Fiber Optics Licht schalten, Licht transportieren, Licht verteilen

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1 Fiber Optics Licht schalten, Licht transportieren, Licht verteilen The Quality Connection

2 der Lichtwellenleiter-Technik

3 1. Lichtwellenleiter allgemein Spektrum des Lichtes Licht breitet sich als elektromagnetische Welle im Vakuum mit der Geschwindigkeit c 0 = ,458 km/s aus. Das Spektrum des Lichtes umfasst einen weiten Bereich und reicht vom tiefen Ultravioletten (UV) (Wellenlänge λ = 100 nm) bis ins Infrarote (IR) (λ = 200 mm), wobei das sichtbare Licht nur den Bereich von 380 nm bis 780 nm einnimmt. Verschiedene Lichtwellenleitertypen werden entsprechend ihrer Transmissionseigenschaften bei unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt. Der Schwerpunkt der Wellenleiteranwendungen reicht dabei vom nahen UV (ab 300 nm) bis in den unteren IR-Bereich. In einem homogenen Medium breitet sich das Licht als gradliniger Strahl aus und wird mit Hilfe der Gesetze der Strahlenoptik beschrieben. Aus der Strahlenoptik leitet sich auch das Ausbreitungsverhalten in großen Wellenleiterstrukturen her, in denen mehrere Ausbreitungsrichtungen des Lichtes möglich sind (siehe Kap. 1.2.). Geht man jedoch zu immer kleineren Wellenleiterstrukturen, so lässt sich das Ausbreitungsverhalten nur noch mit Hilfe der Wellentheorie erklären. In den folgenden Kapiteln werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Wellenleiterbauteilen, wie sie LEONI fertigt, dargestellt. Kosmische Strahlung T- Strahlung UV Strahlung Sichtbares Licht IR- Strahlung Radiowellen Frequenz (Hz) Röntgenstrahlung Mikrowellen, Radar TV VHF SW THz (1 THz) (1 GHz) (1 MHz) (1 pm) (1 nm) (1 µm) (1 mm) (1 m) (100 m) Wellenlänge (m) C0 = km/s C = λ * f λ = Wellenlänge f = Frequenz ultraviolette Strahlung (UV) sichtbares Licht (VIS) nahes Infrarot (NIR) / POF PCF MIR/FIR Fiber GOF UV VIS VIS IR mittl. Infrarot (MIR) fernes Infrarot (FIR) µm

4 Lichtwellenleiter allgemein 1.2. Ausbreitung des Lichtes im Lichtwellenleiter Das Grundprinzip der Übertragung im Lichtwellenleiter beruht auf der Totalreflexion. Fällt ein Lichtstrahl auf die Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium mit dem Brechungsindex n 1 und einem optisch dünneren Medium mit dem Brechungsindex n 2, so wird er in Abhängigkeit vom Einfallswinkel α gebrochen oder total reflektiert. sin α / sin β = n 1 / n 2 (α = Einfallwinkel, β = Ausfallwinkel, n 1 = Brechzahl des optisch dichteren Mediums, n 2 = Brechzahl des optisch dünneren Mediums) Beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium wird der Strahl vom Lot weg gebrochen und ein mit zunehmendem Einfallswinkel größer werdender Teil des Lichtes an der Grenzfläche reflektiert. Wenn der Lichtstrahl immer flacher auf die Grenzfläche fällt, nähert sich der gebrochene Strahl einem Winkel von β = 90 gegen das Einfallslot. Bei noch flacherem Einfall des Lichtstrahles geht die Brechung in eine Totalreflexion über. Man nennt den Winkel, ab dem der Lichtstrahl vollständig an der Grenzfläche reflektiert wird, den Grenzwinkel der Totalreflexion. Die Größe des Grenzwinkels der Totalreflexion ist von der Brechzahldifferenz zwischen optisch dichtem und optisch dünnem Medium abhängig. Totalreflexion im Stufenindexprofil LWL α Grenz n 2 θ Grenz n 0 n Numerische Apertur Die numerische Apertur ist eine entscheidende Größe bei der Einkopplung von Licht in den LWL. Sie wird bestimmt durch die Differenz der Brechzahlen von Kern und Mantel. Nur Lichtstrahlen, die unter einem bestimmten Winkelbereich θ Grenz in die Faser eintreten, werden durch die Faser hindurch geleitet. Die numerische Apertur NA wird durch den Sinus des Grenzwinkels θ Grenz folgendermaßen bestimmt: Typische Werte für die NA liegen bei kommerziellen Fasern im Bereich von 0,1 bis 0,5, was Öffnungswinkel zwischen 6 und 30 entspricht. NA = sin θ Grenz = (n 1 2 n 22 ) NA = 0,37 α/2 = 21,72 NA = 0,29 α/2 = 16,86 NA = 0,22 α/2 = 12,71 NA = 0,20 α/2 = 11,54 NA = 0,15 α/2 = 8,63 NA = 0,10 α/2 = 5,74 Typische Öffnungswinkel von kommerziellen Glasfasern

5 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 1. Lichtwellenleiter allgemein Unteranregung, Überanregung Beim Einkoppeln von Licht in Lichtwellenleiter (LWL) werden häufig nicht alle Moden gleichmäßig angeregt. Der Grenzwinkel oder Durch messer des einfallenden Strahles weicht häufig von den Faserparametern ab. Strahlenanteile mit einem größeren Winkel als dem Grenzwinkel werden in der Faser ausgekoppelt und Leistung geht dadurch verloren. Man spricht von Überanregung. Bei Unteranregung dagegen ist der Winkel kleiner als der Grenzwinkel, bzw. der Strahlquerschnitt ist kleiner als der Kerndurchmesser. Bei Gradientenindexfasern (s. Kap ) ergeben sich auch bei Unteranregung leicht höhere Streckendämpfungswerte Kupplung von 2 Fasern Das Koppeln von zwei Fasern über die Endflächen zweier Faserenden kann als bleibende Verbindung, dem so genannten Spleiß, oder über Verbindung zweier Steckverbinder in einer Kupplung erfolgen. Man kann zwei gleiche Steckertypen in einer Standardkupplung oder zwei verschiedene in einer so genannten Hybridkupplung verbinden. Die Verbindung mit der geringsten Beeinflussung (Dämpfung) des geführten Lichtes ist der so genannte Fusion Splice, bei dem die beiden Faserenden nach präziser Ausrichtung in einem Lichtbogen miteinander verschmolzen werden.

