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Glasfaserkabel sind leichter, kleiner und flexibler als Kupferkabel und ermöglichen so eine schnellere Signalübertragung über größere Entfernungen. Allerdings können viele Faktoren die Leistungsfähigkeit der Glasfaserübertragung beeinflussen. Verluste in Glasfasern sind dabei vernachlässigbar, und die Entwicklung von Lösungen zu deren Behebung hat für Ingenieure höchste Priorität.
Licht, das sich in einer Glasfaser ausbreitet, verliert mit zunehmender Entfernung an Leistung. Der Leistungsverlust hängt von der Wellenlänge des Lichts und dem Ausbreitungsmaterial ab. Bei Quarzglas werden die kürzeren Wellenlängen am stärksten gedämpft (siehe Abb. 1). Der geringste Verlust tritt bei der Wellenlänge von 1550 nm auf, die häufig für Fernübertragungen verwendet wird.
Die Lichtübertragung durch Glasfasern ist nicht hundertprozentig effizient. Dafür gibt es mehrere Gründe, darunter die Absorption durch Kern und Mantel (verursacht durch Verunreinigungen) und der Lichtverlust durch den Mantel. Wenn Licht an der Grenzfläche zwischen Mantel und Kern reflektiert wird, legt es eine kurze Strecke im Mantel zurück, bevor es erneut reflektiert wird. Dies führt zu einer Dämpfung (Signalreduktion) von bis zu 2 dB/km bei einer Multimode-Faser . Beispielsweise würden bei dieser Dämpfung auf einer Kabelstrecke von 10 km nur 10 % des Signals am anderen Ende ankommen.
Die Dämpfung eines Kabels ist wellenlängenabhängig. Abbildung 1 zeigt das Dämpfungsprofil der beiden Hauptfasertypen: Multimode- und Singlemode-Kabel (detaillierte Beschreibung siehe unten). Die Absorptionsspitze bei 1000 nm ist auf die Eigenschaften von Singlemode-Fasern zurückzuführen, während die Spitze bei 1400 nm durch Wasserreste in der Faser verursacht wird. Aufgrund dieser Wasserabsorptionsspitze werden zwei Standardwellenlängen für Singlemode-Fasern verwendet: 1310 nm und 1550 nm. 1310 nm ist seit vielen Jahren Standard; erst jetzt zeichnet sich ein Trend hin zu 1550 nm ab, bedingt durch die Notwendigkeit, die Entfernungen zwischen Repeatern zu vergrößern.
Der Leistungsverlust von Licht in einer Glasfaser wird in Dezibel (dB) gemessen. Die Spezifikationen von Glasfaserkabeln geben die Kabeldämpfung als Dämpfung pro Kilometer Länge in dB/km an. Dieser Wert wird mit der Gesamtlänge der Glasfaser in Kilometern multipliziert, um die Gesamtdämpfung der Faser in dB zu ermitteln.
Die Lichtverluste in optischen Fasern werden durch eine Reihe von Faktoren verursacht, die in extrinsische und intrinsische Verluste unterteilt werden können:
● Extrinsisch
● Biegeverlust
● Verlust von Spleißstellen und Steckverbindern
● Intrinsisch
● Faserbedingte Verluste
● Verluste aufgrund der Faserherstellung
Abbildung 1. Betriebswellenlängen von optischen Fasern.
● Fresnel-Reflexion
Biegeverluste. Biegeverluste treten bei Glasfaserkabelbiegungen auf, die enger als der minimale Biegeradius des Kabels sind. Auch in geringerem Umfang können Biegeverluste durch Faktoren wie die folgenden verursacht werden:
● Scharfe Krümmungen des Faserkerns
● Verschiebungen von wenigen Millimetern oder weniger, verursacht durch Puffer- oder Mantelfehler
● Mangelhafte Installationspraxis
Dieser Lichtleistungsverlust, die sogenannte Mikrobiegung, kann sich über eine lange Distanz zu einem beträchtlichen Betrag summieren.
