Wie lassen sich verschiedene Arten von Verlustfaktoren bei Glasfasern reduzieren?

Wie lassen sich verschiedene Arten von Verlustfaktoren bei Glasfasern reduzieren?

Glasfaserkabel, die leichter, kleiner und flexibler als Kupfer sind, können Signale mit höherer Geschwindigkeit über größere Entfernungen übertragen. Viele Faktoren können jedoch die Leistung der Glasfaserübertragung beeinflussen. Verluste bei Glasfasern sind dabei zwar vernachlässigbar gering, jedoch ist es für Ingenieure dennoch von höchster Priorität, mit solchen Verlusten zu arbeiten und entsprechende Lösungen zu finden.

Unterschiedliche Arten von Verlusten bei Glasfasern

Die verschiedenen Verluste bei Glasfasern sind entweder auf innere oder äußere Faktoren zurückzuführen. Die Faserdämpfung, auch Signalverlust oder Faserverlust genannt, ist die Folge der intrinsischen Eigenschaften einer Glasfaser (Multimode- und Monomode-Faser). Abgesehen von diesen intrinsischen Faserverlusten gibt es einige andere Arten von Faktoren bei Glasfaser, die zum Verbindungsverlust beitragen können, wie z.B. Spleißen, Patchverbindungen, Biegen, etc.

Abbildung 1: Verschiedene Arten von Verlusten bei Glasfaser.

Intrinsische Verluste bei Glasfasern

Absorptionsverluste (Absorption Loss) in Glasfasern sind eine der Hauptursachen für Verluste während der Übertragung. Wenn das Photon mit den Komponenten des Glases, eines Elektrons oder von Metallionen interagiert, wird die Lichtleistung absorbiert und aufgrund von Molekularresonanz und Wellenlängenverunreinigungen in andere Energieformen wie Wärme übertragen.

Dispersionsverluste (Dispersion Loss) sind die Folge der Verzerrung des optischen Signals während des Weges entlang der Faser. Dispersionsverluste in Glasfasern können intermodal oder intramodal sein. Intermodale Dispersion ist die Impulsverbreiterung aufgrund der Laufzeitunterschiede zwischen den Modi in der Multimode-Faser. Intramoale Dispersion ist die Impulsausbreitung in Monomodefasern, da der Brechungsindex oder die Ausbreitungskonstante mit der Wellenlänge variiert.

Streuverluste (Scattering Loss) bei Glasfasern sind auf mikroskopische Schwankungen der Materialdichte, Zusammensetzungsschwankungen, strukturelle Inhomogenitäten und Fertigungsfehler zurückzuführen.

Abbildung 2: Lichtstreuung aufgrund von Kompositionsschwankungen.

Die drei oben genannten Faktoren sind die intrinsischen Dämpfungsverluste in der Glasfaser. Gemäß den Normen EIA/TIA-568 stellen sich weitere Faserverluste für verschiedene Fasertypen wie folgt dar:

Extrinsische optische Faserverluste

Das faseroptische Spleißen (Fiber Optic Splicing) ist eine weitere Art von Verlust in der Glasfaser. Durch die End-to-End-Verbindung zweier Glasfasern soll sichergestellt werden, dass das durch sie hindurchtretende Licht fast so stark ist wie die Frischfaser selbst. Aber egal wie gut die Spleißung ist, der Spleißverlust ist unvermeidlich. Die Fusionsspleißverluste der Multimode-Faser betragen 0,1-0,5 dB, wobei 0,3 dB ein guter Durchschnittswert ist. Bei Singlemode-Fasern kann der Fusionsspleißverlust typischerweise weniger als 0,05 dB betragen.

Steckverbinderverluste oder Einfügeverluste (Connector Loss or Insertion Loss) in Glasfasern sind die Verluste an Lichtleistung, die sich aus dem Einsatz einer Vorrichtung in eine Übertragungsleitung oder Glasfaser ergeben. Multimode-Steckverbinder haben Verluste von 0,2-0,5 dB (0,3 typisch). Werkseitig hergestellte Singlemode-Verbinder haben Verluste von 0,1-0,2 dB und feldkonfektionierte Singlemode-Verbinder können Verluste von 0,5-1,0 dB (0,75 dB, TIA-568 max. zulässig) aufweisen.