6 Fasertypen Im Produktportfolio von LEONI werden grundsätzlich zwei Arten von faseroptischen Bauteilen unterschieden: a) Bauteile, bei denen die Lichtführung durch eine isolierte Faser erfolgt, und b) Bauteile, bei denen das Licht durch ein Faserbündel geführt wird. Zu den Einzelfaserbauteilen zählen auch Bauteile, bei denen mehrere Faseradern in einem Kabel konfektioniert sind. In den folgenden Abschnitten werden zunächst die Einzelfasern beschrieben, wobei bestimmte grundlegende Eigenschaften auch für die Faserbündel gelten. Danach erfolgt die spezielle Beschreibung der Faserbündeleigenschaften Einzelfasern Die folgende Abbildung zeigt die wichtigsten Grundtypen an optischen Fasern: Multimode-Faser mit Stufenindexprofil Multimode-Faser mit Gradientenindexprofil Singlemode-Faser Die meistgenutzte Singlemodefaser ist die so genannte Telekommunikationsfaser, deren Modenfelddurchmesser typischerweise bei 9 bis 10 µm liegt und deren Manteldurchmesser (Cladding) 125 µm beträgt. Das Licht wird hauptsächlich im Modenfelddurchmesser geführt, wobei ein geringer Teil außerhalb des eigentlichen Kernes und im kernnahen Claddingbereich geleitet wird. Die Modenfeldverteilung entspricht einer Gaußkurve. Der eigentliche Kerndurchmesser beträgt typischerweise 8,2 µm, bei einer NA von 0,14. Die singlemodigen Übertragungseigenschaften der Standardtelekommunikationsfaser überdecken einen Spektralbereich von 1280 bis 1650 nm. Die Grenzwellenlänge, ab der eine zweite Mode ausbreitungsfähig wird, nennt man Cut-off-Wellenlänge und liegt für die Standardtelekommunikationsfaser bei ca bis 1280 nm. Bei dem Herstellverfahren der Standardtelekommunikationsfasern wurde auf extreme Reinheit des Fasermaterials (Quarzglas/dotiertes Quarzglas) geachtet, wodurch ein Maximum an Transmission erzielt wird. Die typische V = Const Strahl mit größter Laufzeit r θgrenz 0 n Stufenindexprofil LWL Kern Mantel Strahl mit kleinster Laufzeit r V 2 > V 1 r V θgrenz 2 0 V 1 r n Parabelindexprofil LWL r 0 n Singlemode LWL r Singlemode-Fasern Die Signalübertragung in einer Singlemode-Faser (auch Monomode- Faser) erfolgt lediglich durch die Leitung des Lichtes im Grundmodus (mono oder single), da nur dieser Grundmodus ausbreitungsfähig ist und alle übrigen Moden geführt werden. Bei großen Distanzen und Bandbreiten werden Singlemode-Fasern bevorzugt eingesetzt, da hierbei die geringsten Signalverzerrungen auftreten. Dämpfung einer heutigen Singlemode-Faser für die Telekommunikation liegt bei 1310 bzw nm bei <0,05 db/km, so dass man Signale über Entfernungen von mehr als 100 km ohne Verstärkung übertragen kann. Eine Weiterentwicklung der Standard-Singlemode-Faser ist die so genannte Low-Water-Peak-Faser (ITU-T G.652.C und G.652.D). Bei dieser Faser können Daten auch im Wellenlängenbereich zwischen 1310 und 1550 nm verlustarm übertragen werden, da durch das spezielle Herstellungsverfahren der Wassergehalt der Faser besonders niedrig ist und dadurch die starke Absorption durch OH-Schwingungen in

7 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 2. Fasertypen 249 diesem Wellenlängenbereich unterdrückt wird. Mit diesen Fasern wird das E-Band (extended band) für die Datenübertragung geöffnet. Dieser Bereich wird überwiegend mit der CWDM-Technologie (Coarse Wavelength Division Multiplex) erschlossen, die es ermöglicht, aufgrund der großen Wellenlängenabstände auf kostengünstige Laser für die Übertragung zurückzugreifen. Als Singlemode-Fasern für Weitverkehrsnetze werden Non-Zero- Dispersion-Fasern (ITU-T G.655.C) verwendet. Sie haben eine sehr geringe Dämpfung und Dispersion im C-Band um 1550 nm. Somit sind längere Strecken ohne Dispersionskompension zu erreichen. Singlemode-Fasern für andere Wellenlängenbereiche sind ebenfalls kommerziell erhältlich. Insbesondere Fasern für den nahen IR-Bereich und den sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) weisen zunehmend geringere Modenfelddurchmesser auf. Solche Fasern eignen sich für eine Reihe von Spezialanwendungen, bei denen Übertragungen mit einer sehr guten Strahlqualität gefordert werden. Die niedrige Dämpfung über lange Distanzen ist in der Regel keine kritische Forderung für solche Anwendungen Multimodige Stufenindexfasern Bei Stufenindex-Multimode-Fasern werden aufgrund eines größeren Kerndurchmessers und/oder entsprechend hohem Δn zwischen Kern und Mantel gegenüber Singlemode-Fasern mehrere Moden im Kern geführt. Die Variationsbreite für solche Fasertypen ist groß. Man unterscheidet folgende Grundtypen, die auch entsprechende industrielle Bedeutung haben: LWL Kernmaterial Mantelmaterial (Cladding) POF PMMA Fluoriertes PMMA PCF Quarzglas Kunststoff (Akrylat) Quarzfasern Quarzglas Quarzglas (low OH, high OH) Glasfasern Quarzglas oder Dotiertes Quarzglas Mehrkomponentenglanentenglas oder Mehrkompo- MIR-Fasern Spezialglas Spezialglas (Fluoridglas, Chalkogenidglas) Bei Stufenindex-Multimode-Fasern treten hohe Modendispersionen aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten auf Multimodige Gradientenindexfasern Durch einen Brechzahlgradienten mit Hilfe von steigender Germaniumdotierung zum Kernmittelpunkt hin wurden die Laufzeitunterschiede für alle Moden minimiert, so dass die Bandbreite deutlich verbessert werden konnte. Das Profil des Brechungsindexes im Kern ist nahezu parabelförmig. Bei diesen Fasern gibt es Optimierungen für höhere Bandbreiten in bestimmten Wellenlängenbereichen Spektraleigenschaften Low OH/High OH Der Wassergehalt in der Faser bestimmt aufgrund der OH-Schwingungen das Absorptionsverhalten. Die Low-OH-Faser hat niedrige Dämpfungswerte im nahen infraroten Bereich und findet deshalb dort Verwendung. Die High-OH-Faser vermindert die Bildung von Fehlstellen bei Bestrahlung im ultravioletten Bereich. Die Low und High OH-Fasern gibt es vor allem bei den Stufenindexquarzfasern. Deren Anwendung sind z. B. Leistungsübertragung bei Laseranwendungen sowie Detektion von Strahlung in der Sensorik Polarisationserhaltende Fasern Die polarisationserhaltende Faser ist eine besondere Art der Singlemode- Fasern. Durch Druckelemente im Cladding wird eine solche Doppelbrechung im Kern erzielt, so dass die Polarisationsebenen des in der Faser geführten Lichtes erhalten bleiben. Man unterscheidet drei verschiedene Typen, die sich in der Form der Stresskörper in den Fasern unterscheiden. Shaped Cladding Bow Tie Fiber Panda Fiber Fast axis Slow axis Die Kerndurchmesser der Fasern entsprechen den jeweiligen Durchmessern der Standardfasern. Als Claddingdurchmesser sind sowohl 80 µm als auch 125 µm üblich, wobei der geringere Claddingdurchmesser eine geringere Beeinflussung der Polarisation bei kleinen Biegeradien bewirkt Coatings und Buffer Lichtwellenleiter aus Quarz oder Kunststoff müssen sowohl mechanisch als auch gegen Feuchtigkeit geschützt werden. Daher gibt es als Schutz Coatings und Buffer. Typischerweise werden Akrylate als Coating aufgebracht. Für besondere Anwendungsfälle werden die Fasern mit Polymid, PTFE, Silikonkautschuk oder Hochtemperatur-Akrylat beschichtet. Für Spezialanwendung können Glasfasern auch mit einem Metall beschichtet werden, so dass sie lötbar werden.

