibt es Verluste, und im Pegeldiagramm (b) tritt eine Stufe auf. Das Rückstreudiagramm zeigt stets den Mittelwert der Dämpfungen aus beiden Richtungen an, da jedes Ereignis (Stecker, Spleiß) in Hin- und Rückrichtung durchlaufen wird. Folglich ergibt der Mittelwert der Stufen von (a) und (b) die Stufe in den Rückstreu-Kurven (c) bzw. (d). Aus dem Rückstreudiagramm ist nicht erkennbar, wo sich der Lichtwellenleiter mit dem großen Durchmesser und wo sich der Lichtwellenleiter mit dem kleinen Durchmesser befindet. 63520_Eberlein_SL4.indd 238 63520_Eberlein_SL4.indd 238 12.11.2020 12: 56: 22 12.11.2020 12: 56: 22 <?page no="256"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 239 239 r < r r > r K1 K1 K2 K2 Bild 4.34: Vergleich Pegeldiagramm (a) und (b) mit Rückstreudiagramm (c) und (d) (Multimode-LWL) bei Messung vom kleinen zum großen Durchmesser (a) und (c) bzw. vom großen zum kleinen Durchmesser (b) und (d). Voraussetzung: beide Lichtwellenleiter haben gleiches Rückstreuverhalten. Würde man die Cursors an den Anfang und das Ende der Kurven (c) bzw. (d) setzen, um die Dämpfung der Strecke aus dem Rückstreudiagramm auszuwerten, würde man in beiden Fällen das gleiche Ergebnis erhalten, was falsch ist. Wenn Ereignisse auf der Strecke eine richtungsabhängige Dämpfung haben, kann man aus der Rückstreukurve nicht auf die Streckendämpfung schließen. Hat man auf der Strecke identische Multimode-LWL, kann man aus der Rückstreumessung die Dämpfung ermitteln. Der Koppelverlust zwischen zwei Singlemode-LWL ist von der Richtung unabhängig (Gleichung (4.19)). (a) (b) (c) (d) w > w w < w 1 1 2 2 Bild 4.35: Vergleich Pegeldiagramm (a) und (b) mit Rückstreudiagramm (c) und (d) (Singlemode-LWL) bei Messung von links nach rechts (a) und (c) bzw. rechts nach links (b) und (d) bei richtungsunabhängiger Dämpfung (Singlemode-LWL). Voraussetzung: beide Lichtwellenleiter haben gleiches Rückstreuverhalten. 63520_Eberlein_SL4.indd 239 63520_Eberlein_SL4.indd 239 12.11.2020 12: 56: 22 12.11.2020 12: 56: 22 <?page no="257"?> 240 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 240 Deshalb ist der Mittelwert aus Hin- und Rückrichtung gleich dem Messwert in einer Richtung und folglich darf aus der Rückstreumessung auf die Dämpfung geschlossen werden (Bild 4.35). Allerdings dürfen keine Bauelemente auf der Strecke sein, die eine richtungsabhängige Dämpfung haben, wie ein optischer Isolator, optischer Zirkulator oder Faserverstärker. 4.5.2 Mittelung der Messergebnisse Bei der Mittelung von Messergebnissen ergibt sich oftmals die Frage, ob diese in der linearen Darstellung oder in der logarithmischen Darstellung (Angabe in Dezibel) der Ergebnisse zu erfolgen hat und wie groß die Fehler sind, falls man die falsche Art der Mittelwertbildung wählt. Es ist zwischen zwei Fällen zu unterscheiden: Mittelung der Messwerte in einer Richtung und Mittelung der Messwerte aus Hin- und Rückrichtung. Der erste Fall ist relevant, wenn viele Fasern eines Kabels gemessen werden und die mittlere Faserdämpfung berechnet werden soll. Um ein exaktes Resultat zu erhalten, muss man alle Dämpfungswerte in Dezibel in lineare Werte umrechnen, mitteln und dann wieder in Dezibel umrechnen. Das wird in der Praxis selten gemacht. Meist mittelt man über die Werte in Dezibel direkt. Das ist zwar nicht exakt, aber falls die Schwankungsbreite der Messergebnisse gering ist, durchaus in guter Näherung möglich. Beispiele: 1. Die Messergebnisse weichen maximal um 1 dB ab, beispielsweise 4 dB und 5 dB. Die (unzulässige) Mittelwertbildung in Dezibel ergibt 4,500 dB. Aus der exakten Mittelwertbildung folgt: (0,3981 + 0,3162)/ 2 = 0,3572 das entspricht 4,471 dB. Der Fehler beträgt also lediglich 0,029 dB oder 0,029/ 4,500 = 0,006 = 0,6 %. 2. Die Messergebnisse weichen maximal um 3 dB ab, beispielsweise 4 dB und 7 dB. Die (unzulässige) Mittelwertbildung in Dezibel ergibt 5,500 dB. Aus der exakten Mittelwertbildung folgt: (0,3981 + 0,1995)/ 2 = 0,2988 das entspricht 5,246 dB. Der Fehler beträgt 0,254 dB oder 0,254/ 5,500 = 0,046 = 4,6 %. In Abhängigkeit von den Genauigkeitsanforderungen und der Schwankungsbreite der Messwerte ist zu entscheiden, ob eine Mittelwertbildung über die Werte in Dezibel zulässig ist. Beim zweiten Fall (Mittelwertbildung über bidirektionale Messergebnisse) liegen die Dinge anders: Das Signal wird in Vorwärtsrichtung um einen bestimmten Faktor η 12 gedämpft (Koppelverlust) und in Rückrichtung ebenfalls ( η 21 ). Insgesamt wird die eingekoppelte Leistung in Hin- und Rückrichtung um den Faktor η 12 ∙ η 21 reduziert. Das entspricht exakt einer arithmetischen Mittelwertbildung der Messwerte in Dezibel: siehe Gleichung (4.17). 63520_Eberlein_SL4.indd 240 63520_Eberlein_SL4.indd 240 12.11.2020 12: 56: 22 12.11.2020 12: 56: 22 <?page no="258"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 241 241 4.5.3 Zusammenfassung Aus der Rückstreumessung kann immer dann auf die Gesamtdämpfung der Strecke geschlossen werden, wenn bidirektionale Messergebnisse gemittelt werden und Bauelemente und Fasern eine von der Richtung unabhängige Dämpfung haben. Eine Mittelwertbildung über unidirektional ermittelte Dämpfungen in Dezibel ist nur näherungsweise richtig. Eine Mittelwertbildung über bidirektional ermittelte Dämpfungen in Dezibel ist stets exakt. 4.6 Parameter und Definitionen In den Datenblättern werden die Rückstreumodule durch verschiedene Parameter charakterisiert. Mitunter liegen den angegebenen Parametern unterschiedliche Definitionen zugrunde (beispielsweise bei der Dynamik), so dass ein Gerätevergleich erschwert wird. Im Folgenden sollen einige Definitionen erklärt und unterschiedliche Definitionen ein und desselben Begriffes verglichen werden. 4.6.1 Dynamik Wegen der extrem hohen Rückstreudämpfungen sind hohe Anforderungen an die Dynamik des Messgerätes zu stellen. Eine große Bedeutung für die Erzielung einer großen Dynamik hat die Rauschunterdrückung. Dabei sind mehrere Verfahren möglich. Bei allen Geräten wird das Verfahren der Mittelwertbildung zur Rauschunterdrückung angewandt. Durch Mittelwertbildung addieren sich die nichtkorrelierten Rauschanteile entsprechend ihrer Leistung, die Anteile des Messsignals aber entsprechend ihrer Spannung. Dadurch verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis um einen Faktor N , wobei N die Anzahl der Messungen ist. Eine Mittelwertbildung über viele Messungen erfordert eine bestimmte Messdauer. Die Messbedingungen dürfen sich während dieser Zeit nicht ändern. Die Definitionen der Dynamik beziehen sich üblicherweise auf eine Messdauer von drei Minuten. Um die spezifizierte Dynamik nutzen zu können, muss die vorgeschriebene Messdauer eingehalten werden. Reduziert man beispielsweise die Dauer der Messung von 180 auf 30 Sekunden, verringert sich die Dynamik um 4 dB. Das bedeutet, dass ein OTDR-Modul mit großer Dynamik auch nützlich ist, wenn man die Dynamik nicht ausnutzt. Dann bleibt genügend Spielraum, um die Messzeit zu verkürzen und Kosten durch Verringerung der Arbeitszeit zu sparen. Umgekehrt kann man im Falle einer verrauschten Messkurve die Messzeit erhöhen, um das Rauschen, das sich mit der Messkurve überlagert, stärker zu unterdrücken. Allerdings gibt es physikalisch bedingte Begrenzungen, die ab einer bestimmten Messdauer keine Verbesserungen mehr ermöglichen. 63520_Eberlein_SL4.indd 241 63520_Eberlein_SL4.indd 241 12.11.2020 12: 56: 23 12.11.2020 12: 56: 23 <?page no="259"?> 242 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 242 Einige Geräte verfügen über die Möglichkeit, eine Kurvenglättung durchzuführen, indem jeweils über einen bestimmten Bereich gemittelt wird. Dabei handelt es sich nicht um eine zeitliche, sondern um eine räumliche Mittelung. Bei einer zu starken Glättung besteht allerdings die Gefahr, dass kleine Ereignisse, beispielsweise Spleißdämpfungen von wenigen Hundertstel Dezibel, nicht erkannt werden. Die Definition der Dynamik, die die Gerätehersteller zu Grunde legen, hat nichts mit der „internen“ Dynamik entsprechend Abschnitt 4.3.4 zu tun. Unter der Dynamik versteht man das Verhältnis von rückgestreuter Leistung am Faseranfang zu einem bestimmten Rauschbeitrag am Streckenende. Damit wird die maximal mögliche Streckenlänge definiert, die mit dem Rückstreumessgerät gemessen werden kann (Bild 4.36). Es gibt verschiedene Definitionen, die sich dadurch unterscheiden, wie die untere Grenze der Dynamik festgelegt wird. Während bei der IEC-Definition die Peakwerte des Rauschens den Dynamikbereich begrenzen (98% des Rauschens liegen unterhalb der Grenzlinie), wird bei der Definition nach der RMS-Methode über eine Zeitdauer von drei Minuten gemittelt und das Rauschen mit dem Signal verglichen. Dabei wird angenommen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis gleich 1 : 1 sein soll. Beim Vergleich der Datenblätter verschiedener Anbieter muss die jeweilige Definition beachtet werden. Die RMS-Dynamik ist etwa 2 dB größer als die IEC-Dynamik. Der größere Zahlenwert lässt damit die Parameter des Rückstreumessgerätes günstiger erscheinen. Im Allgemeinen wird die RMS-Dynamik spezifiziert. Bild 4.36: Definition der Dynamik von Rückstreumessgeräten 4.6.2 Impulswiederholrate Die Impulswiederholrate ist ein Geräteparameter, der nicht in den Datenblättern zu finden ist, da er automatisch vom Messgerät eingestellt wird. Indirekt wird auf die Einstellung der Impulswiederholrate durch Wahl des Messbereiches Einfluss genommen. Erst nachdem der Impuls die gesamte LWL-Länge in Hin- und in Rückrichtung durchlaufen hat und zum Detektor gelangt ist, darf der nächste Impuls emittiert werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 242 63520_Eberlein_SL4.indd 242 12.11.2020 12: 56: 23 12.11.2020 12: 56: 23 <?page no="260"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 243 243 Andernfalls gibt es Überlagerungen der Leistungsrückflüsse von vorhergehendem und nachfolgendem Impuls, die zu Verfälschungen führen. Um das zu gewährleisten, muss der Messbereich stets größer als die zu messende Streckenlänge eingestellt werden. Die Laufzeit des Impulses auf einer Strecke der Länge L berechnet sich nach Gleichung (4.13) folgendermaßen: c Ln 2 t gr = (4.22) Nach Gleichung (4.22) benötigt ein Impuls auf einer 50 km langen Strecke etwa 0,5 ms, um wieder zum Ausgangspunkt zu gelangen. Folglich kann man 2000 Impulse innerhalb einer Sekunde in einem zeitlichen Abstand von 0,5 ms emittieren, ohne dass es zu Überlagerungen kommt. Die Impulswiederholrate ist die Anzahl der Impulse innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit. So ist es möglich, trotz der relativ großen Streckenlänge, innerhalb einer Sekunde 2000 Messungen durchzuführen. Jede Messung beinhaltet Informationen über eine bestimmte Anzahl von Messpunkten entlang der Strecke. Legt man 32.000 Messpunkte zugrunde, so fallen 64 Millionen Messwerte pro Sekunde an. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit des optischen Rückstreugerätes. Moderne Geräte verfügen über 64.000, 128.000, 256.000 bzw. 512.000 Messpunkte. Innerhalb kurzer Zeit stehen viele Messwerte pro Längenelement zur Verfügung, so dass durch Mittelwertbildung eine hinreichend glatte Kurve entsteht. Die OTDR- Messung liefert durch die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit des Prozessors umfassende Informationen über die installierte Strecke. Wird der Messbereich verkürzt, erhöht das Messgerät die Impulswiederholrate. Ist der eingestellte Messbereich kürzer als die zu messende Faserlänge, kann es zur Überlagerung der rückfließenden Leistungen vom vorhergehenden Impuls (vom Ende der Strecke) mit dem nächsten Impuls (vom Anfang der Strecke) kommen. Das Streckenende wird in der Rückstreukurve abgeschnitten und zum Anfang der Strecke addiert. Das führt zu Verfälschungen und täuscht unter Umständen Ereignisse auf der Messkurve vor, die nicht vorhanden sind. Einen zu kurz eingestellten Messbereich erkennt man daran, dass im Rückstreudiagramm die Kurve abrupt endet und kein Rauschen am Streckenende zu sehen ist. Ist die zu messende Streckenlänge nicht bekannt, kann diese mit der Automatikfunktion des Rückstreumessgerätes ermittelt und richtig eingestellt werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 243 63520_Eberlein_SL4.indd 243 12.11.2020 12: 56: 23 12.11.2020 12: 56: 23 <?page no="261"?> 244 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 244 Bei stark reflektierenden Steckern (vorzugsweise im Multimode-Bereich) ist es üblich, den Messbereich mindestens doppelt so groß einzustellen wie die zu messende Streckenlänge. Geisterreflexionen (Abschnitt 4.7.3) können dazu führen, dass die Impulse mehrfach den Lichtwellenleiter durchlaufen und folglich „verspätet“ am Detektor eintreffen. Hier ist in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzfall zu entscheiden. In hochwertigen Systemen, in denen wegen hoher Reflexionsdämpfungen der Steckverbinder keine Geisterreflexionen zu erwarten sind, muss der Messbereich größer als die einfache zu messende Länge sein. Rauschen hinter der Rückstreukurve muss erkennbar sein. 4.6.3 Impulslänge und Auflösungsvermögen t = 0 t = 1 ns t = 2 ns t = 3 ns 0,2 m 0,2 m 0,4 m 0,4 m 0,4 m 0,4 m Bild 4.37: Zusammenhang zwischen Impulslänge und Auflösungsvermögen Nach 1 ns trifft ein Teil des Impulses auf das zweite Ereignis. Nach 2 ns hat der erste Teilimpuls am ersten Ereignis seine Richtungsumkehr vollzogen. Nach 3 ns trifft das auch auf den zweiten Teilimpuls zu. Obwohl die Ereignisse einen Abstand von nur 0,2 m hatten, überlappen sich die beiden doppelt so langen Teilimpulse nach der Reflexion nicht. Das ergibt sich daraus, weil der Abstand zwischen den beiden Ereignissen doppelt durchlaufen wird. Das Auflösungsvermögen ist deshalb halb so groß wie die Länge des Impulszuges. Gewöhnlich werden die Impulslängen als Zeiten und das Auflösungsvermögen als Abstand angegeben. Tabelle 4.17 stellt einige typische Werte gegenüber. Die Impulslänge bestimmt das Auflösungsvermögen der Messung. Das Auflösungsvermögen ist der Abstand zwischen zwei Ereignissen, bei welchem das Messgerät das zweite Ereignis noch erkennen und messen kann. Dabei ist das erste Ereignis stets reflektierend und das zweite Ereignis kann reflektierend oder nicht reflektierend sein. Als Beispiel werden zwei diskrete reflektierende Ereignisse betrachtet, die einen Abstand von 0,2 m voneinander haben. Ein Impuls mit einer Dauer von 2 ns hat entsprechend Gleichung (4.13) eine Länge von 0,4 m. Dieser Impuls trifft zum Zeitpunkt t = 0 auf das erste Ereignis. 63520_Eberlein_SL4.indd 244 63520_Eberlein_SL4.indd 244 12.11.2020 12: 56: 23 12.11.2020 12: 56: 23 <?page no="262"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 245 245 Impulslänge 2 ns 5 ns 10 ns 100 ns 1 µs 10 µs 20 µs Auflösungsvermögen 0,2 m 0,5 m 1 m 10 m 100 m 1000 m 2000 m Tabelle 4.17: Impulslänge und Auflösungsvermögen Kurze Impulse bewirken eine hohe Rückstreudämpfung und damit nur ein kleines messbares Signal. Lange Impulse bewirken eine geringe Rückstreudämpfung und damit ein großes messbares Signal. Aus Tabelle 4.10 vorletzte Zeile (Singlemode-LWL bei 1310 nm) ist ersichtlich, dass eine Impulslänge von 5 ns eine Rückstreudämpfung von 73 dB und eine Impulsbreite von 10 μs eine Rückstreudämpfung von 40 dB bewirkt. Das heißt, bei maximaler Impulslänge ist das messbare Signal um 33 dB angewachsen! Das wirkt sich natürlich auf die Dynamik des Messgerätes aus. Dieser Gewinn an Dynamik wird mit einem Verlust an Auflösungsvermögen erkauft. Dieses hat sich von 0,5 m auf 1000 m verringert. Es muss stets ein Kompromiss zwischen diesen beiden wichtigen Parametern gefunden werden. Die Genauigkeit der Ortsbestimmung ergibt sich aus der Impulslänge, dem Einfluss des Rauschens und dem Abstand der Messpunkte. Der Abstand der Messpunkte ergibt sich aus dem eingestellten Messbereich und der Anzahl der Messpunkte in diesem Bereich. 32.000 Messpunkte in einem Messbereich von 2,5 km haben einen Abstand von knapp 8 Zentimetern. Bei einem Messbereich von 160 km und gleicher Messpunktanzahl beträgt der Abstand 5 m. Bild 4.38: Unterschiedliche Messpunktdichte an einem diskreten Ereignis Bild 4.38 veranschaulicht den Einfluss des Abstandes der Messpunkte auf die Genauigkeit der Ortsbestimmung. Der reale Ort L eines diskreten Ereignisses hier eine Reflexion liegt zwischen zwei Messpunkten an den Orten L - und L + . Der angezeigte Ort weicht vom realen Ort maximal um (L + - L - )/ 2 ab. Das ist dann der Fall, wenn der reale Ort genau in der Mitte zwischen zwei Messorten liegt. In den obigen Beispielen kann die Streckenlänge auf ± 4 cm (Messbereich 63520_Eberlein_SL4.indd 245 63520_Eberlein_SL4.indd 245 12.11.2020 12: 56: 24 12.11.2020 12: 56: 24 <?page no="263"?> 246 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 246 2,5 km) beziehungsweise auf ± 2,5 m (Messbereich 160 km) genau gemessen werden. Entsprechend wird auch die Genauigkeit bei der Längenmessung beeinflusst. Aus dem Vergleich von Bild 4.38 (a) mit Bild 4.38 (b) wird deutlich, wie sich die Genauigkeit mit sinkendem Messpunktabstand erhöht. Unter diesem Gesichtspunkt sollte man den Messbereich nicht zu groß einstellen. Er darf aber auch nicht kleiner als die Streckenlänge sein. Das Ergebnis der OTDR-Messung besteht aus vielen tausend Datenpunkten. Da das Auflösungsvermögen des Monitors begrenzt ist, können nicht alle Punkte dargestellt werden. Ein typischer OTDR-Monitor zeigt etwa 500 Datenpunkte gleichzeitig an. Wenn die gesamte Kurve angezeigt wird, repräsentiert jeder Punkt auf dem Monitor einen Mittelwert über Dutzende von Messpunkten. Eine Zoom-Funktion ermöglicht eine detaillierte Darstellung einzelner LWL-Abschnitte. Bei vollem Zoom entspricht jeder angezeigte Punkt einem Messwert. 4.6.4 Totzonen Totzonen bezeichnen Distanzen, in denen auf Grund einer Übersteuerung des Empfängers des Rückstreumessgerätes keine genaue Auswertung der Rückstreukurve möglich ist. Totzonen können durch Reflexionen verursacht werden. Man kann sie als eine temporäre Blendung des Messgerätes auffassen. Der Detektor und der angeschlossene Verstärker benötigen nach der Übersteuerung eine bestimmte Erholzeit. Als Gerätetotzone wird der Abstand vom Fußpunkt bis zum Ende der Abfallflanke am Anfang der zu messenden Strecke (Bild 4.39) bezeichnet. Ausgangsimpuls (idealisiert) Erholzeit von Detektor und Verstärker Totzone Dachlänge t t t t t 1 1 2 2 3 reflektierter Impuls (a) (b) Zeit Zeit Bild 4.39: (a) Ausgangsimpuls und (b) Gerätetotzone Während dieser Zeit werden die Rayleighstreuung und kleine Reflexionen überdeckt und können nicht gemessen werden. Die Länge der Totzone hängt von der Reflexionsdämpfung, der Impulslänge und der Qualität des Empfängers ab. Die Ereignistotzone gibt den minimalen Abstand zwischen zwei reflektierenden Ereignissen an, so dass diese noch getrennt wahrgenommen werden können (Bild 4.40 (a)). Als Kriterium für das Erkennen des zweiten reflektierenden Ereignisses 63520_Eberlein_SL4.indd 246 63520_Eberlein_SL4.indd 246 12.11.2020 12: 56: 24 12.11.2020 12: 56: 24 <?page no="264"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 247 247 wird angenommen, dass das erste reflektierende Ereignis um mindestens 1,5 dB bezüglich seines Spitzenwertes abgefallen sein muss. Zwar kann man innerhalb der Ereignistotzone die beiden Reflexionen voneinander trennen, die Dämpfungen der Ereignisse lassen sich jedoch im Einzelnen nicht ermitteln, da das erste Ereignis noch nicht bis auf den Rayleighstreupegel abgefallen ist. Dieser ist der Bezugswert bei der Bestimmung der Dämpfung. Hierfür muss der Abstand zwischen den beiden Ereignissen noch größer sein. Die Dämpfungstotzone ist der minimale Abstand von einem reflektierenden zu einem zweiten Ereignis (reflektierend oder nicht reflektierend), so dass dieses bezüglich seiner Dämpfung ausgemessen werden kann (Bild 4.40 (b)). Als Kriterium wird festgelegt, dass die erste Reflexion bis auf die Rückstreukurve abgefallen sein muss (erstmaliges Erreichen einer 0,5 dB-Toleranzmaske), ehe das zweite Ereignis beginnt. Bild 4.40: (a) Ereignistotzone, (b) Dämpfungstotzone Um die Totzonen vergleichen zu können, müssen die Reflexionsdämpfung und die Impulslänge spezifiziert werden. Die kürzesten Totzonen erhält man mit sehr kurzen Impulsen und bei hohen Reflexionsdämpfungen (APC-Stecker). Die in den Datenblättern angegebenen Werte für Ereignis- und Dämpfungs-Totzonen beziehen sich meist auf eine Reflexionsdämpfung von 35 dB. 4.6.5 Weitere Parameter Die Betriebswellenlängen der Rückstreumessgeräte liegen im Multimode-Bereich bei 850 nm bzw. 1300 nm und im Singlemode-Bereich bei 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm bzw. 1625 nm. Für FTTx-Netze gibt es Singlemode-OTDR mit Betriebswellenlängen 1490 nm und 1650 nm. Die Genauigkeit bei der Entfernungsmessung wird beeinflusst durch die Kalibrierung, die zeitliche Stabilität, den Abstand der Messpunkte und die Ungenauigkeiten der 63520_Eberlein_SL4.indd 247 63520_Eberlein_SL4.indd 247 12.11.2020 12: 56: 24 12.11.2020 12: 56: 24 <?page no="265"?> 248 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 248 Brechzahl. Für die Genauigkeit bei der Entfernungsmessung ist ein relativer Fehler von ± 10 -4 , ein Offsetfehler von ± 2 m und ein Abtastfehler von ± 0,5 m zulässig. Die Genauigkeit der Dämpfungsmessung liegt bei ± 0,1 dB, die Genauigkeit bei der Messung des Dämpfungskoeffizienten bei ± 0,05 dB/ km und die Genauigkeit bei der Messung von Reflexionen bei ± 4 dB [4.3]. Namhafte Hersteller unterbieten diese Toleranzen. Da bei der OTDR-Messung keine absoluten Werte gemessen werden, ist die Linearität für die Genauigkeit der Messung maßgebend. Die Linearität gibt Abweichungen zwischen der detektierten Leistung im Verhältnis zur angezeigten Leistung über den gesamten Dynamikbereich an. Hier sind üblicherweise maximal ± 0,05 dB je Dezibel Dynamik zulässig. Die meisten Rückstreumessgeräte gewährleisten die Laserschutzklasse 1 (sicher unter allen Bedingungen). Bei einigen Geräten gilt die Laserschutzklasse 3A. Man beachte die jeweilige Kennzeichnung. 4.6.6 Zusammenfassung Es gibt unterschiedliche Definitionen für die Dynamik optischer Rückstreu- Messgeräte. Meist wird die RMS-Dynamik spezifiziert. Dann liegt die messbare Streckendämpfung deutlich unter der angegebenen Dynamik. Die nutzbare Dynamik hängt von der Impulslänge, der Dauer der Messung und der Qualität des Moduls ab. Der Messbereich muss mindestens so groß eingestellt werden wie die zu messende Streckenlänge. Ein zu geringer Messbereich verfälscht die Messkurve. Ein zu großer Messbereich reduziert die Genauigkeit bei der Längenmessung. Um ein hohes Auflösungsvermögen zu erreichen, muss die Impulslänge möglichst kurz eingestellt werden. Totzonen durch reflektierende Ereignisse führen zu einer Verschlechterung des Auflösungsvermögens. Man unterscheidet zwischen Gerätetotzonen, Ereignistotzonen und Dämpfungstotzonen. 4.7 Praktische Hinweise zur Rückstreumessung 4.7.1 Allgemeine Hinweise Die praktischen Hinweise sollen helfen, die richtige Messstrategie zu wählen, Messfehler zu vermeiden und die Messergebnisse richtig zu verstehen. Es ist während des Messens darauf zu achten, dass keine fremden Signale auf dem Lichtwellenleiter sind. Infolge der hohen Empfindlichkeit des Empfängers würde dieser übersteuern und eine Messung wäre nicht möglich. Bei sehr hohen Pegeln, beispielsweise wenn versehentlich zwei Rückstreumessgeräte an ein und demselben 63520_Eberlein_SL4.indd 248 63520_Eberlein_SL4.indd 248 12.11.2020 12: 56: 24 12.11.2020 12: 56: 24 <?page no="266"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 249 249 Lichtwellenleiter gegeneinander arbeiten, kann es zur Zerstörung der Empfänger kommen. Moderne Messgeräte erkennen Fremdlicht und blocken dieses ab. Bei bekannter Faserlänge kann man auf die Kernbrechzahl und bei bekannter Kernbrechzahl auf die Faserlänge schließen. Zur Ermittlung des geografischen Ortes des Fehlers empfiehlt es sich, anstelle der Faserlänge die Kabellänge zu Grunde zu legen und dem Kabel eine Brechzahl zuzuweisen (Abschnitt 4.4.1). Steckverbinder sind nur mit den zulässigen Reinigungsmitteln aus dem Reinigungskoffer zu säubern (Reinigungsband, Reinigungsstift, Reinigungsflüssigkeit, Reinigungstücher). Ansonsten werden die Steckverbinder beschädigt und es kommt zu Messfehlern, einem unterbrochenen physischen Kontakt und damit zu einer Erhöhung der Dämpfung und Reflexion. Außerdem wird die Standzeit des Steckverbinders stark herabgesetzt. Es sind Vor- und gegebenenfalls Nachlaufprüfschnüre zu verwenden (Abschnitt 4.7.2). Wichtig ist eine hohe Qualität der Einkopplung am Anfang der zu messenden Strecke. Koppelverluste bringen einen Verlust an Dynamik. Deshalb ist auf Sauberkeit, auf gute Qualität der LWL-Stirnfläche, Zustand und Sitz des Steckers zu achten. Es ist zu gewährleisten, dass mit dem richtigen Stecker eingekoppelt wird (Abschnitt 4.7.5). Eine hohe Reflexion am Anfang der Strecke bewirkt eine große Gerätetotzone und Geisterreflexionen (Abschnitt 4.7.3). Hohe Reflexionen sind durch reflexionsarme Stecker zu vermeiden (Kapitel 2). Die Messung bei zwei Wellenlängen bringt zusätzliche Informationen: • Bei einer höheren Wellenlänge ist die Rayleighstreuung geringer. Dadurch können unter Umständen sehr kleine reflektierende Ereignisse sichtbar gemacht werden, die in einem höheren Rayleighstreupegel verschwinden würden. • Man kann bei einer höheren Wellenlänge (1300 nm anstelle 850 nm bei Multimode bzw. 1550 nm anstelle 1310 nm bei Singlemode) wegen des geringeren Dämpfungskoeffizienten größere Streckenlängen messen. • Messkurven, die bei höheren Wellenlängen aufgenommen wurden, reagieren empfindlicher auf Makrobiegungen (gilt vorzugsweise für Singlemode-LWL). Es ist üblich, Singlemode-LWL bei zwei Wellenlängen zu messen und die Messkurven zu vergleichen. Sind die Stufen im Rückstreudiagramm bei der höheren Wellenlänge größer, liegt ein Installationsmangel vor (Abschnitt 4.7.2). Biegeunempfindliche Multimode-LWL (Abschnitt 1.3.4) werden auch mit zunehmender Wellenlänge biegeempfindlicher. Nur bei Messung von beiden Seiten erhält man zuverlässige Aussagen über die Dämpfung diskreter Ereignisse (Abschnitt 4.4.2 und Abschnitt 4.7.4). Der eingestellte Messbereich muss mindestens so groß sein wie die einfache Streckenlänge (Abschnitt 4.6.2), ansonsten kommt es zu Verfälschungen des Messergebnisses. 63520_Eberlein_SL4.indd 249 63520_Eberlein_SL4.indd 249 12.11.2020 12: 56: 25 12.11.2020 12: 56: 25 <?page no="267"?> 250 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 250 4.7.2 Vor- und Nachlaufprüfschnur 4.7.2.1 Vorteile Die Verwendung einer Vorlaufprüfschnur hat folgende Vorteile: In der Multimodetechnik ermöglicht die Vorlaufprüfschnur, eine Modengleichgewichtsverteilung und damit eine definierte Einkopplung in das Messobjekt zu realisieren (Abschnitt 4.2.1). Durch Reflexionen an der Einkoppelstelle übersteuert der Empfänger (Gerätetotzone). Ohne Vorlaufprüfschnur wäre die Dämpfung des ersten Steckers nicht messbar. Um den ersten Stecker der Übertragungsstrecke messen zu können, muss der Vorlaufprüfschnur länger als die Totzone sein. Der Gerätestecker wird geschont. Während der Messungen bleibt die Vorlaufprüfschnur mit dem Rückstreumessgerät verbunden. Es wird jeweils nur zwischen Vorlaufprüfschnur und zu messender Strecke neu gesteckt. Zwar unterliegt der hintere Stecker der Vorlaufprüfschnur auch einem Verschleiß, aber die Nacharbeit dieses Steckers oder das Tauschen der Vorlaufprüfschnur ist einfacher und preiswerter, als den internen Gerätestecker zu erneuern. Der Steckertyp am Messgeräteausgang kann sich vom Steckertyp der zu messenden Strecke unterscheiden. Die Vorlaufprüfschnur kann die Funktion des Adapter-LWL übernehmen. Innerhalb gewisser Grenzen kann mit der Vorlaufprüfschnur eine Anpassung an unterschiedliche LWL-Parameter des zu messenden Lichtwellenleiters realisiert werden. Ist beispielsweise das Rückstreumessgerät für 50 µm-LWL ausgelegt und ist ein 62,5 µm-LWL zu messen, so wählt man für die Vorlaufprüfschnur einen 62,5 µm- LWL. Dann entsteht zwar zwischen Messgerät und Vorlaufprüfschnur ein Koppelverlust, der auf Kosten der Dynamik geht, aber zwischen Vorlaufprüfschnur und Messobjekt sind die LWL-Typen identisch, so dass der erste Stecker richtig gemessen werden kann. Eine Option ist, ein Minipatchkabel (Opferkabel; ca. 0,3 m) direkt an das optische Rückstreumessgerät fest anzuschließen, um den Gerätestecker zu schonen. An das Minipatchkabel wird die Vorlaufprüfschnur angeschlossen. Wegen der geringen Länge des Minipatchkabels liegt diese Steckverbindung innerhalb der Totzone des Gerätes und es entsteht kein zusätzliches Ereignis auf der Rückstreukurve. Die Verwendung einer Nachlaufprüfschnur hat folgende Vorteile: Vertauschungen können erkannt werden. Der letzte Stecker der Übertragungsstrecke kann gemessen werden. Der Nachteil der Nachlaufprüfschnur ist, dass zwei Personen zum Messen erforderlich sind. Die gleichzeitige Verwendung einer Vor- und einer Nachlaufprüfschnur hat folgenden Vorteil: 63520_Eberlein_SL4.indd 250 63520_Eberlein_SL4.indd 250 12.11.2020 12: 56: 25 12.11.2020 12: 56: 25 <?page no="268"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 251 251 Bei bidirektionaler Messung mit Vor- und Nachlaufprüfschnur kann die Einfügedämpfung des ersten und des letzten Steckers durch Mittelwertbildung exakt bestimmt werden. Beim Einsatz von Vorlauf- und Nachlaufprüfschnur ist zu beachten: Die Steckverbinder müssen Referenzqualität haben (Abschnitt 4.2.3). Der Stecker darf an die Vorbzw. Nachlaufprüfschnur nicht angespleißt werden. Der Spleiß würde zu einer scheinbar erhöhten Steckerdämpfung führen. Um reproduzierbare Messergebnisse bei der bidirektionalen OTDR-Messung zu erhalten, muss die Messung entsprechend Bild 4.41 erfolgen. Bild 4.41 (a) zeigt die Messung in Vorwärtsrichtung. Das Ende der Vorlaufprüfschnur (E) ist an den Anfang der Kabelanlage (A) und das Ende der Kabelanlage (E) an den Anfang des Nachlaufprüfschnur (A) angekoppelt. Bei Messung in Rückrichtung (Bild 4.41 (b)) befindet sich das Rückstreumessgerät am Streckenende. Die Steckerkombinationen bleiben unverändert. Nur dann ist die bidirektionale Dämpfungsmessung der Steckverbindungen exakt. Vor- und Nachlaufprüfschnur sind nicht mit gewandert. (a) Vorlaufprüfschnur Nachlaufprüfschnur A E A E A E OTDR (b) Vorlaufprüfschnur Nachlaufprüfschnur A E A E A E OTDR (c) Nachlaufprüfschnur Vorlaufprüfschnur E A E A E A OTDR Kabelanlage Bild 4.41: Bidirektionale Messung mit Vor- und Nachlaufprüfschnur Die Nachlaufprüfschnur ist zur Vorlaufprüfschnur geworden und umgekehrt. Auch die Enden der Vor- und Nachlaufprüfschnur dürfen nicht vertauscht werden. Bild 4.41 (c) veranschaulicht die gleiche Anordnung. Die Darstellung erfolgte nur in entgegen gesetzter Richtung. Steht nur ein optisches Rückstreumessgerät zur Verfügung, müssen die beiden Mitarbeiter ihre Plätze tauschen: Einer misst, einer koppelt jeweils die Nachlaufprüfschnur an. 63520_Eberlein_SL4.indd 251 63520_Eberlein_SL4.indd 251 12.11.2020 12: 56: 25 12.11.2020 12: 56: 25 <?page no="269"?> 252 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 252 Stehen zwei optische Rückstreumessgeräte zur Verfügung, ist ein Tausch der Plätze nicht erforderlich. Eine Messung mit zwei Geräten liefert aber nur zuverlässige Resultate, wenn beide Geräte vom gleichen Hersteller sind, die gleiche Dynamik haben und die gleichen Parameter eingestellt wurden (Messzeit, Messbereich, Impulslänge, Brechzahl, Rückstreukoeffizient). 4.7.2.2 Einseitige Messung mit Vorlaufprüfschnur Diese Messung ist im Prüffeld ausreichend (zum Beispiel bei der Kabelfertigung), wo durchgehende Fasern/ Kabel ohne Ereignisse auf der Strecke gemessen werden. Bild 4.42 zeigt die Messanordnung. Streckenlänge Kabelanlage OTDR Leistung in dBm Vorlaufprüfschnur Bild 4.42: Einseitige Messung nur mit Vorlaufprüfschnur Für die einseitige Messung nur mit Vorlaufprüfschnur gilt: • ermöglicht keine Durchgängigkeitsmessung • Kann nur angewandt werden bei Messung eines durchgehenden Kabels ohne Stecker oder Spleiße auf der Strecke und wenn die Vorlaufprüfschnur ein identisches Streuverhalten wie der zu messende Lichtwellenleiter hat. 4.7.2.3 Beidseitige Messung mit Vor- und Nachlaufprüfschnur Für die beidseitige Messung mit Vor- und Nachlaufprüfschnur gilt: • ermöglicht eine Durchgängigkeitsmessung • Exakte Messung des ersten und letzten Steckers und aller Ereignisse (Stecker/ Spleiße) auf der Strecke. Die Nachlaufprüfschnur ermöglicht, dass erster und letzter Stecker bidirektional gemessen und ausgewertet werden können. 63520_Eberlein_SL4.indd 252 63520_Eberlein_SL4.indd 252 12.11.2020 12: 56: 25 12.11.2020 12: 56: 25 <?page no="270"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 253 253 Die in Bild 4.43 dargestellten Steckerdämpfungen entsprechen nicht den tatsächlichen Werten, da Vorlaufprüfschnur, Nachlaufprüfschnur und Kabelanlage unterschiedliches Streuverhalten haben können. Gleiches gilt für die Dämpfung der Kabelanlage, wie im Bild 4.43 dargestellt. Die exakten Dämpfungen erhält man durch Messung in beiden Richtungen und Mittelwertbildung. Ereignisse auf Multimode-Strecken können von der Richtung abhängige Dämpfungen haben (Abschnitt 4.5.1). Diese können mit dem Rückstreumessgerät nicht gemessen werden. OTDR Streckenlänge Länge der Kabelanlage Dämpfung der Kabelanlage Kabelanlage Nachlaufprüfschnur Leistung in dBm Vorlaufprüfschnur Bild 4.43: Messung mit Vor- und Nachlaufprüfschnur Die Norm DIN EN 61280-4-2 erlaubt eine Dämpfungsmessung anhand der Rückstreukurve. Diese Norm bezieht sich auf Strecken mit Singlemode-LWL. Eine Bestimmung der Streckendämpfung aus der Rückstreukurve von Multimode-Strecken ist nur möglich, wenn durchgehend der gleiche Fasertyp verlegt wurde (zum Beispiel 50 µm) und keine Bauelemente mit richtungsabhängiger Dämpfung auf der Strecke sind. Für die Vorlaufprüfschnur gilt entsprechend DIN ISO/ IEC 14763-3: • Muss lang genug sein, um eine vertrauenswürdige Kurvenanpassung zu realisieren (LSA). • Muss länger als die Dämpfungs-Totzone des Rückstreumessgerätes sein, um den ersten Stecker der Strecke messen zu können. Diese ist besonders groß bei langen Impulsen. Bei Messung von Singlemode-LWL können Vorlaufprüfschnüre länger als 2 km erforderlich sein. • Muss an der Schnittstelle zu der Verkabelung einen Bezugssteckverbinder (Referenzstecker) haben, der mit dem Stecker der Kabelanlage kompatibel ist. • Muss in einem geeigneten Schutzgehäuse untergebracht werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 253 63520_Eberlein_SL4.indd 253 12.11.2020 12: 56: 26 12.11.2020 12: 56: 26 <?page no="271"?> 254 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 254 Für die Nachlaufprüfschnur gilt entsprechend DIN ISO/ IEC 14763-3: • Muss eine andere Länge als die Vorlaufprüfschnur haben, aber länger als die Dämpfungstotzone des Rückstreumessgerätes sein. • Muss an der Schnittstelle zu der Verkabelung einen Bezugssteckverbinder (Referenzstecker) haben, der mit dem Stecker der Kabelanlage kompatibel ist. • Muss in einem geeigneten Schutzgehäuse untergebracht werden. Messung ohne Nachlaufprüfschnur: • Ist zulässig, wenn nur die Gesamtdämpfung der Faser ohne ersten und letzten Stecker (Prüffeld) oder wenn nur die Faserlänge ermittelt wird. • Ist problematisch, wenn auf eine zusätzliche Dämpfungsmessung verzichtet wird: gebrochene Faser wird nicht erkannt Faservertauschungen werden nicht erkannt 4.7.3 Geisterreflexionen Geisterreflexionen entstehen, wenn Steckverbinder starke Reflexionen auf der Übertragungsstrecke verursachen. Dann läuft das Signal mehrfach zwischen reflektierenden Ereignissen hin und her und bringt zusätzliche Beiträge zur Rückstreukurve. Bild 4.44: Anordnung zur Simulation von Geisterbildern Bild 4.44 veranschaulicht eine Anordnung zur Simulation von Geisterbildern: An ein Rückstreumessgerät wird eine 100 m-Vorlaufprüfschnur mit einer Reflexionsdämpfung von a R1 angeschlossen. Die Vorlaufprüfschnur wird mit einer Reflexionsdämpfung a R2 an das Messobjekt gekoppelt. Es werden zwei Beispiele betrachtet. Erstes Beispiel: Gerätestecker: a R1 = 35 dB; Stecker am Ende der Vorlaufprüfschnur: a R2 = 35 dB. In die Vorlaufprüfschnur wird eine Leistung von 0 dBm eingekoppelt. Nach der Reflexion am Ende der Vorlaufprüfschnur gelangen -35 dBm Leistung zurück zum Rückstreumessgerät. Der Gerätestecker reflektiert und koppelt -70 dBm in die Strecke ein. Eine nochmalige Reflexion am Ende der Vorlaufprüfschnur bewirkt einen Leistungsrückfluss von -105 dBm (Tabelle 4.18). Diese Leistung ist so gering, dass keine Geister entstehen. Zweites Beispiel: Gerätestecker unverändert: a R1 = 35 dB; Stecker am Ende der Vorlaufprüfschnur: a R2 = 14 dB. In die Vorlaufprüfschnur wird wieder eine Leistung von 0 dBm eingekoppelt. Nach der Reflexion am Ende der Vorlaufprüfschnur gelangen -14 dBm zu- 63520_Eberlein_SL4.indd 254 63520_Eberlein_SL4.indd 254 12.11.2020 12: 56: 26 12.11.2020 12: 56: 26 <?page no="272"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 255 255 rück zum Rückstreumessgerät. Der Gerätestecker reflektiert und koppelt -49 dBm in die Strecke ein. Auch dieser Impuls bewirkt eine Rückstreukurve, die allerdings gegenüber der Originalkurve 49 dB niedriger liegt und zeitlich verschoben ist. Der Impuls ist einmal hin- und zurückgelaufen, ehe er nochmals in die Faser eingekoppelt wird und die Geisterkurve erzeugt. Eine nochmalige Reflexion am Ende der Vorlaufprüfschnur bewirkt einen Leistungsrückfluss von -63 dBm (Tabelle 4.18). 