Kapitel 2. Fasergrundlagen. Network IQ Training

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1 Kapitel 2. Fasergrundlagen Network IQ Training

2 Theorie und Prinzip von Glasfaseroptik Sicherheitshinweise Historie von Fasern Anatomie einer Glasfaser Glaserfasertypen Prinzip der Übertragung System Performance Parameter Wellenlänge Dämpfung Dispersion Optische Sender Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 2

3 Sicherheitshinweise Falls irgendwelche Verfahrensempfehlungen von Corning den normalen Sicherheitsbestimmungen Ihrer Firma widersprechen, sollten die Sicherheitsbestimmungen Ihrer Firma greifen: Chemische Sicherheit Isopropyl Alkohol ist feuergefährlich, Flammpunkt = 22 C, Kann bei Augen-kontakt zu Entzündungen führen, Bei Augenkontakt ca. 15 Minuten mit klaren Wasser spülen! Laser Bedienungshinweise: Laserstrahlen sind unsichtbar, ein direktes Hineinsehen verursacht keinen Schmerz, Das heißt, dass sich die Iris nicht freiwillig schließen kann, Infolgedessen ist eine ernsthafte Beschädigung der Retina möglich, Falls eine versehentliche Augenverletzung durch Laserlicht vermutet wird, lassen Sie unverzüglich Ihr Auge bei einem Augenarzt untersuchen! Schauen Sie niemals in das Ende einer Faser eines LWL-Steckers oder einer Kupplung ohne sich vorher vergewissert zu haben, das keine Leistung/Power auf diesem System ist! Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 3

4 Sicherheitshinweise Die meisten Lichtquellen haben eine niedrige Leistung und bergen somit keine große Gefahr Lichtquellen mit großer Leistung können die Retina verbrennen! gesund zerstörte Hornhaut zerstörte Retina Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 4

5 Neue Klassifikation von Lasern; IEC Laserdefinition im Hinblick auf maximale zulässige Belastung (MPE) Laserklassifikation erfolgt nach Funktion von Stärke (pulsartig oder dauernd) Strahlkoherenz Wellenlänge Sicherheitseindämmung um den Strahl Mehr detaillierte Angaben finde Sie in den Referenzfolien Klasse Ausgangsleistung/ Beschreibung Gesund-/ Sicherheitsfragen Beispiele / Verwendung Klasse 2 Emittiert bei nm (sichtbares) Licht, < 1mW (konstant) Eine Blinzelreaktion verhindert Schäden, Vielzahl an Laserpointern, Unicam CTS Laser KLasse 2M Emittiert bei nm (sichtbares) Licht Eine Blinzelreaktion verhindert Schäden, kann in Kombination mit einem Mikroskop Schäden erzeugen, Gewehraufsatz, Laserpointer KLasse 3B nm, <500mW (dauernd) nm, <30mJ (puls) Kann das Auge bei direkten Kontakt schädigen jedoch bei reflektierten Licht sollte keine Schäden erzeugt werden, Relativ gering um ein Feuer zu erzeugen, Industrie, Militär, Medizinlaser müssen eine Schutzverriegelung besitzen Klasse 4 > 500mW Kann Haut oder Augen schädigen; das Entzünden von Materialen ist möglich Industrie, Militär, Medizinlaser müssen eine Schutzverriegelung besitzen Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 5

6 Faser - Verarbeitungshinweise Gebrochene Fasern sind scharf und können in die Haut eindringen, Räumen Sie Faserreste auf, damit sie keine Probleme verursachen, Benutzen Sie eine Pinzette, um Faserreste auf ein Klebeband zu kleben oder in einen Plastikbehälter zu bringen, Bewahren Sie die Reste richtig auf, Benutzen Sie Handschuhe wenn Sie Kabel absetzen, Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 6

7 Kabel - Bearbeitungshinweise LWL-Kabel sind empfindlich gegenüber übermäßigen Zugbelastungen, Querdruck und Biegungen, studieren Sie erst das Kabeldatenblatt, bevor Sie ein Kabel verlegen oder montieren Biegen Sie ein Kabel nicht unter dem empfohlenen minimalen Biegeradius Halten Sie unbedingt die maximale Zugbelastbarkeit des Kabels ein Quetschen oder knicken Sie das Kabel nicht, wenn die angegebenen mechanischen Eigenschaften des Kabels nicht eingehalten werden, kann dieses zerstört und somit nicht die Übertragungseigenschaften gewährleistet werden. Folglich muss das Kabel Re-Installiert werden. Daumenregel Minimaler Biegeradius Während der Installation > 15 x Kabel-Ø In Betrieb > 10 x Kabel-Ø Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 7