8 Fasertypen Biegeradien Die Lichtwellenleiter können nur bis zu einem bestimmten Radius gebogen werden, ohne dass die Faser bricht. Die Glasfasern können bei bestimmter mechanischer Belastung reißen oder ganz durchbrechen. Daher wird ein minimaler Biegeradius definiert, bei dem eine hohe Wahrscheinlichkeit einer langen Lebensdauer besteht. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Faser bricht, hängt von Fertigungsparametern, dem Claddingdurchmesser und der Verweildauer ab. Die Qualitätsprüfung erfolgt über den so genannten Proof Test nach dem Faserzug, bei dem die Faser in einem engen Radius geführt und mit einer definierten Kraft belastet wird. Als grobe Regel gilt: Der Biegeradius die Kurve der Einzelfaser sollte nicht kleiner sein als der Faktor 600 x d Kern. Im Falle einer 600-µm-Single-Faser beträgt der minimale Biegeradius 36 cm Signalübertragung in optischen Fasern Die Übertragung von Signalen mit großen Informationsinhalten (digitale oder analoge Signale) erfordert besondere Übertragungseigenschaften der Faser, um eine möglichst fehlerfreie Übertragung auch über längere Strecken und mit hoher Bandbreite zu erzielen Dispersion und Profile Maßgebend für die Qualität des optischen Übertragungssystems ist nicht nur die überbrückbare Streckenlänge, sondern auch die Datenrate, die übertragen werden kann. Hohe Datenraten erfordern breitbandige Sende- und Empfängerbauelemente, aber auch breitbandige LWL (nicht zu verwechseln mit der optischen Bandbreite, die den Bereich der Lichtwellenlängen definiert). Die Bandbreite im LWL wird durch die Dispersion begrenzt, d.h. dadurch, dass sich ein in den LWL eingekoppelter Impuls während seiner Fortpflanzung im LWL verbreitert. Bei Multimode-Fasern charakterisiert das Bandbreitenlängenprodukt der spezifischen Faser die jeweilige Übertragungseigenschaft. Für Gauß-förmige Impulse gilt: B*L 0,44 / Δt * L Bei Singlemode-Fasern beobachtet man ebenfalls eine Verzerrung der optischen Signale durch Streuung der Laufzeit (Dispersion). Ursachen für die Dispersion sind: Verringerung der Flankensteilheit und Überlappung von Impulsen erhöhen die Bitfehlerrate und verringern die Bandbreite Modendispersion infolge unterschiedlicher Laufzeiten Materialdispersion durch die Frequenzabhängigkeit der Brechzahl (Sender emittiert nicht nur bei einer Wellenlänge); die verschiedenen Wellenlängen breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus (Minimum bei ca nm) Profil-, Wellenleiter-, Polarisations- und chromatische Dispersion. Die chromatische Dispersion einer Singlemode-Faser wird in ps/nm*km angegeben. Ihr Betrag ist von der Wellenlänge abhängig und hat in Abhängigkeit vom Faserdesign beispielsweise um 1310 nm einen Nulldurchgang. Die Übertragungseigenschaft einer Faser wird im Wesentlichen durch die folgenden Parameter bestimmt: Pulsverbreiterung (Dispersion) im LWL P ein 100 % Dispersion 2 2 t 2 t 1 L P aus 100 % 50 % 50 % 0 % 0 t 1 t L 0 % 0 t 2 t Optischer Eingangsimpuls LWL Optischer Ausgangsimpuls

9 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 2. Fasertypen 251 Die folgende Tabelle listet typische Signalübertragungseigenschaften für gebräuchliche Fasertypen auf: POF PCF Glasfaser Modentyp Multimode Multimode Multimode Multimode Singlemode Fasertyp Stufenindex Stufenindex Gradientenindex Gradientenindex Stufenindex Kerndurchmesser [µm] , Claddingdurchmesser [µm] Numerische Apertur 0,5 0,37 0,27 0,20 0,13 Dämpfungskoeffizient g 650 nm [db/km] Dämpfungskoeffizient ,2 3,0 - g 850 nm [db/km] Dämpfungskoeffizient 6 1,0 0,9 0,35 g 1300 nm [db/km] Typisch verwendete Wellenlänge / / / /1550 Bandbreite Längen Produkt [MHz*km] g 650 nm 1 17 g 850 nm g 1300 nm Chromatische Dispersion g1310 nm 3,5 ps/km*nm Chromatische Dispersion g1550 nm 18,0 ps/km*nm Es sind eine Vielzahl von Faservarianten am Markt erhältlich, bei denen diese Werte entsprechend abweichen können! Die Transmission ist die prozentuale Lichtübertragung in der Faser, bezogen auf die eingekoppelte Leistung Dämpfung und Transmission Beim Durchlauf eines LWL der Länge L fällt die Lichtleistung P exponentiell ab. Da die Lichtleistungen viele Zehnerpotenzen übersteigen, ist es üblich, zu einer logarithmischen Darstellung überzugehen und die Dämpfung A in Dezibel (db) anzugeben: T = 10 ( A*L)/10 T = Transmission A = Dämpfung (db/km) L = Faserlänge (km) A = 10 log P 0 / P L Dabei bedeuten P 0 die Lichtleistung am Anfang des LWL in mw und P L die Lichtleistung am Ende des LWL in mw. Für den Dämpfungskoeffizienten α (kilometrische Dämpfung) mit α = A / L ergibt sich dann als Maßeinheit db/km. Die auf 1 mw bezogene Leistung hat die Maßeinheit dbm, entsprechend der folgenden Definition: P = 10 log (P / 1 mw) Dabei ist P die Lichtleistung in mw. Die Ursachen für die Dämpfung des Lichtes im LWL sind: lineare Streuung an Inhomogenitäten der molekularen Struktur des LWL-Kerns (Rayleigh-Streuung); a ~ 1/λ 4, Tiefstwert bei λ 1,5 µm und Streueffekte an optischen Inhomogenitäten im Größenbereich der Wellenlänge (Mie-Streuung); lassen sich durch technologische Maßnahmen signifikant reduzieren nichtlineare Streuung (Raman- und Brillouin-Streuung); leistungs- und wellenlängenabhängig Absorption infolge Anregung der Eigenschwingung von Molekülen; besonders OH-Gruppen bereiten Probleme (teilweise auch Schwermetalle) Auskopplung der Lichtleistung durch starke Biegung der Faser bzw. Mikrobends mikroskopische Biegungen und Windungen

10 Fasertypen Verluste durch Biegung Wird eine Faser gebogen, ergibt sich eine andere Mischung der Moden und teilweise eine Auskopplung der Moden höherer Ordnung aus der Faser. Je kleiner der Biegeradius ist, desto höher werden die Verluste. Fasern mit geringer NA reagieren im Allgemeinen sensibler als Fasern mit höherer NA. Die Biegung der Faser kann in einer großen Krümmung des Kabels erfolgen, aber auch im kleinen Maßstab, wie sie bei der Verseilung des optischen Kabels entstehen kann. Dabei handelt es sich um so genannte Mikrobiegungen, die ebenfalls einen Beitrag zur Erhöhung der Verluste verursachen Stecker- oder Kopplungsdämpfung Zusätzlich zur Längendämpfung im Kabel kommt es zu einer Dämpfung im Steckerbereich, bzw. im Übergang zwischen den Steckern in den Kupplungen. Wenn die Steckerendflächen sich berühren oder sich in einem Abstand kleiner als ein Zehntel der Lichtwellenlänge befinden, reduziert sich der Anteil der Rückreflektionen vom Übergang Luft zu Glas, der bei Steckern mit Luftspalt auftritt, um ca. 8 % (für Quarzglas, abhängig von der Brechzahl). Solche Steckverbindungen werden als Stecker mit physikalischem Kontakt bezeichnet. Zusätzlich treten Absorptionen und Streuung durch Fehler an der Oberfläche auf. Dazu gehören bei der Endflächenbearbeitung entstandene Kratzer sowie Schmutz durch unsachgemäße Handhabung der Stecker. Steckertypen Plane Stecker mit Luftspalt SMA 905, SMA 906, HP hohe Dämpfung 0,4 1,5 db hoher Rückfluss 14 db Stecker mit physikalischem Kontakt (/PC) ST, SC, DIN, FDDI, ESCON, E2000, MU, LC, FC, Opti-Jack, D4, Mini-BNC, Biconic niedrige Dämpfung 0,0 0,7 db mittlerer Rückfluss 20 bis 50 db Stecker mit mehreren Fasern in einer Ferrule MT, MP, MPO, MTRJ (SCDC, SCQC) bis zu 24 Fasern in einer Ferrule hohe Dämpfung mittlerer bis niedriger Rückfluss 20 bis < 55 db Stecker mit Ferrule Ø 1,25 mm MU, LC, LX.5, F 3000 schnelle Montage hohe Packungsdichte niedrige Dämpfung mittlerer bis niedrigster (/APC-Ausführung) Rückfluss 20 bis < 55 db Stecker ohne Ferrule VF-45-Volition (SG), Optoclip schnelle Montage Führungsprobleme Stecker mit Kollimationsoptik Linsenstecker geringe Verschmutzungsempfindlichkeit (z. B. im ICE eingebaut) LWL-Stecker mit elektrischer Steckverbindung in einem Gehäuse Hybridstecker anwendungsspezifische Konstruktion 2.3. Dämpfungsmessungen (Normen) Es gibt verschiedene Normen zur Dämpfungsmessung, die speziell für die am häufigsten verwendeten Fasern bzw. Anwendungen gelten. Die Dämpfung einer Faser wird entweder mit dem Durchlicht- oder Rückstreuverfahren bestimmt. Im folgenden Diagramm sind die grundlegenden Eigenschaften der beiden Messverfahren dargestellt. Schrägschliffstecker mit Luftspalt Durchlichtverfahren Rückstreuverfahren VFO, HRL-11, EC/RACE hohe Dämpfung POF, PCF + Glas PCF + Glas niedriger Rückfluss Schrägschliffstecker mit physikalischem Kontakt (/APC) DIN-APC, FC-APC, E2000-APC, SC-APC niedrige Dämpfung niedrigster Rückfluss < 55 db Gesamtdämpfung einer Strecke Räumliche Trennung der Messgeräte Sehr genaues Ergebnis Keine Beurteilung von Schnittstellen Keine Lokalisierung von Störstellen Keine Entfernungsmessung Gesamtdämpfung einer Strecke Nur an einem Ende angeschlossen Technisch tolerierbares Ergebnis Beurteilung von Schnittstellen Lokalisierung von Störstellen Entfernungsmessung