1. Beispiel 2. Beispiel hin 0 dBm 0 dBm zurück -35 dBm -14 dBm hin -70 dBm -49 dBm zurück -105 dBm -63 dBm kein Geist Geist wahrscheinlich Tabelle 4.18: Vergleich der beiden Beispiele a R = 35 dB entspricht der typischen Reflexionsdämpfung eines Multimode-Steckers mit physischem Kontakt. Die Reflexionsdämpfung a R = 14 dB entsteht nicht nur bei einem Geradschliffstecker, sondern auch bei einem unterbrochenen physischen Kontakt (Abschnitt 4.7.5): Ein Staubkörnchen im PC-Stecker kann dazu führen, dass der physische Kontakt, das heißt die Berührung der Steckerstirnflächen im Bereich des LWL-Kerns, nicht mehr möglich wird. Es entsteht ein Luftspalt zwischen den Steckerstirnflächen und damit eine starke Reflexion. Diese verursacht die Geisterreflexion. Das heißt umgekehrt, dass man aus Geisterreflexionen unter Umständen auf mangelhafte Steckverbindungen schließen kann. Bild 4.45: Entstehung des Geistes auf der Rückstreukurve 63520_Eberlein_SL4.indd 255 63520_Eberlein_SL4.indd 255 12.11.2020 12: 56: 26 12.11.2020 12: 56: 26 <?page no="273"?> 256 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 256 Die Geisterreflexion entsteht erst, wenn die Strecke das zweite Mal durchlaufen wird. Deshalb ist die Geisterkurve gegenüber der Originalkurve zeitlich verschoben (Bild 4.45). Das Messgerät bildet die Summe aus der richtigen Messkurve und der Geisterkurve und bringt diese zur Anzeige. Dort wo die Geisterkurve eine hohe Spitze aufweist (starke Reflexion) und die Originalkurve durchstößt, entsteht ein Geist auf der Rückstreukurve. Die Geisterkurve ergibt sich aus der Summe zweier Reflexionen. Das heißt, es tragen stets zwei Stecker zur Geisterreflexion bei. Meist ist es ein Stecker, der den dominierenden Einfluss bringt, beispielsweise durch eine Glas-Luft-Reflexion. Sind auf der Strecke ausschließlich APC-Stecker mit a R1 > 70dB, so wird ein einziger Stecker mit Glas-Luft-Übergang a R2 = 14 dB keinen Geist bewirken. Man darf also nicht umgekehrt schlussfolgern, wenn es keine Geisterreflexionen auf der Rückstreukurve gibt, dass alle Stecker in Ordnung sind. Ein schlechter Stecker kann immer anhand einer starken Reflexion und hohen Dämpfung erkannt werden (große Spitze und Stufe im Rückstreudiagramm). Die Geister treten in regelmäßigen Abständen auf, die sich aus dem Abstand der beiden Reflexionen ergeben. In Bild 4.45 liegt die Ursache des Geistes bei 100 m und der Geist bei 200 m. In der Realität können die Abhängigkeiten komplizierter sein: Der dritte und fünfte Stecker kann stark reflektieren. Dann liegt der Geist in entsprechendem Abstand hinter dem fünften Stecker. Zweites wichtiges Merkmal: Am Ort des Geistes befindet sich keine Stufe im Rückstreudiagramm. Bild 4.46 zeigt den Unterschied zwischen Geisterreflexion und Steckerreflexion. Bild 4.46: (a) Geisterreflexion, (b) Steckerreflexion Bild 4.47: (a) Stecker mit hoher Reflexion, (b) Reflexion reduziert: Geist verschwunden 63520_Eberlein_SL4.indd 256 63520_Eberlein_SL4.indd 256 12.11.2020 12: 56: 26 12.11.2020 12: 56: 26 <?page no="274"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 257 257 Wenn unklar ist, ob das fragliche Ereignis eine Geisterreflexion oder tatsächlich ein Fehler ist, benetzt man den Stecker, den man als Ursache des Geistes vermutet, mit einer Flüssigkeit, die annähernd die gleiche Brechzahl wie das Glas hat (Immersion oder Alkohol). Verschwindet das Ereignis, so handelte es sich um einen Geist (Bild 4.47). Nach dieser Prozedur muss die Steckverbindung sorgfältig gereinigt werden. Alternativ kann man auch die bidirektional gemessenen Kurven vergleichen: Taucht das Ereignis nur in einer der beiden Kurven auf, handelt es sich um eine Geisterreflexion. Bild 4.48 veranschaulicht die Orte der Geister anhand der Laufzeiten. Signallaufzeiten rechnet das Rückstreumessgerät in Orte um und stellt diese auf der Rückstreukurve dar. Streckenlänge A C B D OTDR Leistung in dBm Vorlaufprüfschnur A B C D Kabelanlage Bild 4.48: Mehrfachreflexionen und Auswirkungen auf die Rückstreukurve Ein Signal, das am hinteren Stecker der Vorlaufprüfschnur reflektiert wird, durchläuft die Vorlaufprüfschnur in Hin- und Rückrichtung (Punkt A). Ist wegen starker Reflexionen noch genügend Leistung vorhanden, wird dieser Weg ein zweites Mal durchlaufen. Hierfür wird die doppelte Zeit benötigt und der doppelte Ort angezeigt (Punkt B). Sinngemäß verhält es sich mit den Orten C und D in Bild 4.48. 63520_Eberlein_SL4.indd 257 63520_Eberlein_SL4.indd 257 12.11.2020 12: 56: 27 12.11.2020 12: 56: 27 <?page no="275"?> 258 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 258 Verwendet man Stecker mit Luftspalt bzw. Geradschliffstecker, dann sind Geister nicht zu vermeiden. Einige Rückstreumessgeräte können Ereignisse als Geister erkennen und kennzeichnen diese in der Ereignistabelle. Wenn die Vorlaufprüfschnur länger als die Strecke ist, kann der Geist des ersten Steckers nicht mehr in die Strecke fallen. Er liegt dann hinter dem Streckenende. Geister können bei unterbrochenem physischem Kontakt, mangelhaftem Steckerschliff, bei zerkratzten oder verschmutzten Steckerstirnflächen oder bei Toleranzen der Stecker und Kupplungshülsen auftreten. Geister weisen auf hohe Reflexionen der Übertragungsstrecke hin. Sie sind in Systemen störend, in denen hohe Reflexionsdämpfungen gefordert werden (digitale Systeme mit hohen Datenraten, analoge Systeme, DWDM-Systeme mit DFB-Lasern). Rückfließende Leistungen beeinflussen das Emissionsverhalten des Lasers. Dort wo rückwirkungsunempfindliche Sender zum Einsatz kommen, stören Reflexionen nicht. Dennoch empfiehlt es sich auch hier, den Ursachen der Geister auf den Grund zu gehen: Steckerstirnfläche mit Fasermikroskop betrachten, gegebenenfalls reinigen oder den Stecker auswechseln. Andernfalls kann sich im Luftspalt im Laufe der Zeit Schmutz festsetzen, sich die Dämpfung erhöhen und die Strecke ausfallen. 4.7.4 Auswertung und Dokumentation Die Auswertung, Nachbearbeitung und Dokumentation der Rückstreumessungen erfolgt mit einer geeigneten Software. Während fast alle OTDR-Anbieter ihre eigene Dokumentations-Software anbieten, ist FiberDoc eine Software, die die Datenformate verschiedener OTDR-Anbieter unterstützt. Deren Dateiformate können in das Bellcore-Format (Dateityp *.SOR) transformiert und gelesen werden. Neben der bidirektionalen Auswertung ermöglicht die Dokumentations-Software den Vergleich zwischen mehreren Wellenlängen sowie viele Kurven gleichzeitig darzustellen. 4.7.5 Fehlanpassungen 4.7.5.1 Unterschiedliche LWL-Parameter Kopplungen zwischen verschiedenen LWL-Typen bewirken stets Dämpfungen und gehen auf Kosten der Dynamik des Messgerätes. Zwischen den Lichtwellenleitern auf der Übertragungsstrecke sind Fehlanpassungen zu vermeiden. Unvermeidbar sind Dämpfungen, wenn der LWL-Typ am Messgeräte-Ausgang mit einem Adapterkabel (Vorlauf-LWL) an einen anderen Typ des zu messenden Lichtwellenleiters anzupassen ist. 63520_Eberlein_SL4.indd 258 63520_Eberlein_SL4.indd 258 12.11.2020 12: 56: 27 12.11.2020 12: 56: 27 <?page no="276"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 259 259 Ein typisches Beispiel wurde bereits oben genannt: Das Messgerät hat einen 50 µm- LWL-Ausgang und es ist ein 62,5 µm-LWL zu messen. Um am ersten Stecker der Strecke eine Fehlanpassung zu vermeiden, kommt ein Vorlauf-LWL mit 62,5 µm Kerndurchmesser zum Einsatz. Am Messgeräteausgang entsteht eine Fehlanpassung von 50 µm auf 62,5 µm. Durch die unterschiedlichen Kerndurchmesser und numerischen Aperturen entsteht in einer Richtung (in Richtung vom größeren zum kleineren Kerndurchmesser und von der größeren zur kleineren numerischen Apertur) ein Koppelverlust und in der entgegengesetzten Richtung keine Dämpfung. Das OTDR misst einen Mittelwert in beiden Richtungen. Dem überlagert sich das unterschiedliche Streuverhalten der beiden Lichtwellenleiter: Der 62,5 µm-LWL hat eine größere numerische Apertur, wurde also stärker dotiert und bewirkt deshalb eine größere Rayleighstreuung. So ergibt sich beim Übergang vom 50 µm-LWL zum 62,5 µm-LWL eine kleine positive und beim Übergang vom 62,5 µm-LWL zum 50 µm-LWL eine größere negative Stufe. Die Mischung eines Multimode-LWL mit einem Singlemode-OTDR-Modul ist generell zu vermeiden, da die Dämpfung in einer Richtung sehr groß ist und schwer interpretierbare Rückstreudiagramme entstehen. Eine Fehlanpassung der Modenfelddurchmesser von Singlemode-LWL hat nur geringe Auswirkungen (vergleiche Abschnitt 4.4.3). Da moderne Rückstreumessgeräte auswechselbare Einschübe haben, kann man problemlos von einem LWL-Typ auf den anderen wechseln, ohne die großen Verluste in Kauf nehmen zu müssen. 4.7.5.2 Unterschiedliche Steckerstirnflächen Die Oberflächengestalt von Singlemode-Steckern kann PC (physischer Kontakt) oder APC (physischer Kontakt mit Schrägschliff) sein. Zur Unterscheidung werden PC- Stecker blau und APC-Stecker grün markiert. Grundsätzlich ist eine Mischung zu vermeiden. Das ist auch am Messgeräte-Ausgang zu gewährleisten. Bei einer Fehlanpassung (PC auf APC oder APC auf PC) kommt es nicht mehr zur Berührung der Steckerstirnflächen im Kernbereich und es entsteht ein annähernd keilförmiger Luftspalt. Bild 4.49 (a) zeigt das Rückstreudiagramm einer APC-Steckverbindung. Dieses ist durch eine geringe Dämpfung und eine hohe Reflexionsdämpfung (> 70 dB) gekennzeichnet: Im Rückstreudiagramm entsteht keine Spitze. Bei einer Fehlsteckung PC gegen APC entsteht außer einem Koppelverlust von etwa 2 dB eine hohe Reflexion (Reflexionsdämpfung etwa 14 dB) am PC-Stecker wegen des Glas-Luft-Übergangs (Bild 4.49 (b)). Da dem PC-Stecker das Gegenstück fehlt, gibt es keinen physischen Kontakt. 63520_Eberlein_SL4.indd 259 63520_Eberlein_SL4.indd 259 12.11.2020 12: 56: 27 12.11.2020 12: 56: 27 <?page no="277"?> 260 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 260 Bild 4.49: Rückstreudiagramme: (a) APC gegen APC, (b) PC gegen APC, (c) APC gegen PC Bei einer Fehlsteckung APC gegen PC entsteht ein Koppelverlust von etwa 2,7 dB (Bild 4.49 (c)). Die Reflexion an der schrägen Stirnfläche bewirkt nur einen kleinen Beitrag, aber die ebene Stirnfläche trägt auch zur Reflexion bei (resultierende Reflexionsdämpfung ca. 23 dB). Während die meisten APC-Stecker einen Neigungswinkel der Stirnfläche von 8° haben, sind bei der Deutschen Telekom auch 9°-Schrägschliff-Stecker im Einsatz. Diese sind durch einen roten Knickschutz und den Aufdruck 9° gekennzeichnet. Eine Fehlsteckung 8° gegen 9° bewirkt eine Dämpfung von ca. 1 dB. Die Reflexionsdämpfung beträgt etwa 55 dB. 4.7.5.3 Unterbrochener physischer Kontakt Verschmutzte Steckerstirnflächen verhindern eine Berührung der Glasoberflächen (unterbrochener physischer Kontakt: Bild 4.50). Liegt das Staubkörnchen im Bereich des Kernes, fällt die Strecke aus. Liegt es außerhalb, kommt es zu einer Erhöhung der Dämpfung um etwa 0,35 dB. Die Reflexionsdämpfung beim PC-Stecker verringert sich auf etwa 14 dB und beim 8°-APC-Stecker auf etwa 56 dB. Bild 4.50: Unterbrochener physischer Kontakt 4.7.5.4 Gleiche Steckerstirnflächen Ein PC-Stecker am Streckenende hat kein Gegenstück, das einen physischen Kontakt bewirkt. Folglich arbeitet der PC-Stecker gegen Luft und bewirkt eine gleich große Reflexion wie ein Geradschliffstecker (Bild 4.51 (a)). Hat der Stecker auf der Strecke keinen physischen Kontakt, zum Beispiel wegen einer Verschmutzung, entsteht eine gleich große Reflexion wie am Streckenende (Bild 4.51 (b)). Die beiden Glas-Luft-Reflexionen beim Übergang von Glas zu Luft und beim Übergang von Luft zu Glas im Stecker bewirken zweimal 4 % Verlust. Das entspricht einer rein physikalisch bedingten zusätzlichen Einfügedämpfung von etwa 0,35 dB. Deshalb ist die Stufe in Bild 4.51 (b) größer als in Bild 4.51 (a). 63520_Eberlein_SL4.indd 260 63520_Eberlein_SL4.indd 260 12.11.2020 12: 56: 27 12.11.2020 12: 56: 27 <?page no="278"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 261 261 Bild 4.51: (a) PC-Stecker auf der Strecke und am Ende der Strecke (b) PC-Stecker mit unterbrochenem physischem Kontakt Ein APC-Stecker am Streckenende hat ebenfalls kein Gegenstück, das den physischen Kontakt bewirkt. Unverändert aber ist die Wirkung des Schrägschliffes, der das meiste reflektierte Licht in den Mantel transportiert. So bleiben noch Reflexionsdämpfungen von etwa 56 dB bei 8°-Schliff bzw. etwa 67 dB bei 9°-Schliff (Tabelle 4.11), die kleine Reflexionsspitzen am Streckenende bewirken (Bild 4.52 (a)). Misst man mit sehr langen Impulsen, wird die Rückstreukurve angehoben und die Spitze kann verschwinden. Wird der physische Kontakt auf der Strecke unterbrochen, erhöht sich die Dämpfung um etwa 0,35 dB. Meist entsteht eine kleine Reflexionsspitze (Bild 4.52 (b)). (a) (b) Bild 4.52: (a) APC-Stecker auf der Strecke und am Ende der Strecke (b) APC-Stecker mit unterbrochenem physischem Kontakt In Tabelle 4.19 werden die typischen Ereignisse in der Rückstreukurve zusammengestellt: 63520_Eberlein_SL4.indd 261 63520_Eberlein_SL4.indd 261 12.11.2020 12: 56: 28 12.11.2020 12: 56: 28 <?page no="279"?> 262 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 262 Steckerstirnflächenkontakt auf der Strecke am Streckenende Spitze Stufe Spitze Geradschliff bzw. PC, unterbrochener Kontakt sehr groß, gesättigt mindestens 0,35 dB sehr groß, gesättigt PC moderat klein sehr groß, gesättigt APC, unterbrochener Kontakt klein (oder nicht vorhanden) mindestens 0,35 dB klein (oder nicht vorhanden) APC nicht vorhanden sehr klein klein (oder nicht vorhanden) Tabelle 4.19: Größenordnungen typische Ereignisse im Rückstreudiagramm in Abhängigkeit vom Steckertyp/ -kontakt und Ort des Ereignisses 4.7.5.5 Zusammenfassung Tabelle 4.20 fasst die möglichen Fehlanpassungen zusammen. Dämpfungen äußern sich in einer Stufe und Reflexionen in einer Spitze im Rückstreudiagramm. Fehlertyp Auswirkungen unterbrochener physischer Kontakt (axialer Versatz) Dämpfungs- und Reflexionserhöhungen; System kann instabil werden PC-Stecker auf APC-Stecker (Steckerfehlanpassung) starke Dämpfungserhöhung (> 2 dB) starke Erhöhung der Reflexion Stirnflächen-Rauigkeit, unebene bzw. zerkratzte Stirnflächen, Verschmutzung Dämpfungs- und Reflexionserhöhung Exzentrizität, radialer Versatz Dämpfungserhöhung Parametertolerenzen der LWL positive und negative Stufen Verkippung Dämpfungs- und Reflexionserhöhung Tabelle 4.20: Fehler an Koppelstellen und deren Auswirkungen 4.7.6 Kriterien zur Beurteilung der Qualität der installierten Strecke Es wird empfohlen folgende Messungen an Multimode-LWL durchzuführen: • Durchgängigkeit sowie Polarität der Verkabelung (Vertauschungen) kann mit einem Dämpfungsmessgerät, einem Rückstreumessgerät mit Nachlauf-LWL oder (bei kurzen Strecken) mit einer Rotlichtquelle geprüft werden. • Die Rotlichtquelle ist außerdem geeignet zur Fehlersuche: Faserbrüche, defekte Stecker, zu geringe Biegeradien. • Dämpfungsmessung • Optische Rückstreumessung • Als preiswerte Alternative Verwendung eines Messgerätes, welches eine Längen- und Dämpfungsmessung einer bidirektionalen Strecke bei zwei Wellenlängen ermöglicht. Das ist bei kurzen Strecken und/ oder bei Strecken mit wenigen Ereignissen sinnvoll. 63520_Eberlein_SL4.indd 262 63520_Eberlein_SL4.indd 262 12.11.2020 12: 56: 28 12.11.2020 12: 56: 28 <?page no="280"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 263 263 • Reflexionsmessung: Die Reflexionsdämpfungen der Ereignisse fallen bei der OTDR-Messung mit an und stehen in der Ereignistabelle. Man benötigt kein gesondertes Messgerät und es ist kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich. Aus den Reflexionsdämpfungen kann man auf schlechte Steckverbinder und Ursachen von Geisterreflexionen schließen. Es wird empfohlen, folgende Messungen an Singlemode-LWL durchzuführen: • Test auf Durchgängigkeit wie beim Multimode-LWL • Verwendung Rotlichtquelle wie beim Multimode-LWL • Dämpfungsmessung • Optische Rückstreumessung bei 1310 nm und 1550 nm bzw. vor allem in DWDM- Netzen bei 1550 nm und 1625 nm • Soll mit der Faser ein breiter Wellenlängenbereich übertragen werden (CWDM), ist eine Messung bei 1383 nm (Wasserpeak: vergleiche Abschnitt 1.3.5) notwendig, sofern der Fasertyp unbekannt ist. • Für FTTx-Netze gibt es OTDR-Module für die Wellenlängen 1490 nm und 1650 nm. Zukünftig kann es erforderlich sein, bei weiteren Wellenlängen FTTx- Netze zu charakterisieren. • Reflexionsmessung: Reflexionen müssen in Singlemode-Systemen vermieden werden, da die Laser empfindlich auf Leistungsrückflüsse reagieren. • Spektrale Messungen sind nur in DWDM-Netzen erforderlich. • PMD-Messungen sind im Allgemeinen erst ab 10 Gbit/ s angebracht. • Die Messung der chromatischen Dispersion kann ab 2,5 Gbit/ s bei großen Streckenlängen und direkt modulierten Lasern (CWDM-Systeme) erforderlich sein. 4.7.6.1 Allgemeine Hinweise Abnahmevorschriften Abnahmevorschriften zur Charakterisierung herkömmlicher Übertragungsstrecken fordern meist eine Dämpfungsmessung, eine Rückstreumessung und zunehmend auch eine Reflexionsmessung. Die Reflexionsmessung erfolgt mit dem Rückstreumessgerät. Die reflektierenden Ereignisse können ortsaufgelöst ermittelt werden. Falls die Strecken sehr kurz und/ oder keine Ereignisse auf der Strecke sind, kann auf eine Rückstreumessung verzichtet werden. Eine Dämpfungsmessung ist ausreichend. Das gilt nur, wenn die Streckenlänge (das Aufmaß) nicht aus der Rückstreumessung ermittelt werden muss. Bei Singlemode-Strecken ist es zulässig, auf eine explizite Dämpfungsmessung zu verzichten und die Dämpfung der Strecke aus der Rückstreukurve zu entnehmen (Abschnitt 4.5). Es lässt sich keine allgemein gültige Abnahmevorschrift formulieren, da die Anforderungen an die Qualität der Strecke unterschiedlich sind. Die folgenden Abnahmevorschriften sind Beispiele. Sie veranschaulichen die generelle Herangehensweise bei der Durchführung von Abnahmemessungen. Zur Verringerung der Kosten wird mitunter auf einen Teil der nachfolgend beschriebenen Messungen verzichtet. 63520_Eberlein_SL4.indd 263 63520_Eberlein_SL4.indd 263 12.11.2020 12: 56: 28 12.11.2020 12: 56: 28 <?page no="281"?> 264 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 264 4.7.6.2 Vorschlag Abnahmevorschrift Multimode-LWL Dämpfungsmessung • Messung mit Vorlaufprüfschnur mindestens 75 m oder Wickeldorn oder Moden- Controller (Modengleichgewichtsverteilung bzw. EF muss hergestellt werden). • Messung bei 850 nm und/ oder 1300 nm • Zur Prüfung einer Strecke, die unbekannte Elemente enthält, muss die Messung in beiden Richtungen erfolgen. Ansonsten ist Messung in nur einer Richtung ausreichend. Rückstreumessung • In beiden Richtungen mit Vor- und Nachlaufprüfschnur (jeweils mindestens 75 m), Mittelwertbildung, Dokumentation der Rückstreukurven und der gemittelten Ereignistabelle. • Messung bei 850 nm und/ oder 1300 nm. Ein Vergleich der Messungen bei den beiden Wellenlängen bringt im Allgemeinen keine Information über Installationsmängel (außer bei biegeoptimierten Multimode-LWL). Zulässige Parameter Nach arithmetischer Mittelung der Messwerte aus Hin- und Rückrichtung: • maximaler Dämpfungskoeffizient bei 850 nm: 2,7 dB/ km • maximaler Dämpfungskoeffizient bei 1300 nm: 0,8 dB/ km • Einfügedämpfung Steckverbindung zum Beispiel Klasse B (zufällige Steckung): 0,35 dB (Mittelwert); 0,6 dB (maximal) • Einfügedämpfung Spleißverbindung (Planungswert): 0,10 dB Erforderliche Rückstreumesstechnik • geringe Impulslänge (5 ns): ermöglicht hohes Auflösungsvermögen • hohe Dynamik: hängt von der Impulslänge und der Messdauer ab • geringe Ereignis-Totzone und Dämpfungs-Totzone: hängt von der Impulslänge, der Reflexionsdämpfung und der Elektronik des Empfängers ab 4.7.6.3 Vorschlag Abnahmevorschrift Singlemode-LWL Dämpfungsmessung • Wenige Meter Vorlaufprüfschnur sind ausreichend. • Messung bei 1310 nm und/ oder 1550 nm • Die Messung braucht nur in einer Richtung durchgeführt zu werden. Physikalisch bedingt gibt es keine richtungsabhängigen Dämpfungseffekte auf dem Singlemode- LWL. Eine bidirektionale Messung und Mittelwertbildung verringert die Messfehler, ist aber nicht zwingend erforderlich. 63520_Eberlein_SL4.indd 264 63520_Eberlein_SL4.indd 264 12.11.2020 12: 56: 29 12.11.2020 12: 56: 29 <?page no="282"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 265 265 Rückstreumessung • In beiden Richtungen mit Vor- und Nachlaufprüfschnur (jeweils 1 km bis 2 km), Mittelwertbildung, Dokumentation der Rückstreukurve und der gemittelten Ereignistabelle. Die Vorlaufprüfschnur muss hinreichend lang sein, damit der erste Stecker der Strecke außerhalb der Totzone liegt und noch gemessen werden kann. Bei maximaler Impulslänge von 10 µs entspricht das 1000 m. • Die Verwendung der Nachlaufprüfschnur ermöglicht auch Vertauschungen zu erkennen. Die Zuordnung der Fasern muss nicht noch mal separat mit Rotlichtquelle oder Dämpfungsmessung überprüft werden. • Generell Messung sowohl bei 1310 nm (blau) als bei 1550 nm (rot), unabhängig davon, in welchem der beiden optischen Fenster die Übertragung erfolgt. Die scheinbare Spleißdämpfung (nach bidirektionaler Mittelung) bei 1550 nm darf nicht größer als bei 1310 nm sein. Sinngemäße Messungen und Auswertungen bei 1550 nm/ 1625 nm. (a) (b) Bild 4.53: Obere Kurve (blau): 1310 nm; untere Kurve (rot): 1550 nm; Dämpfungsdifferenz: ∆ . (a) annähernd gleich große Stufen bei den beiden Wellenlängen: keine Makrobiegungen; (b) höhere Stufe bei der höheren Wellenlänge: Markobiegung. Zulässige Parameter Nach arithmetischer Mittelung der Messwerte aus Hin- und Rückrichtung: • maximaler Dämpfungskoeffizient bei 1310 nm: 0,36 dB/ km • maximaler Dämpfungskoeffizient bei 1550 nm: 0,23 dB/ km • maximaler Dämpfungskoeffizient bei 1625 nm: 0,25 dB/ km • Einfügedämpfung Steckverbindung zum Beispiel Klasse B (zufällige Steckung): 0,12 dB (Mittelwert); 0,25 dB (maximal) • Einfügedämpfung Spleißverbindung (Planungswert): 0,10 dB Die Rückstreumesstechnik sollte eine hohe Dynamik und ein hohes Auflösungsvermögen haben. Generell ist zu beachten: • Die angegebenen Steckerdämpfungen gelten nicht für einen einzelnen Stecker, sondern für die komplette Verbindung (Stecker-Kupplung-Stecker). • Im Singlemode-Bereich müssen nicht nur Singlemode-Steckverbinder, sondern auch Singlemode-Kupplungen zum Einsatz kommen. 63520_Eberlein_SL4.indd 265 63520_Eberlein_SL4.indd 265 12.11.2020 12: 56: 29 12.11.2020 12: 56: 29 <?page no="283"?> 266 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 266 4.7.7 Zusammenfassung Der Umgang mit der Rückstreumesstechnik hat mit großer Sorgfalt zu erfolgen und die Richtlinien zur Bedienung und Parametereinstellung sind einzuhalten. In Abhängigkeit vom Einsatzfall ist mit Vorlauf- und eventuell auch mit Nachlauf-LWL zu messen. Geisterreflexionen werden durch stark reflektierende Steckverbinder verursacht und täuschen Ereignisse auf der Strecke vor. Die Auswertung, Nachbearbeitung und Dokumentation der Rückstreumessungen erfolgt mit einer geeigneten Software. Jeder OTDR-Anbieter hat seine eigene Auswertesoftware. Darüber hinaus gibt es eine universelle Software, die die Daten verschiedener Messgeräte verarbeiten kann. Vielfältige Effekte durch Fehlanpassungen (unterschiedliche LWL-Parameter, unterschiedliche Steckerstirnflächen, unterbrochener physischer Kontakt) können das Messergebnis verfälschen. Es lässt sich keine allgemein gültige Abnahmevorschrift formulieren, da die Anforderungen an die Qualität der Strecke unterschiedlich sind. 4.8 Reflexionsmessungen Reflexionen entstehen an Unstetigkeiten der Brechzahl entlang der Strecke. Sie können die Eigenschaften der Sender nachteilig beeinflussen (Fluktuationen der Ausgangsleistung, Modensprünge, Beschädigung der Laserdiode) und dürfen deshalb bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Außerdem bewirken Reflexionen Verluste bei der übertragenen Leistung. Deshalb ist das LWL-Netz auch bezüglich Reflexionen zu charakterisieren. Die Reflexionsmessung ermöglicht die Charakterisierung der Steckverbinder und die Überprüfung der Qualität der Installation. Das Bellcore-Standard GR-326-CORE [4.4] fordert Reflexionsdämpfungen entsprechend Tabelle 4.21. Anwendung Reflexionsdämpfung digitale Systeme ≥ 40 dB analoge Systeme ≥ 55 dB bis 60 dB Tabelle 4.21: Anforderungen gemäß GR-326-CORE Die Reflexionsdämpfung ist das Verhältnis aus einfallender Lichtleistung zur reflektierten Lichtleistung (Abschnitt 4.3.4). Das Rückstreumessgerät ist wegen seiner extrem hohen Empfindlichkeit nicht in der Lage, sein eigenes Ausgangssignal direkt zu messen. Stattdessen werden die reflektierten Signale auf die zurück gestreuten Signale bezogen: Man misst den Abstand δ zwischen der Rückstreukurve und der Spitze der Reflexion. 63520_Eberlein_SL4.indd 266 63520_Eberlein_SL4.indd 266 12.11.2020 12: 56: 29 12.11.2020 12: 56: 29 <?page no="284"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 267 267 Streckenlänge Dämpfung Reflexion Rückstreukurve Bild 4.54: Bestimmung der Reflexionsdämpfung aus der Rückstreukurve Die Reflexionsdämpfung a R wird aus der Rückstreudämpfung a S und der Höhe der Spitze nach Gleichung (4.23) berechnet. Das Näherungszeichen gilt, falls δ > 5 dB. Der Faktor 2 ist zu berücksichtigen, weil das Rückstreumessgerät wegen des zweimaligen Durchlaufens der Strecke nur die halbe Dämpfung anzeigt (Abschnitt 4.4.1). δ − ≈ − − = δ 2 a 1) 10lg(10 a a S 5 / S R (4.23) Die Rückstreudämpfung a S hängt vom LWL-Typ und von der Impulslänge ab. Meist kann die Rückstreudämpfung bezogen auf 1 ns Impulslänge am Rückstreumessgerät eingestellt werden. Entsprechend der tatsächlichen Impulslänge erfolgt eine Umrechnung der Rückstreudämpfungen automatisch im Gerät. Die Rückstreudämpfung für den jeweiligen Lichtwellenleiter muss bekannt sein, wenn eine zuverlässige Reflexionsmessung erfolgen soll. Die meisten Rückstreumessgeräte geben Standardwerte vor. Falls diese Werte nicht bekannt sind, sollten die Werte aus Tabelle 4.9 eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass bei geringen Reflexionsdämpfungen (also bei hohen Reflexionen) die Gefahr der Übersteuerung besteht. Die Reflexionsspitze wird gesättigt, δ wird zu klein und die Reflexionsdämpfung zu groß gemessen. Um diesen Messfehler zu vermeiden, setzt man ein Dämpfungsglied an den Anfang der zu messenden Strecke. 4.9 LWL-Überwachungssysteme Sicherheit und Verfügbarkeit von LWL-Netzen werden immer wichtiger. Das betrifft vor allem sicherheitsrelevante Bereiche (Regierung, Militär, Banken, Börsen, Versicherungen) sowie Strecken, über die hohe Datenraten übertragen werden (hohe Verluste im Havariefall). LWL-Überwachungssysteme ermöglichen eine Fernüberwachung von LWL-Strecken. Die Überwachung erfolgt durch Rückstreumessung von einer Seite des Lichtwellenleiters, wobei mit optischen Schaltern viele Lichtwellenleiter in einer bestimmten Abfolge an das Messgerät gekoppelt werden. Die gemessene Rückstreukurve wird mit der ursprünglichen Rückstreukurve (Referenzkurve) verglichen. Bei Abweichungen wird eine Warnmeldung oder Alarmmeldung ausgelöst. Es gibt zwei Kategorien von möglichen Fehlern im Netz: 63520_Eberlein_SL4.indd 267 63520_Eberlein_SL4.indd 267 12.11.2020 12: 56: 29 12.11.2020 12: 56: 29 <?page no="285"?> 268 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 268 • Allmähliche Veränderungen der Übertragungsstrecke durch Komponentenalterung (Stecker, Spleiße), durch Einwirkung von Wasser, Staub und andere Einflüsse. • Plötzliche Änderungen der Eigenschaften der Übertragungsstrecke durch Baumaßnahmen, Feuer, Tiere, Verkehrsunfälle oder Sabotage. Im ersten Fall registriert das LWL-Überwachungssystem die Veränderungen, setzt eine Warnmeldung ab und der Ausfall der Strecke kann verhindert werden. Im zweiten Fall ermöglicht das LWL-Überwachungssystem eine schnelle Lokalisierung des Fehlerortes. So können Ausfallzeit und damit verbundene Einnahmeausfälle reduziert werden. 4.9.1 Dunkelfasermessung Bei der Dunkelfasermessung werden eine oder mehrere für die Übertragung nicht genutzte Fasern eines Kabels gemessen. Ein Eingriff in das eigentliche Übertragungssystem erfolgt nicht (Bild 4.55). Damit können etwa 90 % aller Fehler erkannt werden. Das sind diejenigen Fehler, die auf alle Fasern im Kabel gleichzeitig wirken. Sender Kabel Empfänger LWL-Überwachungseinheit Bild 4.55: Prinzip der Dunkelfasermessung Bei Überwachung von Singlemode-LWL wählt man eine möglichst große Wellenlänge (1550 nm, 1625 nm, 1650 nm), weil hier die Faserdämpfung am geringsten und die Makrobiegeempfindlichkeit am größten ist. 4.9.2 Messung der aktiven Faser Es wird die aktive, tatsächlich für die Übertragung genutzte Faser gemessen. Jeder Lichtwellenleiter kann individuell beobachtet und annähernd 100 % der Fehler können erkannt werden (Bild 4.56). Um die Übertragung nicht zu stören, muss sich die Überwachungswellenlänge von der Wellenlänge der Übertragung unterscheiden. Mit einem wellenlängenselektiven Koppler wird das Überwachungssignal in den aktiven Lichtwellenleiter eingekoppelt. Erfolgt die Übertragung bei 1550 nm, so wird für die Überwachungswellenlänge 1625 nm oder 1650 nm gewählt. Schutz für Ihre Glasfasernetze • Faserüberwachung • Feuchteüberwachung • Schutz und Vorbeugung vor technischem Ausfall Schachtdeckelüberwachung • • Schutz vor Sabotage • LANCIER Monitoring GmbH Gustav-Stresemann-Weg 11 • 48155 Münster Tel. +49 (0) 251 674 999-34 • info@lancier-monitoring.de • www.lancier-monitoring.de LMG_Anzeige_Lichtwellenleitertechnik_2020 02.09.2020 16: 51 Seite 1 63520_Eberlein_SL4.indd 268 63520_Eberlein_SL4.indd 268 12.11.2020 12: 56: 30 12.11.2020 12: 56: 30 <?page no="286"?> Schutz für Ihre Glasfasernetze • Faserüberwachung • Feuchteüberwachung • Alarmierung bei - Qualitätsverlust - Abriss - Feuchte in Muffen Schutz und Vorbeugung vor technischem Ausfall Schachtdeckelüberwachung • Zugangskontrolle in Echtzeit • Schutz vor Sabotage • Alarmierung über alle Netze - Glasfaser - Kupferkabel - Funk LANCIER Monitoring GmbH Gustav-Stresemann-Weg 11 • 48155 Münster Tel. +49 (0) 251 674 999-34 • info@lancier-monitoring.de • www.lancier-monitoring.de LMG_Anzeige_Lichtwellenleitertechnik_2020 02.09.2020 16: 51 Seite 1 63520_Eberlein_SL4.indd 269 63520_Eberlein_SL4.indd 269 12.11.2020 12: 56: 30 12.11.2020 12: 56: 30 <?page no="287"?> 63520_Eberlein_SL4.indd 270 63520_Eberlein_SL4.indd 270 12.11.2020 12: 56: 30 12.11.2020 12: 56: 30 <?page no="288"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 269 269 Sender Kabel Empfänger LWL-Überwachungseinheit Filter Wellenlängenmultiplexer Bild 4.56: Prinzip der Messung der aktiven Faser Am Ende der Strecke befindet sich ein Filter mit wellenlängenselektiven Eigenschaften. Es hat eine geringe Einfügedämpfung für die Übertragungswellenlänge, aber eine hohe Einfügedämpfung für die Überwachungswellenlänge. Damit wird vermieden, dass das Überwachungssignal auf den Empfänger trifft und diesen stört. Mit dem Prinzip der Messung der aktiven Faser können alle Fehler erkannt werden, die zwischen Wellenlängenmultiplexer und Filter liegen. Fehler durch Alterung des Senders oder Empfängers werden nicht erfasst. Die Kosten bei Messung der aktiven Faser sind deutlich höher als die Dunkelfasermessung, da wesentlich mehr Lichtwellenleiter zu messen sind. Außerdem sind zusätzliche optische Komponenten (Multiplexer, Filter) erforderlich. 4.10 Messungen an DWDM-Systemen 4.10.1 Modifikation der herkömmlichen Messungen Um die ordnungsgemäße Installation des Kabels zu überprüfen, sind generell die gleichen Messungen durchzuführen, wie an einer Singlemode-Strecke, über die nur eine Wellenlänge übertragen wird. Zunächst sind die Steckerstirnflächen mit dem Fasermikroskop zu überprüfen und gegebenenfalls zu reinigen. Dann hat eine bidirektionale Rückstreumessung bei zwei Wellenlängen zu erfolgen. Die größte Messwellenlänge muss mindestens so groß wie die größte Übertragungswellenlänge sein, um Makrobiegeverluste zu erkennen. Bei Wellenlängenmultiplex können folgende maximale Übertragungswellenlängen auftreten: • DWDM, C-Band: 1565 nm • DWDM, L-Band: 1625 nm; in der Praxis liegt die maximale Wellenlänge bei 1610 nm • CWDM: 1617,5 nm 63520_Eberlein_SL4.indd 269 63520_Eberlein_SL4.indd 269 12.11.2020 12: 56: 30 12.11.2020 12: 56: 30 <?page no="289"?> 270 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 270 Das erfordert eine Rückstreumessung bei 1550 nm und 1625 nm. Jede Faser ist viermal zu messen. Reflexionsdämpfungen der diskreten Ereignisse fallen bei der Rückstreumessung mit an. Es sind die Hinweise entsprechend Abschnitt 4.8 zu beachten. Außerdem hat eine Dämpfungsmessung zu erfolgen oder die Dämpfung ist aus der Rückstreukurve zu entnehmen. 4.10.2 Spektrale Messungen Die entscheidenden Messverfahren in DWDM-Systemen sind die spektralen Messungen. Diese erfolgen mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA). Das Messgerät zerlegt die optische Leistung in seine Wellenlängenanteile. In Bild 4.57 sind 16 Linien zu erkennen. Diese entsprechen den 16 Wellenlängen, die über den Lichtwellenleiter übertragen werden. Diese Wellenlängen werden gemessen, in einer Tabelle dargestellt und mit den genormten Werten verglichen. Die Höhe der einzelnen Linien entspricht den optischen Kanalleistungen. Leistungsdifferenzen äußern sich in unterschiedlich hohen Linien. Leistung in dBm Wellenlänge in nm Verstärkerrauschen Signal-Rausch- Verhältnis 16 Kanäle -10 -20 -30 -40 -50 1530 1540 1550 1560 1 4 8 12 16 Bild 4.57: Typisches Spektrum eines DWDM-Systems mit 16 Kanälen Sofern das DWDM-Signal einen Faserverstärker durchlaufen hat, sitzen diese Linien wie in Bild 4.57 auf einem Rauschsockel. Der Abstand zwischen Rauschsockel und Spitze der Linie entspricht dem Signal-Rausch-Verhältnis. Der Vorteil der spektralen Messungen besteht darin, dass alle Kanäle gleichzeitig gemessen werden können. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist zwar ein notwendiges, aber kein hinreichendes Gütekriterium. Durch das Signal-Rausch-Verhältnis werden keine dispersionsbedingten Laufzeitverzerrungen erfasst, die gerade bei hohen Datenraten zu Problemen führen können. 63520_Eberlein_SL4.indd 270 63520_Eberlein_SL4.indd 270 12.11.2020 12: 56: 31 12.11.2020 12: 56: 31 <?page no="290"?> 4 Lichtwellenleiter-Messtechnik 271 271 Jeder Kanal hat seine eigene Bitfehlerrate. Die Bitfehlerratenmessung muss für jeden Kanal separat erfolgen. Die benötigte Messzeit wächst proportional zur Anzahl der optischen Kanäle. Außerdem wächst sie mit sinkender Bitfehlerrate. Meist werden gefordert: BER ≤ 10 -10 bzw. 10 -12 . Eine Bitfehlerrate von 10 -12 kann schon sehr lange Messzeiten erfordern. Die Messzeiten kann man stark reduzieren, indem man alle Kanäle in Reihe schaltet. Wird eine bestimmte Bitfehlerrate für die Summe aller Kanäle nicht überschritten, so ist das auch für jeden einzelnen Kanal gewährleistet. 4.10.3 Dispersionsmessungen Dispersionsmessungen sind nicht generell erforderlich und auch keine Besonderheit von DWDM-Systemen. Da aber über DWDM-Systeme meist hohe Datenraten pro Wellenlänge übertragen werden, können Dispersionsmessungen erforderlich werden. Wann eine Messung der Polarisationsmodendispersion erforderlich ist, wurde in Abschnitt 1.3.14.4 beschrieben. Die chromatische Dispersion sollte gemessen werden: • Bei der Anmietung von LWL-Strecken, sofern keine ausreichende Dokumentation vorliegt. Die Strecke kann aus unterschiedlichen Fasertypen bestehen. • Bei großen Streckenlängen und/ oder hohen Datenraten (ab 10 Gbit/ s). Die CD- Messung ermöglicht die exakte Dimensionierung der dispersionskompensierenden Bauelemente oder Fasern: Kostenersparnis. • In Wellenlängenmultiplex-Systemen, um die Wellenlängenabhängigkeit der chromatischen Dispersion zu erfassen. • Zur Bestimmung des Fasertyps. 4.10.4 Zusammenfassung An jeder Faser müssen vier Rückstreumessungen durchgeführt werden: aus zwei Richtungen und bei zwei Wellenlängen. Eine der beiden Messwellenlängen sollte mindestens so groß wie die größte Übertragungswellenlänge sein. Das entscheidende Messverfahren ist die optische Spektralanalyse. Unter Umständen ist eine PMDbzw. CD-Messung erforderlich. 