8 Einführung Glasfasergrundlagen - Meilensteine 1960 Helium-Neon Laser 1966 erster praktischer Lichtwellenleiter mit einer theoretischen Dämpfung (1000 db/km)(100% Verlust) 1970 Corning bricht die 20 db/km Dämpfungsbarriere (99% Verlust) 1972 Erster Feldversuch eines LWL-basierenden Verkabelungssystems 1983 Erstes Single-mode Verkabelungssystem in der USA Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 8

9 Vergleich LWL zu Kupfer Faserverbindungen liefern 1,000mal mehr Bandbreite und 100mal mehr Übertragungsstreckenlänge Ein LWL-Kabel mit der gleichen Kapazität (Bandbreite) wie ein vergleichbares Kupferkabel - hat nur etwa 1% des Gewichts und Durchmessers wie ein vergleichbares Kupferkabel, Folgende Datenraten wie T-3 (44Mbps), E-3 (34Mbps) usw. werden normalerweise über LWL übertragen, Distanz Bandbreite Sprach-kanäle Kupfer 2,5km 1,5/2Mbps 24/32 LWL 100 km + 2,5 Gbps + 32,000 + Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 9

10 Faseranatomie Single-mode Kern: überträgt das Licht Multimode Cladding: verhindert den Lichtaustritt Coating: Schützt den Kern & Cladding Coating und Cladding können nicht voneinader getrennt werden Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 10

11 Fasertypen Multimode: Erlaubt mehreren Lichtmoden (rays) durch den Kern zu führen Single-mode: Erlaubt nur eine Lichtmode (ray) durch den Kern zu führen Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 11

12 Übertragungsprinzipien - Brechungsindex Brechungsindex = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Geschwindigkeit im Medium Medium Vakuum Luft Wasser Cladding Kern Brechungsindex 1,0 1,0003 1,33 1,46 1,48 Der Brechungsindex wird durch den Buchstaben N abgekürzt Lichtgeschwindigkeit = 299,792,458 m/s (186,282 Meilen/Sek,) Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 12

13 Prinzip und Wirkung - Reflektion vs, Brechung sin θ kritische = (n Wasser /n Luft ) n Luft = 1,0003 (Cladding) n Wasser = 1,33 (Kern) einfallender Winkel, θ einfallender Winkel, θ Wenn der einfallende Winkel < kritischen Winkel Brechung Wenn der einfallende Winkel > kritischen Winkel Reflektion Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 13

14 Totale interne Reflexion Wenn (n Kern > n Cladding ) und wenn der kritische Winkel nicht überschritten wird, dann entsteht die totale Interne Reflexion sin θ critical = (n Kern /n cladding ) Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 14

15 System Leistungsparameter Das Licht schraubt sich in verschiedenen Wellenlängen durch die Faser Bei Übertragung von Licht durch die Faser tritt Dämpfung auf Bei Übertragung von Licht durch die Faser tritt eine Streuung (Dispersion) auf, welche Bandbreite beeinflußt Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 15

16 System Leistungsparameter Wellenlänge Ist die Eigenschaft des Lichtes, das von einer Lichtquelle ausgestrahlt wird, Die Wellenlänge wird in Nanomtern (nm) gemessen Typische übertragungstechnische Wellenlängen 850 nm (MM) 1300 nm(mm) 1310 nm(sm) 1550 nm(sm) Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 16

17 Definition - Dämpfung Dämpfung wird in decibel (db) gemessen decibel (db) = -10 log (P out /P in ), P out = empfangene Leistung P in = gesendete Leistung Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 17

18 Dämpfungsarten Dämpfung - ein Maß optischen Leistungsabfalls Zwei Arten der Dämpfung: 1, tatsächliche 2, beeinflußbare - Absorption - Macrobending - Scattering (Zerstreuung) - Microbending Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 18

19 Tatsächliche Dämpfung - Absorption Verluste die der Faser zuzuordnen sind Absorption - natürliche Verunreinigungen im Glas absorbieren Energie, Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 19