11 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 2. Fasertypen Rückstreuverfahren Zur Messung einer Rückstreukurve eignen sich so genannte OTDR- Messgeräte, wie sie in verschiedenen Ausführungen kommerziell erhältlich sind. Die folgende Abbildung zeigt schematisch eine Messkurve, wie sie mit einem solchen Gerät von einer Faserstrecke aufgenommen werden kann Durchlichtmessung Beim Durchlichtverfahren wird ein LWL der Länge L [m] an eine Lichtquelle mit definierter Wellenlänge der Leistung P 0 [dbm] gekoppelt. Am Ende des LWLs wird dann mittels eines Leistungsmessers die Lichtleistung P L [dbm] gemessen. Aus der Differenz von P 0 und P L wird der Leistungsverlust, d.h. die optische Dämpfung A [db] bestimmt: Rückstreumessung Rückstreukurve mit typischen Ereignissen A = P 0 P L Dämpfung in db Dämpfungsverlauf ohne Störung 2 Dämpfungssprung (Stecker, Spleiß) 3 Reflexion im LWL oder Geisterreflexion 4 Fresnelreflexion am Ende der Strecke 5 Dämpfungssprung und Reflexion 6 Dämpfungssprung zwischen LWL mit unterschiedlicher Rückstreudämpfung (Toleranzen der Rayleighstreuung, der numerischen Aperatur oder der Profilexponenten) Stecke in m Wenn die Streckendämpfung viel größer als die Steckerdämpfung ist, kann man wie folgt den Dämpfungskoeffizient α [db/m] bestimmen: α = A/L = ( P 0 P L )/L Für die Lichtleistungsmessung wird das Einfügeverfahren (insertion loss method) oder das Rückschneideverfahren (cut back method) üblicherweise verwendet. Beim Einfügeverfahren gibt es verschiedene Methoden, die auf unterschiedliche Anwendungen bzw. Qualitätskriterien abzielen. Bei Patchkabeln, die direkt an Sender und Empfänger angeschlossen sind, reicht es meist aus, diese mit einer guten Referenzleitung mit gleicher Faser zu vergleichen, wobei der Absorptionswert sich wie folgt bestimmen lässt: A = P test P ref Hierbei sollte der Sender typische Abstrahlcharakteristiken wie in der Anwendung haben. Das Verfahren wird in der IEC beschrieben. Um den Einfluss des Senders zu minimieren, kann man mit Hilfe einer Vorlauflänge arbeiten, wo ein Modenmischer eine definiertere Strahlverteilung in der Faser erzeugt (IEC Methode B). Bei den beiden Methoden ist der Dämpfungseinfluss des letzten Steckers unterdrückt. Arbeitet man dagegen mit einer Vor- und Nachlauflänge, wie in der IEC Methode B vorgeschrieben, prüft man die gesamte Leitung mit einer einzigen Messung. Aufgrund des verschiedenen Messaufbaus können sich die Werte in der Größenordnung von 0 bis ca. 2 db je nach Faser- und Steckertyp unterscheiden.

12 Fasertypen Dämpfungsmessung Glas- und PCF-Konfektionen nach IEC Methode B In einer Referenzmessung wird die Lichtleistung Ps am Ende des Referenzkabels in dbm bestimmt. Optischer Sender Kupplung Optisches Pegelmessgerät Grundgerät mit Adapter oder vorhandenem Sender mit Dauerlicht Zu eliminieren ist die Referenz mit 5 Wicklungen. Das zu prüfende Kabel wird mittels Kupplung zwischen Referenzkabel und optischem Pegelmesser eingefügt. Die Lichtleistung PL in dbm wird ermittelt. Optischer Sender Kupplung Grundgerät mit Adapter oder vorhandenem Sender mit Dauerlicht Zu prüfende Kabel Kupplung Optisches Pegelmessgerät Messung 2 ist mit gedrehtem Prüfling zu wiederholen, da nur die Dämpfung an der Kupplung ermittelt wird. Der schlechtere Wert ist zu verwenden. Dämpfung A = PL Ps [dbm]. In der Auswertung erfolgt der Vegleich mit dem zulässigem Grenzwert der Dämpfung. In den einschlägigen Normen, wie z. B. IAONA, wird bei MM und SM Glas (Standard) für ein gekoppeltes Steckerpaar eine Dämpfung von 0,75 db angegeben. Je nach Länge der zu messenden Faser ist der Dämpfungskoeffizent der Meterware zu berücksichtigen: für Glas MM 50/125 typ. 2,5 db/km bei 850 nm typ. 0,7 db/km bei 1310 nm für Glas MM 62,5/125 typ. 3,0 db/km typ. 0,8 db/km typ. 10 db/km typ. 8 db/km bei 850 nm bei 1310 nm bei 660 nm bei 850 nm Dämpfungsmessung Glas- und PCF-Konfektionen nach IEC Methode C In einer Referenzmessung wird die Lichtleistung Ps am Ende der gekoppelten Referenzkabel in dbm bestimmt. Optischer Sender Kupplung Optisches Pegelmessgerät Grundgerät mit Adapter oder vorhandenem Sender mit Dauerlicht Um bei der Messung Mantelmoden weitestgehend zu eliminieren, sind die Vorlauf- und Nachlaufreferenz mit 5 Wicklungen über einen Dorn, Durchmesser ca. 20 mm, zu führen. Die Kupplung wird geöffnet und das zu prüfende Kabel eingefügt. Anschliessend erfolgt die Messung der Lichtleistung PL (in dbm) am Ende de Strecke.

