Praktikum Kommunikationstechnik. Lichtwellenleiter 2

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1 O6 Praktikum Kommunikationstechnik Lichtwellenleiter 2 1. Versuchsziel Vertrautmachen mit Messungen an LWL: - Messung der Zusatzdämpfung bei Versatz, - Faserabstand, - Verkippung. Kennenlernen von Verbindungsarten von LWL: - nichtlösbare Verbindung: Schweissen eines LWL, - lösbare Verbindung: Klemmsteckverbinder, - lösbare Verbindung an Polymerfasern. 2. Grundlagen Zur Einarbeitung in die Grundlagen des Versuches wird das Lern- und Übungsprogramm Lichtwellenleiter [6] empfohlen Messverfahren an LWL-Übertragungsstrecken Für Lichtwellenleiter gibt es vielfältige Messverfahren. Je nach dem Ziel und der Art der Messung unterscheidet man: Messen der optischen Leistung bzw. des optischen Pegels oder der Dämpfung, Messen der numerischen Apertur, Rückstreumessung zur Fehlerortung bzw. des Dämpfungsverlaufes, Messen der Basisbandbreite bzw. der Dispersion, Messen der Kernbrechzahl bzw. des Brechzahlprofils von Multimodefasern, Bestimmen des Felddurchmessers von Monomodefasern, Bestimmen der Grenzwellenlänge u.a.. Einige dieser Messverfahren wurden bereits im Versuch LWL 1 vorgestellt. 1

2 2.2. Messen der Zusatzdämpfung an Verbindungsstellen Der möglichst dämpfungsarmen Verbindung der LWL kommt eine besondere Bedeutung zu. Bereits geringfügige Differenzen bei der Justage einer LWL-Verbindung können große Verluste der Übertragungsenergie zur Folge haben. Im Lehr- und Übungsprogramm Lichtwellenleiter wird dieser Einfluss beschrieben und demonstriert. Im Einzelnen können sich neben Verunreinigungen, Kratzern und anderen Unebenheiten folgende Einflüsse bemerkbar machen: axialer oder auch als radial bezeichneter Versatz der LWL-Stirnflächen, vergrößerter Faserabstand und Verkippung der Fasern. (1) axialer Versatz tritt auf, wenn die Achsen der beiden zusammenzufügenden LWL nicht auf einer Geraden liegen, sondern eine Abweichung gegeneinander aufweisen. Dadurch wird ein Teil des aus dem ersten LWL austretenden Lichtes nicht mehr in den Kern des zweiten LWL eingekoppelt sondern nur in den Mantel oder er geht völlig an diesem vorbei. Die Zusatzdämpfung bei Versatz kann in guter Näherung nach der Beziehung a db d = 10 lg 1 d k mit a = Zusatzdämpfung in db, d = Abweichung der LWL-Achsen in µm, d k = Kerndurchmesser in µm, berechnet werden. Bild 1: axialer Versatz der LWL (2) Bei vielen Verbindungen stoßen die Fasern nicht unmittelbar zusammen. Das hat ebenfalls eine zusätzliche Dämpfung zur Folge, die jedoch, abhängig vom Akzeptanzwinkel, einen wesentlich geringeren Einfluss ausübt. Oftmals kann sogar ein gewisser Abstand der Faserenden bestimmte Toleranzen des axialen Versatzes ausgleichen. 2

3 Eine Näherung für die Berechnung der Zusatzdämpfung durch den Faserabstand ist die Beziehung a db z = 10 lg 1 2 d k tanϕ A mit a = Zusatzdämpfung in db, z = Abstand der LWL-Stirnflächen in µm, d k = Kerndurchmesser in µm, = Akzeptanzwinkel. ϕ A Bild 2: Faserabstand der LWL-Stirnflächen (3) Wenn die Achsen der zusammenzufügenden LWL nicht exakt parallel zueinander stehen, sondern einen bestimmten Winkel bilden, so spricht man von der Verkippung. Auch hier geht ein Anteil der Lichtenergie verloren, sodass eine Zusatzdämpfung auftritt, die mit wachsendem Kippwinkel ansteigt. Wie beim Faserabstand ist auch die bei der Verkippung auftretende Zusatzdämpfung vom Akzeptanzwinkel abhängig. Zur Berechnung kann die Näherung a db = ϕ lg π ϕ k A herangezogen werden. mit ϕ A = Akzeptanzwinkel, ϕ K = Kippwinkel Bild 3: Verkippung der LWL 3