Biegen (Bending) ist das häufigste Problem, das zu Verlusten bei Glasfasern führen kann, die durch unsachgemäße Handhabung verursacht werden. Es gibt zwei Grundtypen. Eine ist das Mikro- und die andere das Makrobiegen (siehe Bild unten). Makrobiegen bezieht sich auf eine große Biegung der Faser (mit mehr als einem Radius von 2 mm).

Abbildung 3: Biegeverluste in der Glasfaser.

Messung von Glasfaserverlusten

Bei der Messung der Gesamtverluste in Glasfasern, die auch zur Berechnung des "Link-Budgets" verwendet werden, sollten die oben genannten Arten von Verlusten berücksichtigt werden. Außerdem ist die Lichtleistungsbudgetmarge (aufgrund der Alterung der Faser, der zufälligen Biegung und Verdrehung, etc.) ebenfalls wichtig. Die meisten Systementwickler werden eine Verlustbudgetmarge von 3-10 dB zuweisen. Natürlich ist diese Regel irrelevant, wenn das Leistungsbudget ~2 dB beträgt, wie bei einigen der 10G Multimode-Links. So sollte die Berechnung der Verluste in der Glasfaser sein:

Link Budget = [Faserlänge (km) * Faserdämpfung pro km] + [Spleißverlust * # Anzahl der Spleißungen]+[Steckverbinderverlust * # Anzahl der Verbinder] + [Sicherheitsmarge]

Hier ist ein Beispiel für eine typische 850nm 2km Multimode-Verbindung mit 5 Anschlüssen (2 Anschlüsse an jedem Ende und 3 Anschlüsse an Patchpanels in der Verbindung) und einem Spleiß in der Mitte. Die Verlustbudgetmarge beträgt 5 dB. So ist der gesamte Glasfaserverlust dieser Verbindung:

[2 km*3.5 dB/km] + [1*0.3 dB] + [5*0.3 dB] + 5 dB = 12.3 dB.

Wie werden Verluste bei Glasfasern reduziert?

Um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung innerhalb der Bandbreite des Empfängers liegen kann und genügend Spielraum für den Leistungsabfall in Abhängigkeit von der Zeit bleibt, ist es ein wesentliches Anliegen, die Verluste in der Glasfaser zu reduzieren. Hier sind einige gängige Ansätze für das Design und die Installation von Glasfaserverbindungen.

IEC-Norm für unterschiedliche Einfügungsdämpfung von Glasfaser-Patchkabeln

Die IEC-Normen legen die Leistungsanforderungen an die Steckverbinder für jede Faser-Patchkabelqualität fest. Diese Normen leiten Endverbraucher und Hersteller an, die Glasfaserkabel im Rahmen der Vorschriften optimal zu nutzen. Gemäß IEC 61753-1 Dämpfung von willkürlich gesteckten Steckverbindern kann die Einfügungsdämpfung von gesteckten Verbindern in 4 verschiedene Klassen eingeteilt werden. Im Folgenden werden die Leistungsmerkmale der einzelnen Grade-Steckverbinder dargestellt:

FS Ultra verlustarmes BIF-Faserkabel

Wenn es um hochwertige Glasfaser-Patchkabel geht, die dazu beitragen, Verluste in der Glasfaser zu reduzieren, bietet FS biegeunempfindliche Glasfaser-(BIF)-Patchkabel mit extrem geringer Einfügedämpfung (IL) und Biegeradius, die eine hohe Leistung bei der Datenübertragung gewährleisten. Unsere biegesteifen Singlemode-Faser (BISMF) Patchkabel bestehen aus G.657.A1 Standardfasern von Corning und Steckverbindern mit einem typischen IL von 0,12dB und einem Mindestbiegeradius von 10,0mm. Die Einfügungsdämpfung dieser BISMF-Patchkabelverbinder ist als Grad B in zufälliger Paarung eingestuft, was nach IEC 61753-1 eher leistungsstark ist. Und die biegesteifen Multimode-Faser (BIMMF)-Patchkabel haben einen typischen IL von 0,15dB bei einem Mindestbiegeradius von 7,5mm. Unsere BIMMF-Kabel können problemlos mit herkömmlichen Multimode-Faserkabeln gespleißt oder verbunden werden.

Abbildung 4: FS Ultra Low Loss BIF-Patchkabel.