13 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 2. Fasertypen 255 Zu prüfende Kabel Optischer Sender Kupplung Kupplung Optisches Pegelmessgerät Grundgerät mit Adapter oder vorhandenem Sender mit Dauerlicht Die Dämpfung zu A = PL Ps [dbm]. In der Auswertung erfolgt der Vergleich mit dem zulässigen Grenzwert der Dämpfung. In den einschlägigen Normen, wie z. B. IAONA, wird bei MM und SM Glas (Standard) für ein gekoppeltes Steckerpaar eine Dämpfung von 0,75 db angegeben. Je nach Länge der zu messenden Faser ist der Dämpfungskoeffizent der Meterware zu berücksichten: für Glas MM 50/125 typ. 2,5 db/km bei 850 nm typ. 0,7 db/km bei 1310 nm für Glas MM 62,5/125 typ. 3,0 db/km typ. 0,8 db/km typ. 10 db/km typ. 8 db/km bei 850 nm bei 1310 nm bei 660 nm bei 850 nm für PCF typ. 10 db/km bei 660 nm typ. 8 db/km bei 850 nm Dämpfungsmessung POF- und PCF-Konfektionen nach IEC B In einer Referenzmessung wird die Lichtleistung Ps am Ende des Referenzkabels in dbm bestimmt. Optischer Sender Referenzkabel, siehe Tabelle (soll dem zu messendem Fasertyp entsprechen) Optisches Pegelmessgerät Grundgerät mit Adapter oder vorhandenem Sender mit Dauerlicht Die Messung der Lichtleistung [PL] erfolgt am Ende des zu prüfenden Kabels der Länge L. Optischer Sender Referenzkabel, siehe Tabelle (soll dem zu messendem Fasertyp entsprechen) Optisches Pegelmessgerät Grundgerät mit Adapter oder vorhandenem Sender mit Dauerlicht Die Dämpfung ergibt sich zu A = P L P S [db]. Daraus leitet sich der Dämpfungskoeffizent α = PL/PS [db/km] ab (L steht für die Länge des zu prüfenden Kabels in km).

14 Fasertypen Vergleich mit dem zulässigen Grenzwert: Dämpfung In der Beschreibung des verwendeten Systems findet sich die maximal zulässige Dämpfung. Diese muss in jedem Fall größer als die bestimmte Dämpfung A sein. Eine Reserve von 3 db sollte dabei berücksichtigt werden. Dämpfungskoeffizient der Meterware für POF typ. 230 db/km bei 660 nm für PCF typ. 10 db/km bei 660 nm typ. 8 db/km bei 850 nm Referenzkabel für die Dämpfungsmessung Aus Erfahrung ist diese Methode eine der sichersten, jedoch kann der Dämpfungskoeffizient auf diese Weise nicht bestimmt werden. Es ist von Vorteil, die im System eingebauten Sender zu verwenden (also nicht den bisher beschriebenen Sender) Gegenüberstellung Dämpfung zu Transmission In der Faseroptik werden zur Leistungsbeschreibung eines Lichtleiters die Begriffe Dämpfung und Transmission verwendet. Dämpfung Die Dämpfung beschreibt den Energieverlust des Lichtstahls beim Durchlauf einer Faser. Ihre Größe ist abhängig von der verwendeten Wellenlänge und der Länge einer Faser. Der Dämpfungswert einer Faser wird standardmäßig in db/km angegeben. Bestellnummer Steckertyp Kabeltyp KXST-XST 11001m ST (BFOC) POF KSMA-SMA 11001m FSMA POF KF05-F m F05 POF KHPS-HPS11001m HP POF KXST-XST72001m ST (BFOC) PCF KSMA-SMA72001m FSMA PCF KF05-F m F05 PCF KHPS-HPS72001m HP PCF Diese Methode ist anzuwenden, wenn die Konfektionen für direkte Sender-Empfänger-Verbindungen eingesetzt werden, bzw. die Kupplungen für Messungen ungeeignet sind. Dämpfungsmessung eine unkomplizierte Methode für den Gebrauch in der Praxis Tipp Wenn Sie PCF-LWL in Systemen für POF (660 nm) einsetzen und Ihr System nicht explizit für PCF-Fasern spezifiziert ist, verfahren Sie folgendermaßen: Als Referenzkabel ein POF-Kabel anstatt eines PCF-Kabels verwenden Dämpfung: A = P L (PCF-Kabel) P S (POF-Referenz) Bei der Auswertung muss die maximal zulässige Dämpfung, für die das System mit POF spezifiziert ist, größer als die so bestimmte Dämpfung sein. Transmission Die Transmission beschreibt die Ausgansleistung eines Lichtleiters unter der Berücksichtigung der Verluste. Sie ist der prozentuale Anteil der eingespeisten Leistung. Auch die Transmission ist von der verwendeten Wellenlänge und der Länge der Faser abhängig. Die Transmission wird in % angegeben. Umrechnungsbeispiele von Dämpfung zu Transmission Der Dämpfungswert einer PMMA Faser beträgt 150 db/km. Benötigt wird der Transmissionswert dieser Faser bei einer Länge von 35m. T = 10 (-A L)/10 T = 10 ( 150 db/km 0,035 km )/10 T = 0,29 = 29 % Ein Dämpfungswert einer Faser von 6 db/km bedeutet eine Transmission von 25 % für 1 km Faser. T = 10 ( A L)/10 T = 10 ( 6 db/km 1km )/10 T = 0,25 = 25 % A = Dämpfung [db/km] L = Länge der Faser [km] T = Transmission

15 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 2. Fasertypen Alterung Die Alterung der Fasern ist ein Prozess, der meist mit einer Verschlechterung der Übertragungseigenschaften verbunden ist. Neben den hier beschriebenen Faseralterungen treten auch Ermüdungs- und Verschleißerscheinungen an den Stecksystemen auf. über die Zeit gemessen wird. Auf Grundlage der Arrhenius- oder William-Landel-Ferry-Theorie extrapoliert man die Lebensdauer oder die maximale Dauertemperatur für eine bestimmte Luftfeuchte. Nach all diesen Untersuchungen kann man von einer Lebensdauer von 20 Jahren bei einer Einsatztemperatur von 80 C ausgehen Alterung an Glasfasern Die Alterung der Fasern ist durch das Material und die Umgebungseinflüsse bedingt. Im Quarzglas oder an der Faseroberfläche gibt es Materialinhomogenitäten oder Störungen. Durch mechanische Beanspruchung bei Biegung z. B. entstehen im Quarzglas Mikrorisse, die sich im Lauf der Zeit vergrößern und es bis zum Bruch der Faser kommen kann. Das Voranschreiten der Rissbildung ist ein statistisch verteilter Vorgang, da es sich um statistisch verteilt auftretende Fehlstellen handelt. Mathe-matisch wird die Bruchwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der LWL-Länge L, der mechanischen Spannung σ und der Zeit t durch die Weibull-Verteilung der Bruchwahrscheinlichkeit F beschrieben: F = 1-exp{-L/L 0 (σ/σ 0 ) a (t/t 0 ) b } Die Werte mit dem Index 0 bezeichnen die Parameter für den durchgeführten Vergleichstest. Die Parameter a und b müssen experimentell bestimmt werden. Bei der Herstellung wird die mechanische Festigkeit der Quarzfasern durch den Proof- oder Screen-Test überprüft, indem eine definierte mechanische Spannung durch ein Gewicht auf die Faser erzeugt wird. Für Fasern, die mit ultraviolettem Licht oder mit Röntgenstrahlung bestrahlt werden, ergeben sich Farbzentren oder Störstellen, die zu einem merklichen Dämpfungsanstieg bis hin zur Schwärzung führen können. Es gibt für strahlungsintensive Anwendungen besondere dotierte Fasern mit geringem Alterungsverhalten Anwendungsgebiete Mittlerweile kommen optische Fasern in fast allen Technologiebereichen zum Einsatz. Eine Vorreiterrolle hat dabei sicherlich die Telekommunikation gespielt, die, angetrieben durch die seit ca. drei Jahrzehnten ständig steigende Nachfrage nach Übertragungskapazität, erhebliche Anstrengungen unternommen hat die faseroptischen Technologien zur industriellen Reife zu entwickeln Anwendungsfelder Je nach Anwendungsfeld sind die Eigenschaften unterschiedlicher Fasertypen das Auswahlkriterium zum Einsatz als Übertragungsmedium. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) POF PCF Glas-LWL Abhörsicherheit Risiko in explosionsgefährdeter Umgebung Geringes Gewicht Flexibilität + Kleine Biegeradien + 0 Aufwand bei der ++ + Konfektionierung Bandbreite Optische + ++ Signaldämpfung Kosten bis Alterung an POF Durch Temperatur und Feuchte kommt es bei Kunststofflichtwellenleitern zur Entwicklung von Störstellen, die sich in einer Erhöhung der Dämpfung ausdrücken. Bei der POF wurde die Absorptionerhöhung durch die Anreicherung von OH-Ionen nachgewiesen, die eine wellenlängenabhängige Dämpfungserhöhung bewirkt. Mittels Testserien kann man auch statistische Aussagen treffen, wonach bei einer bestimmten Umgebungsfeuchte (typisch kleiner 95 %) und einer Temperatur der Dämpfungsverlauf