4 Für die Herstellung einwandfreier, d.h. verlustarmer Verbindungsstellen von LWL ist demnach äußerste Sorgfalt geboten, um die vorstehend angeführten Fehler weitestgehend auszuschließen. Das gilt sowohl für die Herstellung von Klebe- oder Schweißverbindungen, als auch für die Produktion und Konfektionierung von Steckverbindern aller Typen. Im Versuch soll die auftretende Zusatzdämpfung an der Verbindungsstelle zweier LWL gemessen und mit den errechneten Werten verglichen werden. Die Messung erfolgt als Durchgangsmessung, d.h. am Eingang des einen LWL wird von einem optischen Sender eine moduliertes Lichtsignal eingespeist und am Ausgang des anderen LWL wird das demodulierte Signal über einen optischen Empfänger mit einem Oszilloskop ausgewertet. Dabei gilt es zu beachten, dass die am Oszilloskop gemessenen Spannungsverhältnisse des demodulierten Signals dem jeweils konkreten Lichtleistungsverhältnis entsprechen! Die an der Kopplungsstelle auftretende Zusatzdämpfung kann dann über die Beziehung berechnet werden. a Zusatz us = 10 lg u max Sn 2.3. Verbinden von Lichtwellenleitern Allgemeines Wie bereits im 1. Versuchsteil untersucht wurde, haben besonders der axiale Versatz und die Verkippung einen großen Einfluss auf die an einer Koppelstelle auftretende Zusatzdämpfung. Für reale Koppelstellen kann anhand empirisch ermittelten Formeln (siehe Literaturhinweis [6]) sowohl für Multi- als auch Singlemodefasern die zu erwartende Dämpfung hinreichend genau errechnet werden. Fehlt der physikalische Kontakt an den Stirnflächen im Kernbereich, so kommt es zusätzlich zu Verlusten durch Fresnelreflexion. Für Multimode LWL mit unterschiedlichen Parametern wie Kernradien r K1 und r K2, numerische Aperturen NA 1 und NA 2 oder Profilexponenten g 1 und g 2 lassen sich die auftretenden Dämpfungen a r, a NA und a g durch die folgenden Beziehungen berechnen. = 10lg r 2 K1 a in db bei r rk 2 r r K1 K 2 = 10lg NA 2 1 ( ) a in db bei NA NA2 NA1 NA 2 4

5 Die Spanne der möglichen Profilexponenten verdeutlicht Bild 4. Mathematisch ergibt sich für eine Stufenprofilfaser mit g, dass die dadurch verursachte Dämpfung a g 0 geht. Bild 4: Profilexponenten Für die Praxis sind die Profilexponenten g der Stufenprofil und g = 2 für die Gradientenprofilfaser wichtig. a g [( )] g1( 2+ g2 ) = 10lg in db bei g ( 2+ g ) 2 1 g1 g 2 Je ungenauer die Festlegung der Parameter der zu koppelnden Fasern erfolgte, umso höher die intrinsischen Verluste. Die aus Sicht der Verbindungstechnik bestimmenden Faktoren sind in Bild 5 zusammen gefasst. Bild 5: Intrinsiche Verluste bei Faser-Faser-Kopplung 5