4.11 Literatur [4.1] S. Geckeler: Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung. 3. Auflage, Springer-Verlag 1990. [4.2] M. Ratuszek, J. Zakrzewski, J. Majewski, M. J. Ratuszek.: Process optimisation of the arc fusion splicing different types of single mode telecommunication fibres. Opto-Electr. Rev., 8, no. 2, 2000, S. 161-170. [4.3] GR-196-CORE: Generic Requirements for Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) Type Equipment. September 1995. [4.4] GR-326-CORE: Generic Requirements for Singlemode Optical Connectors and Jumper Assemblies. September 1999. 63520_Eberlein_SL4.indd 271 63520_Eberlein_SL4.indd 271 12.11.2020 12: 56: 31 12.11.2020 12: 56: 31 <?page no="291"?> 272 5 Fiber to the Home/ Building Dieter Eberlein Während in den letzten Jahrzehnten der Lichtwellenleiter überwiegend im Weitverkehrsbereich, in den Metronetzen und in den lokalen Netzen eingesetzt wurde, erobert er zunehmend das Haus, die Wohnung, das Büro. Singlemode-LWL anstelle von Kupferkabeln ermöglichen massive Kapazitätserhöhung, Kostenreduktion sowie eine deutlich verbesserte Qualität. Je nachdem wie weit die Faser geführt wird unterscheidet man: • Fiber-to-the-Curb (FTTC): Faser endet am Zwischenverteiler (Kabelverzweiger), zum Beispiel Deutsche Telekom (VDSL, Vectoring). Im weiteren Verlauf Nutzung der vorhandenen Kupfer-Kabel (maximal 500 m). • Fiber-to-the-Distribution-Point (FTTDp): Faser endet an einem Verteilpunkt (Abzweigbox, Mast, Keller...). Im Weiteren Übertragung über Kupfer (maximal 250 m). • Fiber-to-the-Building (FTTB): Die Faser endet an der Gebäudeeinführung. Dies ist kosteneffizient und flexibel und bietet sich für vorhandene Gebäude an. Installationsarbeiten im Gebäude entfallen. Die vorhandene Kupferinfrastruktur wird genutzt. • Fiber-to-the-Home (FTTH): Faser bis in die Wohnung bzw. das Büro. Besonders geeignet für die Errichtung von Netzen in neu erschlossenen Gebieten. Mit der FTTx-Technik werden breitbandige Dienste (Daten, Sprache, Video: Triple Play) jedem Privathaushalt mit hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt. 5.1 Anforderungen an die Bandbreite Die Anforderungen an die Bandbreite wachsen auch im privaten Bereich unaufhörlich. Während Mitte der 90er Jahre die klassische Telefonie mit einer Datenrate von 128 kbit/ s (ISDN) den Großteil des weltweiten Datenverkehrs ausmachte, erfordern moderne Anwendungen sehr hohe Bandbreiten: • Der Internet-Datenverkehr wächst seit mehr als 15 Jahren um 50 % bis 100 % pro Jahr. • Video ist der Haupttreiber für hohe Bandbreiten. Während HD (High Definition) 3 Mbit/ s beansprucht (1k) liegt die Bandbreite bei UHD-2 (Ultra High Definition; Phase 2) bei 65 Mbit/ s (8k). • Das Fraunhofer-Heinrich-Hertz-Institut erwartet 1 Gbit/ s als Datenrate für zukünftige Bewegtbild-3D-Videokommunikation. • Laut WIK-Consult GmbH werden mehr als 75 % aller Haushalte bis zum Jahr 2025 Bandbreiten von mehr als 500 Mbit/ s im Up- und Downstream nachfragen. 63520_Eberlein_SL4.indd 272 63520_Eberlein_SL4.indd 272 12.11.2020 12: 56: 31 12.11.2020 12: 56: 31 <?page no="292"?> 5 Fiber to the Home/ Building 273 273 Dabei bedeutet Downstream „flussabwärts“ (Signalfluss von der Vermittlungsstelle zum Kunden) und Upstream „flussaufwärts“ (Signalfluss vom Kunden zur Vermittlungsstelle). Dr. Jakob Nielsen hat festgestellt, dass der Bandbreitenbedarf von Privatkunden seit 1984 jährlich durchschnittlich um 50 % gewachsen ist (Nielsen´s Law: Bild 5.1). Berücksichtigt man eine Lebensdauer der Infrastruktur von mindestens 30 Jahren, so benötigt man eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Abschnitt 5.2.1) oder WDM-PON (Abschnitt 5.5.7). 100.000.000 10.000.000 1.000.000 100.000 10.000 1000 100 10 11983 1987 1991 1995 1999 2003 2007 2011 Zeit Datenrate in bit/ s ? ? ? 2015 Bild 5.1: Erhöhung der Datenraten nach Nielsen (Quelle: nach http: / / www.useit.com/ alertbox/ 980405.html) Aktuell wird als Standard-Zugangsdatenrate 100 Mbit/ s gesehen. Der Ausbau von 1 Gbit/ s-Netzen ist in einigen Ländern bereits weit fortgeschritten. Die Frage ist, wie lange man entsprechend Bild 5.1 noch „linear“ extrapolieren kann? Tatsächlich handelt es sich um ein exponentielles Wachstum, da die Datenrate logarithmisch aufgetragen wurde. Die Kosten steigen mit höheren Datenraten. Die Bits müssen immer preisgünstiger zur Verfügung gestellt werden. Der Energieverbrauch steigt. Derzeit geht bereits ein großer Anteil des weltweiten Energieverbrauchs zu Lasten der Informationsübertragung. Energieeffizienz spielt in zukünftigen Netzen eine große Rolle, um weiterhin ein exponentielles Wachstum zu gewährleisten. Tabelle 5.1 zeigt Beispiele für Übertragungszeiten in Abhängigkeit von der Datenrate. Die maximale Datenrate hängt bei Übertragung über Kupfer (xDSL) von der Streckenlänge ab. Die Dämpfung steigt mit wachsender Datenrate an. Darüber hinaus gibt es zwischen den Kupferdrähten Übersprechen. Beim Lichtwellenleiter ist die Dämpfung unabhängig von der Datenrate! Gegenseitige Beeinflussungen gibt es nicht. 63520_Eberlein_SL4.indd 273 63520_Eberlein_SL4.indd 273 12.11.2020 12: 56: 31 12.11.2020 12: 56: 31 <?page no="293"?> 274 5 Fiber to the Home/ Building 274 Datenrate Photoalbum 1 GByte Standardvideo 4,7 GByte HD-Video 25 GByte 1 Gbit/ s 9 s 39 s 3 min, 28 s 100 Mbit/ s 1 min, 23 s 6 min, 31 s 34 min, 40 s 50 Mbit/ s 2 min, 46 s 13 min, 2 s 1 h, 9 min 8 Mbit/ s 19 min 1 h, 29 min 7 h, 55 min Tabelle 5.1: Übertragungszeiten in Abhängigkeit von der Datenrate Auch bei Funknetzen werden die Datenraten mit zunehmender Entfernung begrenzt. Die Bandbreite wird auf die Teilnehmer aufgeteilt („Shared Medium“). Nur mit dem Lichtwellenleiter bis zum Kunden können die Bandbreitenbedürfnisse der nächsten Jahrzehnte befriedigt werden. Bei den aktuellen Anwendungen wird die Kapazität des Lichtwellenleiters noch lange nicht ausgereizt. Die Bandbreite des Koaxialkabels liegt nach aktuellen Erkenntnissen bei maximal 1 GHz. Die Bandbreite des Lichtwellenleiters beträgt bei Nutzung von Wellenlängenmultiplex und modernen Modulationsverfahren maximal 50 THz. Das entspricht einem Faktor von 50.000! Auf absehbare Zeit wird ein Technolgiemix zum Einsatz kommen. Alle Zwischenlösungen (VDSL, Vectoring, HFC, LTE) ermöglichen eine begrenzte Erhöhung der Bandbreite. Es entstehen aber zusätzliche Kosten, weil diese Lösung letztlich durch den Lichtwellenleiter ersetzt werden muss. Der Lichtwellenleiter erlaubt auch in Rückrichtung hohe Bandbreiten! Der Trend geht zu symmetrischem Datenverkehr. Am Lebensabend der Kupfernetze muss eine bundesweite und flächendeckende Infrastruktur für die nächsten 30 bis 100 Jahre errichtet werden. So wie das wirtschaftliche Wachstum durch den Bau des Eisenbahnnetzes und Verlegung des ersten Transatlantikkabels im 19. Jahrhundert und den Bau der Autobahnen im 20. Jahrhundert vorangetrieben wurde, ist der LWL-Ausbau wichtig für die Wettbewerbsfähigkeit im 21. Jahrhundert. FTTx-Netze ermöglichen nicht nur Triple Play (Daten, Sprache, Internet), sie sind auch die Basis für alle zukünftigen kommunikationsbasierten öffentlichen Dienste. Neben der Bandbreite ist heute auch die Reaktionszeit auf Nutzereingaben (Latenz) ein wichtiger Parameter. Eine geringe Reaktionszeit ist wichtig bei Videospielen oder an der Börse. 5.2 Netzstrukturen Die Vermittlungsstelle (CO: Central Office) ist mit dem öffentlichen Telefonnetz und dem Internet verbunden. Dort erfolgt außerdem die Bereitstellung von analogen oder digitalen Videosignalen über Satellit, Kabel oder terrestrisch. 63520_Eberlein_SL4.indd 274 63520_Eberlein_SL4.indd 274 12.11.2020 12: 56: 32 12.11.2020 12: 56: 32 <?page no="294"?> 5 Fiber to the Home/ Building 275 275 FTTH: Beim Teilnehmer befindet sich ein Endkundengerät (CPE: Customer Premises Equipment). Dieses schließt den Lichtwellenleiter ab und wandelt die Signale optisch-elektrisch: Telefonsignal, Datensignal, Video-Signal. FTTB: Der optische Netzabschluss (ONT) im Gebäude hat eine VDSL-Schnittstelle, um die vorhandenen Teilnehmeranschlussleitungen im Haus nutzen zu können. Jeder Teilnehmer erhält ein VDSL-Modem als Netzanschluss. 5.2.1 Ethernet-Punkt-zu-Punkt (EP2P) Jeder Kunde erhält seinen eigenen Lichtwellenleiter. Der Vorteil besteht darin, dass eine sehr hohe Bandbreite zur Verfügung steht. Über einen Singlemode-LWL können pro Wellenlänge mindestens 10 Gbit/ s übertragen werden. Das ist im Hinblick auf den wachsenden Bandbreitenbedarf (Nielsen´s Law: Abschnitt 5.1) zukunftssicher. Nachteile sind die hohen Investitionen und der große Materialeinsatz. Für jeden Kunden sind ein oder zwei Lichtwellenleiter sowie drei Sender und drei Empfänger erforderlich. Letztere benötigt man, weil Downstream sowohl Daten/ Sprache als auch Video übertragen werden. Upstream werden Daten/ Sprache transportiert. Wird das Daten- und Sprachsignal und IPTV zu einem digitalen Signal vereint (down, meist 1490 nm), werden nur zwei Sender und zwei Empfänger je Teilnehmer benötigt. Bei 32 Teilnehmern sind somit 32 Fasern bei bidirektionaler Übertragung (Fasern werden in Hin- und Rückrichtung genutzt) bzw. 64 Fasern bei unidirektionaler Übertragung sowie 3 ∙ 32 = 96 Sender und Empfänger erforderlich. Bild 5.2 zeigt die Struktur mit höchstem Materialeinsatz. Über die obere Faser werden Upstream Daten und Sprache übertragen. Die untere Faser überträgt Downstream Daten und Sprache sowie das Videosignal (analog oder digital). Ein analoges Videosignal erfordert eine optische Verstärkung (EDFA) am Anfang der Strecke. Empfänger 1310 nm OLT Sender 1310 nm Sender 1550 nm Vermittlungsstelle (CO) Teilnehmer Übertragungsstrecke Video EDFA Sender 1310 nm ONT Empfänger 1310 nm Empfänger 1550 nm Video Schnittstellen Dienste WDM-Koppler WDM-Koppler Schnittstellen Dienste Bild 5.2: Triple Play über zwei Fasern EP2P („Zweifaserlösung“) 63520_Eberlein_SL4.indd 275 63520_Eberlein_SL4.indd 275 12.11.2020 12: 56: 32 12.11.2020 12: 56: 32 <?page no="295"?> 276 5 Fiber to the Home/ Building 276 Damit sich die Signale auf der Faser nicht stören, sind unterschiedliche Wellenlängen erforderlich (1310 nm und 1550 nm). Die verschiedenen Wellenlängen werden mit wellenlängenselektiven Kopplern (WDM) zusammengefügt bzw. getrennt. Bild 5.3 zeigt Triple Play-Übertragung über eine Faser. Das erfordert eine zusätzliche Wellenlänge. Das Downstream-Signal Sprache/ Daten hat nicht mehr die Wellenlänge 1310 nm, sondern 1490 nm. Empfänger 1310 nm OLT Schnittstellen Dienste WDM-Koppler WDM- Koppler Sender 1490 nm Sender 1550 nm Vermittlungsstelle (CO) Teilnehmer Übertragungsstrecke Video EDFA Sender 1310 nm ONT Schnittstellen Dienste Empfänger 1490 nm Empfänger 1550 nm Video WDM-Koppler WDM- Koppler Bild 5.3: Triple Play über eine Faser EP2P („Einfaserlösung”) 5.2.2 Punkt-zu-Multi-Punkt Bei der Punkt-zu-Multi-Punkt-Übertragung (Point-to-Multi-Point: P2MP) wird der Verkehr auf einem gemeinsamen Lichtwellenleiter konzentriert und möglichst nahe zu den Teilnehmern transportiert. Der Vorteil besteht in einem ökonomischen Netzausbau. Es sind weniger Fasern erforderlich. Der Nachteil besteht darin, dass sich die Kunden die Übertragungskapazität der Faser teilen müssen. Der Aufteilpunkt kann realisiert werden: • mit aktiver Systemtechnik als aktives optisches Netz (AON) • mit passiven Komponenten (leistungsteilende Koppler) als passives optisches Netz (PON) 5.2.2.1 Aktives optisches Netz (AON) Der gemeinsame Lichtwellenleiter wird möglichst nahe an die Kunden herangeführt. Im Aufteilpunkt erfolgen eine optisch-elektrische Wandlung, eine elektrische Verstärkung und Aufteilung sowie eine elektrisch-optische Wandlung (Bild 5.4) (OLT: Optical Line Terminal/ Termination). Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass ein hoher Aufteilfaktor am Knoten möglich ist. Die Konzentration bzw. die Verteilung erfolgt mit optischen Ethernet- Switchen. Der Aufteilpunkt kann nach Bedarf aufgerüstet werden. Es muss nur die Schnittstellenkarte ausgetauscht werden. Das ermöglicht flexible Geschäftsmodelle. 63520_Eberlein_SL4.indd 276 63520_Eberlein_SL4.indd 276 12.11.2020 12: 56: 32 12.11.2020 12: 56: 32 <?page no="296"?> 5 Fiber to the Home/ Building 277 277 OLT Vermittlungsstelle LWL-Struktur Teilnehmer ONU aktive Technik ONU ONU Bild 5.4: Signalaufteilung beim aktiven optischen Netz Die Nachteile des aktiven optischen Netzes ergeben sich daraus, dass aktive Hardware (Transceiver, Multiplexer, Switch, Stromversorgung, Batterie) im Feld benötigt wird. Das ist problematisch, da die Technik Temperaturschwankungen und gegebenenfalls Vandalismus ausgesetzt ist. Außerdem ist das Netzmanagement aufwändiger. Im Vergleich zur Punkt-zu-Punkt-Verbindung wird beim aktiven optischen Netz zwar Faserinfrastruktur eingespart, aber der Bedarf an aktiven Komponenten ist nach wie vor hoch. Bei 32 Kunden benötigt man eine oder zwei Fasern (bidirektional oder unidirektional) und drei (von OLT zum Aufteilpunkt) + 3 ∙ 32 (vom Aufteilpunkt zu den Kunden) = 99 Sender und Empfänger. Die Struktur entsprechend Bild 5.4 kann man als eine abgesetzte Vermittlungsstelle und Punkt-zu-Punkt-Übertragung auffassen. Die Bandbreite des Lichtwellenleiters zwischen OLT und dem aktiven Knoten lässt sich unter Nutzung von Wellenlängenmultiplex vervielfachen. 5.2.2.2 Passives optisches Netz (PON) Auch bei dieser Variante wird der Lichtwellenleiter möglichst nahe an die Kunden gebracht. Jetzt erfolgt die Aufteilung der Signale rein passiv mit einem leistungsteilenden Koppler (Splitter) (Bild 5.5). OLT Vermittlungsstelle LWL-Struktur Teilnehmer ONU Splitter ONU ONU Bild 5.5: Signalaufteilung beim passiven optischen Netz 63520_Eberlein_SL4.indd 277 63520_Eberlein_SL4.indd 277 12.11.2020 12: 56: 32 12.11.2020 12: 56: 32 <?page no="297"?> 278 5 Fiber to the Home/ Building 278 Der Vorteil des passiven optischen Netzes besteht in der Einsparung an Faserinfrastruktur und an aktiven Komponenten. Für alle Kunden werden nur zwei Sender und ein Empfänger sowie eventuell ein optischer Verstärker in der Vermittlungsstelle benötigt. Jeder Teilnehmer erhält nur seine relevanten Daten. Bei jedem Kunden befinden sich ein Sender und zwei Empfänger. Bei 32 Kunden ergibt sich ein Bedarf von 2 + 32 = 34 Sendern und 1 + 2 ∙ 32 = 65 Empfängern, an die allerdings höhere Anforderungen zu stellen sind, da viele Signale gleichzeitig gesendet werden und zum Empfänger gelangen. Standardisierte Übertragungsprotokolle ermöglichen, dass sich die Kunden die Bandbreite der Faser teilen. Die Signale werden zeitlich ineinander geschachtelt. Haben alle 32 Kunden einen Bedarf von 100 Mbit/ s, so werden über die Faser 3,2 Gbit/ s übertragen. Das ist für eine Singlemode-Faser kein Problem. Außerdem nutzen nie alle Kunden gleichzeitig die volle angebotene Bandbreite. Im Vergleich zum aktiven optischen Netz ist kein aktiver Verteilpunkt mit Stromversorgung erforderlich. Der Splitter teilt passiv die Leistung auf die einzelnen Kunden auf. Downstream (Bild 5.6, links) erfolgt bei BPON, GPON die Übertragung im Zeitmultiplex (TDM). Alle Daten werden von jedem Kunden empfangen. Zur Gewährleistung der Abhörsicherheit erfolgt eine Verschlüsselung mit Advanced Encryption Standard (AES). Der optische Netzabschluss (ONT) entnimmt nur die für den jeweiligen Teilnehmer relevanten Daten. Upstream (Bild 5.6, rechts) erfolgt die Übertragung mit Time Division Multiplex Access (TDMA). Im Burst-Mode-Betrieb erhalten die Kunden jeweils einen bestimmten Zeitschlitz für die Übertragung zugewiesen. Der optische Leitungsabschluss (OLT) steuert, welcher Kunde als nächster Zugang zum Upstream-Rahmen hat. So werden Kollisionen am Splitter vermieden. Die Signale werden durch den Splitter gedämpft. Eine Aufteilung 1 auf 32 bewirkt eine Dämpfung von bis zu 18 dB in beiden Richtungen (Abschnitt 5.6.4). Damit wird das Dämpfungsbudget stark belastet. Bild 5.6: Links downstream: TDM; rechts upstream: TDMA Bild 5.7 zeigt eine Punkt-zu-Multi-Punkt-Übertragung über eine einzige Faser. Die Struktur ist ähnlich derjenigen in Bild 5.3, nur dass zusätzlich am Ende des Lichtwellenleiters der Splitter eingefügt wurde. 63520_Eberlein_SL4.indd 278 63520_Eberlein_SL4.indd 278 12.11.2020 12: 56: 33 12.11.2020 12: 56: 33 <?page no="298"?> 5 Fiber to the Home/ Building 279 279 Empfänger 1310 nm OLT Schnittstellen Dienste WDM-Koppler Splitter WDM- Koppler Sender 1490 nm Sender 1550 nm Vermittlungsstelle (CO) Teilnehmer Übertragungsstrecke z.B. 20 km Video EDFA Sender 1310 nm ONT Schnittstellen Dienste Empfänger 1490 nm Empfänger 1550 nm Video WDM-Koppler WDM- Koppler Bild 5.7: Passives optisches Netz, eine Faser je Teilnehmer Die Anordnung in Bild 5.8 ist analog derjenigen von Bild 5.2, nur dass jetzt zusätzlich zwei Splitter ergänzt wurden. Da die Übertragung über zwei Fasern erfolgt, kann auf die Wellenlänge 1490 nm verzichtet werden. Empfänger 1310 nm OLT Sender 1310 nm Sender 1550 nm Vermittlungsstelle (CO) Teilnehmer Übertragungsstrecke Video EDFA Sender 1310 nm ONT Empfänger 1310 nm Empfänger 1550 nm Video Schnittstellen Dienste WDM-Koppler WDM-Koppler Schnittstellen Dienste Splitter Splitter Bild 5.8: Passives optisches Netz (PON), zwei Fasern je Teilnehmer Man kann alternativ eine P2MP-Übertragung über zwei Fasern auch realisieren, indem die Daten- und Sprachsignale bidirektional über die erste Faser und das Videosignal allein über die zweite Faser übertragen wird (Bild 5.9). Der Sender für das Daten-/ Sprachsignal downstream hat dann die Wellenlänge 1550 nm. Eine weitere Variante ist die Mischung einer Punkt-zu-Punktmit einer Punkt-zu- Multipunkt-Struktur (Bild 5.10). Daten- und Sprachsignal wird Punkt-zu-Punkt bereitgestellt: Jeder Teilnehmer erhält seine individuellen Daten. Die Übertragung ist abhörsicher und große Bandbreiten können zur Verfügung gestellt werden. Das Videosignal wird auf viele Teilnehmer über den Splitter verteilt. Alle Kunden erhalten die gleiche Information, zum Beispiel Hunderte Fernsehprogramme. 63520_Eberlein_SL4.indd 279 63520_Eberlein_SL4.indd 279 12.11.2020 12: 56: 33 12.11.2020 12: 56: 33 <?page no="299"?> 280 5 Fiber to the Home/ Building 280 Empfänger 1310 nm OLT Schnittstellen Dienste Splitter WDM- Koppler Sender 1550 nm Sender 1550 nm Vermittlungsstelle (CO) Teilnehmer Übertragungsstrecke z.B. 20 km Video EDFA Sender 1310 nm ONT Schnittstellen Dienste Empfänger 1550 nm Empfänger 1550 nm Video WDM- Koppler Splitter Bild 5.9: PON, zwei Fasern je Teilnehmer, separate Übertragung von Video Empfänger 1310 nm OLT Schnittstellen Dienste Splitter WDM- Koppler Sender 1550 nm Sender 1550 nm Vermittlungsstelle (CO) Teilnehmer Übertragungsstrecke z.B. 20 km Video EDFA Sender 1310 nm ONT Schnittstellen Dienste Empfänger 1550 nm Empfänger 1550 nm Video WDM- Koppler Bild 5.10: Mischung Punkt-zu-Punkt und Punkt-zu-Multi-Punkt OLT ONU 1 ONU 5 ONU 4 ONU 2 ONU 3 Bild 5.11: Ringstruktur Je nach Infrastruktur kann das Netz als Ringstruktur (Bild 5.11) oder modifizierte Baumstruktur (Bild 5.12) aufgebaut werden. Die Leistungsaufteilung kann auch kaskadiert erfolgen, zum Beispiel zunächst ein Splitter 1 ∙ 4 und nach weiteren Faserlängen vier Splitter 1 ∙ 8 (Bild 5.13). 63520_Eberlein_SL4.indd 280 63520_Eberlein_SL4.indd 280 12.11.2020 12: 56: 33 12.11.2020 12: 56: 33 <?page no="300"?> 5 Fiber to the Home/ Building 281 281 OLT ONU 2 ONU 1 ONU 3 ONU 5 ONU 4 Bild 5.12: modifizierte Baumstruktur bis zu 32 Wohnungen 1×4 1×8 OLT 1×8 1×8 1×8 Bild 5.13: Dezentrales Splitterkonzept 5.2.3 Vergleich der Varianten Bei Punkt zu Punkt-Übertragung (P2P) steht nahezu eine unbegrenzte Bandbreite zur Verfügung. Die Bandbreite und die Leistung müssen nicht geteilt werden. Diese Variante erfordert die höchsten Kosten. Beim aktiven optischen Netz (AON) müssen sich die Kunden die Bandbreite teilen. Jedem Kunden steht aber die volle Leistung zur Verfügung, da im Aufteilpunkt das Signal (elektrisch) verstärkt wird. Diese Lösung ist flexibel. Punkt-zu-Punkt- Verbindung und aktives optisches Netz haben vergleichbare Investitionskosten. Beim passiven optischen Netz (PON) müssen sich die Teilnehmer sowohl die Bandbreite als auch die Leistung teilen. Die Investitionskosten (CAPEX) und die Betriebskosten (OPEX) sind am geringsten. Die Bandbreitenteilung beim passiven optischen Netz gilt für Daten, Sprache, Videoon-Demand und eventuell für Time-Shift-TV, sofern die Daten beim Kunden nicht zwischengespeichert werden. Ungeteilte Bandbreite steht bei Video-Verteildiensten zur Verfügung, da jeder Teilnehmer das gleiche Signal zur gleichen Zeit erhält. 63520_Eberlein_SL4.indd 281 63520_Eberlein_SL4.indd 281 12.11.2020 12: 56: 33 12.11.2020 12: 56: 33 <?page no="301"?> 282 5 Fiber to the Home/ Building 282 Die Entscheidung für eine der drei Varianten hängt von der vorhandenen Infrastruktur, der Besiedlungsdichte, der Wettbewerbssituation und dem Stand der Regulierung ab. Grundsätzlich erlauben sowohl P2P als auch PON Open-Access (Abschnitt 5.3: Offene Infrastruktur). Außerdem ist zwischen FTTH und FTTB zu entscheiden. Der Vorteil bei FTTH besteht darin, dass die Stromversorgung im Keller entfällt. Die Stromversorgung in der Wohnung ist Sache des Mieters. Ein Vorteil von FTTB ist, dass die vorhandene Inhouse-Verkabelung genutzt werden kann. So können schnell viele Teilnehmer mit hoher Bandbreite und vertretbarem Aufwand angeschlossen werden. Von Nachteil bei FTTB können Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit sein, wenn die Kupferverkabelung im Haus nicht die ausreichende Qualität aufweist. Dann muss diese unter Umständen erneuert werden 5.3 Offene Infrastruktur Der Trend geht zu einer offenen Infrastruktur (Open Access). Diese ermöglicht einen diskriminierungsfreien Zugang mehrerer Netzbetreiber zum Endkunden über nur eine Netzinfrastruktur. Das wird möglich durch Trennung der drei Geschäftsbereiche Infrastruktur, Netzbetrieb und Diensteebene. Kommunen, Stadtwerke usw. errichten und unterhalten eine passive Infrastruktur bis zum Kunden und stellen diese Netzbetreibern gegen Entgelt zur Verfügung. Die Netzbetreiber errichten die aktive Technik. Mehrere Diensteanbieter offerieren auf der Netzplattform Fernsehen, Telefonie sowie schnelles Internet. Sie sind für die Inhalte und Dienste verantwortlich. Der Teilnehmer kann aus dem Diensteangebot mehrerer Anbieter wählen und sich Internet, Fernsehen und Telefonie individuell zusammenstellen. Das fördert den Wettbewerb. Die Refinanzierungszeiten (ROI) bei FTTx-Projekten sind sehr groß. Langfristige Investitionen sind für kommunale oder regionale Energieversorger nichts Ungewöhnliches. Kommunale Anbieter können Synergieeffekte nutzen: Mitverlegung von Leerrohren für LWL-Kabel bei Gas-, Wasser-, Strom- und Abwasser-Leitungsarbeiten. 5.4 Wellenlängenbelegung bei FTTx Wie beim Wellenlängenmultiplex werden auch bei FTTx mehrere Wellenlängen gleichzeitig übertragen und so die Übertragungskapazität der Faser besser ausgenutzt (Bild 5.14): • 1270 nm ± 10 nm: 10GE-PON, XG-PON, XGS-PON (up); Sprache und Daten • 1310 nm: Sprache und Daten (up) ± 50 nm: FP-Laser 63520_Eberlein_SL4.indd 282 63520_Eberlein_SL4.indd 282 12.11.2020 12: 56: 34 12.11.2020 12: 56: 34 <?page no="302"?> 5 Fiber to the Home/ Building 283 283 ± 20 nm: reduzierter Toleranzbereich (DFB-Laser) ± 10 nm: schmaler Bereich (ausgewählte Laser) • 1400 nm...1450 nm: Band für zukünftige Anwendungen • 1490 nm ± 10 nm: Sprache, Daten und eventuell IPTV (DFB-Laser) (down) • 1524 nm...1544 nm: TWDM-PON (up) • 1550 nm...1560 nm: Videoverteildienste, CATV (DFB-Laser) (down) • 1575 nm...1580 nm: 10GE-PON, XG-PON, XGS-PON (down) Sprache, Daten und eventuell IPTV • 1570 nm oder 1610 nm ± 10 nm: RFoG (up); Videosignal • 1596 nm...1603 nm: TWDM-PON (down) • 1603 nm...1625 nm: P2P DWDM-PON • 1625 nm...1675 nm: Überwachungskanal; ermöglicht die Überwachung bzw. Messung während des Betriebes. 10GE/ XG-PON XGS-PON up 10GE/ XG-PON XGS-PON down TWDM-PON up TWDM-PON down P2P DWDM- PON Wellenlänge in nm 1300 Überwachung PON 1650 nm 1400 1500 1600 1700 1310 nm Daten 1490 nm Video 1550 nm RFoG GPON up B/ GPON down Bild 5.14: Wellenlängenbelegung bei FTTx 5.5 Normen maximale Datenrate down/ up Jahr Norm APON 155 Mbit/ s/ 155 Mbit/ s G.983 BPON 625 Mbit/ s/ 155 Mbit/ s 2001 G.983+ GPON 2,5 Gbit/ s/ 1,25 Gbit/ s 2004 G.984 XG-PON 10 Gbit/ s/ 2,5 Gbit/ s 2010 G.987 TWDM-PON 40 Gbit/ s/ 10 Gbit/ s 2015 G.989 TWDM-PON+ > 10 Gbit/ s pro λ 2018 XGS-PON 10 Gbit/ s/ 10 Gbit/ s G.9807 XGS-PON+ 25 Gbit/ s/ 25 Gbit/ s Tabelle 5.2: Normen passive optische Netze nach [5.1] GE-PON 1,25 Gbit/ s/ 1,25 Gbit/ s 2004 IEEE 802.3ah 10GE-PON 10 Gbit/ s/ 1 Gbit/ s oder 10 Gbit/ s/ 10 Gbit/ s 2009 IEEE 802.3av 100GE-PON 25, 50 oder 100 Gbit/ s/ 25, 50 oder 100 Gbit/ s 2019 IEEE 802.3ca 63520_Eberlein_SL4.indd 283 63520_Eberlein_SL4.indd 283 12.11.2020 12: 56: 34 12.11.2020 12: 56: 34 <?page no="303"?> 284 5 Fiber to the Home/ Building 284 Passive optische Netze nutzen verschiedene Techniken und Standards. Diese unterscheiden sich durch die Protokolle, die übertragenen Dienste, die realisierten Bandbreiten in den beiden Übertragungsrichtungen, die Teilerverhältnisse, die Streckenlängen usw. X in Tabelle 5.2 steht für römisch 10 und S für symmetrisch. Eine Erhöhung der Bandbreite im passiven optischen Netz erfordert an der Schnittstelle zu den öffentlichen Diensten (Telefon, Internet, Video) ebenfalls eine große Bandbreite. Der Ausbau der lokalen Netze erfordert umfangreiche Investitionen in die Metro- und Kernnetze, um die hohe Kapazität der passiven optischen Netze auch nutzen zu können. 5.5.1 Breitband-PON Breitband-PON ist eine ausgereifte Technik, die eine gleichzeitige Versorgung von bis zu 32 Teilnehmern ermöglicht. Nutzt ATM als Transportprotokoll mit symmetrischen oder asymmetrischen Datenraten. BPON transportiert jeden beliebigen Datentyp transparent und unterstützt die analoge Videoübertragung (z. B. Verizon USA). Die Geschwindigkeiten von BPON eignen sich nur bedingt für die Übertragung von HDTV. 5.5.2 Gigabit-PON Gigabit-PON wurde bei der ITU in der Full Service Access Network (FSAN) Group standardisiert. Es wurde in der physikalischen Ebene optimiert und ermöglicht so höhere Datenraten, größere Streckenlängen und größere Teilerverhältnisse (32, 64, 128) als APON oder BPON. GPON unterstützt sowohl die analoge als auch die digitale Videoübertragung und wird vor allem in Europa und den USA eingesetzt. Das Trennen (Downstream) bzw. das Zusammenfügen (Upstream) der Daten der verschiedenen Teilnehmer erfolgt wie in Bild 5.6 (Abschnitt 5.2.2.2) beschrieben (gilt auch für BPON). GPONs stellen hohe Anforderungen an die Synchronisation (exakte Taktung) zwischen den aktiven Komponenten an den Leitungsenden. 5.5.3 Gigabit-Ethernet-PON Gigabit-Ethernet-PON (GE-PON) wurde bei IEEE standardisiert und nutzt die Ethernet-Technik (paketorientierte Übertragung). GE-PON hat große Verbreitung in Asien und ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der Bandbreitenzuteilung. Downstream: Die Daten aller Teilnehmer gelangen zu allen ONUs und sind aus Sicherheitsgründen verschlüsselt. Die ONU verwirft alle nicht an die eigene MAC- Adresse gerichteten Ethernet-Pakete. Upstream: Das Zusammenfügen der Daten erfolgt wie bei GPON nach dem TDMA- Verfahren (Bild 5.6, rechts). 63520_Eberlein_SL4.indd 284 63520_Eberlein_SL4.indd 284 12.11.2020 12: 56: 35 12.11.2020 12: 56: 35 <?page no="304"?> 5 Fiber to the Home/ Building 285 285 Die Bruttodatenrate beträgt 1,244 Gbit/ s und ist symmetrisch. Man unterscheidet: • 1000Base-PX10: 1 Gbit/ s (Netto) bis zu 10 km • 1000Base-PX20: 1 Gbit/ s (Netto) bis zu 20 km 5.5.4 Next-Generation PON Bei den Überlegungen zu den passiven optischen Netzen der nächsten Generation (NG) sind folgende Fragen zu beantworten: • Wie schnell wachsen die zukünftigen Bandbreitenbedürfnisse? • Wie wird man diesen Bedürfnissen gerecht? Folgende Anforderungen müssen NG-PON erfüllen: • Bereitstellung einer höheren Bandbreite pro Kunde. • Die vorhandene Infrastruktur muss weiterhin nutzbar sein! Diese hat eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren. Sie muss flexibel und skalierbar sein. Ein System- oder Technikwechsel ist nach spätestens zehn Jahren zu erwarten. • Vorhandene Dienste müssen weiter unterstützt werden. • geringe Kosten Es gibt Standardisierungsbestrebungen mit dem Ziel: • höhere Datenraten • größere Reichweiten • höhere Teilerverhältnisse • neue Multiplexverfahren 5.5.5 Downstream 10 Gbit/ s Die Bandbreite wird durch Zeitmultiplex erhöht. Es gibt verschiedene Möglichkeiten. Allen Varianten ist gemeinsam, dass die Bandbreite downstream 10 Gbit/ s beträgt: • 10GE-PON: 10 Gbit/ s down, 1 Gbit/ s up oder 10 Gbit/ s down, 10 Gbit/ s up. • XG-PON: 10 Gbit/ s down, 2,5 Gbit/ s up. • XGS-PON: 10 Gbit/ s down, 10 Gbit/ s up (S: symmetrisch). Die Übertragung erfolgt mit anderen Wellenlängen als bei GPON bzw. EPON, um eine Migration (paralleler Betrieb) zu ermöglichen. Während einige Teilnehmer noch die ursprüngliche (geringere) Bandbreite nutzen (ursprüngliche Wellenlängen), wird anderen Teilnehmern eine höhere Datenrate zur Verfügung gestellt (neue Wellenlängen). Es ist keine Änderung der passiven Infrastruktur erforderlich, sofern die Splitter hinreichend spektral breitbandig sind. Die Splitter müssen für alle Betriebswellenlängen das gleiche Teilerverhältnis haben. Anstelle 1490 nm (down) wird bei ≈ 1577 nm und anstelle 1310 nm (up) wird bei 1270 nm übertragen (vergleiche Bild 5.14 und Bild 5.15). Downstream kann zusätzlich das Videosignal (1550 nm) übermittelt werden (nicht dargestellt). Wellenlängenselektive Filter in der Vermittlungsstelle und beim Teilnehmer blocken die jeweils unerwünschten Wellenlängen ab. 63520_Eberlein_SL4.indd 285 63520_Eberlein_SL4.indd 285 12.11.2020 12: 56: 35 12.11.2020 12: 56: 35 <?page no="305"?> 286 5 Fiber to the Home/ Building 286 Bild 5.15: Paralleler Betrieb von GPON und XG-PON 5.5.6 TWDM-PON Zeitmultiplex und Wellenlängenmultiplex werden miteinander kombiniert (TWDM: Time and Wavelength Division Multiplex). Wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben ist eine Migration in ein bestehendes GPON-Netz möglich. Es ist keine zusätzliche Investition in die passive Infrastruktur erforderlich. Über eine PON-Struktur 1 x n werden downstream und upstream nicht nur eine, sondern mehrere Wellenlängen übertragen. Alle Wellenlängen werden an den Splittern aufgeteilt. Jeder Splitterausgang transportiert mehrere Wellenlängen. Die Zuordnung der jeweiligen Wellenlänge erfolgt mit durchstimmbaren Sendern und Empfängern. Entsprechend Bild 5.16 erfolgt die Leistungsteilung mit Splittern und die Wellenlängenteilung bzw. -zusammenführung mit Multiplexern/ Demultiplexern (MUX, DMUX, WDM). TWDM-PON erlaubt die Zuordnung von Wellenlängen zu mehreren Netzbetreibern. Damit können sich mehrere Betreiber ein Netz teilen: Mehrere Wellenlängen liegen bei einem Teilnehmer an. Dieser entscheidet, von welchem Anbieter er das Signal (die jeweilige Wellenlänge) nutzen möchte. Folgende Konfigurationen sind vorgesehen: • 2,5 Gbit/ s (down)/ 2,5 Gbit/ s (up) (symmetrisch) • 10 Gbit/ s (down)/ 2,5 Gbit/ s (up) (asymmetrisch) • 10 Gbit/ s (down)/ 10 Gbit/ s (up) (symmetrisch) • 4 oder 8 Wellenlängen je Richtung Um eine Migration zu ermöglichen, wurden neue Wellenlängenbänder spezifiziert: • λ D (down): 1596 nm...1603 nm (8 Kanäle, Abstand 100 GHz) • λ U (up): 1524 nm...1544 nm Bei Vollausbau erhöht sich die Datenrate auf 8 x 10 Gbit/ s = 80 Gbit/ s. Bei einer gleichmäßigen Aufteilung 1 x 32 erhält jeder Teilnehmer 2,5 Gbit/ s, bei 1 x 64 1,25 Gbit/ s und bei 1 x 128 625 Mbit/ s. 63520_Eberlein_SL4.indd 286 63520_Eberlein_SL4.indd 286 12.11.2020 12: 56: 35 12.11.2020 12: 56: 35 <?page no="306"?> 5 Fiber to the Home/ Building 287 287 Bild 5.16: Übertragung mehrerer Wellenlängen über ein passives optisches Netz (schematisch) 5.5.7 Wellenlängenmultiplex-PON (P2P WDM-PON) P2P WDM-PON bedeutet, dass jeder Teilnehmer seine eigene Wellenlänge erhält. Es entsteht eine logische Punkt-zu-Punkt-Verbindung über eine Punkt-zu-Multipunkt- Infrastruktur. WDM-PON ist die ideale Kombination von P2P und PON. Wer aktuell eine Investition in eine P2P-Struktur scheut, kann zunächst eine PON- Struktur errichten und diese bei zunehmendem Bandbreitenbedarf auf WDM-PON aufrüsten. Die Signale der einzelnen Teilnehmer können mit Hilfe der Demultiplexer eindeutig getrennt werden. Jedem Kunden wird seine individuelle Datenrate protokollunabhängig zugeteilt. Die Bandbreite muss nicht mehr geteilt werden. WDM-PON ermöglicht eine hohe Flexibilität: • Weitere Teilnehmer lassen sich problemlos hinzufügen oder außer Betrieb nehmen, ohne komplexe Eingriffe in das Gesamtsystem vornehmen zu müssen. • Im Gegensatz zu TDM-PON ermöglicht P2P WDM-PON höhere Freiheitsgrade bezüglich Reichweite, Bandbreite und Protokoll. • Es ist eine individuelle Anpassung des Bandbreitenbedarfs an die Anforderungen des jeweiligen Teilnehmers möglich (100 Mbit/ s, 1 Gbit/ s, 10 Gbit/ s). Beim TDM-PON kann es wegen der Vieldeutigkeit des Messergebnisses (Überlagerung vieler Rückstreukurven) erforderlich sein, vom Teilnehmer aus zu messen. 63520_Eberlein_SL4.indd 287 63520_Eberlein_SL4.indd 287 12.11.2020 12: 56: 35 12.11.2020 12: 56: 35 <?page no="307"?> 288 5 Fiber to the Home/ Building 288 Das ist bei P2P WDM-PON nicht notwendig. Verwendet man ein durchstimmbares optisches Rückstreumessgerät, durchläuft eine bestimmte Wellenlänge zwischen Sender und Empfänger einen definierten Pfad. Fehler können von der Vermittlungsstelle aus lokalisiert werden. Darüber hinaus sind WDM-PON-Systeme wesentlich abhörsicherer, ohne auf Verschlüsselungstechniken zurückgreifen zu müssen. Durch Verzicht auf das TDMA- Verfahren im Upstream vereinfacht sich die benötigte Elektronik. Im Gegensatz zum aktiven optischen Netz wird keine aktive Technik im Verteilgebiet benötigt. OLT D1 D2 D3 D32 Empfänger 1 U1 Empfänger 2 Empfänger 3 U3 Empfänger 32 U32 WDM-Koppler WDM-Koppler D1 U1 ONT D2 U2 ONT D3 U3 ONT D32 U32 ONT WDM-Koppler Sender 1 Sender 2 Sender 3 Sender 32 WDM-Koppler Bild 5.17: P2P WDM-PON schematisch Bild 5.17 veranschaulicht die P2P WDM-PON-Struktur schematisch. Jede Wellenlänge durchläuft einen eindeutigen Pfad. Anstelle ONT kann stehen: • Funkmast: im Weiteren elektrische Übertragung durch den freien Raum. • Kabelverzweiger (KVz): im Weiteren Übertragung über Zweidraht-Kupferleiter (VDSL, Vectoring). • FTTB oder FTTH Beim Übergang von GPON zu P2P WDM-PON wird der Splitter durch einen wellenlängenselektiven Koppler ersetzt. Während ein 1 x 32-Splitter eine Dämpfung von etwa 17 dB hat, verursachen die beiden wellenlängenselektiven Koppler etwa 2 x 4 dB = 8 dB. Die Teilnehmer müssen sich die Leistung nicht mehr teilen. Es stehen ca. 9 dB mehr Budget zur Verfügung. Das kann man nutzen zur Überbrückung größerer Streckenlängen oder zur Erhöhung des Teilerverhältnisses. So werden Streckenlängen bis zu (80...100) km ohne optische Verstärkung möglich. Deutlich größere Einzugsbereiche als mit Kupfer können realisiert werden. Auf einen 63520_Eberlein_SL4.indd 288 63520_Eberlein_SL4.indd 288 12.11.2020 12: 56: 36 12.11.2020 12: 56: 36 <?page no="308"?> 5 Fiber to the Home/ Building 289 289 Großteil der Standorte der Vermittlungsstellen kann verzichtet werden. Der Nachteil von WDM-PON sind die höheren Kosten: Jeder Teilnehmer benötigt seinen eigenen Sender. Die Standardisierung von WDM-PON ist noch nicht abgeschlossen. 5.5.8 Zusammenfassung FTTx-Varianten FTTX P2MP P2P Active Ethernet Active Ethernet PON TDM- PON P2P WDM-PON 20...32 Kanäle EPON Ethernet TWDM-PON (40/ 40 oder 80/ 80) Gbit/ s XGS-PON 10/ 10 Gbit/ s 25/ 25 Gbit/ s XG-PON 10/ 2,5 Gbit/ s GPON 2,5/ 1,25 Gbit/ s 100GE-PON (25...100/ 25...100 Gbit/ s) 10GE-PON (10/ 1 bzw. 10/ 10 Gbit/ s) GE-PON (1/ 1 Gbit/ s) Bild 5.18: Blockdiagramm FTTx-Varianten TWDM PON 4/ 4 Kanäle wie im Bild oder 8/ 8 Kanäle 1,0 Gbit/ s 1,25 Gbit/ s 2,5 Gbit/ s 10 Gbit/ s XGS-PON oder 10/ 10E-PON XG-PON 10/ 1GE-PON GPON EPON Datenrate Downstream (Pfeil nach unten) Upstream (Pfeil nach oben) Bild 5.19: Datenraten FTTx-Varianten (Auswahl) 63520_Eberlein_SL4.indd 289 63520_Eberlein_SL4.indd 289 12.11.2020 12: 56: 36 12.11.2020 12: 56: 36 <?page no="309"?