16 Fasertypen Eine Übertragungsstrecke mit Lichtwellenleitern besteht im einfachsten Falle aus: optischer Sender Lichtwellenleiter optischer Empfänger Prinzipdarstellung der optischen Signalübertragung Prinzipdarstellung der optischen Signalübertragung Senderseite Empfangsseite Lichtwellenleiter Signalaufbereitung Signalaufbereitung Der optische Sender strahlt in der Nachrichtenübertragung typischerweise eine Leistung unterhalb von 0 dbm aus. Die Empfänger sind meistens im Bereich von 20 und 30 dbm empfindlich. verwendeten Fasersystem ohne aufwändige Fachausbildung einfach Reparaturarbeiten durchführen können. Aus diesem Grund und aus Kostengründen wird in diesem Anwendungsbereich die POF bevorzugt. In der präzisen Ausleuchtung einer Zelle bei der Untersuchung unter dem Fluoreszenzmikroskop nutzt man dagegen die extrem gute Strahlqualität am Ausgang einer PM-Faser für den sichtbaren Bereich des Lichtes. In der Leistungsübertragung zur Materialbearbeitung kommen dagegen Fasern mit mittleren bis großen Kerndurchmessern aus sehr reinem Quarzglas zum Einsatz, so dass durch die hohe Energiedichte keine Degradation der Faser entsteht. Typische Bauelemente: optische Sender: LEDs oder Laserdioden (VCSEL Vorteil: geringe Strahldivergenz, höhere Modulationsraten gegenüber LED) optische Empfänger: PIN-Dioden oder Avalanche-Dioden Die Wellenlängenbereiche, in denen ein Fasertyp besonders geringe Absorptionen (Dämpfungen) zeigt, bezeichnet man als optische Fenster. Die folgende Tabelle zeigt die optischen Fenster für die POF- und Glas-LWL mit den dafür verwendeten jeweiligen Halbleitermaterialien. Silizium Germanium InGaAs (Si) (Ge) λ =520 nm x 1.opt. Fenster POF λ = 570 nm x 2.opt. Fenster POF λ =650 nm x 3.opt. Fenster POF λ =850 nm x x x 1.opt. Fenster Glas-LWL λ =1300 nm x x 2.opt. Fenster Glas-LWL λ =1550 nm 3.opt. Fenster Glas-LWL x x Anhand einiger Anwendungsbeispiele wird aufgezeigt, nach welchen Kriterien die jeweils geeignetste Faser ausgewählt wird. Beispielsweise kommt es in einem optischen Bussystem im Automobil darauf an, dass die Fachkräfte einer Automobilwerkstatt an dem dort

17 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit Kabel Die unter dem Kapitel 2 (physikalische ) beschriebenen Fasern reagieren auf mechanische Beanspruchungen wie Zug-, Biegeund Torsionsbeanspruchungen sehr empfindlich mit großen Dämpfungserhöhungen. Sie sind weiterhin den rauen Umwelteinflüssen wie Bewitterung, chemischen Belastungen und Abrieb nicht gewachsen. Deshalb ist es unabdingbar, die Fasern durch einen geeigneten Kabelaufbau zu schützen Adern Direkt bei der Fertigung der Glasfasern wird eine erste Schutzschicht das Coating oder besser Primärcoating aufgebracht. Das Primärcoating besteht in der Regel aus einem zweischichtigen UV-ausgehärteten Acrylat und schützt die Fasern vor der Aufnahme von Feuchtigkeit und der daraus resultierenden Versprödung für die Zeit bis zur Verkabelung. Die Fasern mit Primärcoating werden in einem ersten Verkabelungsschritt mit einer weiteren Schutzhülle versehen. Analog zum isolierten Leiter bei Kupferkabeln nennt man dieses Zwischenprodukt eine Ader. Adern sind dann die Grundbausteine von Lichtwellenleiterkabeln, die man miteinander zur Kabelseele kombinieren bzw. verseilen kann. Im englischsprachigen Raum nennt man das Zwischenprodukt buffered fiber bzw. die aufgebrachte Schutzhülle Secondary Coating. Gemäß der VDE 0888 unterscheidet man grundsätzlich drei Gruppen von Aderkonstruktionen: Kombination Polyamid/Polyester bzw. die Kombination Polycarbonat/ Polyester (jeweils Innenschicht/Außenschicht) verwendet. Zweischichtige Bündeladern haben geringere thermische Längenausdehnungskoeffizienten und sind deutlich knickbeständiger als einschichtig aufgebaute Bündeladern. Ein wichtiger Fertigungsparameter bei der Fertigung von Bündeladern ist das Verhältnis der Länge der Fasern zur Länge der Bündeladerhülle. Zur mechanischen Entkopplung der Fasern muss die Bündelader so beschaffen sein, dass die Faser immer etwas länger als die Bündeladerhülle ist. Man nennt das Faserüberlänge. Sie wird dadurch erreicht, dass die Fasern schraubenlinienförmig in den Hohlraum der Bündelader eingebracht werden. Die Faserüberlänge muss über die gesamte Länge der Bündelader in sehr geringen Toleranzen von Bruchteilen von Promille konstant gehalten werden, um die Fasern vor an der Bündeladerhülle wirkenden Zugkräften zu schützen und andererseits bei Kontraktionen der Bündeladerhülle durch niedrige Temperaturen unzulässig kleine Biegeradien der Fasern zu vermeiden. B. Hohladern sind Adern, bei denen genau eine Faser von einer Aderhülle umschlossen wird. Prinzipiell haben sie ansonsten die gleichen Aufbaumerkmale wie Bündeladern. Sie bieten der Faser einen großen Innenraum, der es ermöglicht, die Faser mit einer gewissen Faserüberlänge lose in einem Gel einzubetten. Damit ist die Hohlader für den Aufbau von Kabeln mit einem großen Einsatztemperaturbereich geeignet, in dem nahezu keine Anstiege der Dämpfung der Faser auftreten. A. Bündeladern sind Adern, bei denen mehrere Fasern von einer gemeinsamen Schutzhülle umschlossen werden. Die Bündeladerschutzhülle wird als loser Schlauch aufgebracht, dessen Hohlraum mit einem Gel gefüllt wird. Das Gel hat die Funktion, die Fasern ganz weich einzubetten und einen größtmöglichen Bewegungsfreiraum für die Fasern beim Biegen bzw. Ziehen des Kabels zu ermöglichen. Deshalb müssen die Aderfüllgele über den gesamten Einsatztemperaturbereich des Kabels eine möglichst konstante Viskosität haben, um weder einzugefrieren bzw. auszulaufen. Um die Fasern voneinander unterscheiden zu können, müssen die Fasern unterschiedlich eingefärbt werden. Üblicherweise werden Bündeladern mit 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20 und 24 Fasern hergestellt. Die Hülle der Bündelader kann einschichtig aus einem Kunststoff oder zweischichtig aus zwei unterschiedlichen Kunststoffen hergestellt werden. Einschichtige Bündeladern werden heute überwiegend aus Polyester hergestellt. Zweischichtig hergestellte Bündeladerhüllen bieten den Vorteil, dass eine Materialpaarung ausgewählt werden kann, die die Vorteile zweier Kunststoffe quasi miteinander vereint und Nachteile in den Eigenschaften des einzelnen Kunststoffs überdeckt. Für die Fertigung von Zweischichtbündeladern wird die C. Volladern sind Adern, bei denen genau eine Faser von einer Aderhülle umschlossen wird. Anders als bei den Hohladern ist die Aderhülle mit einem deutlich kleineren Außendurchmesser ausgeführt, der speziell für gängige Stecker angepasst ist. Standardabmessungen dafür sind z. B. 0,9 ± 0,1 mm bzw. 0,6 ± 0,1 mm. Man unterscheidet mehrere Unterarten der Vollader: Bei der Festader ist die Aderhülle direkt auf dem Primärcoating der Faser aufgebracht, ohne der Faser Platz bzw. Spielraum zu geben. Es ist ebenso möglich, zwischen dem Primärcoating der Faser und der thermoplastischen Aderhülle ein sogenanntes Buffer, z. B. aus einem UV-ausgehärteten Acrylat, aufzubringen. Die Festaderkonstruktion erlaubt in der Regel nur relativ geringe Absetzlängen bis in den Bereich einiger Zentimeter. Sie wird hauptsächlich für die Konfektion mit Maschinen verwendet, da beim automatischen Absetzen die Faser nicht aus der Hülle herausgezogen werden kann. Eine andere Unterart ist die Kompaktader oder semilose Vollader. Bei dieser Konstruktion ist noch ein kleiner Zwischenraum zwischen der Faser und dem Innendurchmesser der Aderhülle. Der Zwischenraum kann mit Gel gefüllt sein oder einfach nur hohl also mit Luft gefüllt sein. Der Vorteil dieser Aderkonstruktion ist, dass es