6 Die Kategorie der extrinsichen Verluste beschreibt Fehlanpassungen, die durch Toleranzen der Positionierung der Faserkerne zueinander oder an den Stirnflächen entstehen. Die hauptsächlich wirkenden Einflüsse werden im Versuch untersucht Lösbare Verbindungen Steckverbinder sind die häufigste Art lösbarer Verbindungen. Sie reichen von einfachen, mittels Führungshülsen zusammensteckbaren, bis zu komplizierten, mit Linsen oder Schrägschliff versehenen und oft mit Verdrehschutz ausgerüsteten Verbindern. Sie sind beliebig oft zu lösen, dafür aber kompliziert und langwierig in der Anbringung ("Konfektionierung"). Für einige LWL-Arten wurden Klemmsteckverbinder entwickelt, die relativ leicht zu montieren sind und für kurzzeitige Verbindungen geeignet sind (z.b. Reparatur bzw. Laborbetrieb). Außerdem ist die an der Koppelstelle auftretende Zusatzdämpfung gegenüber anderen Verbindungsarten relativ hoch. Die direkte Stirnflächenkopplung nach Bild 6 hat sich als optimales Koppelprinzip herausgestellt. Dabei ist der direkte Kontakt der Stirnflächen der Fasern sicherzustellen. Dies wird mit einem konvexen Schliff und der federnden Lagerung der Ferrulen im Stecker, die bei Kontakt einen konstanten Anpressdruck garantieren, erreicht. Bild 6: Direkte Stirnflächenkopplung Speziell für Polymerfasern (POF) gibt es eine Reihe verschiedener Steckertypen. Hier soll aber nur auf die Steckverbindung mittels FSMA-Steckern (FSMA - Field Installable Subminiature Assembly) eingegangen werden. Der Vorteil der POF gegenüber der Glasfaser besteht in der besseren Handhabbarkeit durch den größeren Kern-/Manteldurchmesser von 980/1000 µm. Der Kerndurchmesser bei Glasfasern liegt zwischen 10 µm und 300 µm. Dadurch muss bei der Steckerkonfektionierung an Glasfasern auf eine wesentlich höhere Präzision geachtet werden. Die Polymerfasern können durch Kleben, Krimpen oder Verschrauben mit dem FSMA- Stecker bestückt werden, die letztere Variante wird im Laborversuch realisiert. 6

7 Zur Bestückung von LWL mit FSMA-Steckern werden hauptsächlich zwei Verfahren angewendet: Beim Hot-Plate-Verfahren wird ein festgelegter Überstand der Faser vor dem Steckerende gegen einen heißen Spiegel gedrückt. Das sich verformende Fasermaterial weicht dabei in eine ringförmige Ausbuchtung des Steckers zurück. Der Stecker ist nach der Abkühlung fertig konfektioniert. Eine deutlich geringere Einfügedämpfung erreicht man durch das Abschneiden der Faser kurz vor der Steckerstirnfläche und anschließendes Schleifen und Polieren. Dieses Verfahren soll als Versuchsaufgabe im praktischen Teil gelöst werden Quasilösbare Verbindungen Fingerspleiße sind für eine provisorische Fehlerbeseitigung an Übertragungsstrecken sowie für Laborbedingungen entwickelt. Mittels eines Metallröhrchens, in dem sich entsprechende Führungen sowie etwas Immersionsflüssigkeit (Glyzerin) befindet, können die beiden Enden nach einer Vorbehandlung (z.b. Anfertigung ebener und sauberer Stirnflächen) schnell zusammengefügt und problemlos wieder getrennt werden. Die Grundvoraussetzung ist dabei, dass die zu verwendenden Finger- oder Labspleiße zu den zu verbindenden Fasern passen. Die dabei auftretende Zusatzdämpfung ist infolge der Immersionsflüssigkeit sehr niedrig. Konkrete Hinweise zur Ausführung finden Sie im Programm Lichtwellenleiter Nichtlösbare Verbindungen (1) Kleben von LWL ist eine Methode zur Verbindung von LWL, die hauptsächlich bei Plastfasern angewendet wird und zumeist eine untergeordnete Rolle spielt. (2) Schweißen von LWL ist die Hauptmethode zur Herstellung dämpfungsarmer dauerhafter Verbindungen. Dabei werden die beiden Enden der LWL mittels exakter Trenngeräte so vorbereitet, dass ebene und saubere Stirnflächen entstehen. Diese werden dann im Schweißgerät entsprechend positioniert und mittels Lichtbogen zum Schmelzen (Fusionsspleißen) gebracht. Es entsteht eine stoffschlüssige Verbindung. 7