> 290 5 Fiber to the Home/ Building 290 5.6 Passive Komponenten FTTx erfordert spezielle Komponenten und Technologien. Millionenfach werden Haushalte angeschlossen. Das erfolgt zumeist von Handwerkern oder Laien ohne spezielle Kenntnisse der Glasfasertechnik. Die Komponenten müssen robust und zuverlässig sein. 5.6.1 Steckverbinder Steckverbinder werden empfohlen zur klaren Trennung von Zuständigkeiten: • zur Realisierung von Test- und Messpunkten • um Open-Access zu gewährleisten und dem Kunden einen einfachen Wechsel zu einem anderen Netzbetreiber zu ermöglichen. In passiven optischen Netzen kommen vorzugsweise Small-Form-Factor-Stecker zum Einsatz. Diese haben meist einen Steckerstiftdurchmesser von 1,25 mm (im Vergleich zu 2,5 mm der herkömmlichen LWL-Stecker) und ermöglichen eine hohe Packungsdichte. Der LC/ APC-Stecker wurde im Dezember 2007 in der europäischen Verkabelungsnorm EN 50173 Teil 4 (Wohnungen) als Standard für den Hausübergabepunkt spezifiziert. Der BLINK-Stecker hat eine Schutzklappe und ermöglicht eine definierte Auslösekraft, sofern übermäßig am Kabel gezogen wird. Er ist deshalb besonders für die Montage in der Wohnung geeignet. Schäden durch unsachgemäßen Umgang werden vermieden (beide Abschnitt 2.8.3). Alternativ sind auch SC/ APC-Stecker (Abschnitt 2.8.2) und neuerdings auch Mehrfaserstecker (MTP/ MPO: Abschnitt 2.9.2.2) in FTTx-Netzen im Einsatz. Es ist auf eine hohe Qualität der Steckerstirnflächen zu achten. Verschmutzte Stecker erhöhen die Dämpfung und die Reflexion. Diese Parameter werden auch beeinflusst durch die Oberflächengestalt: eben, PC, APC (Abschnitt 2.3). Bei digitaler Videoübertragung sind ultrapolished Stecker (UPC) mit physischem Kontakt (PC) ausreichend. Bei analoger Videoübertragung sind Reflexionen problematisch, da analoge Laser besonders rückwirkungsempfindlich sind. Es müssen Stecker mit hoher Reflexionsdämpfung (APC-Stecker) verwendet werden. Empfohlen werden Stecker mit folgenden Parametern: • Dämpfung Klasse B: a ≤ 0,25 dB (97 %); a ≤ 0,12 dB (Mittelwert) • Reflexionsdämpfung Klasse 1: a R ≥ 60 dB (gesteckt); a R ≥ 55 dB (ungesteckt) • Umweltklasse C (kontrollierte Umgebung): -10 °C...+60 °C 5.6.2 Lichtwellenleiter Der Standard-Singlemode-LWL (ITU-T G.652: Abschnitt 1.3.5) kommt vorzugsweise auf der Strecke zwischen Vermittlungsstelle und Teilnehmer zum Einsatz. Da unter 63520_Eberlein_SL4.indd 290 63520_Eberlein_SL4.indd 290 12.11.2020 12: 56: 36 12.11.2020 12: 56: 36 <?page no="310"?> 5 Fiber to the Home/ Building 291 291 Umständen ein großer Wellenlängenbereich, insbesondere bei zukünftigen Anwendungen (Abschnitt 5.4), genutzt wird, sollten möglichst Lichtwellenleiter mit reduziertem Wasserpeak (ITU-T G.652.C bzw. D: Abschnitt 1.3.6) eingesetzt werden. Die Dämpfungskoeffizienten in den relevanten optischen Fenstern liegen bei (typisch bzw. maximal): • α ( λ = 1310 nm) = 0,33 dB/ km bzw. 0,35 dB/ km • α ( λ = 1490 nm) = 0,21 dB/ km bzw. 0,27 dB/ km • α ( λ = 1550 nm) = 0,19 dB/ km bzw. 0,21 dB/ km • α ( λ = 1625 nm) = 0,20 dB/ km bzw. 0,24 dB/ km In FTTx-Netzen werden in den Technikräumen, vor allem aber im Haus und in der Wohnung, biegeunempfindliche Lichtwellenleiter (ITU-T G.657) eingesetzt. Es geht darum, die Fasern möglichst unauffällig und Platz sparend zu verlegen. Die Eigenschaft der Biegeunempfindlichkeit bezieht sich nur auf die Dämpfung bei kleinen Biegeradien, nicht auf die mechanische Festigkeit. Die mechanischen Eigenschaften sind die gleichen wie bei der Standard-Singlemode-Faser (Abschnitt 1.3.11). Da auf der Strecke im Allgemeinen Standard-Singlemode-LWL (G.652.D), im Haus bzw. in der Wohnung G.657-LWL verlegt werden, kommt es am Hausübergabepunkt bzw. Wohnungsübergabepunkt zu Fasermischungen. Fasermischungen sind unproblematisch, wenn die Fasern ähnliche Parameter haben. Die aktuelle Version der Norm ITU-T G.657 vom November 2016 spezifiziert den gleichen Modenfelddurchmesser wie die Norm ITU-T G.652 vom November 2016. Nur im Rahmen der Toleranzbereiche gibt es Abweichungen. G.657-Fasern haben tendenziell einen etwas kleineren Modenfelddurchmesser als G.652-Fasern. Fasermischungen zwischen Standard-Singlemode-LWL und älteren biegeunempfindlichen Lichtwellenleitern führen zu erhöhten Dämpfungen, Stufen im Rückstreudiagramm (Tabelle 4.16) und zu Spleißproblemen. Mit modernen Spleißgeräten können diese Probleme beherrscht werden (Kapitel 3). Zum Umgang mit biege-unempfindlichen Lichtwellenleitern vergleiche die praktischen Aspekte in Abschnitt 1.3.11.3. 5.6.3 Kabel für FTTx-Projekte Die Kabelinstallation ist eines der kostenintensivsten Arbeiten bei der Errichtung optischer Netze. Es sind ein sorgfältiger Umgang mit der Faser und ein guter Schutz durch das Kabel erforderlich. Mikrorohre (Microducts) werden bis in die Häuser geführt. In die Mikrorohre werden LWL-Mikrokabel oder Glasfaserbündel bis zum Hausübergabepunkt eingeblasen (bis einige hundert Meter). Ein vorhandenes Kabelschutzrohr kann mit Mikrorohren optimal ausgenutzt werden. Biegeunempfindliche Lichtwellenleiter können dichter gepackt und in Leerrohren mit geringeren Durchmessern untergebracht werden. So wird eine Verringerung des Kabeldurchmessers bei gleichzeitiger Erhöhung der Faseranzahl möglich. Die Kabel erlauben geringere Biegeradien und die Einblaseigenschaften verbessern sich. 63520_Eberlein_SL4.indd 291 63520_Eberlein_SL4.indd 291 12.11.2020 12: 56: 36 12.11.2020 12: 56: 36 <?page no="311"?> 292 5 Fiber to the Home/ Building 292 Für die Verlegung gibt es verschiedene Möglichkeiten: • in Kabelschutzrohren • einblasen von Mikroröhrchen und -kabel • direkte Erdverlegung • LWL-Luftkabel als Freileitungen • im Abwasser-, Frischwasser- oder im Gasrohr Laut FTTH-Handbuch [5.1] werden folgende Fasertypen empfohlen: • Outdoor-Kabel mit Fasern G.652.D • Outdoor-Kabel mit Fasern G.657.A1/ A2; eventuell auch mit reduziertem Coating- Durchmesser: 200 µm anstelle 250 µm • Indoor-Kabel mit Fasern G.657.A2/ B2/ B3 Die Lebensdauer der Fasern soll mindestens 20 Jahre betragen. Reduziert man den Coating-Durchmesser von 250 µm auf 200 µm, kann man die doppelte Packungsdichte in der Ader erreichen (Bild 5.20). Allerdings verringert sich die Dicke der Coating-Schicht, die die Faser vor Mikrobiegungen schützt. Um diesen Einfluss zu reduzieren, kommen biegeunempfindliche Fasern zum Einsatz (Abschnitt 1.3.13.2). Bei doppelter Faseranzahl wiederholt sich die Farbmarkierung (1 bis 12, 13 bis 24). Zur Unterscheidung erfolgt bei den Fasern 13 bis 24 Ringsignierung. Bild 5.20: Erhöhung der Packungsdichte durch geringeren Coating-Durchmesser (Quelle: OFS); links 250 µm-Coating, rechts 200 µm-Coating Außenkabel können eingezogen oder eingeblasen werden. Der Betriebstemperaturbereich liegt bei -30 °C bis +70 °C. Für die Inhouse-Verkabelung dürfen nur LSZH-Kabel verwendet werden. Diese stehen als Standard-Innenkabel, Mikrokabel, Riserkabel oder vorkonfektionierte Mehrfachkabel (Breakout-Kabel) zur Verfügung. Die Faseranzahl beträgt entsprechend Netzstruktur 1 bis 4, der Temperaturbereich liegt bei -20 °C bis +60 °C. Namhafte Firmen, zum Beispiel OFS, Prysmian Group, Dätwyler und Corning, bieten kompakte Kabellösungen an: • Kabel mit 144 Fasern, Coating-Durchmesser 200 µm, Kabeldurchmesser 6,3 mm; geeignet für das Einblasen in ein Rohr mit Innendurchmesser von 8 mm. • Kabel mit 288 Fasern, Durchmesser 10,4 mm; geeignet für das Einblasen in ein Rohr mit Innendurchmesser von 12 mm. 63520_Eberlein_SL4.indd 292 63520_Eberlein_SL4.indd 292 12.11.2020 12: 56: 37 12.11.2020 12: 56: 37 <?page no="312"?> 5 Fiber to the Home/ Building 293 293 5.6.4 Koppler Koppler dienen dem Zusammenfügen bzw. Verzweigen von optischen Signalen. Sie können leistungsteilend oder wellenlängenselektiv sein (Bild 5.21). Hochtorige leistungsteilende Koppler werden in Verbindung mit FTTx-Projekten meist als Splitter bezeichnet. 100% 50% 50% 1 2 1 2 Bild 5.21: Links leistungsteilender Koppler (Splitter) rechts wellenlängenselektiver Koppler (WDM) Folgende Anforderungen werden an die Koppler gestellt: • geringe Einfügedämpfung • hohe Isolation • hohe Nebensprech- und Rückflussdämpfung • einfache Handhabung • kleine Abmessungen • geringe Herstellungskosten • hohe thermische und mechanische Stabilität Man unterscheidet zwischen folgenden Bauformen: • 1 x 2: Y-Koppler • 2 x 2: X-Koppler • 1 x N: Baumkoppler • M x N: Sternkoppler Der Baumkoppler 1 x N entsteht durch Kaskadierung von Y-Kopplern. Das Eingangssignal wird auf viele Ausgangstore verteilt. Die Nutzer teilen sich die Leistung und die Bandbreite. In Rückrichtung werden die Signale kombiniert und gelangen auf eine einzige Faser. Sternkoppler haben in Verbindung mit FTTx-Projekten keine Bedeutung. Bild 5.22 zeigt das Prinzip des 2 x 2-Kopplers. 1 3 2 4 Bild 5.22: Prinzip des 2 x 2-Kopplers Leistungsteilende Koppler werden auf der Basis von Schmelzkopplern oder planaren Wellenleiterstrukturen (PLC) gefertigt. Größere Teilerverhältnisse werden in der Regel mit planaren Kopplern realisiert. Bei wellenlängenselektiven Kopplern kommt 63520_Eberlein_SL4.indd 293 63520_Eberlein_SL4.indd 293 12.11.2020 12: 56: 37 12.11.2020 12: 56: 37 <?page no="313"?> 294 5 Fiber to the Home/ Building 294 meist das Prinzip der Dünnschichtfilter (TFF) zum Einsatz. Tabelle 5.3 zeigt typische Parameter dieser Bauelemente. Leistungsteilende Koppler für passive optische Netze müssen spektral breitbandig sein. Sie müssen die Wellenlängen 1310 nm, 1490 nm und 1550 nm mit annähernd gleichem Teilungsverhältnis übertragen. Soll darüber hinaus eine Out-Band-Messung während des Betriebes möglich sein, muss der Splitter bis 1650 nm breitbandig sein. Parameter WDM-Koppler Splitter Koppelverhältnis 1 x 2 2 x 1 1 x 2, 1 x 4, 1 x 8, 1 x 16, 1 x 32, 1 x 64, 1 x 128 Wellenlängenbereiche Upstream: 1260 nm…1360 nm Downstream: 1480 nm…1500 nm 1550 nm…1560 nm Einfügedämpfung ≤ 0,8 dB ≈ 18 dB bei 1 x 32 Gleichförmigkeit < 0,5 dB < 1,3 dB bei 1 x 32 Rückflussdämpfung ≥ 50 dB Nebensprechdämpfung ≥ 50 dB polarisationsabhängige Dämpfung ≤ 0,2 dB Tabelle 5.3: Typische Parameter von Kopplern Bei Migration von 10 Gbit/ s (Abschnitt 5.5.5) muss ein gleiches Teilungsverhältnis auch für die Wellenlängenbereiche (1260…1280) nm und (1575…1580) nm gewährleistet sein. Ein symmetrischer leistungsteilender Koppler (50 %/ 50 %) hat theoretisch eine Dämpfung von 3 dB in beiden Richtungen. Durch technologisch bedingte Effekte (Zusatzdämpfung) sowie durch geringfügige Abweichungen von der Symmetrie innerhalb des Temperatur- und Wellenlängenbereiches kann die Einfügedämpfung für das schlechtere der beiden Tore bis zu 3,6 dB betragen. In Tabelle 5.4 werden die Einfügedämpfungen in Abhängigkeit vom Teilerverhältnis dargestellt. Die Einfügedämpfungen gelten für beide Übertragungsrichtungen! Teilerverhältnis theoretische Einfügedämpfung maximale Einfügedämpfung Einfügedämpfung nach ITU-T G.671 1 x 2 3 dB 3,6 dB (2,6…4,2) dB 1 x 4 6 dB 7,2 dB (5,4…7,8) dB 1 x 8 9 dB 10,8 dB (8,1…11,4) dB 1 x 16 12 dB 14,4 dB (10,8…15,0) dB 1 x 32 15 dB 18,0 dB (13,1…18,6) dB 1 x 64 18 dB 21,6 dB - 1 x 128 21 dB 25,2 dB - Tabelle 5.4: Einfügedämpfungen von Splittern 63520_Eberlein_SL4.indd 294 63520_Eberlein_SL4.indd 294 12.11.2020 12: 56: 38 12.11.2020 12: 56: 38 <?page no="314"?> 5 Fiber to the Home/ Building 295 295 5.6.5 Ratgeber für Planung und Bau (DTAG) Die Deutsche Telekom hat eine Empfehlung zur Errichtung von FTTx-Netzen veröffentlicht [5.2]. Sie baut GPON-Netze FTTH. Bild 5.23 zeigt die Netzebenen im Mehrfamiliengebäude. Bild 5.23: Netzebenen im Mehrfamiliengebäude (Quelle [5.2]: Deutsche Telekom) Die Netzebene 3 (Zugangsnetz) endet am Glasfaser-Abschlusspunkt (Gf-AP). Ein Patchkabel oder ein Splitter verbindet Gf-AP mit dem Glasfaser-Gebäudeverteiler (Gf-GV). Die Aufteilung mit Spliter kann auch auf der Etage erfolgen. Im Allgemeinen erfolgt eine Aufteilung 1 x 32: am Glasfaser-Netzverteiler (Gf-NVt) meist 1 x 8, am Gf-AP 1 x 4. Bei mehr als vier Wohnungen im Haus: zwei Fasern pro Haus, bei mehr als acht Wohnungen drei Fasern usw. Bis 40 Teilnehmer im Haus: zehn Fasern pro Haus zuzüglich zwei Reservefasern: zwölf Fasern werden benötigt. Bei der Versorgung eines Hauses mit sehr vielen Wohneinheiten erfolgt am Glasfaser-Netzverteiler keine Aufteilung und im Haus befindet sich ein Splitter 1 x 32. Beim Anschluss von Einfamilienhäusern erfolgt eine Aufteilung 1 x 32 am Glasfaser- Netzverteiler und keine Aufteilung im Haus. Die Netzebene 4 (Gebäudenetz) erstreckt sich von Gf-AP bis zur Teilnehmerabschlussdose (Gf-TA). Diese wird über ein Patchkabel mit dem Glasfasermodem 63520_Eberlein_SL4.indd 295 63520_Eberlein_SL4.indd 295 12.11.2020 12: 56: 38 12.11.2020 12: 56: 38 <?page no="315"?> 296 5 Fiber to the Home/ Building 296 (ONT) verbunden. Dort wird das Signal optisch-elektrisch gewandelt. In Netzebene 5 (Wohnungsnetz) erfolgt elektrische Übertragung zum Router und den Endgeräten. Eine Übertragung über Kunststoff-LWL ist zulässig. Als Stecker kommt der LC/ APC-Stecker Dämpfungsklasse B zum Einsatz. Die Reinigung der Steckerstirnflächen erfolgt mit einem One-Click-Cleaner. Es werden Pigtails von 1 m bis 2 m Länge angespleißt. Die Spleißverbindung kann thermisch (typische Dämpfung 0,05 dB) oder mechanisch (typische Dämpfung 0,3 dB) erfolgen. Ein mechanischer Spleiß kann zur Überschreitung der zulässigen Dämpfung im Gebäudenetz (≤ 1,5 dB) führen. Deshalb wird Fusionsspleiß mit 3- Achsen-Gerät empfohlen. Es sind sowohl Crimpals auch Schrumpfspleißschutz zugelassen. Schrumpfspleißschutz eignet sich besonders für Lichtwellenleiter mit einem Aderdurchmesser von 0,9 mm. In Netzebene 4 kommen vorzugsweise G.657.A2-Fasern zum Einsatz. Bei Verwendung von G.652.D-Fasern ist besonders auf die Einhaltung der Biegeradien zu achten. Patchkabel sind 1 m, 2 m oder 5 m lang und haben beidseitig LC/ APC-Stecker. Für die Farbmarkierung des Coatings gilt VDE 0888. Die Deutsche Telekom baut Netze in Eigenrealisierung und in geförderten Gebieten. Bei geförderten Projekten wird das Materialkonzept des Bundes umgesetzt (Abschnitt 5.12). 5.7 Aktive Komponenten 5.7.1 Sender Die Anforderungen an die Sender sind unterschiedlich, je nachdem wo sie zum Einsatz kommen. 1310 nm-Laser beim Teilnehmer (ONT): Geringe Anforderungen an die Bandbreite, da Daten und Sprache nur eines Teilnehmers übertragen werden. Datenrate zum Beispiel 100 Mbit/ s. Es kommt ein nicht temperaturstabilisierter preiswerter direkt modulierter multimodiger Fabry-Perot-Laser (FP) zum Einsatz (Bild 5.24). Bild 5.24: Typisches Spektrum des Fabry-Perot-Lasers 1490 nm-Laser in der Vermittlungsstelle (OLT): Hohe Anforderungen an die Bandbreite, da Daten und Sprache vieler Teilnehmer sowie eventuell IPTV gleichzeitig übertragen werden müssen. Datenrate zum Beispiel bei GPON 2,5 Gbit/ s. 63520_Eberlein_SL4.indd 296 63520_Eberlein_SL4.indd 296 12.11.2020 12: 56: 38 12.11.2020 12: 56: 38 <?page no="316"?> 5 Fiber to the Home/ Building 297 297 Es wird ein temperaturstabilisierter direkt modulierter spektral schmalbandiger Distributed-Feedback Laser (DFB) verwendet. Dieser Laser hat eine deutlich geringere spektrale Halbwertsbreite (Bild 5.25). Bild 5.25: Typisches Spektrum des DFB-Lasers 1550 nm-Laser in der Vermittlungsstelle (OLT): Hohe Anforderungen an die Bandbreite, da viele analoge oder digitale Videosignale (CATV) gleichzeitig übertragen werden. Bei analogen Lasern bestehen hohe Anforderungen an die Linearität der Kennlinie: Verwendung eines extern modulierten spektral schmalbandigen Distributed- Feedback Lasers. Gegebenenfalls kommen Laser auch in anderen Wellenlängenbereichen zum Einsatz (Abschnitt 5.4). Sender für die digitale Übertragung (1310 nm, 1490 nm, eventuell 1550 nm) sind gekennzeichnet durch: • geringe Leistung: 0 dBm...+5 dBm = 1 mW...3,16 mW • relativ geringe Rückwirkungsempfindlichkeit (40 dB): UPC-Stecker sind ausreichend Sender für die analoge Videoübertragung (1550 nm) sind gekennzeichnet durch: • sehr hohe Leistung hinter dem optischen Verstärker: +17 dBm...+23 dBm = 50 mW...200 mW • Augensicherheit und nichtlineare Effekte müssen beachtet werden. • hohe Rückwirkungsempfindlichkeit (55 dB...60 dB): erfordert APC-Stecker Bei digitaler Übertragung liegen die Leistungen bei einigen Milliwatt. Das betrifft auch das Upstream-Signal beim Kunden. Derartige Leistungen entsprechend dem Gefährdungsgrad 1: Die Augen sind sicher unter allen Umständen. Bei analoger Übertragung herrscht in der Vermittlungsstelle hinter dem optischen Verstärker der Gefährdungsgrad 3B. Die Steckerstirnfläche darf nicht mit einem Handmikroskop betrachtet und es muss eine Laserschutzbrille verwendet werden. Der Zugang der entsprechenden Räume ist nur für geschultes Personal erlaubt. Die hohen Leistungen des analogen Signals werden auf der Strecke stark gedämpft. Der Empfänger benötigt etwa 1 mW. Ist die Dämpfung der Strecke geringer, wird man das analoge Signal weniger verstärken. 63520_Eberlein_SL4.indd 297 63520_Eberlein_SL4.indd 297 12.11.2020 12: 56: 38 12.11.2020 12: 56: 38 <?page no="317"?> 298 5 Fiber to the Home/ Building 298 So ist beim Teilnehmer generell der Gefährdungsgrad 1 bzw. 1M gewährleistet. Stecker mit Schutzklappe (zum Beispiel BLINK) reduzieren die Gefährdung zusätzlich. 5.7.2 Empfänger An die Empfänger werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Sie sind spektral breitbandig und für einen großen Wellenlängenbereich geeignet (Abschnitt 1.4.4). Es ist zu berücksichtigen, dass die Empfängerempfindlichkeit von der Wellenlänge abhängt. Für die Detektion von Wellenlängen oberhalb von 1550 nm sind InGaAs- Dioden zu verwenden. Empfänger im OLT oder beim Kunden (Abschnitt 1.4.4): • PIN-Photodiode: für herkömmliche Anforderungen • Lawinen-Photodiode (APD): ermöglicht durch Vervielfachung der Ladungsträger eine höhere Empfindlichkeit. Ein derartiges Bauelement erfordert einen erhöhten schaltungstechnischen Aufwand. 5.7.3 Optischer Verstärker Bei analoger Übertragung ( λ ≈ 1550 nm) ist am Empfänger ein großes Signal- Rausch-Verhältnis (≈ 55 dB) erforderlich. Die Leistung muss am Streckenende groß sein, um deutlich über dem Rauschen zu liegen. Die Leistung kann durch die Streckendämpfung und die Dämpfung des Splitters sehr klein werden. Das erfordert eine optische Verstärkung des Lasersignals. Die Verstärkung erfolgt am Anfang der Strecke in der Vermittlungsstelle (Booster- Verstärker). Zum Einsatz kommt ein erbiumdotierter Faserverstärker (EDFA). Dabei handelt es sich um ein aktives optisches Bauelement, welches ursprünglich für die DWDM-Technik entwickelt wurde. Bild 5.26 zeigt ein Blockschaltbild. Das Kernstück des EDFA ist ein Singlemode-LWL der mit Erbium-Ionen dotiert wurde. Das Eingangssignal (links) soll verstärkt werden (rechts). Die Energiezufuhr erfolgt mit einem Pumplaser. Bild 5.26: Blockschaltbild faseroptischer Verstärker 63520_Eberlein_SL4.indd 298 63520_Eberlein_SL4.indd 298 12.11.2020 12: 56: 39 12.11.2020 12: 56: 39 <?page no="318"?> 5 Fiber to the Home/ Building 299 299 Die Pumpleistung wird im erbiumdotierten Lichtwellenleiter absorbiert und die Elektronen werden auf ein höheres Energieniveau angehoben (Besetzungsinversion). Die ankommenden Photonen des Eingangssignals lösen eine stimulierte Emission aus und werden so verstärkt. Ein Teil der angeregten Elektronen fällt unkontrolliert auf das niedrigere Energieniveau zurück (spontane Emission) und bewirkt Rauschen, das sich mit dem verstärkten Signal überlagert. Die optischen Isolatoren verhindern Leistungsrückflüsse. Die Koppler zweigen kleine Leistungsanteile ab, die für eine Regelung (Stabilisierung) der optischen Verstärkung genutzt werden können. 5.8 Faserabschluss beim Teilnehmer Die Installationszeit beim Teilnehmer sollte möglichst gering sein, damit er minimal belastet wird. Um die Faserenden beim Teilnehmer mit Steckern zu versehen, gibt es verschiedene Möglichkeiten: • Pigtail mit Fusionsspleißgerät anspleißen • Pigtail mit mechanischem Spleißgerät anspleißen • Stecker mit Fusionsspleißgerät anspleißen • Stecker mit mechanischem Spleißgerät anspleißen • Verlegung vorkonfektionierter Kabel Die Konfektionierung eines Singlemode-Steckers vor Ort ist aufwändig und in staubiger Umgebung problematisch. Diese Variante kommt nicht in Betracht. Es ist zu beachten, dass mechanische Spleiße nicht für Umgebungen mit Vibrationen geeignet sind und Fusionsspleißen wegen der Explosionsgefahr nicht im Abwasserkanal zugelassen ist. Eine Möglichkeit der Hausinstallation ist die Rückschneidetechnik. Dabei werden zwei Fenster in das Kabel geschnitten, in einem Fenster einzelne Fasern durchtrennt und zu dem anderen Fenster zurückgezogen. So kann man dem Kunden einzelne Fasern aus dem Kabel ohne zusätzliche Spleiße zur Verfügung stellen. Die geöffnete Kabelstelle muss mit einem Gehäuse geschützt werden. Zum Schutz der entnommenen Fasern werden diese in Hohladern eingezogen. Alternativ kann die gesamte Ader zurückgezogen werden. Bei einer Ringstruktur ist eine zusätzliche Nutzung der durchgeschnittenen Fasern aus der Gegenrichtung möglich. Ein Beispiel für ein Projekt, wo die Rückschneidetechnik zur Anwendung kam, ist das FTTH-Netz in Paris (begehbare Abwasserkanäle). Dort war Spleißen nicht zulässig. 5.8.1 Pigtail mit Fusionsspleißgerät anspleißen Das ist das herkömmliche Verfahren. Es ermöglicht eine geringe Dämpfung und keine Reflexion. Nachteil: erfordert Spleißschutz bzw. Spleißkassette, was aufwändig erscheint, wenn nur ein oder wenige Spleiße abgelegt werden müssen. 63520_Eberlein_SL4.indd 299 63520_Eberlein_SL4.indd 299 12.11.2020 12: 56: 39 12.11.2020 12: 56: 39 <?page no="319"?> 300 5 Fiber to the Home/ Building 300 Dezentrale Spleißstellen erfordern ein kompaktes Hand-Held-Gerät. Kleine handliche Technik ist auf dem Markt. Ein einfacher und wartungsarmer Aufbau ist erforderlich. Das ist mit preiswerten V-Nut-Geräten (Verzicht auf die x-y-Justage) möglich. Die V-Nuten sind zwar exakt zueinander ausgerichtet (Abschnitt 3.2.3.2), dennoch können die Fasern einen radialen Versatz von einigen Mikrometern durch Fasertoleranzen, Eigenbiegungen oder Staubpartikel in der V-Nut haben. Durch den Selbstjustageeffekt richten sich die Fasern nach Zünden des Lichtbogens entsprechend ihrer äußeren Abmessungen automatisch zueinander aus. Das funktioniert gut bis zu einem Faserversatz von etwa 4 µm. Diese so genannte Mantelzentrierung ermöglicht allerdings kleine Spleißdämpfungen (< 0,1 dB) nur, wenn die Kern-Mantel-Exzentrizität gering ist. Für höchste Qualitätsansprüche erfolgt das Spleißen mit einem 3-Achsen-Gerät (x-yz-Justage). Dieses ist aufwändiger, ermöglicht aber geringere Spleißdämpfungen (< 0,05 dB) (Abschnitt 3.2.3.3). Es ist zu beachten, dass beim Spleißen von biegeunempfindlichen Fasern die Kernzentrierung nur mit dem PAS-Verfahren, jedoch nicht mit dem LID-Verfahren möglich ist. 5.8.2 Pigtail mit mechanischem Spleißgerät anspleißen Diese Technik hat in Deutschland eine geringe Akzeptanz: Sie kommt nur zum Einsatz für kurzfristige Reparaturen, temporäre Installationen oder Ankopplung von Messgeräten. In Asien hingegen werden mechanische Spleiße in FTTH-Projekten derzeit millionenfach realisiert. Diese so genannte bedingt lösbare Verbindungstechnik ist günstig, wenn an einem bestimmten Ort nur wenige Spleiße zu realisieren sind. Mechanische Spleißgeräte haben kleinere Abmessungen als Fusionsspleißgeräte. Es handelt sich nur um eine Faserbrechvorrichtung. Eine Stromversorgung ist nicht erforderlich. Darüber hinaus sind die Geräte preiswerter. Die zu verbindenden Faserenden werden gebrochen und mit V-Nuten im Spleißschutz präzise zueinander ausgerichtet. Nachteile des mechanischen Spleißes sind die höhere Dämpfung und geringere Reflexionsdämpfung. Diese Parameter kann man verbessern, indem eine in der Brechzahl angepasste Flüssigkeit (Immersionsgel) in den Spalt zwischen den beiden Fasern eingebracht wird. Die Reflexionsdämpfung kann durch Schrägbruch (und parallele Ausrichtung der Faserstirnflächen) weiter erhöht werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 300 63520_Eberlein_SL4.indd 300 12.11.2020 12: 56: 39 12.11.2020 12: 56: 39 <?page no="320"?> 5 Fiber to the Home/ Building 301 301 5.8.3 Stecker mit Fusionsspleißgerät anspleißen Diese ursprünglich von DIAMOND entwickelte Technik (Spleißgerät ZEUS, Ferrulenbaugruppen von DIAMOND) haben mittlerweile auch andere Spleißgerätehersteller aufgegriffen. Im Rahmen von FTTH-Projekten wird diese Technik von Verizon in den USA realisiert. Herkömmliche Spleißgeräte können bei Verwendung eines speziellen Faserhalters als Steckerspleißgerät umgerüstet werden: • FITEL: Splice on Connector (SOC) • Fujikura: „FuseConnect“-Stecker • Sumitomo: „Lynx“-Stecker Die vorkonfektionierte Ferrulenbaugruppe wird direkt an die Faser gespleißt. Die Spleißstelle liegt im Steckerkörper und wird durch diesen geschützt. Es ist keine Spleißkassette erforderlich. Die Ferrule kann einen Durchmesser von 2,5 mm oder 1,25 mm und einen PC- oder APC-Schliff haben. Auf die Ferrule lassen sich dann unterschiedliche Steckergehäuse aufbringen, zum Beispiel SC, FC, E-2000 (2,5 mm-Ferrule) bzw. LC, F-3000 (1,25 mm-Ferrule). 5.8.4 Stecker mit mechanischem Spleiß anspleißen Im Vergleich zu Abschnitt 5.8.3 wird in der Ferrulenbaugruppe kein Fusions-, sondern ein mechanischer Spleiß realisiert. Der Steckerkörper enthält auf der einen Seite eine konfektionierte Steckerstirnfläche und auf der anderen Seite einen Faserstummel und Immersionsgel. Dieser Faserstummel wird über eine V-Nut zu der anzuspleißenden Faser ausgerichtet. Steckerspleiße werden in Japan und Südkorea millionenfach realisiert. Die Montagezeit liegt bei wenigen Minuten. Typische Stecker sind SC/ UPC, SC/ APC, LC/ UPC, LC/ APC, ST/ UPC. Die Produkte werden angeboten von: • Corning: OptiSnap • 3M: NPC • Fujikura: FAST 5.8.5 Verlegung vorkonfektionierter Kabel Die Gebäude werden mit Mikrorohrsystemen ausgestattet. Einblassysteme bieten die Möglichkeit einer nachträglichen bedarfsgerechten Verkabelung. Auch nach Einzug der Bewohner kann man eine anwendungsorientierte Infrastruktur schaffen. Die Längen müssen möglichst genau bekannt sein. Bei der Installation von „oben nach unten“ ist ein Ende vorkonfektioniert (Stecker). Das andere nackte Faserende wird vom Kunden zum Keller eingeblasen und dort verspleißt. Alternativ hat das andere Ende eine Ferrule. Nach dem Einblasen kann dort ein Steckergehäuse aufgebracht werden. 63520_Eberlein_SL4.indd 301 63520_Eberlein_SL4.indd 301 12.11.2020 12: 56: 39 12.11.2020 12: 56: 39 <?page no="321"?> 302 5 Fiber to the Home/ Building 302 Bei der Installation von „unten nach oben“ erfolgt ein zentrales Einblasen vom Keller in die Wohnung. Es werden vorkonfektionierte Mikrokabel mit Ferrulen eingeblasen. Ein Kabel-Einblasstopp in der Wohnung hält den Einblasprozess an. Der Installationsaufwand vor Ort ist gering. 5.9 Budgetplanung In PON-Netzen beansprucht der leistungsteilende Koppler (Splitter) einen großen Teil des verfügbaren Dämpfungsbudgets. Die anderen Komponenten müssen geringe Dämpfungen haben: • möglichst wenige Stecker verwenden • Dämpfung Fusionsspleiß: ≤ 0,1 dB • Dämpfung mechanischer Spleiß: ≈ 0,3 dB • Dämpfung Stecker (Klasse B): 0,12 dB (Mittelwert) • Dämpfung Patchkabel mit Steckern der Klasse B: 0,25 dB (Mittelwert) • Dämpfung wellenlängenselektiver Koppler: ≤ 0,8 dB • Dämpfung der Stecker und Spleiße für die gesamte Strecke: 2 dB...3 dB • Der Dämpfungskoeffizient der Faser hängt von der Wellenlänge ab. E S Sender 1550 nm 1550 nm 1490 nm 1310 nm Vermittlungsstelle (CO) Dual Play Transceiver Dual Play Transceiver EDFA Triple Play WDM Splitter 1550 nm S E Empfänger 1550 nm 1490 nm 1310 nm Teilnehmer Triple Play WDM Übertragungsstrecke Bild 5.27: Beispiel für eine PON-Struktur Anhand Bild 5.27 erfolgt eine Budgetkalkulation für ein passives optisches Netz 1 x 32, Streckenlänge 20 km: • Splitter 1 x 32, einschließlich Stecker: 17,0 dB • zwei WDM: 2 x 0,7 dB => 1,4 dB • sechs Spleiße: 6 x 0,05 dB => 0,3 dB • entlang der Übertragungsstrecke weitere Spleiße: 6 x 0,05 dB => 0,3 dB • zwei Steckverbindungen: 2 x 0,12 dB => 0,24 dB Zwischensumme Dämpfung: 19,24 dB Dämpfung der Faser (entsprechend Abschnitt 5.6.2; Worst Case): • α ( λ = 1310 nm) = 0,35 dB/ km: 7,0 dB • α ( λ = 1490 nm) = 0,27 dB/ km: 5,4 dB • α ( λ = 1550 nm) = 0,21 dB/ km: 4,2 dB => Dämpfung der Strecke bei 1310 nm: 26,24 dB 63520_Eberlein_SL4.indd 302 63520_Eberlein_SL4.indd 302 12.11.2020 12: 56: 40 12.11.2020 12: 56: 40 <?page no="322"?> 5 Fiber to the Home/ Building 303 303 => Dämpfung der Strecke bei 1490 nm: 24,64 dB => Dämpfung der Strecke bei 1550 nm: 23,44 dB In Abhängigkeit von der Qualität der Transceiver können unterschiedliche Dämpfungen überbrückt werden (Tabelle 5.5). Klasse GPON BPON Gigabit-Ethernet-PON Streckendämpfung min...max A 5 dB...20 dB PX10: down/ up: 5 dB...19,5 dB/ 20 dB PX20: down/ up: 10 dB...23,5 dB/ 24 dB BB + 10 dB...25 dB 13 dB...28 dB C 15 dB...30 dB max C + ...32 dB max D ...35 dB Tabelle 5.5: Spezifizierte Dämpfungsklassen nach ITU-T G.982 Aus der Tabelle und dem Beispiel ist ersichtlich, dass 2,5 Gbit/ s-GPON, Teilerverhältnis 1 x 32 über 20 km mit einem Transceiver der Klasse B + realisiert werden kann. Bei 1310 nm verbleibt eine Systemreserve von 28 dB - 26,24 dB = 1,76 dB. Bei den anderen Wellenlängen ist die Systemreserve größer. Entsprechend Abschnitt 5.6.2 beträgt der Dämpfungskoeffizient der Faser bei 1310 nm: 0,33 dB/ km (typisch) bzw. 0,35 dB/ km (maximal). 10 km Faser entsprechen dann 3,3 dB bis 3,5 dB. Nach Tabelle 5.4 bewirkt eine Aufteilung 1 x 2 eine theoretische Dämpfung von 3,0 dB und eine maximale Dämpfung von 3,6 dB. Also entspricht eine Aufteilung 1 x 2 bei 1310 nm etwa einer Faserdämpfung von 10 km. Somit kann man alternativ 2,5 Gbit/ s-GPON auf 1 x 16 aufteilen und über 30 km übertragen. Die Klasse C + erlaubt ein Budget von 32 dB. Diese zusätzlichen 4 dB ermöglichen ein höheres Teilerverhältnis bzw. eine größere Streckenlänge: 1 x 32 über 30 km oder 1 x 16 über 40 km. Die Klasse D (35 dB) ist geeignet zur Realisierung von: 1 x 32 über 40 km oder 1 x 16 über 50 km. In der Diskussion sind 60 km Streckenlänge und ein Teilerverhältnis 1 x 256. Das erfordert ein Dämpfungsbudget von 52 dB. Derartige Transceiver sind nicht verfügbar. Das größere Budget kann man mit Zwischenverstärkern (Extender Boxes) realisieren (ITU-T G.984.6). Für den Wellenlängenbereich 1550 nm sind Zwischenverstärker mit EDFA verfügbar (Abschnitt 5.7.3). Streckenlängen bis 100 km und Teilerverhältnisse bis 1 x 1000 sind in der Diskussion. In diesem Fall ist nicht nur das Budget zu gering, sondern auch die pro Teilnehmer zur Verfügung stehende Bandbreite. Dann ist eine TWDM-Lösung (NG-PON2: Abschnitt 5.5.6) oder eine reine WDM-PON-Lösung (Abschnitt 5.5.7) günstiger. 63520_Eberlein_SL4.indd 303 63520_Eberlein_SL4.indd 303 12.11.2020 12: 56: 40 12.11.2020 12: 56: 40 <?page no="323"?> 304 5 Fiber to the Home/ Building 304 5.10 Normung DIN EN 50700 [5.3] beschreibt die Anforderungen an die anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlage in Wohnumgebungen. Diese soll eine offene Infrastruktur (Abschnitt 5.3) ermöglichen. Die Systemtechnik ist frei wählbar. Es werden mindestens zwei Lichtwellenleiter je Wohnung gefordert. Der Steckverbinder im Haus ist der LC/ APC. Für Lichtwellenleiter und Patchkabel im Haus sind Fasern vom Typ G.657.A vorgesehen. Ein Demarkationspunkt bzw. eine Demarkationseinheit ermöglicht einen definierten Übergang zwischen externem LWL-Netz und Hausnetz bzw. Wohnungsnetz. Am Hausübergabepunkt (HÜP) oder Wohnungsübergabepunkt (WÜP) ist eine klare Trennung der Zuständigkeiten möglich. Monitoringfunktionen erlauben in Verbindung mit dem Demarkationspunkt bzw. der Demarkationseinheit dem Netzbetreiber Fernabfragen zur Verfügbarkeit. So kann geklärt werden, ob ein möglicher Fehler beim Netzbetreiber oder beim Kunden liegt. Für die maximale Dämpfung im Haus werden 1,2 dB veranschlagt. Eine zusätzliche Dämpfung von 1,0 dB durch die Demarkationseinheit ist zulässig. Diese Dämpfungen gelten für den Wellenlängenbereich von 1260 nm bis 1650 nm. Die OTDR-Messung im Haus soll mit Vor- und Nachlauf-LWL erfolgen. Die Messergebnisse sind zu dokumentieren. 5.11 Messungen an FTTB/ H-Netzen 5.11.1 Allgemeine Hinweise Die Grundlagen der LWL-Messtechnik wurden ausführlich in Kapitel 4 beschrieben. Es soll hier nur auf die Besonderheiten bei der Messung von FTTH/ B-Netzen eingegangen werden. Wegen der hohen Anforderungen an die Reflexionsdämpfung der Steckverbinder bei analoger Übertragung sind diese sorgfältig zu behandeln. Es besteht besondere Verschmutzungsgefahr, da nicht mehr ausschließlich in geschützten Räumen gearbeitet wird. Stecker und Kupplungen sind vor jedem Stecken mit den zulässigen Hilfsmitteln zu reinigen und mit dem Fasermikroskop zu kontrollieren (gegebenenfalls auch am Messgerät). Messschnüre sind nach spätestens 500 Steckungen auszutauschen. Es sind stets Staubschutzkappen aufzustecken (auf Stecker und Kupplungen). Ungenutzte Staubschutzkappen sind in einem verschließbaren Plastikbeutel aufzubewahren. 63520_Eberlein_SL4.indd 304 63520_Eberlein_SL4.indd 304 12.11.2020 12: 56: 41 12.11.2020 12: 56: 41 <?page no="324"?> 5 Fiber to the Home/ Building 305 305 5.11.2 Empfehlungen der Deutschen Telekom Für die Messungen von FTTH-Netzen hat die Deutsche Telekom zwei Vorschriften verabschiedet (ZTV-43 [5.4] und ZTV-60 [5.5]). Die Übertragung im Netz der DTAG erfolgt bei den Wellenlängen 1310 nm (Daten und Sprache: up) und 1490 nm (Daten, Sprache, IPTV: down). Die DTAG realisiert GPON FTTH 1 x 32 im Eigenausbau oder als geförderter Ausbau. Folgende Messungen werden in ZTV-43 beschrieben: OTDR-Messung am Glasfaserhauptkabel (Abschnitt 7.3). Es muss ein Dämpfungskoeffizient ≤ 0,21 dB/ km bei λ = 1550 nm gewährleistet sein. Kontrollmessungen und -prüfungen in Netzebene 3: • Automatisierte Kontrollmessung: PON-FMT (Fast Measurement Telekom); geförderter Ausbau (Abschnitt 7.4.1). Erfordert einen Pegelmesser mit integrierter GPON-Datenanalyse. • Vereinfachte Kontrollmessung: Pegelmessmethode; geförderter Ausbau (Abschnitt 7.4.2). Ist nur noch zulässig, wenn kein geeignetes PON-FMT zur Verfügung steht. Die Messung erfolgt bei 1490 nm mit einem herkömmlichen Pegelmesser. Für den Sendepegel des SFP wird ein durchschnittlicher Wert von +3,80 dBm angenommen. • Einfügedämpfungsmessmethode: konventionelle Kontrollmessung; geförderter und Eigenausbau (Abschnitt 7.4.3). Nur noch in folgenden Ausnahmefällen: Einsatz von Systemen mit erhöhter Reichweite (C+). Fehleranalyse bei Überschreitung des Sollwertes. Optischer Leitungsabschluss (OLT) noch nicht in Betrieb. Die Messung erfolgt mit einem herkömmlichen Pegelsender und -empfänger. • OQC (ONT Quick Check): Kontrollprüfung; Eigenausbau (Abschnitt 7.4.12). Es wird Netzebene 3 auf Durchgang mit einem speziellen Prüfgerät der DTAG getestet. Kontrollmessungen und -prüfungen in Netzebene 4: • Prüfung auf Durchgang und Vertauschung. Die Dämpfung muss ≤ 1,2 dB betragen. • Dämpfungsmessung im Glasfaserhausnetz (Abschnitt 7.5.1) bei 1310 nm. • Dämpfungsmessung im Glasfaserhausnetz auf Kundenwunsch (Abschnitt 7.5.2) bei 1310 nm und 1550 nm. • Messung im Glasfaserhausnetz bei Übernahme fremder Infrastruktur (Abschnitt 7.5.3). Dämpfungsmessung bei 1310 nm, 1550 nm, 1625 nm; ORL- Messung (Sollwert ≥ 30 dB). Der Zugriff im Keller ist möglich (am Glasfaser-Abschlusspunkt; Schnittstelle zwischen NE 3 und NE 4), da der Koppler in Richtung Zugangsnetz (NE 3) gespleißt wird aber in Richtung Gebäudenetz (NE 4) steckbar ist. Ein Mess-WDM kam im aktiven Netz bei Messung mit 1625 nm zum Einsatz. Ab dritten Quartal 2019 wird ohne Mess-WDM geplant. Für die neu eingeführten Kontroll- und Prüfverfahren ist dieses Bauteil nicht mehr erforderlich. 63520_Eberlein_SL4.indd 305 63520_Eberlein_SL4.indd 305 12.11.2020 12: 56: 41 12.11.2020 12: 56: 41 <?page no="325"?> 306 5 Fiber to the Home/ Building 306 Entsprechend [5.4] wird für die Dämpfungsbzw. Pegelmessung folgende Messtechnik empfohlen: • 3-Wellenlängen-OTDR (1310 nm, 1550 nm, 1625 nm) • Pegelsender zum Beispiel ORL 55/ 85 von VIAVI • Pegelmesser zum Beispiel OLP 55S/ 85S von VIAVI; S: geeignet für selektive Messung bei 1625 nm • Rotlichtquelle Für die PON-FMT-Messung ist ein Leistungsmesser mit integrierter GPON- Datenanalyse zum Auslesen der PON-ID (mit OLT-Port und OLT-Sendepegel) und zur Leistungspegelmessung zu verwenden. Aktuell ist freigegeben: VIAVI OLP 88 S. Für die Kontrollprüfung ONT Quick Check ist folgendes Gerät zu verwenden: GPON ONT (FTTH) HG8010u (Beschaffung über DT Technik GmbH). Darüber hinaus werden für die Messungen benötigt: • Adapterkabel, Referenzkabel • Vorlauf-, Nachlauf-LWL • Reinigungswerkzeug, Fasermikroskop 5.12 Förderung durch den Bund Die Bundesregierung beschloss am 07.03.2017 die Schaffung einer Gigabit-fähigen Infrastruktur bis 2025. Im aktuellen Koalitionsvertrag (2018) ist festgelegt, dass nur noch „Glasfasertechnologie“ gefördert wird. Der Ausbau von FTTH/ B-Netzen kann eigenwirtschaftlich oder gefördert erfolgen. Die Breitbandförderung durch den Bund ist an eine Reihe von Bedingungen geknüpft: • Die Infrastruktur muss mindestens 1 Gbit/ s permanent pro Haushalt zur Verfügung stellen. • Es muss mindestens „homes passed“ realisiert werden. • Es muss ein diskriminierungsfreier Zugang für mehrere Anbieter möglich sein. • Das Materialkonzept des Bundes beschreibt die Anforderungen an die zu errichtende Infrastruktur. • Es sind vier Fasern je Wohnung und zusätzlich zwei Fasern je Gebäude vorgesehen. • Die geschaffenen Strukturen müssen sowohl P2P als auch P2MP ermöglichen. • Der Fasertyp muss mindestens G.652.D, im Hinblick auf Biegeunempfindlichkeit G.657.A1 bzw. G.657.A2 sein. 5.13 Zusammenfassung Die Bandbreitenbedürfnisse der Privathaushalte wachsen jährlich etwa um 50 %. 