20 Tatsächliche Dämpfung - Scattering (Zerstreuung) Scattering - Die Lichtstrahlen, die durch den Kern wechselwirkend auf einem Atomniveau durchlaufen, werden in neue Bahnen zerstreut, die durch das Cladding verlorengehen können, Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 20

21 Beeinflußbare Dämpfung Macrobending Verluste, beeinflußt durch Biegungen von Außen Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 21

22 Beeinflußbare Dämpfung Microbending Verluste durch Verzerrungen Verluste, hervorgerufen durch zu viel Druck wie z,b, zu festes Anziehen von Kabelbindern, Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 22

23 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Spektrale Dämpfungskurve Übertragungsfenster OS1 OS / MM SM Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 23

24 System Leistungsparameter: Dispersion Dispersion ist die Verbreiterung (Verschiebung) eines Lichtimpulses, der durch die Faser geschickt wird, Bandbreite wird als die Menge von Informationen definiert, die ein System tragen kann, daß jeder Impuls des Lichtes durch den Empfänger unterscheidbar ist Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 24

25 Dispersion - modale Dispersion In der multimode Faser durchläuft der Lichtimpuls in verschiedenen Schichten (Moden) Jeder Ball zeigt eine Mode Alle Bälle starten vom gleichen Impuls Modale Dispersion tritt nur in der multimode Faser auf Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 25

26 Dispersion Effekte beim Signal beeinflußt die Qualität der Übertragungsbandbreite Logische Informationen elektrisches Eingangssignal Übertragenes optisches Signal Empfangenes optisches Signal (mit Dispersion) Elektrisches Ausgangssignal logische information BIT Fehler Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 26

27 Dispersionseffekte Multimode Modendispersion im Multimode-Stufenprofil-LWL Profildispersion im MM-Parabenprofil-LWL Multi-/Singlemode Materialdispersion in allen LWL-Typen (in MM meist zu vernachlässigen) Singlemode Wellenleiterdispersion im Singlemode-LWL Chromatische Dispersion im Singlemode-LWL Polarisationsmodendispersion im Singlemode-LWL Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 27

28 Optische Sender Strahlstreuung Quelle Lichtstrahl Leistung / Geschwindigkeit Glühbirne Das Licht hat keinen direkten Fokus, Strahlen gehen in viele Richtungen Niedrige Leistung (in 1 Richtung) Relative Kosten Günstig LED Light Emitting Diode Großer Lichtausgangskonus, große Spektrale breite Niedrige Leistung, max, Geschw, 622Mbps Günstig Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Parallele Strahlung, sehr fokussiert, sehr kleine Spektrale breite Hohe Leistung, sehr schnell 10+ Gbps Preisintensiv LASER VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser gut fokussiert, kleine Spektrale breite Mittlere Leistung, sehr schnell: 10Gbps Ökonomisch Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 28

29 Optische Sender - spot size (Einkoppelfleckgröße) Die Fleckgröße ( spot size ) vom Sendeelement ist mit dem Brechzahleinbruch am optischen Lot (center line) die bestimmende Kraft für die Bandbreitenreduzierung, Cladding/125µm LASER Tx Kern/50µ Coating/250µm Spot size 4-10µm VCSEL Tx Spot size 20-30µm LED Tx Spot size > 100 µm Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 29

30 Zusammenfassung Lichtsignale werden durch den Kern der Faser transportiert, Dies ist möglich, weil der Brechungsindex (IOR) des Mantelglases (Cladding) geringer ist als der Brechungsindex des Kerns (Core) (n core >n cladding ) Lichtsignale, die in der Faser werden transportiert werden, nennt man Moden, Es gibt zwei Typen von Fasern: Multimode Singlemode - Optischer Signalverlust (Dämpfung) wird in db (decibel) gemessen Dämpfung kann entstehen durch: Tatsächliche Eigenschaften: Absorption, Scattering Beeinflussbare Eigenschaften: Macro/Micro-Bending Dispersion = Ein optischer Impuls verbreitert sich auf dem Weg durch die Faser Lichtquellen/Transmitter, die in LWL-Systemen angewendet werden: LED s VCSEL s Laser Network IQ Training Manual - Optical Fibre 2013 Corning Incorporated. All Rights Reserved. 30

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