8 3. Vorbereitungsaufgaben 3.1. Wiederholen Sie mit Hilfe des Programms Lichtwellenleiter den Aufbau, die Zusatzdämpfung an Koppelstellen sowie die Arten der Kopplung von Lichtwellenleitern! 3.2. Berechnen Sie nach den im vorstehenden Text angeführten Näherungsbeziehungen die Zusatzdämpfung für einen Plast-Stufenindex-LWL mit d K = 1 mm, A N = 0.46, ϕ A = ) bei axialem Versatz für d/d K = , 2) bei Faserabstand für z/d K = und 3) bei Verkippung für ϕ K = und stellen Sie die Ergebnisse als Tabellen und Kurven einzeln auf Millimeterpapier dar, beachten Sie, dass die Messwerte von 4.1 zum Vergleich in die Grafiken eingetragen werden sollen! 3.3 Berechnen Sie die bei der Kopplung einer Gradientenindexfaser mit einem Kerndurchmesser r K1 = 62,5µm auf eine gleichartige Faser mit r K2 = 50µm auftretende Dämpfung a K, wenn im Idealfall keine weiteren Verluste auftreten und die Profilexponenten gleich sind. Die Fasern sind in Bezug auf ihre Achsen nur soweit verschoben, dass keine zusätzlichen Dämpfungen durch Faserversatz auftreten. Schlussfolgern Sie anhand der Ergebnisse, wie groß die Dämpfung im umgekehrten Koppelfall sein müssten und wie wirkt sich bei den real auftretenden, extrensischen Verlusten (z.b. d > 6,25µm) der Einfluss der Koppelrichtung für die hier verwendeten Fasern aus? LWL1 : r K1 = 62,5µm NA 1 = 0,27 g 1 = 2; LWL2: r K2 = 50,0µm NA 2 = 0,2 g 2 = 2; 3.4. Erläutern Sie das Prinzip der Modendispersion! Wie kann dieser Effekt vermindert werden? 3.5. Bestimmen Sie den maximalen Akzeptanzwinkel und die numerische Apertur für eine Stufenindexprofil-Polymerfaser mit einer Kernbrechzahl von 1,49 und einem Brechungsindex des Mantelmaterials von 1,40! 8

9 4. Versuchsaufgaben 4.1. Messen der Zusatzdämpfung an einer LWL-Verbindungsstelle Messen der Zusatzdämpfung einer LWL-Verbindungsstelle in Abhängigkeit vom Verhältnis d/d k bei axialem Versatz, vom Verhältnis z/d k bei Vergrößerung des Faserabstandes sowie vom Kippwinkel ϕ K bei Verkippung der Faserenden an einem Plast-LWL Vorbereitung Geräte und Zubehör: Leybold LWL-Sender und LWL-Empfänger, Oszilloskop (HP 54600B oder PEAKTech 4021C), Verschiebetisch, 2 St. Plast-LWL ( Länge ca. 1 m ): Stufenindexfaser d K = 1mm, Abschluss ohne Stecker, 2 Passhülsen für den Einsatz der LWL in den Verschiebetisch 1 St. BNC-Kabel, 1 Adapter BNC-2x4mm, 2 Laborschnüre 30 cm. Oszilloskop 1.Kanal ext Trig out LWL- Sender 665 nm Verschiebetisch LWL- Empf. AC Bild 7: Versuchsanordnung zum Messen der Zusatzdämpfung an Koppelstellen Aufgaben: Wichtiger Hinweis: Beachten Sie unbedingt die am Platz - ausliegenden, zusätzlichen Mess- und - Bedienhinweise! 9

10 - Versuchsanordnung entsprechend Bild 7 vorbereiten, - LWL in den entsprechenden Buchsen des LWL-Senders bzw. -Empfängers und mittels der Passhülsen am Verschiebetisch befestigen, - Stromversorgung für LWL-Sender und -Empfänger mittels Steckernetzteilen anschließen und Geräte einschalten, - Mikrometerschrauben und Höhenjustierung am Verschiebetisch auf maximale Amplitude am Oszilloskop einstellen - beachten, dass keine Verkippung vorhanden ist - und eingestellte Werte der Mikrometerschrauben (ein Teilstrich = 10 µm) notieren Zusatzdämpfung bei axialem Versatz (4 Messreihen in abwechselnder Richtung) - Mikrometerschraube für die seitliche Verschiebung um 0.1 mm = 10 Teilstriche drehen (bis d/d K = 0.5 erreicht ist) Messwerte notieren, - Mittelwerte der Messreihen bilden und in die Zusatzdämpfung umrechnen (das Spannungsverhältnis entspricht direkt dem Verhältnis der Lichtleistung!), - die erhaltenen Werte in die entsprechende Grafik der Vorbereitungsaufgabe 3.2. eintragen, die Kurve einzeichnen und mit der errechneten Kurve vergleichen Zusatzdämpfung bei vergrößertem Faserabstand (4 Messreihen) - Ausgangswerte am Verschiebetisch wieder einstellen, - die Messungen bei vergrößertem Faserabstand sind analog mit folgenden Schrittweiten durchzuführen: Faserabstand: z/d K 0, 0.2,... 2 (Mikrometerschraube jeweils um 20 Teilstriche drehen), - auch hier sind die erhaltenen Werte in die entsprechende Grafik der Vorbereitungsaufgabe 3.2. einzutragen, die Kurve einzuzeichnen und mit der errechneten Kurve zu vergleichen. 10