100 Mbit/ s wird aktuell als Standard-Zugangsdatenrate gesehen. 1 Gbit/ s-Netze werden bereits errichtet. Höhere Datenraten ermöglichen neue Dienste, wodurch wiederum der Bandbreitenbedarf wächst. 63520_Eberlein_SL4.indd 306 63520_Eberlein_SL4.indd 306 12.11.2020 12: 56: 41 12.11.2020 12: 56: 41 <?page no="326"?> 5 Fiber to the Home/ Building 307 307 Datenraten von 100 Mbit/ s und darüber können über ausreichende Streckenlängen nur noch mit Lichtwellenleitern zum Kunden gebracht werden. Eine Übertragung mit Kupferleitern oder Funk stößt an physikalische Grenzen und ist bestenfalls eine Zwischenlösung. In den EU39-Staaten wurden bereits 172 Millionen Haushalte an ein LWL-Netz angeschlossen (anschließbare Hauhalte, Stand September 2019). In Deutschland erfolgt der Einsatz der Faser bis ins Haus bzw. die Wohnung aus verschiedenen Gründen noch zögernd (Stand September 2019: 10,0 % anschließbare Haushalte (4,1 Mio.) und davon tatsächlich angeschlossene Haushalte 3,3 % (1,35 Mio.)). In den nächsten Jahren wird der Durchbruch erwartet. 5.14 Literatur [5.1] FTTH Handbook, Edition 8, D&O Committee, 13/ 02/ 2018. [5.2] G. Neumann, M. Zerson: V1.0 Zielbild zur Installation von zukunftsfähigen Glasfasernetzen in Gebäuden. Ratgeber für Planung und Bau. Deutsche Telekom Technik GmbH, 11.01.2016. [5.3] DIN EN 50700: Standortverkabelung als Teil des optischen Zugangsnetzes von optischen Breitbandnetzen. Mai 2014. [5.4] Prüfungen und Messungen an Glasfaserkabeln ZTV43; 03.04.2020. [5.5] ZTV-TKNetz 60: Arbeiten an FTTH-Gebäudenetzen. 63520_Eberlein_SL4.indd 307 63520_Eberlein_SL4.indd 307 12.11.2020 12: 56: 41 12.11.2020 12: 56: 41 <?page no="327"?> 308 6 Optische Übertragungssysteme Dieter Eberlein 6.1 Planung von LWL-Strecken aus physikalischer Sicht 6.1.1 Allgemeine Regeln Die entscheidenden Parameter bei der Planung einer optischen Übertragung sind die zu überbrückende Streckenlänge und die zu übertragende Datenrate bzw. Bandbreite. Die Streckenlänge wird durch die Dämpfung des Nutzsignals begrenzt. Der Empfänger benötigt eine bestimmte Mindestleistung, um das Signal von Rauscheinflüssen, denen der Empfänger stets unterliegt, trennen zu können. Diese Mindestleistung (Empfängerempfindlichkeit) hängt von der Bandbreite ab. Bei höheren Bandbreiten sind höhere Leistungen erforderlich, da der Empfänger stärker rauscht. Der erforderliche Abstand zwischen Signal und Rauschen hängt auch von der Art der Modulation ab: Während ein digitales System bei einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 20 dB fehlerfrei arbeitet (benötigte Mindestleistung am Empfänger ≈ -35 dBm), sind bei analogen Systemen Signal-zu-Rausch-Verhältnisse von 55 dB erforderlich (benötigte Mindestleistung am Empfänger ≈ 0 dBm). Ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger erfordert eine höhere Senderleistung bzw. eine geringere Streckendämpfung, sofern die wesentlichen Rauschanteile durch den Empfänger verursacht werden. Rauschen kann auch durch den Sender, den Lichtwellenleiter und durch die Wechselwirkung zwischen beiden verursacht werden (Modenverteilungsrauschen, Amplitudenintensitätsrauschen, Rauschen durch optische Rückkopplung, Modenrauschen). Die übertragbare Datenrate bzw. Bandbreite wird durch Dispersionseffekte auf dem Lichtwellenleiter begrenzt. Infolge Dispersion wird der Impuls entlang der Strecke verbreitert. Benachbarte Impulse können sich überlappen (Abschnitt 1.3). Die Systemkomponenten sind so zu wählen, dass die Übertragung mit hinreichender Sicherheit weder dämpfungsbegrenzt noch dispersionsbegrenzt ist. Es ist jedoch wenig sinnvoll, einen hohen Aufwand bei der Reduktion der Dispersion zu treiben, wenn das System dämpfungsbegrenzt ist oder umgekehrt. Es ist bezüglich der Erfüllung beider Anforderungen zu optimieren. 63520_Eberlein_SL4.indd 308 63520_Eberlein_SL4.indd 308 12.11.2020 12: 56: 42 12.11.2020 12: 56: 42 <?page no="328"?> 6 Optische Übertragungssysteme 309 309 Für die Systemplanung müssen die Parameter der einzelnen Komponenten bekannt sein. Bei der Planung unter dem Aspekt der Dämpfung betrifft das die Ausgangsleistung des Senders, die Empfindlichkeit des Empfängers in Abhängigkeit von der zu übertragenden Datenrate bzw. Bandbreite, die Dämpfungskoeffizienten und Längen der Lichtwellenleiter, die Dämpfung der Stecker, der Spleiße und der optischen Komponenten. Bei der Planung unter dem Aspekt der Dispersion sind die Datenrate bzw. Bandbreite, die Längen der Lichtwellenleiter sowie die spektralen Eigenschaften der Sender (Halbwertsbreite bzw. Dispersionstoleranz) zu berücksichtigen. Bei Multimode-Übertragung benötigt man das Bandbreite-Längen-Produkt (verschiedene Definitionen). Bei hochbitratigen Systemen (beispielsweise Gigabit-Ethernet) muss der Sender eine sehr geringe spektrale Halbwertsbreite haben (Abschnitt 6.3). In der Singlemode-Technik ist die Kenntnis des Koeffizienten der chromatischen Dispersion des Lichtwellenleiters erforderlich (Abschnitt 1.3.5). In hochbitratigen Singlemode-Systemen ist auch der Koeffizient der Polarisationsmodendispersion des Lichtwellenleiters zu berücksichtigen (Abschnitt 1.3.14). Schließlich können auch die Bandbreite von Sender und Empfänger (Anstiegs- und Abfallzeit) eine Rolle spielen. Darüber hinaus spielt der Aspekt der Reflexionen, die durch die Strecke bewirkt werden, bei der Systemplanung eine wichtige Rolle. Zur Reduktion der Reflexionen sind reflexionsarme Stecker einzusetzen (Kapitel 2). Bei Einsatz von rückwirkungsempfindlichen Lasern (DFB-Laser in DWDM-Systemen) dienen optische Isolatoren dazu, die zurückfließenden Leistungen zu unterdrücken. 6.1.2 Planung des Dämpfungsbudgets Es ist max T P die maximale und min T P die minimale Leistung, die der Sender in die Faser koppelt. Weiterhin bedeutet max R P die maximale Leistung, die der Empfänger verarbeiten kann (Sättigungsleistung) und min R P die minimale Leistung, die der Empfänger benötigt (Empfängerempfindlichkeit). max T L , min T L , max R L und min R L sind die entsprechenden Pegel. Die Leistungen P haben die Maßeinheit mW und die Pegel die Maßeinheit dBm (vergleiche Abschnitt 1.1.5). Die maximal zulässige Streckendämpfung max zul a in Dezibel ist die Differenz aus dem minimal eingekoppelten Pegel und der Empfängerempfindlichkeit. Sie wird dadurch begrenzt, dass der Empfänger eine bestimmte Mindestleistung benötigt: dBm in L dBm in L dB in a min R min T max zul − = (6.1) Die mindestens erforderliche Streckendämpfung min erf a in Dezibel ist die Differenz aus maximal eingekoppeltem Pegel und dem Sättigungspegel. Eine Mindestdämpfung ist erforderlich, um eine Sättigung des Empfängers zu vermeiden: 63520_Eberlein_SL4.indd 309 63520_Eberlein_SL4.indd 309 12.11.2020 12: 56: 42 12.11.2020 12: 56: 42 <?page no="329"?> 310 6 Optische Übertragungssysteme 310 dBm in L dBm in L dB in a max R max T min erf − = (6.2) Falls max T max R L L ≥ , ist keine Mindest-Streckendämpfung erforderlich. Es besteht nicht die Gefahr, dass der Empfänger gesättigt werden kann. Sender und Empfänger können im Kurzschluss betrieben werden. Die Dynamik des Empfängers in dB ist die Differenz aus Sättigungspegel des Empfängers und Empfängerempfindlichkeit: dBm in L dBm in L dB in D min R max R − = (6.3) Die Pegelrelationen wurden in Bild 6.1 dargestellt. maximal eingekoppelter Pegel L minimal eingekoppelter Pegel L Sättigungspegel des Empfängers L Empfängerempfindlichkeit L Dynamik des Empfängers D minimale Dämpfung a maximale Dämpfung a Pegel in dBm T T R erf zul R max min max min max min Bild 6.1: Beziehungen zwischen den Pegeln von Sender und Empfänger Beispiel für Pegelrelationen: max T L = 0 dBm, min T L = -5 dBm, max R L = -10 dBm, min R L = -34 dBm: Daraus ergibt sich: max zul a = 29 dB, min erf a = 10 dB, D = 24 dB. Die maximal zulässige Streckendämpfung beträgt 29 dB, die mindestens erforderliche Streckendämpfung ist 10 dB und die Dynamik des Empfängers beträgt 24 dB. Die Summe der Dämpfungen der Systemkomponenten ergibt die Streckendämpfung a St . Es ist max zul St min erf a a a ≤ ≤ zu gewährleisten. Die zulässige Streckendämpfung ist sowohl nach oben, kann aber auch nach unten begrenzt sein. 63520_Eberlein_SL4.indd 310 63520_Eberlein_SL4.indd 310 12.11.2020 12: 56: 42 12.11.2020 12: 56: 42 <?page no="330"?> 6 Optische Übertragungssysteme 311 311 Falls die Streckendämpfung zu gering ist, kommen optische Dämpfungsglieder zum Einsatz. Falls sie zu hoch ist, werden optische Verstärker verwendet. Die Streckendämpfung a St berechnet sich folgendermaßen: ∑ = + + ⋅ + ⋅ + α ⋅ = N 1 n Res Komponente Stecker Spleiß n n St a a a m a k L a (6.4) Dabei sind N die Anzahl, L n die Längen der LWL-Abschnitte und α n die zugehörigen Dämpfungskoeffizienten. Es ist k die Anzahl der Spleiße, a Spleiß die mittlere Spleißdämpfung, m die Anzahl der Steckverbindungen, a Stecker die mittlere Steckerdämpfung, a Komponente die Dämpfung optischer Komponenten auf der Strecke (Koppler, dispersionskompensierende Bauelemente usw.) und der letzte Summand steht für eine Systemreserve. Die Dämpfungskoeffizienten der Faserabschnitte α n hängen von der Wellenlänge ab (Abschnitt 1.1.5). Meist wird für die gesamte Länge der gleiche Dämpfungskoeffizient angesetzt. Dann vereinfacht sich der erste Summand folgendermaßen: L∙ α ( λ ). Dabei ist L die Gesamtlänge der Strecke. Maximale Dämpfungskoeffizienten α ( λ ) findet man in Abschnitt 4.7.6. Maximale Spleißdämpfungen liegen bei 0,10 dB. Größere Werte sind bei Verbindung von Fasern der gleichen Norm (zum Beispiel G.652) äußerst selten. Mittlere Spleißdämpfungen unterschreiten meist 0,05 dB. Die Stecker werden in verschiedenen Klassen spezifiziert (Abschnitt 2.7). Die Dämpfungen liegen im Bereich von < 0,1 dB bis 1,5 dB. Eine Systemreserve ist stets zu berücksichtigen, da sich durch Reparaturen, Umverlegungen und Umwelteinflüsse die Dämpfung der Strecke erhöhen kann. Die Systemreserve kann fest oder längenabhängig sein. Bei kurzen Strecken wird die Systemreserve als feste Größe angegeben, die unabhängig von der Streckenlänge ist, beispielsweise a Res = 3 dB. Streckenlänge Systemreserve 0 0 a R kombiniert a R proportional der Länge a R fest Bild 6.2: Systemreserve in Abhängigkeit von der Streckenlänge 63520_Eberlein_SL4.indd 311 63520_Eberlein_SL4.indd 311 12.11.2020 12: 56: 43 12.11.2020 12: 56: 43 <?page no="331"?> 312 6 Optische Übertragungssysteme 312 Bei langen Strecken wächst die erforderliche Reserve mit der Streckenlänge. Sie wird längenabhängig spezifiziert: a Res = L ∙ α Res . Mit L = 100 km und α Res = 0,05 dB/ km ergibt sich eine Systemreserve von a Res = 5 dB. Am sinnvollsten ist eine Kombination aus einer festen und einer längenabhängigen Reserve: a Res = a + L ∙ α . Mit a = 3 dB und α = 0,02 dB/ km ergibt sich eine Reserve bei einer sehr kurzen Strecke von 3 dB und bei einer langen Strecke (100 km) von 5 dB (Bild 6.2). Die in Gleichung (6.4) anzusetzenden Werte hängen vom LWL-Typ und der Übertragungswellenlänge, der Leistungsfähigkeit des Spleißgerätes und vom Steckertyp ab. 6.1.3 Pegeldiagramm Im Pegeldiagramm wird der Pegel im Lichtwellenleiter als Funktion der Länge aufgetragen. Da der Pegel in logarithmischen Einheiten dargestellt wird, erscheint der exponentielle Abfall im Lichtwellenleiter als Gerade. Die obere Zeile im Bild 6.3 zeigt die Leistung und den Pegel von Sender und Empfänger. P = 1mW => L = 0 dBm T Pegel in dBm Streckenlänge L = -7,268 dBm => P = 0,188 mW Laserdiode Empfänger Spleiß 0,1 dB Stecker 0,6 dB 0 dBm - 1,8 dB - 0,1 dB - 2,03 dB - 0,6 dB - 2,738 dB = - 7,268 dBm 0 -2 -4 -6 L = 4,5 km 1 L = 5,8 km L = 7,4 km 2 3 = 0,4 dB/ km 1 = 0,35 dB/ km = 0,37 dB/ km 2 3 Bild 6.3: Pegeldiagramm In der unteren Zeile stehen die zu den einzelnen Bestandteilen der Strecke gehörenden Dämpfungen. Diese werden vom Pegel des Senders (in dBm) subtrahiert und man erhält den Pegel, der am Empfänger eintrifft. 63520_Eberlein_SL4.indd 312 63520_Eberlein_SL4.indd 312 12.11.2020 12: 56: 43 12.11.2020 12: 56: 43 <?page no="332"?> 6 Optische Übertragungssysteme 313 313 Es gibt drei Abschnitte mit unterschiedlichen Dämpfungskoeffizienten. Diese äußern sich in einer unterschiedlich starken Neigung. Stecker- und Spleißdämpfungen werden als Stufen sichtbar. Gewöhnlich fällt die Kurve ab (Dämpfung), außer bei Verwendung von optischen Verstärkern, dann kann die Kurve ansteigen. Es werden zwei Beispiele betrachtet: Beispiel 1: Lange Singlemodestrecke bestehend aus 25 Abschnitten á 2 km. • Übertragungswellenlänge: 1550 nm • Dämpfungskoeffizient: 0,20 dB/ km • Streckenlänge: 50 km = 25 ∙ 2 km Streckendämpfung: +10,0 dB 26 Spleiße á 0,1 dB: +2,6 dB 2 Steckerpaare á 0,1 dB (Klasse A): +0,2 dB Systemreserve 3 dB + 0,02 dB/ km ∙ 50 km: +4,0 dB Streckendämpfung: +16,8dB • von der Laserdiode in die Faser eingekoppelte Leistung: 0 dBm • am Empfänger eintreffende Leistung: 0 dBm - 16,8 dB = -16,8 dBm • Für die Empfängerempfindlichkeit muss gelten: min R L ≤ -16,8 dBm Es ist mit der Empfängerspezifikation im Datenblatt zu vergleichen. Beispiel 2: Extrem lange Singlemodestrecke mit optischen Verstärkern. • Übertragungswellenlänge 1550 nm • Dämpfungskoeffizient: 0,20 dB/ km • Länge: 300 km; drei Abschnitte á 100 km = 20 ∙ 5 km • hinter erstem und zweitem Abschnitt jeweils optischer Verstärker (25 dB) erster Abschnitt: eingekoppelter Pegel: 0 dBm Streckendämpfung (100 km): -20 dB 21 Spleiße á 0,1 dB: -2,1 dB 2 Steckerpaare á 0,1 dB (Klasse A): -0,2 dB Pegel vor dem Verstärker: -22,3 dBm Verstärkergewinn: 25 dB Pegel hinter erstem Abschnitt: 2,7 dBm zweiter Abschnitt: eingekoppelter Pegel: 2,7 dBm Streckendämpfung (100 km): -20 dB 21 Spleiße á 0,1 dB: -2,1 dB 2 Steckerpaare á 0,1 dBm(Klasse A): -0,2 dB Pegel vor dem Verstärker: -19,6 dBm Verstärkergewinn: 25 dB Pegel hinter zweitem Abschnitt: 5,4 dBm dritter Abschnitt: eingekoppelter Pegel: 5,4 dBm Streckendämpfung (100 km): -20 dB 21 Spleiße á 0,1 dB: -2,1 dB 2 Steckerpaare á 0,25 dB: -0,2 dB 63520_Eberlein_SL4.indd 313 63520_Eberlein_SL4.indd 313 12.11.2020 12: 56: 44 12.11.2020 12: 56: 44 <?page no="333"?> 314 6 Optische Übertragungssysteme 314 Pegel am Empfänger: -16,9 dBm Empfängerempfindlichkeit: -32 dBm Systemreserve: 15,1 dB entspricht: ≈ 0,050 dB/ km 6.1.4 Dispersion in Lichtwellenleitern Verschiedene Dispersionseffekte führen im Lichtwellenleiter zu einer Impulsverbreiterung mit zunehmender Streckenlänge. Das kann zur Überlappung der benachbarten Impulse und damit zu Störungen führen (Bild 1.17). Man unterscheidet folgende Dispersionseffekte (Kapitel 1): • Modendispersion im Multimode-Stufenprofil-LWL • Profildispersion im Multimode-Parabelprofil-LWL • Materialdispersion in allen LWL-Typen. Ist im Multimode-LWL vernachlässigbar, außer wenn die Faser ein hohes Bandbreite-Längen-Produkt oder der Sender eine große spektrale Halbwertsbreite hat. • Wellenleiterdispersion im Singlemode-LWL • Chromatische Dispersion im Singlemode-LWL: Summe aus Materialdispersion und Wellenleiterdispersion. • Polarisationsmodendispersion im Singlemode-LWL Die Dispersion wird durch folgende Parameter charakterisiert: • „Bandbreite-Längen-Produkt“ beim Multimode-LWL, wenn die Materialdispersion vernachlässigbar ist. Dann hängt die Impulsverbreiterung allein von den Eigenschaften der Faser ab. • „Koeffizient der chromatischen Dispersion“ der Faser und „spektrale Halbwertsbreite“ bzw. „Dispersionstoleranz“ des Senders beim Singlemode-LWL. Die Dispersion hängt sowohl von den Fasereigenschaften als auch von den Eigenschaften des Senders ab. • „Polarisationsmodendispersion“: ist ein reiner Faserparameter. 6.1.4.1 Chromatische Dispersion Die physikalischen Hintergründe der chromatischen Dispersion (CD) wurden in Abschnitt 1.3.5.4 besprochen. Die Impulsverbreiterung wird verursacht durch unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Wellenlängenanteile des eingekoppelten Lichts. Bild 6.4: Impulsverbreiterung durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der Farbanteile 63520_Eberlein_SL4.indd 314 63520_Eberlein_SL4.indd 314 12.11.2020 12: 56: 44 12.11.2020 12: 56: 44 <?page no="334"?> 6 Optische Übertragungssysteme 315 315 Koppelt man weißes Licht (Sonnenlicht) in einen Lichtwellenleiter mit positivem Koeffizienten der chromatischen Dispersion ein, fächern die Farben auf, wie in Bild 6.4 (links) dargestellt: die kleineren Wellenlängen (blaues Ende des Spektrums) laufen schneller als die größeren Wellenlängen (rotes Ende des Spektrums). Koppelt man weißes Licht in einen Lichtwellenleiter mit negativem Koeffizienten der chromatischen Dispersion ein, fächern die Farben auf, wie in Bild 6.4 (rechts) dargestellt: die kleineren Wellenlängen (blaues Ende des Spektrums) laufen langsamer als die größeren Wellenlängen (rotes Ende des Spektrums). Sinngemäß verhält es sich, wenn der Sender nur eine geringe spektrale Halbwertsbreite hat: Die verschiedenen Wellenlängenanteile haben unterschiedliche Geschwindigkeiten. Dabei handelt es sich um einen unvermeidbaren physikalischen Effekt. Aus Bild 6.4 ist gut zu erkennen, wie die chromatische Dispersion kompensiert werden kann: Lichtwellenleiter mit positivem und negativem Koeffizienten geeigneter Längen müssen kombiniert werden (Abschnitt 6.1.4.3). Norm/ LWL-Typ Wellenlänge Koeffizient der chromatischen Dispersion G.652; G.657.A 1310 nm ≈ 0 ps/ (nm∙km) 1550 nm ≈ 17 ps/ (nm∙km) G.653 1550 nm ≈ 0 ps/ (nm∙km) G.655, TrueWave RS 1550 nm ≈ 4,4 ps/ (nm∙km) G.655, LEAF 1550 nm ≈ 3,67 ps/ (nm∙km) G.655, TeraLight 1550 nm ≈ 8,0 ps/ (nm∙km) G.656 1460 nm... 1625 m D CDmin = (1,00...4,58) ps/ (nm∙km) D CDmax = (4,60...14,00) ps/ (nm∙km) Tabelle 6.1: Koeffizienten der chromatischen Dispersion in Abhängigkeit vom Fasertyp Bild 6.5: Koeffizienten der chromatischen Dispersion in Abhängigkeit von der Wellenlänge 63520_Eberlein_SL4.indd 315 63520_Eberlein_SL4.indd 315 12.11.2020 12: 56: 45 12.11.2020 12: 56: 45 <?page no="335"?> 316 6 Optische Übertragungssysteme 316 Die chromatische Dispersion ist determiniert. Ein bestimmter LWL-Typ (zum Beispiel Standard-Singlemode-LWL) hat bei einer bestimmten Wellenlänge unabhängig vom Hersteller einen bestimmten Koeffizienten der chromatischen Dispersion (Tabelle 6.1, Bild 6.5). 6.1.4.2 Dispersionstoleranz Der Koeffizient der chromatischen Dispersion D CD bewirkt entlang der Strecke eine bestimmte chromatische Dispersion CD (Abschnitt 1.3.5.4): CD = D CD ∙ L (6.5) Es besteht eine unmittelbare Analogie zur Dämpfung: a = α ∙ L (6.6) Die chromatische Dispersion und die Dämpfung wachsen proportional zur Streckenlänge. Die Proportionalitätsfaktoren sind Materialparameter: Koeffizient der chromatischen Dispersion D CD bzw. Dämpfungskoeffizient α . So wie eine bestimmte Dämpfung a nicht überschritten werden darf, ist auch die chromatische Dispersion begrenzt. Die zulässige Streckendämpfung a St liegt zwischen einem maximalen und minimalen Wert (Abschnitt 6.1.2): max zul St min erf a a a ≤ ≤ (6.7) Sinngemäß wird die zulässige chromatische Dispersion durch die Dispersionstoleranz DT des Transceivers begrenzt. Der Betrag der chromatischen Dispersion darf die Dispersionstoleranz nicht überschreiten: DT CD DT CD DT + ≤ ≤ − => ≥ (6.8) Bild 6.6: Dämpfung und chromatische Dispersion in Abhängigkeit von der Streckenlänge 63520_Eberlein_SL4.indd 316 63520_Eberlein_SL4.indd 316 12.11.2020 12: 56: 45 12.11.2020 12: 56: 45 <?page no="336"?> 6 Optische Übertragungssysteme 317 317 Bild 6.6 veranschaulicht die Abhängigkeiten entsprechend Gleichung (6.7) bzw. (6.8). Liegt die chromatische Dispersion außerhalb des Bereiches entsprechend Gleichung (6.8), muss sie kompensiert werden. Typische Werte für die Dispersionstoleranz von 10 Gbit/ s-Transceivern sind: DT = 800 ps/ nm; 1600 ps/ nm; 2400 ps/ nm. Mit einem Koeffizienten der chromatischen Dispersion von D CD = 20 ps/ (nm∙km) (Worst-Case-Wert für Standard-Singlemode-LWL unter Berücksichtigung größerer Übertragswellenlängen) ergeben sich mit CD D DT L = (6.9) die Streckenlängen: L = 40 km; 80 km; 120 km. Beim 40 Gbit/ s-Transceiver (DT ≈ 100 ps/ nm) ergibt sich mit D CD = 20 ps/ (nm∙km) eine dispersionsbegrenzte Streckenlänge von L ≈ 5 km. Alle angegebenen Längen gelten für die herkömmliche NRZ-Modulation. Unter Verwendung von modernen Modulationsverfahren sind die Dispersionstoleranz und damit die dispersionsbegrenzten Streckenlängen wesentlich größer: • DP-QPSK, DP-DQPSK; 100 Gbit/ s: DT = 140 ps/ nm => L = 7 km • DP-QPSK, kohärente Detektion; 100 Gbit/ s: DT = 50.000 ps/ nm => L = 2.500 km • Zum Vergleich: NRZ-Modulation; 100 Gbit/ s => L = 0,6 km. 6.1.4.3 Kompensation der chromatischen Dispersion Liegt die chromatische Dispersion außerhalb des zulässigen Bereiches, kann man sie kompensieren. Hierfür sind geeignet: dispersionskompensierende Fasern (DCF), gechirpte Bragg-Gitter oder photonische Kristallfasern. Eine dispersionskompensierende Faser hat einen negativen Koeffizienten der chromatischen Dispersion. Die verschiedenen Wellenlängenanteile laufen mit entgegen gesetzten Geschwindigkeiten (Bild 6.4) rechts. Beispiel: 80 km Standard-Singlemode-LWL bewirken eine chromatische Dispersion von CD ≈ 17 ps/ (nm∙km) x 80 km = 1360 ps/ nm. Eine dispersionskompensierende Faser mit D CD = -85 ps/ (nm∙km) (negativer Koeffizient der chromatischen Dispersion) kann über eine Streckenlänge von 16 km die Dispersion komplett kompensieren: CD ≈ -85 ps/ (nm∙km) x 16 km = -1360 ps/ nm. Bild 6.7 zeigt die Wirkung der dispersionskompensierenden Faser. Die Anstiege der Geradenabschnitte entsprechen den jeweiligen Koeffizienten der chromatischen Dispersion. Für verschiedene Telekommunikationsfasern gibt es passende dispersionskompensierenden Fasern auf dem Markt. Bild 6.8 zeigt den Ausschnitt aus einem Datenblatt einer dispersionskompensierenden Faser für den Wellenlängenbereich 1525 nm...1565 nm (C-Band). Für das L-Band gibt es sinngemäße Module. 63520_Eberlein_SL4.indd 317 63520_Eberlein_SL4.indd 317 12.11.2020 12: 56: 45 12.11.2020 12: 56: 45 <?page no="337"?> 318 6 Optische Übertragungssysteme 318 Bild 6.7: Kompensation der chromatischen Dispersion mit einer DCF Es werden unterschiedliche Module spezifiziert: CD = -340 ps/ nm, -680 ps/ nm, -1020 ps/ nm und -1360 ps/ nm. Setzt man D CD = 17 ps/ (nm∙km) (Standard- Singlemode-LWL bei 1550 nm) kann man folgende Längen kompensieren: 20 km, 40 km, 60 km, 80 km. Bild 6.8: Datenblatt einer dispersionskompensierenden Faser (Quelle: Fujikura) Die Nachteile dieser Bauelemente bestehen in einem Beitrag zur Polarisationsmodendispersion (bis zu 1 ps bei -1360 ps/ nm) und der großen Dämpfung (bis zu 8,5 dB bei -1360 ps/ nm) sowie etwa 2 dB durch Modenfelddurchmesser- Fehlanpassung, wenn die DCF auf einen Standard-Singlemode-LWL gespleißt wird. 63520_Eberlein_SL4.indd 318 63520_Eberlein_SL4.indd 318 12.11.2020 12: 56: 45 12.11.2020 12: 56: 45 <?page no="338"?> 6 Optische Übertragungssysteme 319 319 6.1.5 Systemplanung Neben der Dämpfung können auch die chromatische Dispersion (Abschnitt 6.1.4), die Polarisationsmodendispersion (Abschnitt 1.3.14) und Mehrfachreflexionen die Qualität der Übertragung beeinträchtigen. Das führt zur Schließung des Augendiagramms und damit zur Reduktion des verfügbaren Pegels: Power Penalty (1 dB...2 dB). Chromatische Dispersion und Polarisationsmodendispersion überlagern sich und bewirken eine resultierende Impulsverbreiterung. Überbrückbare Streckenlängen werden in ITU-T G.691 klassifiziert (Tabelle 6.2): • I: Infra-Office • S: Short-haul • L: Long-haul • V: Very long-haul • U: Ultra long-haul Wellenlänge I1r/ I1 I2r/ I2 S1 S2 L1 L2 V1 V2 - U2 1310 nm 0,6 km/ 2 km 20 km 40 km 60 km*) 1550 nm 2 km/ 25 km 40 km 80 km 120 km 160 km**) Tabelle 6.2: Abschnittslängen bis STM-64 (10 Gbit/ s) G.652-Faser „1“ kennzeichnet 1310 nm; „2“ kennzeichnet 1550 nm „r“ kennzeichnet reduzierte Länge *) nur STM-4 **) nur STM-4, STM-16 Bei der Festlegung der Abschnittslängen wird zu Grunde gelegt (Beispiel 1550 nm): Maximaler Dämpfungskoeffizient der Strecke einschließlich Spleißdämpfungen und Systemreserven: α Strecke = 0,275 dB/ km. Dieser Wert setzt sich folgendermaßen zusammen: • Dämpfungskoeffizient der Faser: α Faser = 0,20 dB/ km • Dämpfungskoeffizient der Faserreserve: α Res = 0,05 dB/ km • Spleißdämpfung: a = 0,05 dB; Abschnittslängen: 2 km => Spleißdämpfungskoeffizient: α Spleiß = 0,025 dB/ km Für die Streckendämpfung gilt: a = α ∙L. Daraus ergibt sich die dämpfungsbegrenzte Streckenlänge: L Dämpfung = a/ α . Maximaler Koeffizient der Standard-Singlemode-Faser im dritten optischen Fenster: D CD = 20 ps/ (nm∙km). Chromatische Dispersion der Strecke: CD = D CD ∙ L. Mit der Dispersionstoleranz des Transceivers CD DT ≥ ergibt sich für die durch die chromatische Dispersion begrenzte Streckenlänge: CD CD D / DT L = . 63520_Eberlein_SL4.indd 319 63520_Eberlein_SL4.indd 319 12.11.2020 12: 56: 46 12.11.2020 12: 56: 46 <?page no="339"?> 320 6 Optische Übertragungssysteme 320 Beispiel 3: L2 (10 Gbit/ s) entsprechend G.691 Der Transceiver ist folgendermaßen spezifiziert: 12 min R max R min T max T 10 BER bei dBm 26 L , dBm 9 L , dBm 2 L , dBm 2 L − = − = − = − = + = Daraus ergibt sich: dB 17 D , dB 11 a , dB 24 a min erf max zul = = = Es wird der maximale Wert der Power Penalty angesetzt: 2 dB. Das entspricht einer scheinbaren Verringerung der Empfindlichkeit des Empfängers durch Schließen des Augendiagramms. Somit reduziert sich die maximal überbrückbare Streckendämpfung auf 24 dB - 2 dB = 22 dB. Die mindestens erforderliche Streckendämpfung liegt bei 11 dB. Mit dem Dämpfungskoeffizient der Strecke von 0,275 dB/ km ergibt sich für die maximale bzw. minimale Länge 80 km bzw. 40 km in Übereinstimmung mit Tabelle 6.2. Die maximale Dispersionstoleranz des Transceivers beträgt DT = 1600 ps/ nm. Mit D CD = 20 ps/ (nm∙km) ergibt sich in Übereinstimmung mit der dämpfungsbegrenzten Länge für die dispersionsbegrenzte Länge 80 km. Beispiel 4: V2 (10 Gbit/ s) entsprechend G.691 Der Transceiver ist folgendermaßen spezifiziert: 12 min R max R min T max T 10 BER bei dBm 25 L , dBm 9 L , dBm 10 L , dBm 13 L − = − = − = + = + = Daraus ergibt sich: dB 16 D , dB 22 a , dB 35 a min erf max zul = = = Es wird der maximale Wert vor Power Penalty angesetzt: 2 dB. Somit reduziert sich die maximal überbrückbare Streckendämpfung auf 35 dB - 2 dB = 33 dB. Die mindestens erforderliche Streckendämpfung liegt bei 22 dB. Mit dem Dämpfungskoeffizient von 0,275 dB/ km ergibt sich für die maximale bzw. minimale Länge 120 km bzw. 80 km in Übereinstimmung mit Tabelle 6.2. Die maximale Dispersionstoleranz des Transceivers beträgt DT = 2400 ps/ nm. Mit D CD = 20 ps/ (nm∙km) ergibt sich in Übereinstimmung mit der dämpfungsbegrenzten Länge für die dispersionsbegrenzte Länge 120 km. Die Transceiver sind optimal konfiguriert: Dämpfungs- und dispersionsbegrenzte Längen sind gleich. Die maximal zulässigen Reflexionsdämpfungen liegen bei 27 dB. 6.1.6 Zusammenfassung Die Planung von LWL-Strecken erfordert ein komplexes Herangehen. Es sind Dämpfung und Dispersion, aber auch Reflexionen und Rauschen zu berücksichtigen. Die Dispersion ist vielgestaltig und hängt vom Fasertyp ab. Die Dispersion im Multimode-Stufenprofil-LWL wird eindeutig durch das Bandbreite- Längen-Produkt charakterisiert. Gleiches gilt für Multimode-Parabelprofil-LWL, außer bei Fasern mit sehr hohem Bandbreite-Längen-Produkt (zum Beispiel OM3, OM4, OM5) und/ oder wenn der Sender eine große spektrale Halbwertsbreite hat. Dann wird die Dispersion auch durch die spektralen Eigenschaften des Senders beeinflusst. 63520_Eberlein_SL4.indd 320 63520_Eberlein_SL4.indd 320 12.11.2020 12: 56: 46 12.11.2020 12: 56: 46 <?page no="340"?> 6 Optische Übertragungssysteme 321 321 Unvermeidbar ist im Singlemode-LWL die chromatische Dispersion. Sie kann aber relativ einfach kompensiert werden. Die Polarisationsmodendispersion spielt bei hohen Datenraten eine Rolle. Durch Verwendung von Fasern mit geringem PMD- Koeffizienten kann man den Einfluss der Polarisationsmodendispersion beherrschen. Mit modernen Modulationsverfahren reduziert man die chromatische und die Polarisationsmodendispersion beträchtlich. Moderne Transceiver sind so ausgelegt, dass dämpfungsbegrenzte und dispersionsbegrenzte Länge gleich sind. 6.2 Mehrkanalübertragung über MTP/ MPO-Stecker 6.2.1 Einsatzfälle Das weltweite Datenvolumen wächst rasant. In Rechenzentren konzentrieren sich Tausende LWL-Verbindungen mit hohen Datenraten. Nur mit gebündelten Lichtwellenleitern (Raummultiplex) kann man große Datenmengen übertragen. Das erfordert eine zuverlässige Verkabelung. Die parallele Übertragung über Multimode-LWL hat eine große Bedeutung, da für diese Fasern preiswerte aktive Technik (VCSEL bei 850 nm) verfügbar ist (Tabelle 6.3). Eine derartige Übertragung wird mit Bändchenfasern und Mehrfasersteckern (MTP/ MPO: Abschnitt 2.9.2.2) realisiert (Bild 6.9). Übertragungstechnik Fasertyp Signalführung maximale Distanz 40GBase-SR MM, OM3 MM, OM4 4 x 10 Gbit/ s MPO-12 100 m 150 m 100GBase-SR10 MM, OM3 MM, OM4 10 x 10 Gbit/ s MPO-24 100 m 150 m 100GBase-SR4 MM, OM3 MM, OM4 4 x 25 Gbit/ s MPO-12 70 m 100 m 400GBase-SR8 MM, OM4 8 x 50 Gbit/ s PAM4-Kodierung 100 m 400GBase-SR16 MM, OM3 MM, OM4 16 x 25 Gbit/ s MPO-32 70 m 100 m Tabelle 6.3: Beispiele für Mehrkanalübertragung über Multimode-LWL bei 850 nm Bild 6.9: Bändchenfaser (links), MPO/ MTP-Stecker (rechts) 63520_Eberlein_SL4.indd 321 63520_Eberlein_SL4.indd 321 12.11.2020 12: 56: 47 12.11.2020 12: 56: 47 <?page no="341"?> 322 6 Optische Übertragungssysteme 322 Die Datenrate kann durch folgende Maßnahmen weiter erhöht werden: • gleichzeitige Übertragung mehrerer Wellenlängen über Multimode-Fasern: OM5 (850 nm, 880 nm, 910 nm, 940 nm) • Raummultiplex über Singlemode-LWL • zusätzlich Wellenlängenmultiplex über Singlemode-LWL 6.2.2 Mehrkanalübertragung Bei der Mehrkanalübertragung, zum Beispiel 4 x 10 Gbit/ s oder 10 x 10 Gbit/ s, wird das Signal aufgeteilt, über mehrere Fasern übertragen und dann wieder zusammengefügt. Die einzelnen Signale müssen zeitgleich beim Empfänger eintreffen. Signallaufzeitdifferenzen zwischen den einzelnen Kanälen können zu Störungen führen (Signalversatz: delay skew) und müssen möglichst gering sein. Nur dann kann die Information am Ziel wieder erfolgreich synchronisiert und zusammengesetzt werden (Bild 6.10). Bild 6.10: Signallaufzeitdifferenzen bei Mehrkanalübertragung Die Kombination von Einzelfasern ist unzulässig. Es müssen hochfasrige LWL- Bündeladerkabel (Trunkkabel: Bild 6.11) verwendet werden. Diese minimieren den Signalversatz. Bild 6.11: Trunkkabel mit Mehrfasersteckern Der Signalversatz ist umso kritischer, je höher die Datenrate und je länger die Strecke ist. Bei Multimodefasern mit großem Bandbreite-Längen-Produkt (OM3, OM4) wird die überbrückbare Länge bzw. Datenrate durch die Signallaufzeitdifferenzen begrenzt. Die OM3-Faser ermöglicht bei 10 Gbit/ s-Ethernet eine dispersionsbegrenzte Streckenlänge von 300 m und die OM4-Faser von 550 m. Tatsächlich liegen die durch 63520_Eberlein_SL4.indd 322 63520_Eberlein_SL4.indd 322 12.11.2020 12: 56: 47 12.11.2020 12: 56: 47 <?page no="342"?> 6 Optische Übertragungssysteme 323 323 den Signalversatz begrenzten Längen entsprechend Tabelle 6.3 bei 100 m bzw. 150 m. Die nachfolgenden Bilder zeigen die parallele Übertragung über einen MPO-12bzw. MPO-24-Stecker (Abschnitt 2.9.2.2): • Bild 6.12: je vier Kanäle hin und zurück; mittlere vier Kanäle nicht belegt. • Bild 6.13: je zehn Kanäle hin und zurück; die beiden äußeren Kanäle nicht belegt. Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx optischer Sender MPO-Stecker optischer Empfänger MPO-Stecker optischer Sender MPO-Stecker optischer Empfänger MPO-Stecker Bild 6.12: SR4: parallele Übertragung über 2 x 4 Fasern Belegung horizontal (oben) und in der Draufsicht (unten) Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx optischer Sender MPO-Stecker optischer Empfänger MPO-Stecker Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Rx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Tx Bild 6.13: SR10: parallele Übertragung über 2 x 10 Fasern Belegung horizontal (oben) und in der Draufsicht (unten) 63520_Eberlein_SL4.indd 323 63520_Eberlein_SL4.indd 323 12.11.2020 12: 56: 47 12.11.2020 12: 56: 47 <?page no="343"?> 324 6 Optische Übertragungssysteme 324 Transceiver (standardisierte Übertragungsbausteine, bestehend aus Sender und Empfänger) sind für die verschiedenen Übertragungsvarianten verfügbar: • Bidirektionale Übertragung über zwei Fasern, zum Beispiel je 10 Gbit/ s, eine Wellenlänge. • Unidirektionale Übertragung über eine Faser, zum Beispiel je 10 Gbit/ s, zwei Wellenlängen. Die Trennung der gegenläufigen Signale erfolgt im Transceiver mit Multiplexern bzw. Demultiplexern. • Raummultiplex, zum Beispiel 4 x 10 Gbit/ s bzw. 10 x 10 Gbit/ s, bidirektional, wie in Bild 6.12 und 6.13 dargestellt. • Wellenlängenmultiplex über OM5-Faser: Übertragung von vier Farben (850 nm, 880 nm, 910 nm, 940 nm) bidirektional; Verwendung von Multiplexern und Demultiplexern. Tabelle 6.4: Möglichkeiten der Kapazitätserhöhung MM-LWL; Darstellung nach OFS 63520_Eberlein_SL4.indd 324 63520_Eberlein_SL4.indd 324 12.11.2020 12: 56: 48 12.11.2020 12: 56: 48 <?page no="344"?> 6 Optische Übertragungssysteme 325 325 Tabelle 6.4 zeigt Möglichkeiten der Kapazitätserhöhung im Multimode-LWL durch Raummultiplex und Wellenlängenmultiplex entsprechend IEEE 802.3. Nutzt man 16 Fasern je Richtung (zweireihiger MPO-16-Stecker), 25 Gbit/ s je Signal und vier Farben je Faser (mit OM5-Faser) lässt sich eine Datenrate von 1,6 Tbit/ s realisieren. Tabelle 6.5 veranschaulicht Beispiele für die Mehrkanalübertragung über Singlemode-LWL: Übertragungstechnik Signalführung maximale Distanz Bemerkungen 40GBase-LR 4 x 10 Gbit/ s 10 km CWDM: 1271 nm, 1291 nm; 1311 nm, 1331 nm 100GBase-LR4 4 x 25 Gbit/ s 10 km 800 GHz-Raster: 1295,56 nm, 1300,05 nm, 1304,58 nm, 1309,14 nm 100GBase-ER4 4 x 25 Gbit/ s 40 km; Verwendung von optischen Verstärkern 400GBase-DR4 4 x 100 Gbit/ s 500 m 4 Fasern, 1310 nm 400GBase-LR 8 x 50 Gbit/ s 2 km 8 Wellenlängen 400GBase-FR 8 x 50 Gbit/ s 10 km 8 Wellenlängen 300 Gbit/ s 12 x 25 Gbit/ s 12 Fasern 1,2 Tbit/ s 48 x 25 Gbit/ s 12 Fasern, 4 Wellenlängen (SWDM) Tabelle 6.5: Beispiele für Mehrkanalübertragung über Singlemode-LWL 6.2.3 Beschaltungsmöglichkeiten Damit die Signale am richtigen Port ankommen, ist eine Systematik der Steckerbelegung und der Kabeltypen zu beachten. Es ist zu unterscheiden zwischen: • drei verschiedenen Typen von MPO-Trunkkabeln • zwei verschiedenen MPO-Adaptern weißer Punkt Key Up Pin-Ort Nr. der Faser Bild 6.14: Draufsicht auf MPO-Stecker Bild 6.14 zeigt die Draufsicht auf den MPO-Stecker. Ein weißer Punkt auf einer Seite des Steckers markiert die Lage der Faser 1. Von dort ausgehend erfolgt die Zählung der Fasern. Auf der Längsseite befindet sich eine Kodierung (Key), die eine eindeutige Orientierung des Steckers ermöglicht: 63520_Eberlein_SL4.indd 325 63520_Eberlein_SL4.indd 325 12.11.2020 12: 56: 48 12.11.2020 12: 56: 48 <?page no="345"?> 326 6 Optische Übertragungssysteme 326 • „Key“ in Blickrichtung auf die Ferrule oben: „Key up“ • „Key“ in Blickrichtung auf die Ferrule unten: „Key down“ Die Stecker unterscheiden sich folgendermaßen („Gender“): • mit zwei Führungsstiften (Pin; aus Metall): „Male“ • mit zwei Führungslöchern: „Female“ „Gender“ und „Key“ gewährleisten eine eindeutige Zuordnung und verhindern Vertauschungen. Bei MPO-Trunkkabeln unterscheidet man zwischen den Typen A, B und C (Bild 6.15): • Typ A: 1 : 1-Durchschaltung; Keys der Stecker 1 und 2 entgegengesetzt orientiert. • Typ B: Belegung gekreuzt; Keys der Stecker 1 und 2 gleich orientiert. • Typ C: Fasern paarweise gekreuzt; Keys der Stecker 1 und 2 entgegengesetzt orientiert. 1 12 12 1 1 12 12 1 1 12 12 1 C B A Stecker 2 Stecker 1 Pin Steckverbinder 1 Pin Steckverbinder 2 Typ A Typ B Typ C 1 1 12 2 2 2 11 1 3 3 10 4 4 4 9 3 5 5 8 6 6 6 7 5 7 7 6 8 8 8 5 7 9 9 4 10 10 10 3 9 11 11 2 12 12 12 1 11 Bild 6.15: Belegung der PINs Man unterscheidet folgende MPO-Adapter (Kupplungen): • Typ A: Keys liegen auf der gleichen Seite • Typ B: Keys liegen entgegengesetzt Der Übergang vom MPO-Patchkabel zu den Duplex-Rangierkabeln erfolgt in der MPO-Kassette. Diese dient der Aufteilung des MPO-Kabels auf sechs Kabel mit LC- oder SC-Duplex-Steckern. Zwischen den MPO-Kassetten bündeln die Trunkkabel die Hochgeschwindigkeitsverbindung. 63520_Eberlein_SL4.indd 326 63520_Eberlein_SL4.indd 326 12.11.2020 12: 56: 48 12.11.2020 12: 56: 48 <?page no="346"?