18 Kabel möglich ist, sehr lange Stücke der Aderhülle von bis zu 2 m in einem Stück von der Faser abzusetzen. Deshalb wird diese Konstruktion üblicherweise für die Herstellung von einseitig konfektionierten Pigtails verwendet, die an der anderen Faserseite auf andere Streckenkabel aufgespleist und dazu in Spleiskassetten abgelegt werden. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Handhabung bei der manuellen Konfektion. Weil die Faser bedingt durch den geringen Außendurchmesser der Volladern keine oder nur eine sehr geringe Längenreserve im Vergleich zur Länge der Aderhülle hat, reagieren Volladern sehr empfindlich mit Dämpfungserhöhungen bei Zugbeanspruchungen und temperaturbedingten Kontraktionen. D. Neben den bisher beschriebenen runden Aderkonstruktionen gibt es noch die Bändchentechnik. Dabei werden 2 bis 12 Fasern parallel nebeneinander in einer flachen, gemeinsamen Hülle miteinander verbunden. Für diese Technik, die überwiegend im amerikanischen und asiatischen Raum angewendet wird, setzt man üblicherweise UV-aushärtende Acrylate als Hüllenwerkstoff ein. Die Bändchen können durch ihre relative hohe Steifigkeit in Querrichtung zu Problemen beim Verlegen in engen Installationsgehäusen führen. Ausserdem besteht beim Vereinzeln der Fasern die Gefahr der Beschädigung des Coatings. Übliche Durchmesser von Adern sind: Bündeladern für verseilte Kabelaufbauten mit 2 Fasern 2,0 mm Bündeladern für verseilte Kabelaufbauten mit 4 bis 12 Fasern 2,4 mm Bündeladern für zentrale Konstruktionen mit 2 bis 12 Fasern 3,5 mm Bündeladern für zentrale Konstruktionen mit 16 bis 24 Fasern 4,0 mm Hohladern 1,4 mm Volladern 0,9 mm Minivolladern für Small-Form-Factor-Stecker 0,6 bzw. 0,5 mm 3.2. Kabelaufbau Die oben beschriebenen Adern stellen die Grundbausteine der Kabelkonstruktionen dar. Das Design des Kabels muss den individuellen Anforderungen des Einsatzbereiches des Kabels Rechnung tragen. Das heißt, es muss den Schutz der Fasern vor Zugkräften und anderen mechanischen Belastungen, chemischen Medien in der Umgebung und thermischen Beanspruchungen sicherstellen. Zunächst unterscheidet man das Design von runden Kabeln in Zentraladerkabel und verseilte Kabel. Bei zentralen Kabeln liegt nur eine Ader direkt im Zentrum des Kabels. Bei verseilten Kabeln werden mehrere Adern und ggf. Füll- oder Blindelemente zur Erzielung einer besseren Flexibilität des Kabels in Lagen um ein Mittenelement verseilt. Die Verseilung verhindert weiterhin, dass sich die Adern bzw. die Fasern beim Biegen des Kabels nur auf einer Seite der biegeneutralen Achse befinden und nur gestaucht oder gedehnt werden würden. Vielmehr können die Adern auf der schraubenförmigen Linie der Verseilung, der Helix, geringfügig relativ in Längsrichtung zueinander im Verseilverbund abgleiten bzw. sich bewegen und damit die durch die Biegung des Kabels hervorgerufene Zug- und Stauchbelastung minimieren bzw. ganz ausgleichen. Der Dimensionierung der Schlaglänge der Verseilung also der Länge, die genau einer Windung von 360 der Verseilelemente entspricht kommt große Bedeutung zu. Die Wahl einer zu großen Schlaglänge lässt nur sehr große Biegeradien für das Kabel zu. Wird die Schlaglänge zu klein gewählt, werden die Krümmungsradien der Verseilelemente in der Schraubenlinie zu klein und generieren Dämpfungsverluste. Zwischen diesen beiden Effekten muss ein geeigneter Kompromiss gefunden werden. Bei der Art der Verseilung unterscheidet man kontinuierliche Verseilungen, bei denen sich die Verseilrichtung der Adern nicht ändert und SZ-Verseilungen, bei denen sich die Richtung der Verseilung in kurzen Abständen ändert. SZ-Verseilungen werden als kräfteschonender und kostengünstiger Prozess für fest verlegte Kabel verwendet und kontinuierliche Verseilungen für dauernd bewegte Kabel bevorzugt. Als Mittenelement für die Verseilung wird in der Regel ein GFK-Element (glasfaserverstärkter Kunststoff) eingesetzt. Das GFK-Element fungiert als Zug- und Stützelement und verhindert bei tiefen Umgebungstemperaturen eine zu starke Kontraktion des Kabels und damit eine Dämpfungserhöhung bei den Fasern. Um die zentrale Ader oder den Verseilverbund können Bandierungen aus Folien oder Vliesen zur Fixierung des Aufbaus oder zum besseren Trennen des Mantels sowie Zugentlastungselemente aufgebracht werden. Die Gesamtheit dieses Aufbaus ohne den Mantel nennt man die Kabelseele. Die Kabelseele enthält in der Regel auch einen Firmenkennfaden zur Identifikation des Herstellers des Kabels und ein Längenmaßband zur genauen Bestimmung der Länge des Kabels. Nach dem Einsatzort bzw. der Bauart der Kabel unterscheidet man Innenkabel, die speziell für die Anforderungen der Verlegung in Gebäuden ausgelegt sind, Außenkabeln, die speziell für die Anwendung im Freien konstruiert sind, und Universalkabel, die sowohl den Anforderungen in Gebäuden und im Freien gerecht werden. Die Kabelseele der Kabel für den Außenbereich werden oftmals mit einer Seelenfüllung der Hohlräume oder mit quellenden Garnen oder Bandierungen längswasserdicht gemacht. Das heißt, wenn der Kabelmantel eine Beschädigung bekommt, wird eintretendes Wasser an der Ausbreitung auf der gesamten Längsrichtung des Kabels gehindert.