11 Zusatzdämpfung bei Verkippung (4 Messreihen in abwechselnder Richtung) - Ausgangswerte am Verschiebetisch wieder einstellen, - die Messungen bei Verkippung sind analog mit folgenden Schrittweiten durchzuführen: - Kippwinkel : ϕ K = 0, 5,... 30, und Werte in Grafik von 3.2 eintragen Diskussion der Messergebnisse Beantworten Sie bei der Auswertung der Messergebnisse folgende Fragen: Welche Unterschiede zwischen den Kurvenformen können Sie erkennen? 1) zwischen den Messungen von , 2) zwischen den gemessenen und den in der Vorbereitungsaufgabe 3.2 errechneten Kurven - begründen Sie ggf. festgestellte bedeutsame Unterschiede zwischen Rechnung und Messung; Welche Einflüsse haben Versatz, Faserabstand und Verkippung auf die Zusatzdämpfung der Koppelstellen von LWL-Verbindungen? Wie bezeichnet man die hier auftretenden Verluste? 11

12 4.2. Verbinden von LWL Verbinden von jeweils 2 LWL mit einem Schweißgerät sowie mit Klemmsteckverbindern und Vergleichen der Zusatzdämpfung durch Durchgangsmessung. Wichtiger Der Hinweis: genaue Ablauf der Faservorbereitung liegt als Anleitung am Versuchsplatz aus! LWL-Reste sorgfältig in das Abfall-Behältnis entsorgen. Es besteht Verletzungsgefahr! Schweißen von LWL Geräte und Zubehör - Gradientenindexfaser K = 62,5µm, - Werkzeuge und Geräte lt. Mess- und Bedienhinweisen zum Laborversuch. Aufgaben: - Koppelstelle wenn erforderlich auftrennen, - LWL-Schweißgerät vorbereiten, bei beiden LWL die Trennstellen für eine exakte Schweißverbindung vorbereiten (Coating entfernen, LWL säubern, rechtwinklige Bruchstelle herstellen), beide LWL in das Schweißgerät einspannen und die Trennstellen betrachten, ggf. wiederholen, - gemäß Bedienanleitung für das Schweißgerät, LWL mittels der Drehregler am Schweißplatz ausrichten und bis auf einen schmalen Spalt (ca. 0.5mm) zusammenführen, die für das Schweißgerät angegebenen Spleißparameter einstellen dann Reset ausführen, - Trennstelle durch kurzes Einschalten des Lichtbogens (max. 1s) reinigen, - LWL zusammen führen und Schweißvorgang starten, er kann durch das Mikroskop beobachtet werden, Durchgangsleistung am Pegelmesser ablesen und zum Vergleich notieren, Herstellen der Verbindung auf Weisung des Versuchsleiters ggf. wiederholen. 12