> 6 Optische Übertragungssysteme 327 327 weißer Punkt Pins keine Pins Key Down Key Up Male MTP- Adapter Female Bild 6.16: MPO-Adapter Typ B Über den jeweils passenden MPO-Adaptertyp werden die MPO-Kassetten mit den Trunkkabeln verbunden. Bild 6.17 zeigt links die Schnittstelle zum Trunkkabel und rechts die sechs Duplex-Kupplungen. Bild 6.17: MPO-Kassette (Quelle: Telegärtner) 6.2.4 Dämpfungsmessung an Mehrfaserkabeln Bei der Dämpfungsmessung sind die mechanische Kodierung und das Gender zu beachten. Generell kann die Referenzierung bei der Dämpfungsmessung mit ein, zwei oder drei Schnüren erfolgen. Durch das Gender gibt es jedoch Einschränkungen bei diesen Möglichkeiten. Die Dämpfungsmessung an Mehrfaserkabeln kann mit dem MPOLS/ MPOLP-85P von VIAVI erfolgen (Bild 6.18). Der Messplatz besteht aus zwei Geräten, jedes mit eigener Lichtquelle, Leistungsmesser und Steckermikroskop. Die Messung erfolgt von beiden Seiten der Faser. Die Ergebnisse werden auf beiden Geräten angezeigt. Die Techniker müssen ihre Plätze nicht tauschen. Um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten muss die Einkopplung bei Multimode mit Encircled Flux und hochwertigen Messkabeln erfolgen. Reinigung und Inspektion sind bei Mehrfasersteckern besonders wichtig. Für die Trockenreinigung gibt es spezielle Reinigungsstifte. Diese haben ein breites Band, um die gesamte Steckerstirnfläche reinigen zu können (Bild 6.19). 63520_Eberlein_SL4.indd 327 63520_Eberlein_SL4.indd 327 12.11.2020 12: 56: 49 12.11.2020 12: 56: 49 <?page no="347"?> 328 6 Optische Übertragungssysteme 328 Bild 6.18: Dämpfungsmessplatz von VIAVI zur Messung von Mehrfasersteckern Bild 6.19: Reinigungsstift für MPO-Stecker Nach der Reinigung ist die Steckerstirnfläche zu inspizieren. Für den Reinigungszustand der Steckerstirnflächen gelten bei MPO-Steckern sinngemäße Kriterien wie bei Einkanalsteckern. Wenn man den gleichen Abbildungsmaßstab wie bei Einkanalsteckern realisiert, zum Beispiel 1 : 200 oder 1 : 400, kann mit dem Fasermikroskop nur ein Ausschnitt der Steckerstirnfläche dargestellt werden (Bild 6.20). Mit einem Adapter für MPO-Stecker kann der gesamte Bereich der Steckerstirnfläche durchfahren werden (Bild 6.21). Bild 6.20: Inspektion benachbarter Fasern Bild 6.21: Adapter mit Rändelschraube zum Durchfahren der Steckerstirnfläche 63520_Eberlein_SL4.indd 328 63520_Eberlein_SL4.indd 328 12.11.2020 12: 56: 49 12.11.2020 12: 56: 49 <?page no="348"?> 6 Optische Übertragungssysteme 329 329 6.3 Realisierung hoher Bandbreiten mit Multimode-LWL 6.3.1 Von Ethernet zu 10-Gigabit-Ethernet Ethernet hat eine große Verbreitung gefunden. Mit Ethernet werden aber nicht nur die letzte Meile, sondern zunehmend auch Metro- und Weitverkehrsnetze erschlossen. Die Datenrate bei Ethernet erhöhte sich seit der Einführung durch Robert M. Metcalfe jährlich im Mittel um 35 % (1976: 3 Mbit/ s => 2019: 1,2 Tbit/ s). Im Jahre 1985 erfolgte die Spezifizierung des 10 Mbit/ s-Betriebes in IEEE 802.3. Wachsende Bandbreitenanforderungen, bedingt durch das Internet, schnellere Rechner und Grafikverarbeitung führten 1995 zur Weiterentwicklung zum 100 Mbit/ s- Ethernet (Fast Ethernet). Bereits drei Jahre später, im Juni 1998, wurde das Gigabit-Ethernet spezifiziert. Ein Ziel des Gigabit-Ethernet-Standards ist es, trotz zehnfacher Datenrate die Kompatibilität zu den existierenden 10 Mbit/ sbzw. 100 Mbit/ s-Standards im Wesentlichen zu gewährleisten. Beim Gigabit-Ethernet erfolgt eine 8B/ 10B-Kodierung, so dass die Datenrate auf dem Übertragungsmedium 1,25 Gbit/ s beträgt. Der Standard 1000 Base-SX spezifiziert die Übertragung im ersten optischen Fenster (780 nm...860 nm). Derart hohe Datenraten führen im Multimode-LWL zu Längenbeschränkungen durch Modendispersion und gegebenenfalls Materialdispersion. Zur Unterdrückung der Materialdispersion werden spektral schmalbandige Laser (VCSEL) vorgeschrieben. Um die Modendispersion zu beherrschen, muss das Brechzahlprofil optimiert werden. Der Standard 1000 Base-LX spezifiziert die Übertragung im zweiten optischen Fenster. Hier sind Fabry-Perot-Laser ausreichend, weil die Materialdispersion bei dieser Wellenlänge annähernd null ist. 1000 Base-SX (850 nm) 1000 Base-LX (1300 nm) LWL-Typ Multimode Multimode Singlemode Kern-/ Modenfelddurchmesser 50 µm 62,5 µm 50 µm 62,5 µm 9 µm Streckenlänge/ Bandbreite- Längen-Produkt 500 m bei 400 MHz ⋅ km 220 m bei 160 MHz ⋅ km 550 m bei 400 MHz ⋅ km bzw. 500 MHz ⋅ km 550 m bei 500 MHz ⋅ km 3000 m 550 m bei 500 MHz ⋅ km 275 m bei 200 MHz ⋅ km Tabelle 6.6: Entsprechend IEEE 802.3z genormte Streckenlängen und Bandbreiten- Längen-Produkte für das Gigabit-Ethernet 63520_Eberlein_SL4.indd 329 63520_Eberlein_SL4.indd 329 12.11.2020 12: 56: 49 12.11.2020 12: 56: 49 <?page no="349"?> 330 6 Optische Übertragungssysteme 330 Um die geforderten Streckenlängen realisieren zu können, werden an die Multimode- LWL bestimmte Anforderungen bezüglich des Bandbreite-Längen-Produktes gestellt (Tabelle 6.6). Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass der 50 µm-LWL im ersten optischen Fenster etwa die doppelte Streckenlänge im Vergleich zum 62,5 µm-LWL ermöglicht. Deshalb sollte bei Übertragung hoher Datenraten unbedingt ein 50 µm-LWL zum Einsatz kommen. Im Juni 2002 wurde 10-Gigabit-Ethernet als Standard verabschiedet (IEEE 802.3ae). Es gibt verschiedene Varianten, um das zu realisieren. Bei Einkanal-Übertragung über einen 50 µm-Multimode-LWL im ersten optischen Fenster (10GBase-SR/ SW) ist eine Faser mit höherem Bandbreite-Längen-Produkt (OM3: BLP = 2000 MHz∙km bzw. OM4: BLP = 4700 MHz∙km) und ein spektral schmalbandiger Sender (VCSEL) erforderlich. 6.3.2 40/ 100-Gigabit-Ethernet Die Higher Speed Study Group (HSSG) behandelt in dem Dokument „IEEE P802.3ba 40 Gb/ s and 100 Gb/ s Task Force“ Möglichkeiten der parallelen Übertragung zur Erhöhung der Datenraten. Bei Verwendung von Multimode-Fasern ist mindestens OM3-Qualität erforderlich. Der Einsatz von Multimode-Fasern ist nur noch im ersten optischen Fenster vorgesehen. Die maximal zulässige Bitfehlerrate beträgt 10 -12 . Medium Streckenlänge Wellenlänge 40 Gbit/ s = = 4 x 10 Gbit/ s 100 Gbit/ s Multimode 100 m OM3 150 m OM4 850 nm 40 GBase-SR4 100 GBase-SR10 = = 10 x 10 Gbit/ s Singlemode 10 km 1310 nm 40 GBase-LR4 100 GBase-LR4 = = 4 x 25 Gbit/ s Singlemode 40 km 1310 nm - 100 GBase-ER4 = = 4 x 25 Gbit/ s Tabelle 6.7: Möglichkeiten zur Realisierung von 40-Gigabitbzw. 100-Gigabit-Ethernet entsprechend IEEE P802.3ba Um die hohen Übertragungskapazitäten zu bewältigen, kommen bei Verwendung von Multimode-LWL mehrere Faserpaare (Raummultiplex) und bei Verwendung von Singlemode-LWL mehrere Wellenlängen (Wellenlängenmultiplex) je Faserpaar zum Einsatz. Die Abkürzungen haben folgende Bedeutung: • 40 G: 40-Gigabit-Ethernet • 100 G: 100-Gigabit-Ethernet • S: kurze Strecke • L: lange Strecke 63520_Eberlein_SL4.indd 330 63520_Eberlein_SL4.indd 330 12.11.2020 12: 56: 50 12.11.2020 12: 56: 50 <?page no="350"?> 6 Optische Übertragungssysteme 331 331 • E: sehr lange Strecke • R: 64B/ 66B-Kodierung • Zahl: Anzahl der Faserpaare bei Multimode-Übertragung Anzahl der Wellenlängen über ein Faserpaar bei Singlemode-Übertragung Zur Mehrkanalübertragung über Multimode-LWL vergleiche Abschnitt 6.2. 6.3.3 Physikalische Begrenzungen Die Übertragungskapazität von Parabelprofil-Multimode-LWL ist begrenzt. Ursachen: • Fehler im Brechzahlverlauf des Parabelprofil-LWL • Der Brechzahlverlauf ist nicht an die Übertragungswellenlänge angepasst. • endliche spektrale Halbwertsbreite des Senders Diese drei Ursachen führen zu Modendispersion und Materialdispersion. Bei hochbitratiger Übertragung kommen anstelle von Lumineszenzdioden Laserdioden zum Einsatz. Diese haben eine geringere spektrale Halbwertsbreite. Dadurch wird die Materialdispersion reduziert. Außerdem lassen sich Laserdioden mit höheren Datenraten modulieren als Lumineszenzdioden. Die Bandbreite von Lumineszenzdioden ist etwa auf 500 MHz begrenzt. Während eine Lumineszenzdiode wegen ihrer breiten Abstrahlcharakteristik die Stirnfläche des Multimode-LWL überstrahlt und alle Moden anregt (überfüllte Einkopplung), bewirkt eine Laserdiode nur eine begrenzte Einkopplung des Lichts in den Multimode-LWL. Koppelt man mittig ein, machen sich Fehler im Brechzahlprofil (Mittendip) besonders stark bemerkbar. Das führt zu Laufzeitunterschieden zwischen den einzelnen Modengruppen (DMD: Differential Mode Delay; Modenlaufzeitdifferenz). Die Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich auf das erste optische Fenster. Der Grund dafür ist, dass für das zweite optische Fenster keine so preiswerten Laserdioden wie für das erste optische Fenster zur Verfügung stehen (VCSEL). Die 10 Gigabit-Ethernet-Übertragung über Multimode-LWL erfolgt deshalb vorzugsweise bei 850 nm. Durch begrenzte Anregung mit einem Laser in Fasermitte reduziert sich die Wellenlängenabhängigkeit der Laufzeitunterschiede und das Bandbreite-Längen-Produkt wächst an. Das erfordert allerdings ein ideales Brechzahlprofil in der Mitte. 6.3.4 Bandbreiten-Definitionen Das Übertragungsverhalten der Multimode-LWL hängt stark von der verwendeten Lichtquelle ab. Das betrifft sowohl das Abstrahlverhalten (Fläche und Winkel) als auch die spektralen Eigenschaften. Während das Abstrahlverhalten die Modendispersion beeinflusst, beeinflussen die spektralen Eigenschaften die Materialdispersion. Man unterscheidet folgende Bandbreiten-Definitionen: 63520_Eberlein_SL4.indd 331 63520_Eberlein_SL4.indd 331 12.11.2020 12: 56: 50 12.11.2020 12: 56: 50 <?page no="351"?> 332 6 Optische Übertragungssysteme 332 6.3.4.1 LED-Bandbreite Ursprünglich kamen in Verbindung mit Multimode-LWL nur Lumineszenzdioden zum Einsatz. LED-Bandbreite ist die ursprüngliche Bandbreitendefinition. Die Lumineszenzdiode hat eine große Fläche und strahlt in einen großen Winkelbereich: alle Kernmoden werden angeregt. Das Licht wird annähernd gleichmäßig in alle Moden des Multimode-LWL eingekoppelt (überfüllte Einkopplung, overfilled launch: OFL). Das Messergebnis ist das herkömmliche Bandbreite-Längen-Produkt (BLP). 6.3.4.2 EMB-Bandbreite Die Bandbreite der Lumineszenzdioden ist auf einige Hundert Megahertz begrenzt. Deswegen kommen bei höheren Datenraten Laserdioden zum Einsatz. Eine mit einem Laser angeregte Multimode-Faser verhält sich anders als bei Anregung mit einer Lumineszenzdiode. Deshalb unterscheidet man zwischen verschiedenen Bandbreite-Definitionen. Die Laserbandbreite (effektive modale Bandbreite: EMB) dient der Charakterisierung von laserbasierten Systemen. Die Laserdiode hat eine kleine Fläche und strahlt in einen kleinen Winkelbereich. Es wird nur ein kleiner Teil der möglichen Moden im Lichtwellenleiter angeregt. Die Laserbandbreite erhält man durch Messung der Modenlaufzeitdifferenzen. Diese ergeben sich aus den unterschiedlichen Laufzeiten des Laserimpulses in Abhängigkeit vom radialen Ort der Einkopplung in den Kern des Multimode-LWL. Die Einkopplung erfolgt mit einem Einmodenlaser, der schrittweise (ca. 2 µm) den LWL-Kern scannt. Die numerische Apertur und die Fläche (Durchmesser ca. 4 µm) sind klein, so dass jeweils nur wenige Moden angeregt werden (Bild 6.22). Die verschiedenen Farben veranschaulichen unterschiedliche Ausbreitungswege, nicht unterschiedliche Wellenlängen. Die Laufzeiten werden am Ende der Strecke in Abhängigkeit vom Ort der Einkopplung gemessen und mit vorgegebenen Masken verglichen. Der Unterschied zwischen den schnellsten und langsamsten Impulsen ist die Modenlaufzeitdifferenz (DMD). Amplitude Zeit Parabelprofil- Multimode-LWL radialer Ort Zeit Laserimpuls Bild 6.22: DMD-Messung am Multimode-LWL 63520_Eberlein_SL4.indd 332 63520_Eberlein_SL4.indd 332 12.11.2020 12: 56: 51 12.11.2020 12: 56: 51 <?page no="352"?> 6 Optische Übertragungssysteme 333 333 Die Norm IEEE 802.3ae definiert sechs verschiedene Masken, die empirisch aus den Eigenschaften typischer VCSEL-Dioden ermittelt wurden. Sie legen zulässige Modenlaufzeitdifferenzen in ps/ m in Abhängigkeit vom Radius der Einkopplung in µm fest. Werden die Grenzwerte wenigstens einer der Masken nicht überschritten, beträgt die EMB-Bandbreite 2000 MHz ⋅ km und eine Übertragung von 10 Gbit/ s über 300 m ist möglich. Man erhält nur eine Aussage: bestanden oder nicht bestanden. Wird nur die halbe Modenlaufzeitdifferenz gemessen, schließt man auf die doppelte EMB-Bandbreite und die doppelte Streckenlänge (lineare Umrechnung). Es muss gewährleistet werden, dass die Modenlaufzeitdifferenz in Abhängigkeit vom Radius keine abrupten Änderungen hat. Hierzu wird mit einer DMD-Intervallmaske verglichen (ROI: Radial Offset Intervall). 6.3.4.3 minEMBc-Bandbreite Diese Bandbreiten-Definition berücksichtigt die speziellen Eigenschaften (insbesondere die Abstrahlcharakteristika) verschiedener Laserdioden. Es bedeutet minEMBc: Calculated Minimum Effective Modal Bandwidth, also minimale effektive modale Bandbreite. Verschiedene VCSELs können unterschiedliche Bandbreitenergebnisse liefern. Das minEMBc-Verfahren berücksichtigt tausende VCSEL-Quellen, die den gesamten Bereich normkonformer VCSELs repräsentieren. In einem ersten Schritt erfolgt die DMD-Messung an der Multimode-Faser wie oben beschrieben. In einem zweiten Schritt werden die Abstrahlprofile der verschiedenen VCSELs mathematisch auf das DMD-Laufzeitprofil angewandt (Berechnung). So erhält man verschiedene VCSEL-Ausgangsantworten. Dieser Prozess simuliert die Einkopplung unterschiedlicher VCSEL in einen bestimmten Multimode-LWL. Aus den verschiedenen VCSEL-Ausgangsantworten ergeben sich unterschiedliche Werte für die effektive modale Bandbreite (EMBc in MHz∙km). Der niedrigste dieser Werte ist minEMBc (Worst Case). Unabhängig davon, welche (normkonforme) VCSEL-Diode zum Einsatz kommt, wird die Bandbreite minEMBc nicht unterschritten. Das minEMBc-Verfahren liefert keine „bestanden/ nicht bestanden“-Aussage wie das EMB-Verfahren, sondern ein Bandbreiten-Längen-Produkt, das eine Aussage für verschiedene Bandbreiten oder Längen macht. Diese Bandbreitendefinition ist ein wichtiger Schritt zur Charakterisierung von Multimode-Fasern für 100 Gbit/ s- Ethernet-Anwendungen. 6.3.5 Kategorien von Multimode-Lichtwellenleitern Die Norm DIN EN 50173-1 definiert verschiedene Kategorien von Multimode-LWL OM1 bis OM5 (OM: Optical Mode). Aus Tabelle 6.8 ist ersichtlich, dass sich die Parameter nur bezüglich der Bandbreite im ersten optischen Fenster unterscheiden. 63520_Eberlein_SL4.indd 333 63520_Eberlein_SL4.indd 333 12.11.2020 12: 56: 51 12.11.2020 12: 56: 51 <?page no="353"?> 334 6 Optische Übertragungssysteme 334 Die Laseranregung ist nur für 850 nm und für OM3-, OM4- und OM5-Fasern definiert. Mit Laseranregung erhält man größere Bandbreite-Längen-Produkte als mit Vollanregung. Durch Raummultiplex kann über diese Fasern auch 40 Gbit/ sbzw. 100 Gbit/ s- Ethernet übertragen werden. Eine weitere Erhöhung der Übertragungskapazität ist mit der OM5-Faser möglich. Diese so genannte Wideband Multimode Fiber (WBMMF) wurde in TIA-492AAAE sowie IEC 60793-2-10 genormt. Sie wurde optimiert für ein großes Bandbreite-Längen-Produkt nicht nur bei 850 nm, sondern in einem breiten Wellenlängenbereich: 850 nm bis 953 nm. So ist es möglich mehrere Wellenlängen gleichzeitig zu übertragen: 850 nm, 880 nm, 910 nm, 940 nm: Short Wavelength Division Multiplex (SWDM). Raummultiplex und Wellenlängenmultiplex lassen sich kombinieren (Abschnitt 6.2). Modale Bandbreite in MHz∙km Streckenlänge bei Vollanregung Laseranregung Vollanregung (OM1, OM2) Laseranregung (OM3, 4, 5) Kategorie Kerndurchmesser 850 nm/ 953 nm 1300 nm 850 nm/ 953 nm 10 GbE 850 nm 40 GbE/ 100 GbE 850 nm OM1 50 µm oder 62,5 µm*) ≥ 200 ≥ 500 - 32 m - OM2 ≥ 500 ≥ 500 - 82 m - OM3 50 µm ≥ 1500 ≥ 500 ≥ 2000 300 m 100 m OM4 ≥ 3500 ≥ 500 ≥ 4700 550 m 150 m OM5 4 λ ≥ 3500/ 1850 ≥ 500 ≥ 4700/ 2470 550 m 150 m Tabelle 6.8: Modale Bandbreite der OM1bis OM5-Fasern; kursiv: Wert bei 953 nm *) OM1 ist typisch 62,5 µm-Faser, kann aber auch 50 µm-Faser sein OM2 ist typisch 50 µm-Faser, kann aber auch 62,5 µm-Faser sein 6.3.6 Zusammenfassung Die Bandbreitenanforderungen wachsen rasant. In einem ersten Schritt wird durch Optimierung des Brechzahlprofils des Parabelprofil-LWL das Bandbreite-Längen- Produkt erhöht. Dabei ist zu beachten, dass das hohe Bandbreite-Längen-Produkt nur zum Tragen kommt, wenn spektral schmalbandige Laser verwendet werden (VCSEL). Diese sind im ersten optischen Fenster besonders preiswert. Deshalb beziehen sich die Anwendungen auf diesen Wellenlängenbereich. Ein zweiter Schritt zur Erhöhung der Übertragungskapazität ist eine parallele Übertragung (Raummultiplex: Abschnitt 6.2 Mehrkanalübertragung). Schließlich kann man die Übertragungskapazität durch Wellenlängenmultiplex und Verwendung spektral breitbandiger Fasern (OM5) weiter erhöhen. 63520_Eberlein_SL4.indd 334 63520_Eberlein_SL4.indd 334 12.11.2020 12: 56: 52 12.11.2020 12: 56: 52 <?page no="354"?> 6 Optische Übertragungssysteme 335 335 6.4 Systeme mit Kunststoff-Lichtwellenleitern 6.4.1 Eigenschaften von Kunststoff-Lichtwellenleitern Der steigende Bedarf an kostengünstigen Übertragungsmedien lässt den Kunststoff- LWL für geringe Entfernungen und Datenraten als interessante Alternative zum Kupferkabel, teilweise auch zum Glas-LWL, erscheinen [6.1]. Der Kunststoff-LWL verfügt über viele Vorteile einer herkömmlichen LWL- Verbindung: EMV-Sicherheit, galvanische Trennung, kein Nebensprechen. Er ist hoch flexibel (große Wechselbiegebelastung bei kleinen Biegeradien) und ermöglicht eine preiswerte Verbindungs- und Übertragungstechnik. Die Handhabung des Kunststoff-LWL ist unproblematisch, insbesondere auch die Steckerkonfektionierung. Vorteilhaft sind die kleinen zulässigen Biegeradien (25 mm). Wegen des großen Faserquerschnitts führen Verschmutzungen im Steckverbinder nicht zum Ausfall der Übertragungsstrecke. Der Kunststoff-LWL ist robust und für industrielle Umgebungen geeignet. Der beim Standard-Kunststoff-LWL eingesetzte Werkstoff Polymethylmethacrylat (PMMA) lässt sich gut schneiden, schleifen oder schmelzen. Das ermöglicht die problemlose Realisierung einer guten Qualität der Stecker-Stirnfläche. Die hohe Dämpfung des Kunststoff-LWL ergibt sich aus physikalisch unvermeidbaren Effekten. Polymethylmethacrylat (PMMA) hat (wie auch der Glas-LWL) einen stark von der Wellenlänge abhängigen Dämpfungskoeffizient (Bild 6.23). Dämpfungskoeffizient in dB/ km Wellenlänge in nm 500 550 600 650 700 0 200 400 600 Bild 6.23: Dämpfungskoeffizient eines PMMA-LWL in Abhängigkeit von der Wellenlänge Für Wellenlängen oberhalb 700 nm wächst der Dämpfungskoeffizient stark an, so dass für die Übertragung im Gegensatz zum Glas-LWL nicht der nahe infrarote, sondern der sichtbare Wellenlängenbereich genutzt wird. Dort gibt es mehrere Dämpfungsminima. 63520_Eberlein_SL4.indd 335 63520_Eberlein_SL4.indd 335 12.11.2020 12: 56: 52 12.11.2020 12: 56: 52 <?page no="355"?> 336 6 Optische Übertragungssysteme 336 Eine hohe Dispersion des Kunststoff-LWL ergibt sich aus der großen numerischen Apertur und dem stufenförmigen Brechzahlprofil beim herkömmlichen Kunststoff- LWL (typische Parameter vergleiche Abschnitt 1.3.1.3.) Eine Erhöhung des Bandbreite-Längen-Produktes erzielt man mit einem Kunststoff- LWL mit parabelförmigem Brechzahlprofil (Abschnitt 1.3.2.4). Höhere Übertragungswellenlängen und damit geringere Dämpfungskoeffizienten werden durch Modifikation des Kunststoff-Materials möglich. 6.4.2 Komponenten für Kunststoff-LWL-Systeme Wegen der stark wellenlängenabhängigen Dämpfung des Kunststoff-LWL müssen Sender verwendet werden, deren Emissionswellenlängen exakt in dem jeweiligen Dämpfungsminimum des Kunststoff-LWL liegen. Da die Dämpfung bei 568 nm (gelbgrün) am geringsten ist, erscheint diese Wellenlänge für eine Übertragung besonders interessant. Allerdings arbeiten die Sender mit den besten Parametern im roten Wellenlängenbereich, also bei 650 nm. Aus Kostengründen wird man in Kunststoff-LWL-Systemen im Allgemeinen Lumineszenzdioden einsetzen. Die realisierbaren Datenraten sind meist ausreichend. Problematisch ist, dass das Dämpfungsminimum des Lichtwellenleiters bei 650 nm sehr schmal ist. Abweichungen der Peakwellenlänge der Lumineszenzdioden von diesem Minimum und die große spektrale Breite der Lumineszenzdioden (typische Werte: 20 nm bis 30 nm) führen dazu, dass die wirksame Dämpfung deutlich über dem Dämpfungsminimum des Lichtwellenleiters bei 650 nm liegt. Der Kunststoff-LWL dämpft das LED-Spektrum außerhalb des Dämpfungsminimums stark. Es kommt zur Verschmälerung und gegebenenfalls zu einer Verschiebung der Peakwellenlänge des ursprünglichen LED-Spektrums (Filtereffekt). Die heute eingesetzten roten Quellen weichen mehr oder weniger stark vom Dämpfungsminimum bei 650 nm ab. Auch oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL) kommen in Kunststoff-LWL-Systemen zum Einsatz. Die Vorteile dieser Bauelemente sind die geringe Strahldivergenz und das kreisförmige Strahlprofil, welches eine hohe Koppeleffektivität bewirkt. Weiterhin ist die geringe Halbwertsbreite (< 1 nm) von Vorteil (Abschnitt 1.4.3). Allerdings arbeiten die VCSEL bei 670 nm und sind folglich dem Dämpfungsminimum des Kunststoff-LWL nicht angepasst. Die Dämpfung beträgt bei dieser Wellenlänge etwa 300 dB/ km. Für Standardanwendungen sind als Empfängerbauelemente Silizium-Detektoren ausreichend, die auch bei der Übertragung über Glas-LWL im ersten optischen Fenster (850 nm) zum Einsatz kommen. Jedoch besitzen sie bei 650 nm eine geringere Empfindlichkeit als bei 850 nm (Abschnitt 1.4.4). 63520_Eberlein_SL4.indd 336 63520_Eberlein_SL4.indd 336 12.11.2020 12: 56: 52 12.11.2020 12: 56: 52 <?page no="356"?> 6 Optische Übertragungssysteme 337 337 6.4.3 Verbindungstechnik Die Anforderungen an die Verbindungstechnik in Systemen mit Kunststoff-LWL sind wesentlich geringer als in Systemen mit Glas-LWL. Das ergibt sich aus dem großen Durchmesser und der großen numerischen Apertur des Kunststoff-LWL, aber auch aus der Tatsache, dass an die Reflexionsdämpfungen der Steckverbinder keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Die miteinander gekoppelten Stirnflächen sind stets eben und somit einfach herstellbar. Nichtlösbare Verbindungen (Spleiße) kommen derzeit in der Kunststoff-LWL-Technik nicht zum Einsatz. Wegen der relativ kurzen Strecken erfolgt im Allgemeinen keine LWL-LWL-Kopplung. Meist geht es um die Kopplung des Kunststoff-LWL an die Sende- und Empfangsbauelemente. Bei Systemen ohne Stecker wird die Kunststoff-LWL-Ader direkt in das aktive Bauelement eingesetzt. Das ist beispielsweise mit einer Klemmverbindung möglich. Man spart dabei das Konfektionieren des Steckers sowie den Stecker selbst. Dennoch ist es erforderlich, die Stecker-Stirnfläche sauber zu präparieren. Als Stecker kommen teilweise bereits in der Glas-LWL-Technik standardisierte Systeme zum Einsatz. Daneben wurden spezifische Lösungen für den Kunststoff-LWL entwickelt. Typische Stecksysteme sind FSMA (Schraubverschluss), ST (Bajonettverschluss) und die Push-Pull-Systeme Versatile Link (Hewlett Packard), F05 oder F07 (japanische Standards) sowie neuerdings SC bzw. SC-RJ. Die Stirnflächen-Präparation erfolgt entweder durch einfaches Schneiden, durch Schleifen und Polieren, wie aus der Glastechnik bekannt, oder durch Schmelzen (Hot-Plate-Verfahren). Die beiden letzten genannten Verfahren ermöglichen eine geringe Einfügedämpfung. Mit dem Hot-Plate-Verfahren wird eine vergleichsweise hohe Produktivität erreicht. 6.4.4 Passive optische Komponenten Analog zur Glas-LWL-Technik können auch in Kunststoff-LWL-Systemen Koppler und Dämpfungsglieder zum Einsatz kommen. Koppler dienen dazu, optische Signale auf mehrere Signalwege aufzuteilen bzw. diese Signale aus mehreren Signalwegen zusammenzuführen (Abschnitt 5.6.4). Als ein mögliches Abzweig-Prinzip nutzt man die Eigenschaften des ebenen Wellenleiters. Die Herstellung dieser Abzweige erfolgt mit dem sogenannten Ligaverfahren (Abkürzung für Lithographie, Galvanoformung, Abformung). Man erzielt eine Einfügedämpfung von < 5 dB mit einem 1 x 2-Koppler und von < 10 dB mit einem 1 x 4- Koppler. 63520_Eberlein_SL4.indd 337 63520_Eberlein_SL4.indd 337 12.11.2020 12: 56: 52 12.11.2020 12: 56: 52 <?page no="357"?> 338 6 Optische Übertragungssysteme 338 6.4.5 Einsatz von Kunststoff-Lichtwellenleitern Kunststoff-LWL werden in der Datenkommunikation, in Wohnungen und Gebäuden, in Autos, Zügen und Flugzeugen sowie in Navigationssystemen und Türkontrollen, in der Sensor-, HiFi-, Anzeigen- und Beleuchtungstechnik und in der Bildübertragung verwendet. Der Einsatz des Kunststoff-LWL in PKWs der oberen Preisklasse führt zu einem starken Wachstum des Marktes und einem starken Preisverfall. Auch die Flugzeugindustrie (Boeing) überprüft die Möglichkeit, den Kupferleiter in nichtsicherheitsrelevanten Bereichen durch den Kunststoff-LWL zu ersetzen. In Japan ist der Kunststoff-LWL bereits das dominierende Medium zur Übertragung von digitalen Rundfunksignalen. TV-Decoder, HiFi-Technik, PC-Notebooks und digitale elektronische Kameras werden wegen der Immunität gegenüber elektromagnetischer Beeinflussung mit Kunststoff-LWL verbunden. Seit Mitte 1995 arbeiten eine Reihe der bedeutendsten Telekommunikationsunternehmen und Hersteller von Kommunikationstechnik im Rahmen der Full Service Access Network (FSAN)-Aktion zusammen. Das Hauptziel dieser Aktion ist die Definition einer möglichst einheitlichen Strategie zur Einführung breitbandiger digitaler interaktiver Teilnehmeranschlüsse für private und kleine geschäftliche Kunden. Ein Schwerpunkt der FSAN-Arbeit war die Untersuchung der Möglichkeiten für die Gestaltung von breitbandigen Netzen in Wohnungen und Gebäuden. Neben verdrillten Doppeladern oder Koaxialkabeln kann der Kunststoff-LWL eine interessante Alternative sein. Durch die Fiber-to-the-Home-Projekte ist diese Anwendung hochaktuell. Er ist beispielsweise für die Netzebene 5 geeignet (Abschnitt 5.6.5). Typische Streckenlängen von 70 m können mit dem herkömmlichen Kunststoff-LWL überbrückt werden. Das ist ausreichend für kleine Büro- oder Heimnetze. Durch weiterentwickelte aktive Komponenten sind Entfernungen bis 150 m realisierbar. 6.4.6 Weitere Entwicklungen Die prognostizierte Leistungsfähigkeit des Kunststoff-LWL ist wesentlich größer als sie derzeit genutzt wird. So wird seit längerem über einen Kunststoff-LWL mit Gradientenprofil berichtet. In einem solchen Lichtwellenleiter wird die Modendispersion minimiert. Die Gradientenprofil-Kunststoff-LWL haben geringere Kerndurchmesser und ein wesentlich höheres Bandbreite-Längen-Produkt als der Stufenprofil-Kunststoff-LWL. Zur Herstellung von Gradientenprofil-Kunststoff-LWL verwendet man sogenanntes deuteriertes PMMA. Dieses Material besitzt einen anderen Dämpfungsverlauf als das herkömmliche Polymethylmethacrylat. Mit einem solchen Lichtwellenleiter wurde bereits eine Übertragung von 1 Gbit/ s über 30 Meter und von 2,5 Gbit/ s über 100 Meter realisiert. 63520_Eberlein_SL4.indd 338 63520_Eberlein_SL4.indd 338 12.11.2020 12: 56: 53 12.11.2020 12: 56: 53 <?page no="358"?> 6 Optische Übertragungssysteme 339 339 Auch über Singlemode-Kunststoff-LWL mit Kerndurchmessern von 3 µm bis 15 µm wurde berichtet. Da man von der theoretischen Dämpfungsgrenze vor allem im nahen Infrarotbereich noch weit entfernt ist, spielen die Singlemode-Kunststoff-LWL vorerst keine Rolle. Denn solange das System dämpfungsbegrenzt und nicht dispersionsbegrenzt ist, ist es wenig sinnvoll, die Reduktion der Dispersion weiter voranzutreiben. Außerdem muss man viele Vorteile des Kunststoff-LWL, wie den großen Kerndurchmesser und die große numerische Apertur, aufgeben. Parallel zur Weiterentwicklung des Kunststoff-LWL werden auch die zugehörigen Komponenten verbessert. 6.4.7 Zusammenfassung Kunststoff-LWL sind eine preiswerte Alternative zu Glas-LWL, wenn die Anforderungen an die Streckenlängen und Bandbreiten gering sind. Kunststoff-LWL-Systeme erfordern die Entwicklung spezifischer Komponenten. Diese weisen heute ein gutes technologisches Niveau auf. Die Einsatzfelder der Kunststoff- LWL-Systeme sind sehr breit gefächert. Eine große Rolle spielt die Autoindustrie und die Heimvernetzung. Das Leistungsvermögen des Kunststoff-LWL ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Sobald ein preiswerter Gradientenprofil-Kunststoff-LWL zur Verfügung steht, wird der Kunststoff-LWL auch in den lokalen Netzen zum Einsatz kommen und damit eine noch größere Bedeutung erlangen. 6.5 Optische Freiraumübertragung Eine interessante Lösung, ein lokales Netz zu realisieren, insbesondere „die letzte Meile“ zu überbrücken, ist die optische Freiraumübertragung [6.2], [6.3] (Free Space Optic: FSO). Optische Freiraumübertragungs-Systeme unterstützen verschiedene Schnittstellen wie Ethernet (10 Mbit/ s-Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit-Ethernet, 10 Gigabit-Ethernet) und SDH (STM-1, STM-4, STM-16, STM-64). Die optische Freiraumübertragung bietet eine Alternative zum Richtfunk, aber auch zur LWLgebundenen optischen Übertragung. 6.5.1 Vergleich mit herkömmlichen Verfahren Analog zum Richtfunk, wo sich elektrische Signale durch den freien Raum ausbreiten, kann man auch ein optisches Signal übertragen (optische Freiraumübertragung, optische Richtfunktechnik). Die ersten Versuche zur Realisierung einer optischen Freiraumübertragung sind viel älter als die elektrische Signalübertragung oder die optische Übertragung über Lichtwellenleiter. 63520_Eberlein_SL4.indd 339 63520_Eberlein_SL4.indd 339 12.11.2020 12: 56: 53 12.11.2020 12: 56: 53 <?page no="359"?> 340 6 Optische Übertragungssysteme 340 Die optische Freiraumübertragung wurde durch Rauchzeichen, mit Flügeltelegrafen, durch ein Photophon, durch Flaggen-Signalisierung, Lichtmorsen usw. mit sehr einfachen technischen Mitteln realisiert. Bild 6.24: Vergleich optischer und elektrischer Signalübertragung ohne und mit Trägermedium (Lichtwellenleiter bzw. Kupfer) nach [6.2] Mit der Erfindung des Lasers 1960 und der fortschreitenden Entwicklung der Sender- und Empfängerkomponenten ist die optische Freiraumübertragung heute sehr leistungsfähig. Die optische Freiraumübertragung kann sich nur dort durchsetzen, wo sie Vorteile gegenüber dem Richtfunk und/ oder der LWL-Übertragung hat. Sie wird nur innerhalb ganz bestimmter Segmente eine Berechtigung haben, da die alternativen Verfahren einen hohen technischen Stand aufweisen. Bild 6.24 zeigt den Vergleich verschiedener Verfahren (von oben nach unten): optische Freiraumübertragung, optische Übertragung über Lichtwellenleiter, (elektrischer) Richtfunk, elektrische Übertragung über Kupferleiter. Die optische Freiraumübertragung hat folgende Vorteile gegenüber dem Richtfunk: • Die Strahlaufweitung beträgt weniger als 0,1°. Dies ermöglicht eine sehr gute Bündelung der Strahlung des Senders auf den Empfänger. Zum Vergleich: Der Öffnungswinkel der Abstrahlung beträgt beim Richtfunk 1° bis 2,5°. • Durch die hohe Richtwirkung treten keine Beeinflussungen zwischen benachbarten Anlagen auf. • keine Störungen durch Überreichweiten • Hohe Abhörsicherheit, da nur wenig Licht gestreut wird. Es müsste ein Fremdempfänger in den Strahl gebracht werden. Dies kann durch den Empfänger registriert werden. • elektromagnetische Verträglichkeit • keine Restriktionen bezüglich Frequenzbandnutzung 63520_Eberlein_SL4.indd 340 63520_Eberlein_SL4.indd 340 12.11.2020 12: 56: 53 12.11.2020 12: 56: 53 <?page no="360"?> 6 Optische Übertragungssysteme 341 341 • Übertragungsgeschwindigkeit bis in den Gbit/ s-Bereich • weitgehende Transparenz bezüglich Datenrate und Codierung • Für die optoelektronische Signalwandlung können in der Regel Bauelemente eingesetzt werden, die auch in der LWL-Übertragung in großen Stückzahlen Anwendung finden. • geringe Beschaffungs- und Betriebskosten • vergleichsweise einfache rechtliche Vorgaben Die optische Freiraumübertragung hat folgende Vorteile gegenüber der LWL- Übertragung: • Die Installation der optischen Sende-Empfangs-Geräte auf dem Dach oder hinter Glasfenstern kann in wenigen Stunden erfolgen. • Der Anfangs- und Endpunkt der Übertragung ist variabel wählbar. • Hohe Kostenersparnis, da weder ein Trägermedium (Lichtwellenleiter) noch deren Verlegung (Erdarbeiten) erforderlich sind. Die hohen Investitionen nimmt man nur in Kauf, wenn die Verbindung für 20 bis 30 Jahre Lebensdauer ausgelegt ist. 6.5.2 Einsatzfelder Die optische Freiraumübertragung kommt zum Einsatz: • innerhalb von geschlossenen Räumen: Fernsteuerung von Geräten der Unterhaltungselektronik Datenübertragung zwischen PC und einer peripheren Einheit Übertragung zwischen dem Datennetz und einer mobilen Endeinrichtung • im Weltall zur Verbindung zwischen Nachrichtensatelliten. • außerhalb von geschlossenen Räumen in der Atmosphäre zur Realisierung von LAN-Netzen. Der Einsatz in geschlossenen Räumen ist milliardenfach verbreitet und hat keine vernünftige Alternative. Diese Art der Freiraumübertragung ist wegen der geringen Entfernungen und der vernachlässigbaren atmosphärischen Einflüsse unproblematisch. Der Einsatz im Weltall (Intersatellite Links) erlangt wegen der großen Zahl an Satelliten, die vor allem für Mobilfunknetze auf erdnahen Umlaufbahnen kreisen, zunehmend Bedeutung. Diese müssen sich bei der Übertragung genau anpeilen und dürfen benachbarte Satelliten nicht stören. Wegen der wesentlich besseren Richtwirkung der optischen Freiraumübertragung wird hier die Richtfunktechnik zunehmend abgelöst. Das dritte Einsatzfeld (Realisierung von LAN-Netzen) wird im Folgenden behandelt. 6.5.3 Prinzip der optischen Freiraumübertragung Das Prinzip der optischen Freiraumübertragung besteht darin, dass ein optischer Sender im Brennpunkt einer Linse angeordnet wird, die den Strahlengang annähernd parallelisiert. Am Ende der Übertragungsstrecke fokussiert eine zweite Linse das ankommende Strahlenbündel auf einen Empfänger. 63520_Eberlein_SL4.indd 341 63520_Eberlein_SL4.indd 341 12.11.2020 12: 56: 54 12.11.2020 12: 56: 54 <?page no="361"?> 342 6 Optische Übertragungssysteme 342 Zwischen den Endpunkten der Strecke muss Sichtverbindung bestehen. Die optische Freiraumübertragung ist in allen drei optischen Fenstern möglich. Für diese Wellenlängen stehen leistungsfähige Sender und Empfänger zur Verfügung. Im ersten optischen Fenster kommen zunehmend VCSEL (Abschnitt 1.4.3) zum Einsatz. Bild 6.25 zeigt eine mögliche Realisierung der optischen Freiraumübertragung unter Nutzung einer koaxialen Optik. Die Anordnung ist symmetrisch aufgebaut und arbeitet bidirektional. Signalverlauf von links nach rechts: Das ankommende elektrische Signal (Pfeil links unten) wird mit einer Lumineszenzdiode oder einer Laserdiode in ein optisches Signal gewandelt. Es gelangt über einen Lichtwellenleiter in den kombinierten Sende- und Empfangskopf. Im Punkt A endet der Lichtwellenleiter mit einer senkrechten Stirnfläche. Bild 6.25: Bidirektionale optische Freiraumübertragung Von dort tritt das Licht in den freien Raum aus. Der Divergenzwinkel ergibt sich aus der numerischen Apertur des Lichtwellenleiters. Der Punkt A befindet sich im hinteren Brennpunkt einer Sendeoptik mit der Brennweite f S (kleine Linse). Diese wandelt den divergenten Strahl theoretisch in ein exakt paralleles Strahlenbündel. In der Praxis gibt es verschiedene Effekte, die Abweichungen vom parallelen Strahlengang bewirken: Endliche Ausdehnung der Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters, nicht idealer Korrekturzustand der Linse. Vor allem die sphärische Aberration der Linse muss gut korrigiert sein. Das ist umso wichtiger, je größer der Durchmesser der Linse und die numerische Apertur der Anordnung ist. Aber auch Beugungseffekte bewirken Abweichungen von der Parallelität. Untersuchungen haben gezeigt, dass es nicht sinnvoll ist, die hohe Richtwirkung der optischen Anordnung auszuschöpfen. Denn ein sehr schmaler Strahl erfordert eine hohe Stabilität seiner optischen Achse, damit der Empfänger getroffen werden kann. Die Richtungsstabilität des abgestrahlten Bündels muss eine engere Toleranz aufweisen als der Divergenzwinkel des Strahls. Als brauchbare Divergenzwinkel haben sich 3 mrad, also weniger als 0,2°, erwiesen. Bei Systemen mit automatischer Strahlnachführung (Auto-Tracking), die Instabilitäten des Montagestandortes ausgleichen, sind Winkel von 0,5 mrad sinnvoll. 63520_Eberlein_SL4.indd 342 63520_Eberlein_SL4.indd 342 12.11.2020 12: 56: 54 12.11.2020 12: 56: 54 <?page no="362"?> 6 Optische Übertragungssysteme 343 343 Der aufgeweitete Strahl trifft auf eine Empfangsoptik, die einen wesentlich größeren Durchmesser hat, um möglichst viel von dem schwach divergenten Strahl zu erfassen (große Linse in Bild 6.25). Die Empfangsoptik hat in der Mitte eine Bohrung, in der sich die Sendeoptik befindet, die in entgegengesetzte Richtung strahlt. So wird gewährleistet, dass die Optiken koaxial aufgebaut sind, wodurch eine parallaxenfreie vollkommen symmetrische Übertragung möglich wird. Im Bereich der Sendeoptik ist die Empfangsoptik blind. Man nimmt diesen relativ kleinen Verlust in Kauf. Im hinteren Brennpunkt der Empfangsoptik mit der Brennweite f E wird das Licht in einen Lichtwellenleiter mit möglichst großem Durchmesser eingekoppelt. Dabei wird die numerische Apertur der Optik an die numerische Apertur des Lichtwellenleiters angepasst. Schließlich gelangt das Licht zu einer Empfängerdiode und wird in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Strahlverlauf in entgegengesetzter Richtung ist identisch. Gegenseitige Beeinflussungen gibt es nicht. 