19 FiberConnect FiberTech FiberSwitch FiberSplit 3. Kabel 261 Der Auswahl und Dimensionierung des Mantels kommt große Bedeutung zu. Er muss die Kabelseele dicht umschließen und als Grenzfläche zur Umgebung alle Umwelteinflüsse aufnehmen. Es gibt kein Mantelmaterial, welches allen denkbaren Umweltbeanspruchungen gerecht wird. Deshalb muss die Auswahl des Mantelmaterials jeweils an die konkreten Einsatzbedingungen des Kabels angepasst werden. Als Mantelwerkstoff für Lichtwellenleiterkabel kommen folgende Werkstoffe zum Einsatz: Für Verlegekabel in Gebäuden werden halogenfreie und flammwidrige Werkstoffe (Typenkurzzeichen H) bevorzugt, die vor allem den harten Brandschutzanforderungen gerecht werden müssen. Diese Werkstoffe haben in der Regel Schwächen beim Schutz der Kabelseele vor Feuchtigkeit und chemischen Medien, was in Gebäuden aber von untergeordneter Bedeutung ist. Polyethylen (Typenkurzzeichen 2Y) wird als Mantelmaterial für Kabel verwendet, die außerhalb von Gebäuden, also im Erdreich, im Wasser oder in der Luft eingesetzt werden. Dieser Werkstoff bietet optimalen Schutz vor Feuchtigkeit und in der Kombination mit einer Rußfüllung Schutz vor der zerstörerischen Wirkung der UV-Strahlung. Brandschutzanforderungen können mit diesem Materialtyp leider nicht erfüllt werden. Polyvinylchlorid (PVC, Typenkurzzeichen Y) für Kabel mit höheren Anforderungen bei der Beständigkeit gegen chemische Medien im Industriebereich. Polyurethan (Typenkurzzeichen 11Y) für Kabel, die für die dauernde Bewegung, z. B. in Schleppketten, konzipiert sind und dabei extremen mechanischen Belastungen wie Abrieb und Querdruck ausgesetzt sind und eine hohe Ölbeständigkeit haben müssen. Polyamid (Typenkurzzeichen 4Y), wenn das Kabel einen sehr harten, aber gleitfähigen Mantel benötigt oder sehr steif ausgelegt werden soll. Ein Polyamidmantel fungiert auch als Schutz vor Termiten und Nagetieren. Fluorstoffe (Typenkurzzeichen 7Y), wenn das Kabel für ganz besonders hohe Temperaturbelastungen oder chemische Beständigkeit ausgelegt sein muss. Diverse andere Mantelwerkstoffe, die auf den oben genannten che - mischen Basen aufbauen und für spezielle Belastungen oder Beständigkeiten durch Additive oder Stabilisatoren verbessert wurden. Die chemische Industrie bietet heute ständig neue maßgeschneiderte Kunststoffe für Spezialanwendungen an. In der Regel haben aber auch diese Neuentwicklungen irgendwelche Nachteile (und sei es nur der Preis), die ihren Einsatz auf bestimmte Einsatzgebiete beschränken. Vielfach werden LWL-Kabel in Kanälen oder in Gebäuden verlegt, wo mit der Beschädigung durch Nagetiere gerechnet werden muss. Deshalb werden verschiedene technische Lösungen als Nagetierschutz angeboten. Nichtmetallische Arten des Nagetierschutzes bieten die Vorteile, dass sie in der Regel billiger, vom Gewicht leichter, besser biegbar sind und keine besondere Vorkehrungen gegen Potentialverschleppung bei der Kabelverlegung bedürfen. Eine der einfachsten Ausführungen des nichtmetallischen Nagetierschutzes sind Glasrovingumspinnungen unter dem Mantel. Die Glasrovings erfüllen dabei zwei Funktionen gleichzeitig: zum Ersten die Zugentlastung und zum Zweiten den Nagetierschutz. Eine andere Art des Nagetierschutzes ist ein harter Mantel aus Polyamid oder eine Umlegung mit GFK-Elementen. Metallische Arten des Nagetierschutzes haben eine deutlich höhere Wirksamkeit. Hier gibt es zum Beispiel Ausführungen aus glatten, auf Lücke gewickelten, verzinkten Stahlbändern oder unter dem Mantel eingebrachte gerillte Stahlbänder (Stahlwellmäntel). Diese Lösungen bieten unbestritten den besten Schutz des Kabels, machen es aber schwer und dick. Außerdem ist es mit den metallenen Elementen nicht mehr potentialtrennend. Für Anwendungen im Meer und in Bergwerken werden zum Schutz der Kabel vor rauen Belastungen zusätzlich aufwändigere Armierungen angewendet. So zum Beispiel Umlegungen aus verzinkten Runddrähten aus Stahl, die wiederum durch eine weitere Schutzhülle aus einem Kunststoff umhüllt sind. Für den wirksamen Schutz des Eindringens von Wasser in die Kabelseele kann unter dem Mantel eine mindestens 0,15 mm starke Aluminiumfolie als Diffusionssperre eingebracht werden. Diese Folie ist mit dem Mantel fest verklebt.

20 Kabel 3.3. Prüfungen an Kabeln Für die Prüfung der Eigenschaften von Lichtwellenleiterkabeln sind Optischer Sender Zu prüfende Faser folgende Normen relevant: IEC (deutsche Übersetzung: VDE0888 Teil 240) Messmethoden und Prüfverfahren Dämpfung Üblicherweise wird für alle Glasfasern im Kabelwerk das Verfahren Anzeige Signalprozessor Optischer Empfänger Blockschaltbild eines OTDR Optischer Aufteiler Totzonenfaser (freigestellt) C-Rückstreumethode angewendet. Bei diesem Verfahren wird ein Zeitbereichsreflektometer (englische Abkürzung OTDR für Optical Time Domain Reflectometer) verwendet. Der Vorteil dieser Prüfung ist, dass nur ein Kabelende für die Prüfung benötigt wird. Der Prüfling wird über eine Vorlauffaser an das Messgerät angekoppelt. db OTD-Signal EN :2003 P 1 P 2 Geräuschboden Z 0 Z 1 Z 2 Entfernung Schematische OTDR-Kurve für einen einheitlichen Prüfling mit vorgeschalteter Totzonenfaser IEC (deutsche Übersetzung: VDE0888 Teil 100-2) für die Prüfung von mechanischen Eigenschaften und Umweltprüfungen Verfahren E1: Zugprüfung Das Prüfverfahren untersucht das Dämpfungverhalten der Fasern im Kabel bei Zugkräften, die während der Verlegung oder des Betriebs des Kabels auftreten können. Alternativ kann auch die Faserdehnung untersucht werden. Verfahren E3: Kabelquerdruckprüfung Die Prüfung bestimmt die Fähigkeit eines LWL-Kabels, Querdruck zu widerstehen. Hierzu wird der Prüfling zwischen eine ebene Stahlgrundplatte und einer beweglichen Stahlplatte mit 100 mm Länge und zuzüglich 5 mm Kantenradius mit einer vorgegebenen Kraft und einer bestimmten Zeit gequetscht. Alternativ können ein oder mehrere Stahldorne mit 25 mm Durchmesser rechtwinklig zur Probe eingefügt werden. Der Prüfling wird auf optischen Durchgang der Fasern (Faserbruch) bzw. der Dämpfungserhöhung während und nach dem Test überwacht.