13 Verbinden von LWL mittels Klemmsteckverbindern Geräte und Zubehör - Stufenindexfaser K = 200 µm, - Werkzeuge und Geräte lt. Mess- und Bedienhinweisen zum Laborversuch. Aufgaben: - LWL-Pegelsender und -Leistungsmesser mit den für diese Messung vorbereiteten gekoppelten Stufenindex-LWL verbinden, - Leistung mittels Durchgangsmessung messen und Wert zum Vergleich notieren, - Steckverbindungen zwischen Adapter- und Test-LWL auftrennen, - am Test-LWL beide Klemmsteckverbinder entfernen, - erstes LWL-Ende abmanteln und in den Klemmsteckverbinder einführen, - Klemmsteckverbinder mit LWL in das Faserritzwerkzeug einführen, befestigen, Faser abtrennen und Klemmsteckverbinder wieder aus dem Werkzeug entnehmen - Faserrest in das Abfallbehältnis entsorgen, - Montage des Klemmsteckverbinders am zweiten Ende der Faser wiederholen und die Steckerflächen durch das Mikroskop betrachten, - Mess-LWL mit den Adapter-LWL verbinden, Durchgangsleistung ablesen und mit der Vorgabe vergleichen. - Gegebenfalls ist die Steckermontage auf Weisung des Versuchsleiters zu wiederholen Konfektionierung von Polymerfasern mit FSMA-Steckern Geräte und Zubehör - Polymerfaser ) K = 980µm, - Werkzeuge und Geräte lt. Mess- und Bedienhinweisen zum Laborversuch. 13

14 Aufgaben: - Mit Hilfe der Abisolierzange ca. 10 mm der Kunststoffummantelung der POF abisolieren, zur Vermeidung von Beschädigungen der POF die Abisolierzange langsam öffnen. - FSMA-Stecker bis zum Anschlag auf den LWL schieben und per Hand mit der Überwurfmutter fest angeziehen. Bei Einhaltung der 10 mm Abisolierlänge sollte etwa 1 mm POF am Anfang des Steckers überstehen. Die eventuell überstehende Polymerfaser mit Hilfe des Rasierklingenwerkzeuges auf 1 mm Überstand kürzen. werden. Bei zu geringem Faserüberstand nochmals abisolieren Wichtiger Hinweis: Achten Sie darauf, dass nur die Faser und nicht der FSMA-Stecker abgeschliffen wird, da ansonsten Metallteilchen des Steckers mit in die POF eingeschliffen werden könnten, welche dann eine erhöhte Dämpfung zur Folge hätten! - Der Stecker wird in den dafür vorgesehenen Polierteller gesteckt und nachbearbeitet. Bitte nutzen Sie dazu die am Platz ausliegenden Hinweise. Der Dämpfungsunterschied zur nicht polierten Faser sollte messbar sein. - Gegebenfalls ist die Steckermontage auf Weisung des Versuchsleiters zu wiederholen Diskussion der Messergebnisse Beantworten Sie dabei folgende Fragen: 14 - Welche Probleme ergaben sich für Sie bei der Ausführung der Arbeiten zur Vorbereitung der LWL (Abmanteln, Trennen) und dem Anfertigung der LWL- Verbindungen? - Wie fällt der Vergleich der von Ihnen angefertigten mit den vorgegebenen Verbindungen bzw. der Vergleich zwischen den unterschiedlichen Verbindungsarten aus? - Welche Probleme ergaben sich für Sie bei der Konfektionierung der Polymerfasern mit den FSMA-Steckern beim Schneiden, Abisolieren sowie Schleifen und Polieren? - Welche Vor- und Nachteile der einzelnen Verbindungsarten für ihre Anwendung würden Sie aus dem Versuch schlussfolgern? - Welche Fehlerquellen bei der Kopplung von LWL gelten für lösbare und nichtlösbare Verbindungen und wie können diese zugeordnet werden?

15 5. Literatur: [1] Grimm, E., Nowak, W., Lichtwellenleitertechnik, Hüthig Verlag, Heidelberg, 1989; [2] Lutzke, D., Lichtwellenleitertechnik, Pflaum Verlag, München, 1986; [3] Eberlein, Dieter und 4 Mitautoren, Lichtwellenleitertechnik, Expert Verlag 2003 [4] Phoenix Contact: Konfektionieranleitung für POF mit FSMA-Stecke, Blomberg 2000 [5] Daum, W., Krauser, J.; Zamzow, P. E.; Ziemann, O, POF-Fasern für die Datenkommunikation, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg, 2001 [6] Krebs, F.W., Lehr und Übungsprogramm Lichtwellenleiter, HTW 2005, Erarbeitet : 1994 Erweitert: 2004 Letzte Überarbeitung: Dipl.-Ing. F. W. Krebs Dipl.-Ing (FH) M. Kluge Dipl.-Ing. (FH) W-D. Bretschneider HTW Dresden, Fakultät Elektrotechnik 15