6.5.4 Besonderheiten der optischen Freiraumübertragung Die oben besprochenen Effekte der Strahlaufweitung bewirken eine sogenannte „geometrische Grunddämpfung“, die einen definierten und stabilen Wert hat (Abschnitt 6.5.6). Nicht reproduzierbar und schwierig kalkulierbar sind die Einflüsse der Atmosphäre, des Klimas und der Sonneneinstrahlung, die eine Erhöhung der Dämpfung und des Rauschens bewirken. Diese Einflüsse können bis zum Systemausfall führen. Somit ist die Übertragungssicherheit geringer als bei der (elektrischen) Richtfunktechnik. Immerhin ist man heute in der Lage bei einer Streckenlänge von einem Kilometer im Jahresmittel in Frankfurt/ M. eine Verfügbarkeit von 99,9 % und in Dresden von 99,3 % zu realisieren. Das wird auch dadurch möglich, weil die optischen Freiraumübertragungssysteme in der Regel auf der Sende- und Empfangsseite optische Verstärker enthalten. Dämpfungen des optischen Freiraumsignals entstehen durch molekulare Absorption an Gasen, die sich in der Atmosphäre befinden, und durch Streuung an Wassertröpfchen. Vor allem Dunst, Nebel, Schneefall und Regen lassen die Dämpfung ansteigen (Tabelle 6.9). Wetter Dämpfung in dB/ km Tabelle 6.9: Dämpfung der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Wetterlage klares Wetter 3 Regen (30 mm/ h) 10 Wolkenbruch (100 mm/ h) 17 mäßiger Schneefall 17 Schneesturm 30 leichter Nebel 30 starker Nebel 100 Wolken 300 63520_Eberlein_SL4.indd 343 63520_Eberlein_SL4.indd 343 12.11.2020 12: 56: 54 12.11.2020 12: 56: 54 <?page no="363"?> 344 6 Optische Übertragungssysteme 344 Turbulenzen bewirken schnelle Schwankungen der Dämpfung. Durch Luftdruck- und Temperaturschwankungen ändert sich die Brechzahl der Luft. Eine Brechzahlschwankung bewirkt wie beim Gradientenprofil-LWL eine Veränderung der Richtung des Strahls. Wenn die Strahlenführung nur wenig über der Erdoberfläche erfolgt und eine starke Sonneneinstrahlung herrscht, sind die Turbulenzen stark. Auch Sturm und Temperaturänderungen können die Stabilität der Übertragung beeinflussen. Die optische Achse verändert sich, dies führt zur Auswanderung des Strahlungskegels. Dadurch kommt es zu starken Schwankungen des empfangenen Signals. Schließlich verursacht auch das Sonnenlicht Störungen. Die zum Fokussieren des Lichts notwendige Optik kann auch das Sonnenlicht auf die Sende- und Empfangselemente konzentrieren, was zu einer Zerstörung durch Überhitzung führen kann. Die indirekte Sonneneinstrahlung, die Licht aus einem breiten Frequenzspektrum auf den Empfänger wirft, löst im Empfänger störendes Rauschen aus, das die Qualität der Übertragung deutlich herabsetzt. Man kann diese Effekte durch eine spektrale Bandfilterung unterdrücken. Weiterhin können Abschattungen des Empfangssignals auftreten, wenn innerhalb der Öffnungswinkel der Sendebzw. Empfangsoptik Hindernisse wirksam werden. Das können durchfliegende Vögel, kleine Kondenswolken aus Heizungsschächten oder auch Baukräne und Bäume sein. 6.5.5 Optische Freiraumübertragungssysteme Ein Entwickler von optischen Freiraumübertragungssystemen wird mit anderen Problemen konfrontiert als ein Entwickler LWL-gebundener Systeme. Er muss mit wesentlich höheren Systemreserven kalkulieren und Lösungen finden, die klimatisch bedingten Schwankungen auszugleichen. Ziel ist, eine Informationsübertragung mit definierter Übertragungssicherheit zu gewährleisten. Starke Leistungsschwankungen können durch eine große Dynamik des Empfängers beherrscht werden. Außerdem ist es möglich, die Sendeleistung adaptiv an die Dämpfung der Übertragungsstrecke anzupassen. Dazu wird die Streckendämpfung mit Hilfe eines Pilotsignals während des Betriebs gemessen. Dynamische Veränderungen durch Turbulenzen werden rein optisch minimiert. Dabei wird berücksichtigt, dass der Durchmesser der Turbulenzzellen, in denen die Schwankungen korreliert sind, nur wenige Zentimeter beträgt. Ist der Durchmesser der Empfangsoptik wesentlich größer als der Durchmesser der Turbulenzzellen, sind die Schwankungen der entsprechenden Empfangssignale nicht mehr vollständig korreliert. Summiert man diese Anteile, so verringert sich die Streuung der Schwankung. 63520_Eberlein_SL4.indd 344 63520_Eberlein_SL4.indd 344 12.11.2020 12: 56: 55 12.11.2020 12: 56: 55 <?page no="364"?> 6 Optische Übertragungssysteme 345 345 Unter Verwendung einer Empfangslinse mit einem sehr großen Durchmesser könnten die Turbulenzeffekte minimiert werden. Der Preis gut korrigierter Linsen steigt jedoch bei Durchmessern größer als 100 mm sehr stark an. Alternativ überträgt man mehrere parallele Strahlen mit hinreichendem Abstand, die alle in gleicher Weise mit dem zu übertragenden Signal moduliert werden (optisches Mehrstrahl-Übertragungssystem; Bild 6.26). Bei diesen Systemen ist es sehr unwahrscheinlich, dass die gesamte Schwundreserve durch Vogelflug aufgebraucht wird. Kritischer ist vor allem im dicht bebauten Stadtgebiet die warme Abluft aus Heizungsanlagen. Mehrstrahl-Übertragungs-Systeme sind mit zwei, vier oder acht Strahlen verfügbar. Das von mehreren parallel angesteuerten Lumineszenzdioden oder Lasersendern kommende Signal wird über Lichtwellenleiter mehreren Sendeoptiken zugeführt. Diese fokussieren die Strahlung in die Empfangsebene. Das Empfangssignal wird ebenfalls von mehreren Optiken aufgenommen und über ein Additionsglied auf den optischen Empfänger geführt. 6.5.6 Budgetkalkulation Die oben besprochenen Effekte der Strahlaufweitung bewirken eine geometrische Grunddämpfung. Diese Dämpfung wird ab dem Abstand wirksam, ab dem die Empfangsoptik voll ausgeleuchtet wird. Vergrößert sich der Abstand zwischen Sender und Empfänger, kann nicht mehr die gesamte Leistung detektiert werden. Die Dämpfung erhöht sich proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen Sender und Empfänger. Bild 6.26: Optisches Richtfunksystem (Quelle: Lightpointe) 63520_Eberlein_SL4.indd 345 63520_Eberlein_SL4.indd 345 12.11.2020 12: 56: 55 12.11.2020 12: 56: 55 <?page no="365"?> 346 6 Optische Übertragungssysteme 346 Die geometrische Grunddämpfung hängt ab von den Durchmessern der Sendelinse und der Empfängerlinse, von der Streckenlänge und dem Divergenzwinkel der Strahlung hinter der Sendelinse. Licht wird zwischen der Sender- und der Empfängerdiode mehrfach in Lichtwellenleiter einbzw. ausgekoppelt. Diese Koppelverluste werden zusammen mit den Verlusten, die durch die teilweise Reflexion und Absorption an den Linsen auftreten, als optische Verluste bezeichnet. Sie liegen bei 4 dB. Bei unsachgemäßer Justage bzw. Inbetriebnahme eines FSO-Systems können Ausrichtungsverluste entstehen. In diesem Fall trifft der Lichtstrahl nicht mehr voll auf die Empfangslinse und ein Teil der Leistung geht verloren. Durch präzise Ausrichtung sind diese Verluste vermeidbar. Streckenlänge geometrische Grunddämpfung Schwundreserve zulässige maximale Streckendämpfung 1 km 23 dB 20 dB 20 dB/ km*) 2 km 29 dB 14 dB 7 dB/ km**) 3 km 32,5 dB 10,5 dB 3,5 dB/ km***) Tabelle 6.10: Beispiele für überbrückbare Streckenlängen *) Entsprechend Tabelle 6.9 ist eine Übertragung noch möglich bei Wolkenbruch (100 mm/ h) oder mäßigem Schneefall. **) Entsprechend Tabelle 6.9 ist eine Übertragung möglich bei leichtem Regen. ***) Entsprechend Tabelle 6.9 ist eine Übertragung noch möglich bei klarem Wetter. Beispiel (Tabelle 6.10): • optische Sendeleistung: +7 dBm • Empfängerempfindlichkeit: -40 dBm • optische Verluste: 4 dB • verfügbares Dämpfungsbudget (Dynamik): 43 dB 6.5.7 Zusammenfassung und Ausblick Die optische Freiraumübertragung hat sich als ernst zu nehmende Alternative zur Richtfunktechnik und zur kabelgebundenen Übertragung etabliert. Sie kommt in geschlossenen Räumen, außerhalb geschlossener Räume und im Weltall zum Einsatz. Die Übertragungsqualität wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, die zu einer starken Erhöhung der Streckendämpfung bis hin zum Systemausfall führen können. Dadurch werden die Einsatzfelder der optischen Freiraumübertragung eingeschränkt. Trotz statistischer Schwankungen des optischen Freiraumsignals ist es möglich, durch innovative Verfahren die Zuverlässigkeit beträchtlich zu steigern. Optische Freiraumübertragungs-Systeme stehen für unterschiedliche Datenraten und Reichweiten zur Verfügung. Neben den Optionen der adaptiven Leistungsanpassung, der Mehrstrahltechnik und der integrierten Scheibenheizung kommen für hö- 63520_Eberlein_SL4.indd 346 63520_Eberlein_SL4.indd 346 12.11.2020 12: 56: 55 12.11.2020 12: 56: 55 <?page no="366"?> 6 Optische Übertragungssysteme 347 347 herwertige Systeme auch optische Verstärker auf der Senderseite und das Tracking- System zum Einsatz, welches bei Veränderungen der Abstrahlrichtung den Strahl automatisch nachführt. Dadurch werden Instabilitäten ausgeglichen. Neuerdings gibt es auch Systeme, die in der Lage sind, eigendynamisch die Form des übertragenden Laserstrahls an die aktuellen Umgebungsbedingungen anzupassen (optische Strahlanpassung: Optical Beam Shaping (OBS)). Bei schlechtem Wetter (erhöhte Dämpfung der Atmosphäre) wird der Querschnitt des Sendestrahls automatisch verringert, um die optische Leistung zu fokussieren. Für die Multimode-Übertragung hat sich die Wellenlänge 850 nm und für die Singlemode-Übertragung die Wellenlänge 1550 nm durchgesetzt. Kommerzielle optische Freiraumübertragungssysteme erreichen Entfernungen bis zu einigen Kilometern mit Datenraten bis zu 2,5 Gbit/ s. Datenraten bis 10 Gbit/ s wurden bereits realisiert. Die Weiterentwicklung der optischen Freiraumübertragung wird vor allem die Erhöhung der Verfügbarkeit zum Ziel haben. Kommerziell verfügbar sind Übertragungssysteme für die Überbrückung von Streckenlängen bis 3.000 m und für die Übertragung von Datenraten bis 1 Gbit/ s. Der anstehende 5G-Ausbau erfordert viele kleine Zellen zusätzlich zu den existierenden Makrozellen. Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut hat ein FSO-System auf der Basis von Infrarot-LEDs entwickelt, welches diese Anforderungen erfüllt. Es ist geeignet: • für eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung in industrieller Umgebung • für eine Gebäude-zu-Gebäude-Verbindung • als Redundanz zu verkabelten Strecken Das FSO-System hat folgende Parameter: • Datenrate 500 Mbit/ s über 100 m • Datenrate 250 Mbit/ s über 200 m • bidirektionale Übertragung • geringe Latenz (< 2 ms) 6.6 Literatur [6.1] W. Daum, J. Krauser, P. E. Zamzow, O. Ziemann: POF-Handbuch. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin 2007. [6.2] A. Bluschke: Zugangsnetze für die Telekommunikation. 1. Auflage Carl Hanser Verlag, München Wien 2004. Abschnitt 7.3 von E. Kube: Optischer Richtfunk. [6.3] ITU-T G.640: Co-location longitudinally compatible interfaces for free space optical systems, 03/ 2006. 63520_Eberlein_SL4.indd 347 63520_Eberlein_SL4.indd 347 12.11.2020 12: 56: 56 12.11.2020 12: 56: 56 <?page no="367"?> 348 7 Anhang Dieter Eberlein 7.1 Abkürzungen Siehe auch Abschnitt 7.2. 10 GbE 10 Gigabit-Ethernet 10GE-PON 10 Gbit/ s-Ethernet-PON 40 GbE 40 Gigabit-Ethernet 100 GbE 100 Gigabit-Ethernet ACA Active Core Alignment: aktive Kernzentrierung AES Advanced Encryption Standard ATM Asynchronous Transfer Mode AWG Arrayed Waveguide Grating AON Active Optical Network: aktives optisches Netz APC Angled Physical Contact: physischer Kontakt mit Schrägschliff APD Avalanche-Photodiode APON Asynchronous Transfer Mode PON APVD Advanced Plasma Vapor Deposition ASE Amplified Spontaneous Emission: spontane Emission im optischen Verstärker BER Bit Error Rate: Bitfehlerrate, Bitfehlerhäufigkeit BI bend-insensitive: biegeunempfindlich BiDi bidirektional BIF Bend Insensitive Fiber: biegeunempfindlicher LWL BPON Breitband-PON BW Bandwidth: Bandbreite CATV Kabel-TV C-Band konventionelles Übertragungsband (1530 nm bis 1565 nm) C & C Crimp & Cleave CO Central Office: Vermittlungsstelle CPE Customer Premises Equipment: Endkundengerät CSFP Compact SFP CVD Chemical Vapor Deposition CWDM Coarse Wavelength Division Multiplex: Grobes Wellenlängenmultiplex DB Duobinary DBR Distributed Bragg Reflector DCF Dispersion Compensating Fiber: dispersionskompensierende Faser 63520_Eberlein_SL4.indd 348 63520_Eberlein_SL4.indd 348 12.11.2020 12: 56: 56 12.11.2020 12: 56: 56 <?page no="368"?> 7 Anhang 349 349 DFB Distributed Feedback DGD Differential Group Delay: Differenzgruppenlaufzeit DMD Differential Mode Delay: Modenlaufzeitdifferenz DP Dual Polarization: zwei Polarisationen DS Downstream: flussabwärts DSF Dispersion-shifted fiber: dispersionsverschobener Lichtwellenleiter DT Dispersionstoleranz DWDM Dense Wavelength Division Multiplex: Dichtes Wellenlängenmultiplex EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier: erbiumdotierter Faserverstärker EF Encircled Flux: eingeschlossener Strahlungsfluss EMB effektive modale Bandbreite EMD Equilibrium Mode Distribution: Modengleichgewichtsverteilung EP2P Ethernet-Point-to-Point: Ethernet-Punkt-zu-Punkt EPON Ethernet-PON ETFE Ethylen-Tetrafluorethylen FBG Faser-Bragg-Gitter FC Fibre Connector: Faserstecker FCVD Furnace Chemical Vapor Deposition FDM Frequency Division Multiplex: Frequenzmultiplex FEC Forward Error Correction: Vorwärtsfehlerkorrektur FP Fabry-Perot FSAN Full Service Access Network FSO Free Space Optic: Optischer Richtfunk FTTB Fiber-to-the-Building: Faser bis zum Gebäude FTTC Fiber-to-the-Curb: Faser bis zum Bordstein FTTDp Fiber-to-the-Distribution-Point: Faser bis zum Verteilpunkt FTTH Fiber-to-the-Home: Faser bis ins Haus FTTN Fiber-to-the-Node FTTx Fiber-to-the-x, wobei x = B, C, H, N,… GBIC Gigabit Interface Converter (Transceiver) GbE Gigabit-Ethernet Ge Germanium GE-PON Gigabit Ethernet Passive Optical Network Gf-AP Glasfaser-Abschlusspunkt Gf-GV Glasfaser-Gebäudeverteiler Gf-NV Glasfaser-Netzverteiler Gf-TA Glasfaser-Teilnehmerabschlussdose GGL gewinngeführter Laser G-PCF PCF mit Gradientenprofil GPON Gigabit-PON GRIN Gradientenindex HCS Hard Clad Silica (Markenname) HDP Home Demarcation Point: Übergabepunkt in der Wohnung HDTV High Definition TV HFC Hybrid Fiber Coax: Mischung aus LWL- und koaxialer Infrastruktur 63520_Eberlein_SL4.indd 349 63520_Eberlein_SL4.indd 349 12.11.2020 12: 56: 57 12.11.2020 12: 56: 57 <?page no="369"?> 350 7 Anhang 350 HRL High Return Loss: hohe Rückflussdämpfung HWB Halbwertsbreite HÜP Hausübergabepunkt IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institut of Electrical and Electronic Engineers IGL indexgeführter Laser IL Insertion Loss: Einfügedämpfung InGaAs Indium-Gallium-Arsenid InGaAsP Indium-Gallium-Arsenid-Phosphit IOC Integrated Optic Circuit: integriert-optische Schaltung IOEC Integrated Optoelectronic Circuit: integrierte optoelektronische Schaltung IP Internetprotokoll IPA Isopropyl-Alkohol IPTV TV über Internet-Protokoll ISDN Integrated Services Digital Network ITU International Telecommunication Union ITU-T ITU Telecommunications Standardization Sector IVD Inside Vapor Deposition K-LWL Kunststoff-Lichtwellenleiter KVz Kabelverzweiger LAN Local Area Network: lokales Netz L-Band erweitertes Übertragungsband (1565 nm bis 1625 nm) LD Laserdiode LEAF Large Effective Area Fiber LED Light Emitting Diode: Lumineszenzdiode LFD Life Fiber Detector: Fasererkennungsgerät LID Light Injection and Detection (Kernausrichtung beim Spleißen) LSA Least Square Averaging: Anpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate LSZH Low-Smoke-Zero-Halogen: geringe Rauchentwicklung, halogenfrei LWL Lichtwellenleiter LWP Low Water Peak: geringer Wasserpeak MCVD Modified Chemical Vapor Deposition MEMS Micro-Electro-Mechanical System MFD Modenfelddurchmesser MM Multimode MMF Multimodefaser MPO Multipath Push On MTP Mechanical Transfer Push-On MUX Multiplexer MZ Mach-Zehnder NE3 Netzebene 3: Zugangsnetz NE4 Netzebene 4: Inhouse-Netz NE5 Netzebene 5: Wohnungsnetz 63520_Eberlein_SL4.indd 350 63520_Eberlein_SL4.indd 350 12.11.2020 12: 56: 57 12.11.2020 12: 56: 57 <?page no="370"?> 7 Anhang 351 351 NG Next Generation: nächste Generation NG-PON passives optisches Netz der nächsten Generation NRZ Non-Return-to-Zero NZDSF Non-Zero Dispersion Shifted Fiber OBS Optical Beam Shaping: optische Strahlanpassung OBO On Board Optics OFL Overfilled Launch: überfüllte Anregung OLT Optical Line Terminal/ Termination: optischer Leitungsabschluss OLTS Optical Loss Test Set: optisches Dämpfungsmessgerät OM Optical Mode: Kategorie zur Klassifizierung von Multimode-LWL ONT Optical Network Termination: optischer Netzabschluss; Glasfasermodem ONU Optical Network Unit: optische Netzeinheit OPM Optical Power Meter: optischer Leistungsmesser ORL Optical Return Loss: optische Rückflussdämpfung OSA optischer Spektrumanalysator OSFP Octal Small Form Factor Pluggable OSNR Optical Signal-to-Noise Ratio: optisches Signal-zu-Rausch-Verhältnis OTDR Optical Time Domain Reflectometer: optisches Rückstreumessgerät OVD Outside Vapor Deposition OWG Optical Waveguide P2MP Point-to-Multi-Point: Punkt-zu-Multi-Punkt P2P Point-to-Point: Punkt-zu-Punkt PAS Profile Aligning System (Kernausrichtung beim Spleißen) PC Physical Contact: physischer Kontakt (Berührung) PCD Polarization Chromatic Dispersion PCF Polymer Cladding Fiber PCVD Plasma Activated Chemical Vapor Deposition PIN Positive-Insulator-Negative (Detector): Typ einer Photodiode PLC Planar Lightwave (or Lightguide) Circuit: planare Lichtwellenleiterstruktur PM polarization-maintained: polarisationserhaltend PMD Polarization Mode Dispersion: Polarisationsmodendispersion PMF Polarization Maintained Fiber: polarisationserhaltende Faser PMMA Polymethylmethacrylat POF Plastic/ Polymer Optical Fiber: Kunststoff-Lichtwellenleiter PON Passive Optical Network: passives optisches Netz PS Power Solution PSP Principal States of Polarization: orthogonale Hauptzustände der Polarisation QPSK Quadratur Phase Shift Keying QSFP Quad Small Form Factor Pluggable RFoG Radio frequency over Glas RIC Rod-In-Cylinder RIT Rod-In-Tube ROI Return on Invest: Refinanzierungszeit 63520_Eberlein_SL4.indd 351 63520_Eberlein_SL4.indd 351 12.11.2020 12: 56: 58 12.11.2020 12: 56: 58 <?page no="371"?> 352 7 Anhang 352 SDM Space Division Multiplex: Raummultiplex SFF Small Form Factor SFP Small Form Pluggable Transceiver Si Silizium SM Singlemode SMF Singlemodefaser SNR Signal-to-Noise Ratio: Signal-zu-Rausch-Verhältnis SWDM Short Wavelength Division Multiplex TCE Thermal Core Expanding TDM Time-Division Multiplexing: Zeitmultiplex TDMA Time-Division Multiple Access TWDM-PON Time and Wavelength Division Multiplexed Passive Optical Network UHD Ultra High Definition UMD Uniform Mode Distribution: Modengleichverteilung UPC Ultra-Polished Connector US Upstream UV ultraviolett VAD Vapor Axial Deposition VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser: oberflächenemittierender Laser VDS Video Distribution Service: Videoverteildienst VDSL Very High-Bit Rate Digital Subscriber Line VFL Visual Fault Locator: Rotlichtsender zur Fehlersuche in Fasern VoD Video-on-Demand: Filme auf Abruf VoIP Voice over Internet Protocol WAN Wide Area Network WBMMF Wideband Multimode Fiber WDM Wavelength Division Multiplex: Wellenlängenmultiplex WDM Wavelength Division Multiplexer: wellenlängenselektiver Koppler WDM-PON passives optisches Netz mit Wellenlängenmultiplex-Übertragung WÜP Wohnungsübergabepunkt XG-PON 10 Gbit/ s-PON XGS-PON 10 Gbit/ s-PON; Datenraten symmetrisch ZWP Zero-Water-Peak: Lichtwellenleiter mit reduziertem Wasserpeak 7.2 Formelzeichen und Maßeinheiten a Dämpfung a Jahr a bidirektional gemittelte Dämpfung bei der Rückstreumessung a 12 , a 21 Stufen im Rückstreudiagramm a Koppler Dämpfung des Kopplers a R Reflexionsdämpfung a Res Systemreserve 63520_Eberlein_SL4.indd 352 63520_Eberlein_SL4.indd 352 12.11.2020 12: 56: 58 12.11.2020 12: 56: 58 <?page no="372"?> 7 Anhang 353 353 a S Rückstreudämpfung a Spleiß Spleißdämpfung a Stecker Steckerdämpfung a St Streckendämpfung max zul a maximal zulässige Streckendämpfung min erf a mindestens erforderliche Streckendämpfung ∆ a Differenz der Dämpfungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung A eff wirksamer Querschnitt des Lichtwellenleiters; effektive Fläche B Bandbreite B Doppelbrechnung BLP Bandbreite-Längen-Produkt c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum d radialer Versatz d K Kerndurchmesser d M Manteldurchmesser D Dynamik des Empfängers in Dezibel D CD Koeffizient der chromatischen Dispersion D MAT Koeffizient der Materialdispersion D WEL Koeffizient der Wellenleiterdispersion D S Rückstreufaktor dB Dezibel dBm Pegel; logarithmisches Leistungsmaß, bezogen auf 1 mW dB/ km Maßeinheit für den Dämpfungskoeffizient; Dämpfungsbelag DT Dispersionstoleranz E L Energie des Leitungsbandes E g Bandabstand E r Extinktionsverhältnis E V Energie des Valenzbandes EMB effektive modale Bandbreite, Laserbandbreite minEMBc minimale berechnete effektive modale Bandbreite f Frequenz ∆ f Frequenzbereich f S , f E Brennweite der Sendeoptik bzw. der Empfangsoptik (FSO) F Kraft F r Ausfallwahrscheinlichkeit (Wahrscheinlichkeit für eien Faserbruch) FEC Foward Error Correction: Vorwärtsfehlerkorrektur FIT Failure in Time: erwartete Anzahl der Ausfälle während 10 9 Stunden Betriebsdauer; Maßeinheit für die Fehlerrate FWHM Full Width at Half Maximum: Halbwertsbreite der Nahfeldintensität g Profilexponent beim Gradientenprofil-LWL Gbit/ s Maßeinheit für die Datenrate = 10 9 bit/ s GHz Maßeinheit für die Bandbreite = 10 9 Hz GPa Gigapascal = 1 GN/ m² = 1000 N/ mm² 63520_Eberlein_SL4.indd 353 63520_Eberlein_SL4.indd 353 12.11.2020 12: 56: 59 12.11.2020 12: 56: 59 <?page no="373"?> 354 7 Anhang 354 h Plancksches Wirkungsquantum Hz Hertz K Kelvin kbit/ s Maßeinheit für die Datenrate = 10 3 bit/ s km Kilometer KPSI Kilopound force per Square Inch I ph Photostrom I S Schwellstrom L LWL-Länge, Streckenlänge L Pegel in dBm max R L Sättigungspegel des Empfängers in dBm min R L Empfängerempfindlichkeit in dBm max T L maximal eingekoppelter Pegel in dBm min T L minimal eingekoppelter Pegel in dBm m Weibullexponent M Multiplikationsfaktor der Lawinen-Photodiode Mbit/ s Maßeinheit für die Datenrate = 10 6 Bit/ s MHz Maßeinheit für die Bandbreite = 10 6 Hz mrad Millirad ms Millisekunden mW Milliwatt n Brechzahl n Spannungskorrosionsempfindlichkeit n 0 Brechzahl außerhalb des Lichtwellenleiters n 1 Brechzahl des LWL-Kerns n 2 Brechzahl des LWL-Mantels n fast Brechzahl der schnellen Achse bei Doppelbrechung n gr Gruppenbrechzahl n ph Phasenbrechzahl n slow Brechzahl der langsamen Achse bei Doppelbrechung N Newton NA numerische Apertur nm Nanometer P 0 einfallende Leistung in mW P fast Leistung in der schnellen Achse P opt optische Leistung in mW max R P maximale Leistung, die Empfänger verarbeiten kann (Sättigungsleistung) min R P minimale Leistung, die Empfänger benötigt (Empfängerempfindlichkeit) P S zurück gestreute Leistung P slow Leistung in der langsamen Achse max T P maximale Leistung, die der Sender in die Faser koppelt 63520_Eberlein_SL4.indd 354 63520_Eberlein_SL4.indd 354 12.11.2020 12: 56: 59 12.11.2020 12: 56: 59 <?page no="374"?> 7 Anhang 355 355 min T P minimale Leistung, die der Sender in die Faser koppelt Pa Pascal PMD 1 PMD-Koeffizient 1. Ordnung PMD Q PMD Link Design Value: PMD-Konstruktionswert (lange Strecke) ppm parts per million: ein Millionstel ps Pikosekunde ps/ km Maßeinheit für den PMD-Koeffizient bei starker Modenkopplung q Ladung des Elektrons r Radius r K Kernradius R Reflexion R Bitrate, Datenrate R K Biegeradius rad Radiant: 1 rad = 57,29578° s axialer Versatz S( λ ) spektrale Empfindlichkeit S 0 Anstieg des Koeffizienten der chromatischen Dispersion bei der Nulldispersionswellenlänge λ 0 Si Silizium t Zeit T bit Dauer des digitalen Impulses, Bitlänge Tbit/ s Maßeinheit für die Datenrate = 10 12 bit/ s v Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Medium v gr Gruppengeschwindigkeit v ph Phasengeschwindigkeit V normierte Frequenz V C normierte Grenzfrequenz w 0 Modenfeldradius W Watt W Ph äquivalente Photonenenergie α Dämpfungskoeffizient α linearer Temperaturausdehnungskoeffizient α 1 Einfallswinkel α 2 Reflexionswinkel α Res Dämpfungskoeffizient der Systemreserve δ Abstand zwischen Rückstreukurve und Spitze der Reflexion ∆ relative Brechzahl ε 0 Dielektrizitätskonstante γ Winkelfehler η Quantenwirkungsgrad η Koppelwirkungsgrad 63520_Eberlein_SL4.indd 355 63520_Eberlein_SL4.indd 355 12.11.2020 12: 56: 59 12.11.2020 12: 56: 59 <?page no="375"?> 356 7 Anhang 356 η Viskosität λ Wellenlänge λ 0 Nulldispersionswellenlänge λ C Grenzwellenlänge des Lichtwellenleiters λ g Grenzwellenlänge der Empfängerdiode δλ spektrale Breite einer einzelnen Linie ∆λ Linienabstand µs Mikrosekunde θ Einfallswinkel auf die LWL-Stirnfläche σ Festigkeit σ p Faserspannung beim Durchlauftest σ th theoretische Festigkeit 〈∆τ〉 PMD-Wert, mittlere Differenzgruppenlaufzeit ∆ T Impulsverbreiterung durch Dispersion 7.3 Fachbegriffe Ablageverfahren: Verfahren zur Reduktion des Koppelverlustes einer Steckverbindung durch Ablegen der Kern-Mantel-Exzentrizitäten in einem Sektor. Absorption (Absorption): Schwächung von Strahlung beim Durchgang durch Materie infolge Wandlung in andere Energieformen, beispielsweise in Wärmeenergie. Bei Photodioden ist die Absorption der Vorgang, bei dem ein eintreffendes Photon vernichtet und mit seiner Energie ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband angehoben wird. Akzeptanzwinkel (Acceptance Angle): Größtmöglicher Winkel, unter dem das Licht im Bereich des LWL-Kerns auf die Stirnfläche einfallen kann, so dass es noch im LWL-Kern geführt wird. Auflösungsvermögen (Resolution): Erforderlicher Abstand zwischen zwei Ereignissen, damit das Rückstreumessgerät das zweite Ereignis noch exakt erkennen kann. Avalanche-Photodiode (Avalanche Photodiode): siehe Lawinenphotodiode. Bandabstand (Band Gap): Energetischer Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband eines Halbleiters. Der Bandabstand ist maßgebend für die Betriebswellenlänge des Senders. Bandbreite (Bandwidth): Die Frequenz, bei welcher die Lichtleistung (Intensität) auf die Hälfte seines Wertes im Vergleich zur Frequenz Null abgefallen ist. Bandbreite-Längen-Produkt (Bandwidth Length Product): Die Bandbreite des Lichtwellenleiters ist bei vernachlässigbaren Modenmischungs- und -wandlungsprozessen annähernd umgekehrt proportional zu seiner Länge. Somit ist das Produkt von Bandbreite und Länge annähernd konstant. Das Bandbreite-Längen-Produkt ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung der Übertragungseigenschaften von Multimode-LWL bei Anregung mit einer Lumineszenzdiode. 63520_Eberlein_SL4.indd 356 63520_Eberlein_SL4.indd 356 12.11.2020 12: 57: 00 12.11.2020 12: 57: 00 <?page no="376"?> 7 Anhang 357 357 Beschichtung (Primary Coating): Ist das bei der Herstellung des Lichtwellenleiters im direkten Kontakt mit der Glasoberfläche aufgebrachte Schichtsystem (innere Schicht: nicht farbig; äußere Schicht: eingefärbt). Besteht meist aus Acrylat oder Silikon. Typischer Durchmesser bei Telekommunikationsfasern: ca. 250 µm, neuerdings auch 200 µm. Schützt den Lichtwellenleiter vor dem Eindringen von Wasserstoff und vor weiteren chemischen Einflüssen. Die Beschichtung verhindert das Brechen des Lichtwellenleiters bei der Handhabung. Biege-Radius (Bend Radius): Zwei unterschiedliche Definitionen: • Minimaler Biegeradius, um den eine Faser gebogen werden kann, ohne zu brechen. • Minimaler Biegeradius, um den eine Faser gebogen werden kann, ohne einen bestimmten festgelegten Dämpfungswert zu überschreiten. Biege-Verlust (Bend Loss): Zusätzliche Dämpfung, die durch Faserbiegung entsteht. Ein erhöhter Biegeverlust kann durch Kabelherstellung (Mikrobiegungen) oder schlechte Kabelführung (Makrobiegungen) verursacht werden. Bit (Bit): Grundeinheit für die Information in digitalen Übertragungssystemen. Das Bit ist gleichbedeutend mit der Entscheidung zwischen zwei Zuständen 1 bzw. 0. Bits werden durch Impulse dargestellt. Eine Gruppe von acht Bits entspricht einem Byte. Bitfehlerrate (Bit Error Rate): Das Verhältnis der Anzahl der bei digitaler Signalübertragung in einem längeren Zeitraum im Mittel auftretenden Bitfehler zu der in diesem Zeitraum übertragenen Anzahl von Bits. Die Bitfehlerrate ist eine systemspezifische Kennzahl der Fehlerwahrscheinlichkeit. Die Standardforderung lautet BER < 10 -10 . In modernen Systemen fordert man BER < 10 -12 . Mittels Fehlerkorrekturverfahren (FEC) kann die Bitfehlerrate reduziert werden. Brechung (Refraction): Richtungsänderung, die ein Strahl (eine Welle) erfährt, wenn er/ sie aus einem Medium in ein anderes übertritt und sich die Brechzahlen in den beiden Medien unterscheiden. Brechungsgesetz (Snell’s Law): Beschreibt den Zusammenhang zwischen Eintritts- und Austrittswinkel bei der Brechung. Brechzahl, Brechungsindex (Refractive Index, Index of Refraction): Verhältnis von Vakuum-Lichtgeschwindigkeit zur Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium. Die Brechzahl hängt vom Material und der Wellenlänge ab. Brechzahldifferenz (Refractive Index Difference): Unterschied zwischen der größten im Kern eines Lichtwellenleiters auftretenden Brechzahl und der Brechzahl im Mantel. Die Brechzahldifferenz ist maßgebend für die Größe der numerischen Apertur des Lichtwellenleiters. Brechzahlprofil (Refractive Index Profile): Verlauf der Brechzahl über der Querschnittsfläche des LWL-Kerns. 63520_Eberlein_SL4.indd 357 63520_Eberlein_SL4.indd 357 12.11.2020 12: 57: 00 12.11.2020 12: 57: 00 <?page no="377"?> 358 7 Anhang 358 Chromatische Dispersion (Chromatic Dispersion): Impulsverbreiterung im Lichtwellenleiter, die durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der einzelnen Wellenlängenanteile des Lichtsignals hervorgerufen wird. Ist die im Singlemode-LWL dominierende Dispersionsart und setzt sich aus Material- und Wellenleiterdispersion zusammen. Crimp&Cleave (C & C): Verfahren zur einfachen Konfektionierung von Steckverbinder an PCF-Lichtwellenleiter durch Anritzen und Brechen des Glases (Spiegelbruch). Dämpfung (Attenuation): Verminderung der optischen Leistung im Lichtwellenleiter durch Streuung, Absorption bzw. Modenwandlung oder an einer Koppelstelle (Stecker, Spleiß). Die Dämpfung ist eine dimensionslose Größe und wird meist in Dezibel angegeben. Dämpfungsbegrenzung (Attenuation-Limited Operation): Begrenzung der überbrückbaren Übertragungsstrecke durch Dämpfungseffekte. Dämpfungskoeffizient, Dämpfungsbelag (Attenuation Coefficient): Ist die auf die LWL-Länge bezogene Dämpfung. Der Dämpfungskoeffizient wird in dB/ km angegeben und ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung des Lichtwellenleiters. Dämpfungstotzone: Minimaler Abstand hinter einem reflektierenden Ereignis, um die Dämpfung eines nachfolgenden Ereignisses messen zu können (OTDR-Messung). Datenrate: Übertragungsgeschwindigkeit eines Binärsignals. Dezibel (Decibel): Logarithmisches Leistungsverhältnis zweier Signale. DFB-Laser (Distributed Feedback Bragg Laser): Laserdiode mit einer sehr geringen spektralen Halbwertsbreite, bei der mittels einer periodischen Brechzahlstruktur auf dem Halbleitersubstrat nur ganz bestimmte Lichtwellenlängen reflektiert werden und eine einzige Resonanzwellenlänge verstärkt wird. Dichtes Wellenlängenmultiplex (Dense Wavelength Division Multiplex): Wellenlängenmultiplexverfahren mit sehr geringem Kanalabstand (typischer Wert: ca. 0,8 nm oder ca. 0,4 nm). Dispersion (Dispersion): Streuung der Gruppenlaufzeit in einem Lichtwellenleiter. Infolge der Dispersion erfahren die Lichtimpulse eine zeitliche Verbreiterung und begrenzen dadurch die Datenrate bzw. die Streckenlänge. Dispersionsbegrenzung (Dispersion-Limited Operation): Begrenzung der realisierbaren Übertragungsstrecke durch Dispersionseffekte. Dispersionsverschobener Lichtwellenleiter (Dispersion-Shifted Fiber): Singlemode- LWL mit verschobenem Nulldurchgang des Koeffizienten der chromatischen Dispersion (G.653). Dieser Lichtwellenleiter hat bei 1550 nm sowohl eine minimale chromatische Dispersion als auch eine minimale Dämpfung. 63520_Eberlein_SL4.indd 358 63520_Eberlein_SL4.indd 358 12.11.2020 12: 57: 01 12.11.2020 12: 57: 01 <?page no="378"?> 7 Anhang 359 359 Doppelbrechung (Birefringence): Eigenschaft, wonach die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwelle in einem Medium von der Orientierung des elektrischen Feldes (State of Polarization) abhängt. Doppelheterostruktur (Double Heterostructure): Schichtenfolge in einem optoelektronischen Halbleiterbauelement, bei der die aktive Halbleiterschicht von zwei Mantelschichten mit höherem Bandabstand begrenzt wird. Bei Laserdioden bewirkt die Doppelheterostruktur eine Eingrenzung der Ladungsträger und eine Lichtwellenleitung in der aktiven Zone. Dotierung (Doping): Definiertes Hinzufügen von geringen Mengen eines anderen Stoffes in eine reine Substanz, um deren Eigenschaften zu verändern. So wird die erhöhte Brechzahl des LWL-Kerns durch Dotierung der Grundsubstanz (Siliziumdioxid) beispielsweise mit Germaniumdioxid erreicht. Dotierungsstoffe (Dopant): Material, mit dem die Brechzahl verändert werden kann. Einfügemethode (Insertion Loss Technique): Methode zur Dämpfungsmessung, bei der das Messobjekt in eine Referenzstrecke eingefügt wird. Eingeschlossener Strahlungsfluss (Encircled Flux): In DIN EN 61280-4-1 definierte Leistungsverteilung über dem Kernquerschnitt, mit der der Multimode-LWL angeregt werden sollte, um eine reproduzierbare Dämpfungsmessung zu ermöglichen. Einmoden-LWL: siehe Singlemode-LWL. Elektrolumineszenz (Electroluminescence): Ist die direkte Umwandlung von elektrischer Energie in Licht. Elektromagnetische Welle (Electromagnetic Wave): Periodische Zustandsänderungen des elektromagnetischen Feldes. Im Bereich optischer Frequenzen werden sie Lichtwellen genannt. Elektro-optischer Wandler (Emitter): Halbleiterbauelement, in dem ein eingeprägter elektrischer Strom eine Strahlung im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich des Lichts erzeugt. Man unterscheidet Kanten- und Oberflächenemitter. Empfänger (Receiver): Baugruppe zum Umwandeln optischer Signale in elektrische. Sie besteht aus einer Empfangsdiode (PIN-Photodiode oder Lawinen-Photodiode) mit Koppelmöglichkeit an einen Lichtwellenleiter, einem rauscharmen Verstärker und elektronischen Schaltungen zur Signalaufbereitung. Empfängerempfindlichkeit, Grenzempfindlichkeit (Receiver Sensitivity): Die vom Empfänger für eine störungsarme Signalübertragung benötigte minimale Lichtleistung. Bei der digitalen Signalübertragung wird meist die Lichtleistung in mW oder der Pegel in dBm angegeben, mit der eine bestimmte Bitfehlerrate, beispielsweise 10 -10 , erreicht wird. Er + -Fasern: Lichtwellenleiter mit einem mit Erbium dotierten Kern zum Einsatz in optischen Verstärkern. 63520_Eberlein_SL4.indd 359 63520_Eberlein_SL4.indd 359 12.11.2020 12: 57: 01 12.11.2020 12: 57: 01 <?page no="379"?> 360 7 Anhang 360 Ereignistotzone: Minimaler Abstand zwischen zwei reflektierenden Ereignissen, um die beiden Ereignisse auflösen zu können (OTDR-Messung). Faser (Fibre, Fiber): Aus dem englischen Sprachraum übernommene Bezeichnung für den runden Lichtwellenleiter. Faserbändchen (Ribbon Fiber): Verbund von mehreren Fasern mit Primärcoating, die über einen weiteren gemeinsamen Mantel zusammengehalten werden (ähnlich Flachbandkabel). Fasererkennungsgerät (Live Fiber Detector): Messhilfsmittel, das die primärgeschützte Faser oder Ader biegt und die austretende Leistung misst. So kann überprüft werden, ob die Faser beschaltet ist. Unerwünschte Signalunterbrechungen können vermieden werden. Faserhülle (Fibre Buffer): siehe Beschichtung. Faserverstärker (Fiber Amplifier): Nutzt einen Laser-ähnlichen Verstärkungseffekt in einer Faser, deren Kern z.B. mit Erbium hochdotiert und mit einer optischen Pumpleistung bestimmter Wellenlänge angeregt wird. Felddurchmesser: siehe Modenfelddurchmesser. Ferrule (Ferule): Führungsstift bei LWL-Steckverbindern, in dem der Lichtwellenleiter fixiert wird. Materialien der Ferrulen sind korrosionsstabil, abriebfest und lassen sich mit hoher Präzision bearbeiten. Heute kommen Keramik oder Hartmetall zum Einsatz. Kunststoffe sind nur für einfache Anwendungen geeignet. Fibercurl: Eigenbiegung der Faser. Fresnelreflexion (Fresnel Reflection): Reflexion durch einen Brechzahlsprung. Fresnelverluste (Fresnel Reflection Loss): Dämpfung durch Fresnelreflexion. Geisterreflexionen (Ghosts): Störungen im Rückstreudiagramm infolge von Mehrfachreflexionen auf der LWL-Strecke. Germaniumdioxid GeO 2 (Germanium Dioxide): Eine chemische Verbindung, die am häufigsten als Stoff zur Dotierung des Kerns benutzt wird. Gradientenfaser (Graded Index Optical Waveguide): Lichtwellenleiter mit Gradientenindexprofil. Gradientenindexprofil (Graded Index Profile): Brechzahlprofil eines Lichtwellenleiters, das über der Querschnittsfläche des LWL-Kerns parabelförmig von innen nach außen abnimmt. 63520_Eberlein_SL4.indd 360 63520_Eberlein_SL4.indd 360 12.11.2020 12: 57: 01 12.11.2020 12: 57: 01 <?page no="380"?> 7 Anhang 361 361 Grenzwellenlänge (Cut-off Wavelength): Zwei verschiedene Bedeutungen: • Die kürzeste Wellenlänge, bei der die Grundmode des Lichtwellenleiters als einzige ausbreitungsfähig ist. Um den Einmodenbetrieb zu erzielen, muss die Wellenlänge des zu übertragenden Lichts größer als die Grenzwellenlänge sein. • Wellenlänge, oberhalb der die Empfindlichkeit der Empfängerdiode abrupt abfällt. Grenzwinkel (Critical Angle): Der Einfallswinkel eines Lichtstrahles beim Übergang aus einem Stoff mit höherer Brechzahl in einen Stoff mit niedrigerer Brechzahl, wobei der Brechungswinkel 90° ist. Der Grenzwinkel trennt den Bereich der total reflektierten Strahlen von dem Bereich der gebrochenen Strahlen, also den Bereich der im Lichtwellenleiter geführten Strahlen, von den nicht geführten Strahlen. GRIN-Linse: Glasstab von einigen Millimetern Durchmesser, der ein parabelförmiges Brechzahlprofil besitzt. Das Licht breitet sich annähernd sinusförmig aus. GRIN- Linsen kommen in der LWL-Technik als abbildende Elemente oder in Strahlteilern zum Einsatz. Grobes Wellenlängenmultiplex (Coarse Wavelength Division Multiplex): Preiswertes Wellenlängenmultiplex-Verfahren mit einem Kanalabstand von 20 nm. Grundmode (Fundamental Mode): Mode niedrigster Ordnung in einem Lichtwellenleiter mit annähernd gaußförmiger Modenfeldverteilung. Gruppenbrechzahl (Group Index): Quotient aus Vakuumlichtgeschwindigkeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Wellengruppe (Gruppengeschwindigkeit) beispielsweise eines Lichtimpulses in einem Medium. Gruppengeschwindigkeit (Group Velocity): Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Wellengruppe, beispielsweise eines Lichtimpulses, die sich aus einzelnen Wellen unterschiedlicher Wellenlängen zusammensetzt. Hertz (Hertz): Maßeinheit für die Frequenz oder Bandbreite; entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Immersion (Immersion): Flüssigkeit mit einer Brechzahl, die derjenigen des Lichtwellenleiterkerns angepasst ist. Die Immersion ist geeignet, Reflexionen zu reduzieren. Infrarote Strahlung (Infrared Radiation): Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Wellen von 0,78 µm bis 1000 µm (nahes Infrarot: 0,78 µm bis 3 µm, mittleres Infrarot: 3 µm bis 50 µm, fernes Infrarot: 50 µm bis 1000 µm). Die infrarote Strahlung ist unsichtbar für das menschliche Auge. Im nahen Infrarot liegen die optischen Fenster der optischen Nachrichtentechnik (0,85 µm, 1,3 µm/ 1,31 µm, 1,55 µm, 1,625 µm/ 1,65 µm). Kern (Core): Zentraler Bereich eines Lichtwellenleiters, der zur Wellenführung dient. Kern-Mantel-Exzentrizität: Parameter bei Lichtwellenleitern, der aussagt, wieweit die Mitte des Faserkerns von der Mitte des Fasermantels abweicht. 63520_Eberlein_SL4.indd 361 63520_Eberlein_SL4.indd 361 12.11.2020 12: 57: 02 12.11.2020 12: 57: 02 <?page no="381"?> 362 7 Anhang 362 Kohärente Lichtquelle (Coherent Light Source): Lichtquelle, die kohärente Wellen aussendet, zum Beispiel die Laserdiode. Kohärenz (Coherence): Eigenschaft des Lichts, in unterschiedlichen Raum- und Zeitpunkten feste Phasen- und Amplitudenbeziehungen zu haben. Man unterscheidet räumliche und zeitliche Kohärenz. Konzentrizität: Abstand der Kernmitten der beiden Fasern bei der optischen Verbindung. Im ungünstigsten Fall ergibt sich die Konzentrizität aus der Summe der beiden Kern-Mantel-Exzentrizitäten. Koppelverlust (Coupling Loss): Verlust, der bei der Verbindung zweier Lichtwellenleiter entsteht. Man unterscheidet zwischen faserbedingten (intrinsischen) Verlusten, die durch Faserparametertoleranzen entstehen, und mechanisch bedingten (extrinsischen) Verlusten, die durch die Qualität der Verbindungstechnik beeinflusst werden. Koppelwirkungsgrad (Coupling Efficienty): Ist das Verhältnis der optischen Leistung hinter einer Koppelstelle zur Leistung vor dieser Koppelstelle. Kunststoff-Lichtwellenleiter (Plastic Optical Fiber): Lichtwellenleiter bestehend aus einem Kunststoff-Kern und -Mantel mit vergleichsweise großem Kerndurchmesser und großer numerischer Apertur. Er ist eine preiswerte Alternative zum Glas-LWL für Anwendungen mit geringeren Anforderungen bezüglich Streckenlänge und Bandbreite. Kurzes Wellenlängenmultiplex (Short Wavelength Division Multiplex): Wellenlängenmultiplex mit großem Kanalabstand, zum Beispiel 850 nm, 880 nm, 910 nm, 940 nm über OM5-Faser. Laserdiode (Laser Diode): Sendediode, die oberhalb eines Schwellstromes kohärentes Licht emittiert (stimulierte Emission). Lawinen-Photodiode: Empfangsbauelement, das auf dem Lawineneffekt basiert. Der Photostrom wird durch Trägermultiplikation verstärkt. Lichtwellenleiter (Optical Waveguide, Fibre, Fiber): Dielektrischer Wellenleiter, dessen Kern aus optisch transparentem Material geringer Dämpfung und dessen Mantel aus optisch transparentem Material mit niedrigerer Brechzahl als die des Kerns besteht. Er dient zur Übertragung von Signalen im optischen Bereich. Light Injection and Detection (LID): System zum Justieren von Lichtwellenleitern in Spleißgeräten unter Verwendung von Biegekopplern. Low-Water-Peak-Faser: Singlemode-LWL mit kleinem Dämpfungskoeffizient im Wellenlängenbereich zwischen dem zweiten und dritten optischen Fenster durch Reduktion des Wasserstoff-Peaks bei der Wellenlänge 1383 nm. Lumineszenzdiode (Light Emitting Diode, LED): Ein Halbleiterbauelement, das durch spontane Emission inkohärentes Licht aussendet. 63520_Eberlein_SL4.indd 362 63520_Eberlein_SL4.indd 362 12.11.2020 12: 57: 02 12.11.2020 12: 57: 02 <?page no="382"?> 7 Anhang 363 363 LWL-Schweißverbindung (Fused Fibre Splice): Verbindung von zwei Lichtwellenleitern, die durch Verschmelzen der Enden entsteht. Makrobiegungen (Macrobending): Makroskopische axiale Abweichungen eines Lichtwellenleiters von einer geraden Linie beispielsweise beim Ablegen in der Spleißkassette. Mantel (Cladding): Das gesamte optisch transparente Material eines Lichtwellenleiters außer dem Kern. Materialdispersion (Material Dispersion): Dispersion, die durch die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl des Kernglases entsteht. Moden (Modes): Lösungen der Maxwellschen Gleichungen unter Berücksichtigung der Randbedingungen des Wellenleiters. Modendispersion (Modal Dispersion): Die durch Überlagerung von Moden mit verschiedener Laufzeit bei gleicher Wellenlänge hervorgerufene Dispersion in einem Lichtwellenleiter. Dominierende Dispersionsart im Multimode-LWL. Modenfelddurchmesser (Mode Field Diameter): Maß für die Breite der annähernd gaußförmigen Leistungsverteilung der Grundmode im Singlemode-LWL. Er ist der Abstand zwischen den Punkten, bei denen die Feldverteilung auf den Wert 1/ e ≈ 37 % gefallen ist. Da das Auge die Intensität des Lichts registriert, entspricht der Modenfelddurchmesser einem Intensitätsabfall bezüglich des Maximalwertes auf 1/ e² ≈ 13,5 %. Modenfilter (Mode Filter): Bauelement zur Realisierung einer angenäherten Modengleichgewichtsverteilung. Es bewirkt eine Abstrahlung der Moden höherer Ordnung. Modengleichgewichtsverteilung (Equilibrium Mode Distribution): Energieverteilung im Multimode-LWL, die sich nach dem Durchlaufen einer hinreichenden Länge (Koppellänge) einstellt. Dabei tragen Moden höherer Ordnung eine vergleichsweise geringere Leistung als Moden niederer Ordnung. Modengleichverteilung (Uniform Mode Distribution): Die Leistung ist auf alle Moden gleich verteilt. Modenlaufzeitdifferenz (Differential Mode Delay): Laufzeitunterschiede zwischen den Modengruppen im Multimode-LWL. Modulation (Modulation): Eine gezielte Veränderung eines Parameters (Amplitude, Phase oder Frequenz) eines harmonischen oder diskontinuierlichen (Impulsmodulation) Trägers, um damit eine Nachricht zu übertragen. Monomode-LWL: siehe Singlemode-LWL. 63520_Eberlein_SL4.indd 363 63520_Eberlein_SL4.indd 363 12.11.2020 12: 57: 02 12.11.2020 12: 57: 02 <?page no="383"?> 364 7 Anhang 364 Multimode-LWL (Multimode Fiber): Lichtwellenleiter, dessen Kerndurchmesser groß im Vergleich zur Wellenlänge des Lichts ist. In ihm können sich viele Moden ausbreiten. Nachlauf-LWL, Nachlauffaser: Hinter den zu messenden Lichtwellenleiter nachgeschalteter Lichtwellenleiter. Non-zero dispersion shifted Lichtwellenleiter (NZDS fiber): Lichtwellenleiter mit kleinem, aber von null verschiedenen Koeffizienten der chromatischen Dispersion im Wellenlängenbereich des dritten optischen Fensters. Dieser Lichtwellenleiter verringert den Effekt der Vierwellenmischung in DWDM-Systemen im Vergleich zum dispersionsverschobenen Lichtwellenleiter. Normierte Frequenz (V-number): Dimensionsloser Parameter, der vom Kernradius, der numerischen Apertur und der Wellenlänge des Lichts abhängt. Durch die normierte Frequenz wird die Anzahl der geführten Moden festgelegt. Numerische Apertur (Numerical Aperture): Sinus des Akzeptanzwinkels eines Lichtwellenleiters. Die numerische Apertur hängt von der Brechzahl des Kerns und des Mantels ab. Wichtiger Parameter zur Charakterisierung des Lichtwellenleiters. Optische Achse (Optical Axis): Symmetrieachse eines optischen Systems. Optische Nachrichtentechnik (Optical Communication): Technik zur Übermittlung von Nachrichten mit Hilfe von Licht. Optische Polymerfaser: siehe Kunststoff-Lichtwellenleiter. Optischer Adapter: Am Messgerät auswechselbares Bauelement (Kupplung) zur Anpassung an den jeweiligen Steckertyp der zu messenden Faser. Optische Rückflussdämpfung (Optical Return Loss): Verhältnis der einfallenden zur zurückfließenden Lichtleistung, die sich aus reflektiertem und gestreutem Licht zusammensetzt. Die optische Rückflussdämpfung bezieht sich auf eine bestimmte Faserlänge und wird meist in Dezibel angegeben. Manchmal wird unter rückfließender Lichtleistung nur das reflektierte Licht verstanden. Optisches Dämpfungsglied: Bauelement, das eine Dämpfung in der Faser bewirkt, um beispielsweise eine Übersteuerung des Empfängers zu vermeiden. Optische Dämpfungsglieder sind variabel oder fest und in Multimodesowie Singlemode- Technik verfügbar. Optisches Rückstreumessgerät (Optical Time Domain Reflectometer): Ein Messgerät, welches im Lichtwellenleiter rückgestreutes und reflektiertes Licht misst und damit Aussagen über die Eigenschaften der installierten Strecke liefert. Das optische Rückstreumessgerät ermöglicht eine ortsaufgelöste Messung der Dämpfungskoeffizienten der Faserabschnitte, der Störstellen (Stecker, Spleiße, Unterbrechungen), deren Dämpfungen und Reflexionsdämpfungen. 63520_Eberlein_SL4.indd 364 63520_Eberlein_SL4.indd 364 12.11.2020 12: 57: 03 12.11.2020 12: 57: 03 <?page no="384"?> 7 Anhang 365 365 Optisches Übertragungssystem (Optical Transmission Systems): System, das in der optischen Nachrichtentechnik zur Übertragung von Nachrichten verwendet wird. Optoelektronischer Schaltkreis (Optoelectronic Integrated Circuit): Funktionsgruppe, die elektronische, optische und optoelektronische Bauelemente technologisch auf einem gemeinsamen Substrat (GaAs, InP) vereinigt. Pegel: Logarithmisches Maß für eine Leistung bezogen auf ein Milliwatt; Maßeinheit: dBm. Photodiode (Photodiode): Bauelement aus Halbleitermaterial, das Licht absorbiert und dabei frei werdende Ladungsträger als Photostrom einem äußeren Stromkreis zuführt. Man unterscheidet PIN-Photodioden und Lawinen-Photodioden. Physischer Kontakt: Berührung der konvex geschliffenen Steckerstirnflächen im Steckverbinder. Dadurch Minimierung der Dämpfung und Reflexion. Alle Stecker, die in der Telekommunikation eingesetzt werden, sind konvex geschliffen. PIN-Photodiode: Empfangsdiode mit vorwiegender Absorption in einer Raumladungszone (i-Zone) innerhalb ihres pn-Überganges. Eine solche Diode hat einen hohen Quantenwirkungsgrad, aber im Gegensatz zur Lawinen-Photodiode keine innere Stromverstärkung. Polarisation (Polarization): Eigenschaft einer transversalen Welle, bestimmte Schwingungszustände zu enthalten. Die Polarisation ist ein Beleg für den transversalen Charakter der elektromagnetischen Welle. Man unterscheidet linear polarisiertes Licht, partiell linear polarisiertes Licht, zirkular polarisiertes Licht und elliptisch polarisiertes Licht. Polarisationserhaltende Faser: Spezielle Faser mit innerer Doppelbrechung. Wird realisiert durch einen Faseraufbau, der von der Rotationssymmetrie abweicht (Panda, Bow-tie, Tiger,…). Bei Einkopplung von Licht mit der richtigen azimutalen Orientierung in diesen Lichtwellenleiter, bleibt der Polarisationszustand entlang der Faser erhalten. Normale Telekommunikations-LWL mit ihrer regellosen Struktur können den Polarisationszustand nicht beibehalten. Polarisationsmodendispersion (Polarization Mode Dispersion): Dispersion durch Laufzeitunterschiede der beiden orthogonal zueinander schwingenden Moden. Die Polarisationsmodendispersion tritt generell nur im Singlemode-LWL auf. Sie spielt erst bei hohen Datenraten eine Rolle. Potenzprofil (Power-Law Index Profile): Brechzahlprofil, dessen radialer Verlauf als Potenzfunktion des Radius beschrieben wird, zum Beispiel Parabelprofil. Prägeverfahren: Verfahren zur Reduktion des Koppelverlustes einer Steckverbindung durch aktive Kernzentrierung mit einem Prägestempel. Profile Aligning System: Verfahren zum Justieren von Lichtwellenleitern in Spleißgeräten mit Hilfe einer Abbildung der Faserstruktur auf eine CCD-Zeile. 63520_Eberlein_SL4.indd 365 63520_Eberlein_SL4.indd 365 12.11.2020 12: 57: 03 12.11.2020 12: 57: 03 <?page no="385"?> 366 7 Anhang 366 Profilexponent (Profile Exponent): Parameter, mit dem bei Potenzprofilen die Form des Profils definiert wird. Für die Praxis besonders wichtig sind die Profilexponenten g ≈ 2 (Parabelprofil-LWL) und g ≈ ∞ (Stufenprofil-LWL). Profildispersion (Profile Dispersion): Dispersion im Parabelprofil-LWL durch Abweichungen vom idealen Brechzahlprofil. Quantenwirkungsgrad (Quantum Efficiency): Ist in der Sendediode das Verhältnis der Anzahl emittierter Photonen zur Anzahl der über den pn-Übergang transportierten Ladungsträger. In der Empfängerdiode ist es das Verhältnis der Anzahl der erzeugten Elektron-Loch-Paare zur Anzahl der einfallenden Photonen. Quarzglas (Fused Silica Glass): Eine in amorpher Form glasig erstarrte Schmelze aus Siliziumdioxid (SiO 2 ). Basismaterial für den Glas-LWL. Rayleighstreuung (Rayleigh Scattering): Streuung, die durch Dichtefluktuationen (Inhomogenitäten) im Lichtwellenleiter verursacht wird, deren Abmessungen kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Die Rayleighstreuung bewirkt den Hauptanteil der Dämpfung des Lichtwellenleiters. Receptacle: Verbindungselement von aktivem optischen Bauelement (Transceiver) und LWL-Steckverbinder. Reflektometer-Verfahren (Backscattering Technique): Verfahren zur ortsaufgelösten Messung von Leistungsrückflüssen, siehe Optisches Rückstreumessgerät. Reflexion (Reflexion): Zurückwerfen von Strahlen (Wellen) an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechzahlen, wobei der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel ist. Reflexionsdämpfung: Verhältnis aus einfallender Lichtleistung zur reflektierten Lichtleistung; meist Angabe in Dezibel. Sollte möglichst groß sein, da moderne Sender rückwirkungsempfindlich sind. Regenerator (Optical-Electronic Regenerator): Zwischenverstärker in LWL-Strecken, der nach optoelektronischer Wandlung das Signal in der Zeitlage, in der Impulsform und der Amplitude regeneriert und wieder in ein optisches Signal umsetzt (3R- Regenerator: Retiming, Reshaping, Reamplification). Rotlichtquelle (Visual Fault Locator): Messhilfsmittel zur Fehlersuche, das rotes Licht mit hohem Wirkungsgrad in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Rückflussdämpfung: siehe optische Rückflussdämpfung. Rückstreudämpfung: Verhältnis der einfallenden Lichtleistung zu der im Lichtwellenleiter gestreuten Lichtleistung, die in rückwärtiger Richtung ausbreitungsfähig ist; meist Angabe in Dezibel. Schielwinkel: Winkel zwischen Faserachse und optische Achse der Ferrule. 63520_Eberlein_SL4.indd 366 63520_Eberlein_SL4.indd 366 12.11.2020 12: 57: 03 12.11.2020 12: 57: 03 <?page no="386"?> 7 Anhang 367 367 Schrägschliffstecker: Stecker mit schräg geschliffener Stirnfläche zur Erhöhung der Reflexionsdämpfung. Meist meint man damit einen APCbzw. HRL-Stecker, der zusätzlich einen physischen Kontakt ermöglicht. Schwellstrom (Threshold Current): Stromstärke, oberhalb der die Verstärkung der Lichtwelle in einer Laserdiode größer als die optischen Verluste wird, so dass die stimulierte Emission einsetzt. Der Schwellstrom ist stark temperaturabhängig. Sender (Transmitter): Eine Baugruppe in der optischen Nachrichtentechnik zum Umwandeln elektrischer Signale in optische. Der Sender besteht aus einer Sendediode (Laserdiode oder Lumineszenzdiode), einem Verstärker sowie weiteren elektronischen Schaltungen. Bei Laserdioden ist eine Monitorphotodiode mit Regelverstärker zum Überwachen und Stabilisieren der Ausgangsleistung erforderlich. Oft erfolgt mit einem Thermistor und einer Peltierkühlung eine Stabilisierung der Betriebstemperatur. Singlemode-LWL (Single-Mode Fiber): Lichtwellenleiter, in dem bei der Betriebswellenlänge nur eine einzige Mode, die Grundmode, ausbreitungsfähig ist. Spleiß (Splice): stoffschlüssige Verbindung von Lichtwellenleitern. Stimulierte Emission (Stimulated Emission): Sie entsteht, wenn in einem Halbleiter befindliche Photonen vorhandene Überschussladungsträger zur strahlenden Rekombination, das heißt zum Aussenden von Photonen, anregen. Das emittierte Licht ist in Wellenlänge und Phase identisch mit dem einfallenden Licht, es ist kohärent. Streuung (Scattering): Hauptsächliche Ursache für die Dämpfung des Lichtwellenleiters. Sie entsteht durch mikroskopische Dichtefluktuationen im Glas, die einen Teil des geführten Lichts in seiner Richtung so ablenken, dass es nicht mehr im Akzeptanzbereich des Lichtwellenleiters liegt und damit dem Signal verloren geht. Den Hauptbeitrag zur Streuung bringt die Rayleighstreuung. Stufenprofil (Step Index Profile): Brechzahlprofil eines Lichtwellenleiters, das durch eine konstante Brechzahl innerhalb des Kerns und durch einen stufenförmigen Abfall an der Kern-Mantel-Grenze gekennzeichnet ist. Systemreserve (Safety Margin): Dämpfung oder Dämpfungskoeffizient, der bei der Planung von LWL-Systemen berücksichtigt werden muss. Die Systemreserve ist wegen einer möglichen Erhöhung der Dämpfung der Übertragungsstrecke während des Betriebes durch Alterung der Bauelemente oder durch Reparaturen erforderlich. Totalreflexion (Total Internal Reflection): Reflexion an der Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium und einem optisch dünneren Medium, wobei sich das Licht im optisch dichteren Medium ausbreitet. Der Einfallswinkel auf die Grenzfläche muss größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sein. Triple Play: gleichzeitige Übertragung von Daten, Sprache und Video. 63520_Eberlein_SL4.indd 367 63520_Eberlein_SL4.indd 367 12.11.2020 12: 57: 04 12.11.2020 12: 57: 04 <?page no="387"?> 368 7 Anhang 368 Vierwellenmischung (Four-Wave Mixing): Bildung von Mischfrequenzen (Summen, Differenzen) von Signalen an optischen Nichtlinearitäten. Tritt als Störung in Lichtwellenleitern auf (Folge: nichtlineares Nebensprechen in DWDM-Systemen). Vorform (Preform): Glasstab, der aus Kern- und Mantelglas besteht und zu einem Lichtwellenleiter ausgezogen werden kann. Vorlauf-LWL (Launching Fiber): Vor den zu messenden Lichtwellenleiter vorgeschalteter Lichtwellenleiter. Wasserpeak (Water Peak): Anwachsen der Dämpfung des Lichtwellenleiters in der Umgebung der Wellenlänge 1383 nm durch Verunreinigungen des Glases mit Hydroxyl-Ionen. Wellenlänge (Wavelength): Räumliche Periode einer ebenen Welle, das heißt die Länge einer vollen Schwingung. In der optischen Nachrichtentechnik werden Wellenlängen im Bereich von 650 nm bis 1650 nm genutzt. Wellenleiter (Waveguide): Ein dielektrisches oder leitendes Medium, auf dem sich elektromagnetische Wellen ausbreiten können. Wellenleiterdispersion (Waveguide Dispersion): Typische Dispersionsart des Singlemode-LWL. Sie wird durch die Wellenlängenabhängigkeit der Lichtverteilung der Grundmode auf das Kern- und Mantelglas verursacht. Wickeldorn: Vorrichtung, auf die ein Multimode-Patchkabel mit engem Radius mehrfach gewickelt wird, um eine annähende Modengleichgewichtsverteilung zu realisieren. 63520_Eberlein_SL4.indd 368 63520_Eberlein_SL4.indd 368 12.11.2020 12: 57: 04 12.11.2020 12: 57: 04 <?page no="388"?> 369 8 Stichwortverzeichnis 3-Achsen-Gerät 160 10-Gigabit-Ethernet 334 40/ 100-Gigabit-Ethernet 335 A Abkürzungen 353 Ablageverfahren 121, 361 Abnahmevorschriften 263 Abschnittslängen 324 absetzen 152 Absorption 13, 90 abstrippen 152, 156 Adapter 206 Advanced Plasma Vapor Deposition 23 aktives optisches Netz 276 Akzeptanzkegel 9 Akzeptanzwinkel 8, 44 Alterung 77 Anregung 193 APC-Stecker 117, 261 Auflösungsvermögen 244 Augensicherheit 193 Ausbreitungsgeschwindigkeit 32 Ausfallwahrscheinlichkeit 80, 84 Auswertung 258 außermittige Einkopplung 184 axialer Versatz 114 B Bändchenfaser 326 Bandabstand 90 Bandbreite 334, 336 - EMB- 337 - LED- 337 minEMBc- 338 modale 339 Bandbreite-Längen-Produkt 30, 34, 39, 42 Baumstruktur 281 Beckesche Linie 168 Beschaltung 330 bidirektional 105, 228, 251 Biegeempfindlichkeit 59, 65 Biegekoppler 162 Biegeradius 15, 62, 83 biegeunempfindlich 43 biegeunempfindlicher LWL 54, 70, 291 Biege-Verlust 362 Bit 362 Bitfehlerrate 271, 362 Bitlänge 72 Bitrate 72 Bow-tie-Faser 185 brechen 154 Brechfehler 157 Brechgerät 157 Brechung 7, 362 Brechungsgesetz 7, 362 Brechungsindex 19, 225, 362 Brechzahldifferenz 9, 362 Brechzahlprofil 39, 59, 362 Breitband-PON 284 Budgetplanung 308, 350 Bündeladerkabel 27 C Chemical Vapor Deposition 21 chromatische Dispersion 44, 47, 49, 319, 363 Coating 6 Coating-Durchmesser 66, 292 Crimp & Cleave-Technik 32, 130 Cut-off-shifted-LWL 55 63520_Eberlein_SL4.indd 369 63520_Eberlein_SL4.indd 369 12.11.2020 12: 57: 05 12.11.2020 12: 57: 05 <?page no="389"?> 370 8 Stichwortverzeichnis 370 D Dämpfung 10, 13, 113, 321, 363 Dämpfungsbegrenzung 5, 313, 363 Dämpfungsbelag 10 Dämpfungsbudget 314 Dämpfungsglieder 192 Dämpfungsklassen 123, 309 Dämpfungskoeffizient 10, 14, 340, 363 Dämpfungsmessung 193, 196, 198, 227, 264, 332 Dämpfungstotzone 247, 363 Datenrate 363 Definitionen 241 Dezibel 10, 363 DFB-Laser 105, 363 dichtes Wellenlängenmultiplex 363 Dispersion 27, 34, 46, 319, 363 Dispersionsbegrenzung5, 313, 321, 363 Dispersionsmessung 271 Dispersionstoleranz 321 dispersionsverschobener LWL 54, 363 Dokumentation 258 Doppelbrechung 185, 364 Doppelheterostruktur 364 Dotierung 8, 364 Dotierungsstoffe 364 Downstream 273, 278 Dunkelfasermessung 268 Durchlauftest 78 DWDM-Systeme 270 Dynamik 214, 241 des Empfängers 315 E Einfaserlösung 276 Einfügeverfahren 198 eingeschlossener Strahlungsfluss 194, 258 Elektrolumineszenz 364 elektromagnetisches Spektrum 5 elektromagnetische Welle 364 Elektron-Loch-Paar 100 elektro-optischer Wandler 364 Emission 90 Empfänger 100, 298, 364 Empfängerempfindlichkeit 314, 364 Energieschema 90 Entspiegelung 94 Ereignistabelle 216 Ereignistotzone 246 Er + -Fasern 364 Ethernet Alliance 108 Ethernet-Punkt-zu-Punkt 275 Ethernet-Transceiver 106 Extinktionsverhältnis 186, 187 F Fachbegriffe 361 Farbmarkierungen 124 Faser 365 Faserabschluss 305 Faserbändchen 176, 365 Faserdehnung 78 Fasererkennungsgerät 192, 365 Faserhandhabung 86, 87 Faserhülle 365 Faserspannung 78, 81 Faserstirnfläche 115 Fasertypen 292 Faserverstärker 365 Faservorbereitung 152 Faserüberwachung 267 Faserziehen 24 Fehlanpassung 113, 258 Fehler beim Brechen 158 Feldmontage 130 Ferrule 118, 365 Festigkeit 77 Few-mode fibers 67 Fibercurl 365 Fiber-to-the-Building 272, 275 Fiber-to-the-Curb 272 Fiber-to-the-Distribution-Point 272 Fiber-to-the-Home 272, 275 Filtereffekt 341 Formelzeichen 357 Fresnelreflexion 209, 365 Fresnelverluste 365 Furnace Chemical Vapor Deposition 22 Fusionsspleißen 148 63520_Eberlein_SL4.indd 370 63520_Eberlein_SL4.indd 370 12.11.2020 12: 57: 06 12.11.2020 12: 57: 06 <?page no="390"?> 8 Stichwortverzeichnis 371 371 G Ge-Diode 102 Geisterreflexion 254, 365 Gender 331 Gerätetotzone 246 Germaniumdioxid 19, 365 geschlitzte Keramikhülse 118 Gigabit Interface Converter 104 Gigabit-Ethernet-PON 284 Gigabit-PON 284 Glimmentladung 148 Gradientenfaser 365 Gradientenprofil 38, 365 Gradientenprofil-LWL 32, 34, 35 Grenzwellenlänge 366 Grenzwinkel 7, 366 GRIN-Linse 366 Grobes Wellenlängenmultiplex 16, 366 Grundmode 366 Gruppenbrechzahl 40, 231, 366 Gruppengeschwindigkeit 39, 366 H Halbleiter 90 Halbwertsbreite 42 HCP-LWL 31 HCS-LWL 31 HCR-LWL 31 Hertz 366 High-Power-Stecker 128 High Strength 171 Hookessches Gesetz 78 Hot-Plate-Verfahren 342 IImmersion 366 Impulslänge 244 Impulsverbreiterung 29, 40, 42 Impulswiederholrate 242 infrarote Strahlung 366 InGaAs-Diode 102 Isopropyl-Alkohol 141 J Justage 158 K Kabel 281, 307 Kabelvorbereitung 151 Kategorien 338 Kern 366 Kern-Mantel-Exzentrizität 159 Kernstab 19 Kernzentrierverfahren 121 Key 330 Koeffizient der chromatischen Dispersion 48, 320 Koeffizient der Materialdispersion 41 kohärente Lichtquelle 367 Kohärenz 367 kollabieren 22 Kompensation 322 Komponenten 341 Kontrollmessung 305 konvex 111, 116 Konzentrizität 203, 367 Koppler 293 Kopplung 89 Koppelverluste 112, 235, 236, 367 Koppelwirkungsgrad 113, 367 Koppler 293, 342 Krimpspleißschutz 173 Krümmung der Faser 160 Kunststoff-Lichtwellenleiter 30, 37, 340, 367 L Längenmessung 224, 226 Längszugmethode 156 Lambertstrahler 93 Laserbandbreite 337 Laserdiode 93, 367 - DFB 94 - Fabry-Perot 94 gewinngeführt 94 indexgeführt 94 - VCSEL 95 63520_Eberlein_SL4.indd 371 63520_Eberlein_SL4.indd 371 12.11.2020 12: 57: 06 12.11.2020 12: 57: 06 <?page no="391"?> 372 8 Stichwortverzeichnis 372 Lasermodul 99 Laserschutzklasse 248 Lawinen-Photodiode 103, 367 Lebensdauer 85 LED-Bandbreite 337 Leistung 314 Leistungsmessung 193, 194 Leitungsband 91 Lichtgeschwindigkeit 32 Lichtwellenleiter 38, 290,367 LID-Verfahren 162, 180, 367 Linsenstecker 129 Low-Water-Peak-Faser 13, 54, 367 LSA-Methode 227 Lumineszenzdiode 92, 361 LWL-Schweißverbindung 368 M Makrobiegeempfindlichkeit 44, 50 Makrobiegungen 15, 368 Makrobiegeverluste 15 Mantel 6, 368 Mantelbrechzahl 8 Manteldurchmesser 6 Maßeinheiten 357 Materialdispersion 39, 368 Materialeigenschaften 77 MCVD-Verfahren 22 mechanischer Spleiß 300, 301 Mehrfaserstecker 131, 327 Mehrkanalübertragung 327 Mehrkernfaser 68 Mehrstrahl-Übertragungssystem 350 Messbereich 243 Messgenauigkeit 202 Messpunktdichte 245 Messung aktive Faser 268 an FTTB/ H-Netzen 304 an Singlemode-LWL 264 an Multimode-LWL 264 bidirektional 251 - Dunkelfaser 268 - DWDM-System 269 einseitig 252 - Modenlaufzeitdifferenz 337 - Reflexionen 115, 223 Messzeit 215 Mikrobiegeverluste 15 Mikrorisse 79 Mikrorohre 291 Mikroskop 143, 191 Mittelung 240 Modified Chemical Vapor Deposition 22 Moden 28, 368 Moden-Controller 194 Modendispersion 27, 368 Modenfelddurchmesser 46, 50, 57 Modenfeldradius 50 Modenfilter 368 Modengleichgewichtsverteilung193, 368 Modengleichverteilung 368 Modenkopplung 71 Modenlaufzeitdifferenz 336, 368 Modulation 368 Monitordiode 99 MPO-Adapter 331 Multimode-LWL 54, 193, 369 Multiplikator 103 N Nachprägung 123 Nachlauf-LWL 250, 369 Neper 10 Netzebene 3, 4 305 Netzstrukturen 274 Next-Generation-PON 285 Non-zero dispersion shifted LWL 55, 58, 369 normierte Frequenz 49, 50, 369 Normen 283, 306 Nulldispersionswellenlänge 47 numerische Apertur 8, 34, 369 NZDS-LWL 55 O Oberflächenspannung 167 Offene Infrastruktur 282 OH-Absorption 14 OM 36, 338 Opferkabel 250 63520_Eberlein_SL4.indd 372 63520_Eberlein_SL4.indd 372 12.11.2020 12: 57: 07 12.11.2020 12: 57: 07 <?page no="392"?> 8 Stichwortverzeichnis 373 373 optische Achse 369 optische Adapter 192, 369 optische Bänder 53 optische Fenster 15 optische Freiraumübertragung 344 optische Nachrichtentechnik 369 optische Rückflussdämpfung 369 optischer Verstärker 298 optisches Dämpfungsglied 369 optisches Rückstreumessgerät 369 optisches Sprechgerät 193 optisches Übertragungssystem 313, 370 optoelektronische Bauelemente 89 optoelektronischer Schaltkreis 264 Outside Vapor Deposition 20, 23 P Panda-Faser 185 Parabelprofil-LWL 33, 39 Parameter 241, 258 passives optisches Netz 277 PAS-System 163 PCF-LWL 38 PC-Stecker 260 Pegel 12, 370 Pegeldiagramm 317 Pegelrelationen 315 Peltierelement 99 periodische Strukturen 94 Phasenbrechzahl 40 Phasengeschwindigkeit 39 Photodiode 370 Photon 90 physischer Kontakt 111, 260, 370 PIN-Photodiode 100, 370 Plancksches Wirkungsquantum 91 Planung 295, 313 Plasma Chemical Vapor Deposition 22 PMD-Effekt 69 PM-Fasern 187 PMD-Koeffizient 71, 73, 76 PMD-Konstruktionswert 65 PMD-Messung 75 PMD-Wert 71 Polarisation 370 polarisationserhaltende Fasern192, 370 Polarisationsmodendispersion 68, 75, 370 Polymer Cladded Fiber 31 Polymethylmethacrylat 31 PON-FMT-Messung 306 Potenzprofil 33, 370 Power Penalty 324 Prägeverfahren 370 Prismenstecker 141 Profildispersion 34, 371 Profile aligning system 370 Profilexponent 371 Punkt-zu-Multi-Punkt 276 Punkt-zu-Punkt 275 Q Quantenwirkungsgrad 101, 371 Quarzglas 8, 19, 371 quasibidirektionale Messung 233 R radialer Versatz 114 Raummultiplex 67, 326 Rayleighstreukoeffizient 221 Rayleighstreuung 14, 209, 219, 371 Receptacle 133, 371 reduzierter Coating-Durchmesser 65 Referenzierung 199, 203 Referenzstecker 192 Reflektometer-Verfahren 371 Reflexion 223, 371 Reflexionsdämpfung 223, 266, 371 Reflexionsfalle 195 Reflexionsgrad 223 Reflexionsklassen 123 Reflexionsmessung 266 Regenerator 371 Reichweiten 106 Reinigung 139, 153 Reinigungslichtbogen 164 relative Brechzahldifferenz 34 relative Längenänderung 78 Restexzentrizität 123 Richtfunk 344 Ringstruktur 280 63520_Eberlein_SL4.indd 373 63520_Eberlein_SL4.indd 373 12.11.2020 12: 57: 08 12.11.2020 12: 57: 08 <?page no="393"?> 374 8 Stichwortverzeichnis 374 Risswachstum 78 Ritz-Biege-Prinzip 155 Rod-In-Cylinder 23 Rod-In-Tube 23 Rollable Ribbon 175 Rotlichtquelle 192, 371 Rückstreudämpfung 221, 222, 232, 371 Rückstreukurve 211, 214, 217, 224 typische Ereignisse 211 Rückstreumessung 208, 264, 276 S Sauberkeit 135, 137, 191 Schielwinkel 371 Schmelzspleißschutz 172 Schmelztemperatur 166 Schrägschliff-Stecker 116, 372 Schrumpfofen 167 Schwellstrom 96, 372 Selbstjustageeffekt 167 Sender 302, 372 Si-Diode 103 Singlemode-LWL 44, 51, 372 - Cut-off-shifted 55 dispersionsunverschoben 63 dispersionsverschoben 54 - Kategorien 63 - Kopplung 114 mit reduziertem Wasserpeak 53 mit reduzierter Biegeempfindlichkeit 59 - Non-zero dispersion shifted 55, 58 Small Form Factor Pluggable 104 Sootkörper 18 Spannungskorrosion 85 spektrale Empfindlichkeit 102 spektrale Messungen 270 Spleiß 372 Spleißdämpfung 168, 177 spleißen 158, 299, 300, 301 - Faserbändchen 174, 177 hohe Festigkeit 171 polarisationserhaltender Fasern 185 unterschiedlicher Fasern 178 Spleißfehler 169 Spleißgerät 159 Spleißschutz 172, 178 Spleißvorbereitung 150 Splitter 294 spontane Emission 90 Sprödbruch 155 Steckverbinder 290 - BLINK 128 - C & C 130 - CS 134 - DIN (LSA) 126 - E-2000 (LSH) 127 - FC 126 - F-SMA 125 - High Power 129 - LC 128 - Linsenstecker 129 - MDC 134 - MPO 132, 326, 330 - MU 127 - SC 126 - SC-RJ 127 - SN 134 - ST 126 - URM 133 Stift-Hülse-Prinzip 118 stimulierte Emission 90, 372 Stirnflächenkopplung 115 Stirnflächengeometrie 115 Strahlaufweitung 129 Streckendämpfung 314 Streckenlänge 74 Streueffekte 13, 219 Streuung 372 Stufen 228, 235, 236 Stufenprofil 27, 372 Stufenprofil-LWL 27, 32 Systemplanung 324 Systemreserve 316, 372 T Temperaturausdehnungskoeffizient 78 thermischer Abstripper 153 Thermistor 110 Tiger-Faser 185 Toleranz 235 Totalreflexion 18, 372 Totzone 246 Transceiver 104, 329 63520_Eberlein_SL4.indd 374 63520_Eberlein_SL4.indd 374 12.11.2020 12: 57: 09 12.11.2020 12: 57: 09 <?page no="394"?> 8 Stichwortverzeichnis 375 375 Trunkkabel 327 Triple Play 372 Turbulenzen 349 TWDM-PON 186 U Übertragungsstrecke 147 Überwachungssystem 267 Umgebungsbedingungen 130 Upstream 273, 278 V Vakuum-Lichtgeschwindigkeit 32 Valenzband 102 Vapor Axial Deposition 21 Verbindungstechnik 342 lösbare 111 nichtlösbare 147 quasilösbare 306, 307 Verkabelung 26 Verkippung 114 Verluste extrinsische 114, 150 intrinsische 113, 149 verschmelzen 164 Verschmelzungstemperatur 166 Verseilzuschlag 226 Verstärkungsfaktor 103 Vierwellenmischung 56, 367 Viskosität 170 V-Nut 160 V-Nut-Gerät 159, 180 Vorform 23, 373 Vorlauf-LWL 193, 250, 373 vorschmelzen 164 W Wasserpeak 13, 14, 53, 373 WDM-PON 287 Weibull-Diagramm 80 Weibullexponent 81 Wellenlänge 373 Wellenlängenbelegung 282 Wellenleiter 373 Wellenleiterdispersion 46, 373 Wetter 348 Wickeldorn 193, 373 Wideband Multimode Fiber 339 Wiedereinkopplungswirkungsgrad 221 Winkelbruch 157 Winkelfehler 158 Z Zero-Water-Peak 53 Zugfestigkeit 169 Zugspannung 79 Zweifaserlösung 275 Zwei-Punkt-Methode 227 63520_Eberlein_SL4.indd 375 63520_Eberlein_SL4.indd 375 12.11.2020 12: 57: 10 12.11.2020 12: 57: 10 <?page no="395"?> 376 9 Autorenverzeichnis Dr. rer. nat. Dieter Eberlein Lichtwellenleiter-Technik Dresden Dr.-Ing. Christina Manzke LASER Components GmbH Berlin Dr. rer. nat. Ralph Sattmann Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG Hanau 63520_Eberlein_SL4.indd 376 63520_Eberlein_SL4.indd 376 12.11.2020 12: 57: 10 12.11.2020 12: 57: 10 <?page no="396"?> Beratung • • Schulung • • Gutachten •• Recherche zur Lichtwellenleiter-Technik • Grundlagen LWL-Technik • LWL-Messungen • LWL-Verbindungstechnik • Wellenlängenmultiplex • Fiber-to-the-Home/ Building • LWL-Fasern • LWL-Kabel • LWL-Streckenplanung • LWL-Lebensdauer • Trends der LWL-Technik Dr. Dieter Eberlein ...studierte an der Technischen Universität Dresden Physik und promovierte zum Dr. rer. nat. Seit 1982 arbeitet er auf dem Gebiet der Lichtwellenleiter-Technik. 1996 machte er sich selbstständig und erwarb sich im deutschsprachigen Raum einen Namen als Referent, Berater und Autor. LWL-Technik • • Telefon: +49-(0)351-3129945 •• LWLTechnik@t-online.de • • www.LWLTechnik.de Bildnachweis: Fotolia 63520_Eberlein_SL4.indd 377 63520_Eberlein_SL4.indd 377 12.11.2020 12: 57: 10 12.11.2020 12: 57: 10 <?page no="397"?> Das 5-Sterne Paket für den FTTH-Installateur VIAVI SmartOTDR TM mit SLM-FTTH für Streckenprüfung & Fehlerlokalisierung. INNO-Instruments kernzentrierendes 3-Achs-Spleißgerät mit kürzester Spleißzeit & hochauflösender Grafik. ✴ ✴ ✴ ✴ ✴ A5-Umschlag-Innenseite.indd 1 A5-Umschlag-Innenseite.indd 1 07.09.20 14: 11 07.09.20 14: 11 63520_U2_U3.indd 5-6 63520_U2_U3.indd 5-6 16.11.2020 15: 58: 18 16.11.2020 15: 58: 18 <?page no="398"?> ISBN XXX-X-XXXX-XXXX-X Es gibt im Moment in diese Mannschaft, oh, einige Spieler vergessen ihnen Profi was sie sind. Ich lese nicht sehr viele Zeitungen, aber ich habe gehört viele Situationen: Wir haben nicht offensiv gespielt. Es gibt keine deutsche Mannschaft spielt offensiv und die Namen offensiv wie Bayern. Letzte Spiel hatten wir in Platz drei Spitzen: Elber, Jancker und dann Zickler. Wir mussen nicht vergessen Zickler. Zickler ist eine Spitzen mehr Mehmet e mehr Basler. Ist klar diese Wörter, ist möglich verstehen, was ich hab' gesagt? Danke. Offensiv, offensiv ist wie machen in Platz. Der Inhalt Ich habe erklärt mit diese zwei Spieler: Nach Dortmund brauchen vielleicht Halbzeitpause. Ich habe auch andere Mannschaften gesehen in Europa nach diese Mittwoch. Die Zielgruppe Ich habe gesehen auch zwei Tage die Training. Ein Trainer ist nicht ein Idiot! Ein Trainer sehen was passieren in Platz. In diese Spiel es waren zwei, drei oder vier Spieler, die waren schwach wie eine Flasche leer! Der Autor Haben Sie gesehen Mittwoch, welche Mannschaft hat gespielt Mittwoch? Hat gespielt Mehmet, oder gespielt Basler, oder gespielt Trapattoni? Diese Spieler beklagen mehr als spielen! Der handlichste GPON-Tester Kontrollmessungen nach ZTV-43 PON-FMT ! Jetzt im Set noch mehr sparen! www.opternus.de EXFO TK-EX1-GPON-S1 Das Multitalent unterstützt: • GPON-ID • optische Leistung • Speedtest für Ethernet, WiFi und Glasfaser* • ideal für Telekom-Installationen • Einfache und intuitive APP-Steuerung mit Android *Ein Speedtest ist verpflichtend für geförderte Ausbaugebiete! Kontrollmessungen nach ZTV-43 PON-FMT ! Aktions- Preis Zu wenig oder keine Leistung gemessen? Wir empfehlen die unkomplizierte Fehlersuche mit dem OX1