Spleiß- und Verbindungsdämpfung. Spleißdämpfung tritt an allen Spleißstellen auf. Mechanische Spleißverbindungen weisen in der Regel die höchste Dämpfung auf, üblicherweise zwischen 0,2 und über 1,0 dB, abhängig vom Spleißtyp. Fusionsspleiße haben geringere Dämpfungen, üblicherweise unter 0,1 dB. Mit hochwertigem Equipment und einem erfahrenen Spleißteam lässt sich in der Regel eine Dämpfung von 0,05 dB oder weniger erreichen. Hohe Dämpfung kann auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sein, darunter:
● Schlechte Spaltbarkeit
● Fehlausrichtung der Faserkerne
● Ein Luftspalt
● Kontamination
● Brechungsindexfehlanpassung
● Fehlende Kerndurchmesser, um nur einige Beispiele zu nennen.
Die Dämpfung an Glasfasersteckverbindern liegt üblicherweise zwischen 0,25 und über 1,5 dB und hängt stark vom verwendeten Steckverbindertyp ab. Weitere Faktoren, die zur Verbindungsdämpfung beitragen, sind :
● Schmutz oder Verunreinigungen am Stecker (sehr häufig)
● Fehlerhafte Steckerinstallation
● Eine beschädigte Steckerfläche
● Schlechter Schreiber (spalten)
● Nicht übereinstimmende Faserkerne
● Fehlausgerichtete Faserkerne
● Brechungsindexfehlanpassung
Faserbedingte Verluste. Lichtverluste in einer Faser, die sich im Herstellungsprozess nicht eliminieren lassen, entstehen durch Verunreinigungen im Glas und die Absorption von Licht auf molekularer Ebene. Lichtverluste aufgrund von Schwankungen in optischer Dichte, Zusammensetzung und Molekularstruktur werden als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Lichtstrahlen, die auf diese Schwankungen und Verunreinigungen treffen, werden in viele Richtungen gestreut und gehen dabei verloren.
Die Lichtabsorption auf molekularer Ebene in einer Faser ist hauptsächlich auf Verunreinigungen im Glas, wie z. B. Wassermoleküle (OH⁻), zurückzuführen. Das Eindringen von OH⁻-Molekülen in eine optische Faser ist einer der Hauptfaktoren für die mit der Alterung einhergehende erhöhte Dämpfung. Auch die molekulare Resonanzabsorption von Quarzglas (SiO₂) trägt zu Lichtverlusten bei.
Abbildung 1 zeigt die Nettodämpfung einer Quarzglasfaser und die drei Betriebswellenlängenfenster bei 850, 1310 und 1550 nm. Für Fernübertragungen werden die Fenster bei 1310 oder 1550 nm genutzt. Das Fenster bei 1550 nm weist eine etwas geringere Dämpfung als das bei 1310 nm auf. Die Kommunikation bei 850 nm ist bei kürzeren Distanzen und kostengünstigeren Installationen üblich.
Verluste durch die Faserherstellung. Unregelmäßigkeiten im Herstellungsprozess können zu Lichtverlusten führen. Beispielsweise kann eine Änderung des Kerndurchmessers um 0,1 Prozent einen Verlust von 10 dB pro Kilometer verursachen. Um Verluste zu minimieren, müssen während der gesamten Faserherstellung präzise Toleranzen eingehalten werden.
Fresnel-Reflexion. Fresnel-Reflexion tritt an jeder Grenzfläche zwischen zwei Medien auf, an der sich der Brechungsindex ändert. Dabei wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls in das erste Medium zurückreflektiert. Das Faserende ist ein gutes Beispiel dafür. Licht, das von der Luft in den Faserkern eintritt, wird im Kern gebrochen. Etwa 4 Prozent des Lichts werden jedoch zurück in die Luft reflektiert. Der reflektierte Anteil lässt sich mit folgender Formel abschätzen:
An einem Glasfaserstecker lässt sich das reflektierte Licht mithilfe eines optischen Zeitbereichsreflektometers ( OTDR ) leicht erkennen. Es erscheint als großer, nach oben gerichteter Ausschlag im Messsignal. Dieses reflektierte Licht kann bei der Verwendung eines Lasers Probleme verursachen und sollte daher minimiert werden.
Die reflektierte Lichtleistung lässt sich durch den Einsatz besserer Steckverbinder reduzieren. Steckverbinder mit der Bezeichnung „PC“ (Physical Contact) oder „APC“ (Angle Physical Contact) sind so konstruiert, dass sie diese Reflexion minimieren.
Wie lassen sich Verluste in Glasfasern reduzieren?
Um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung innerhalb der Empfindlichkeit des Empfängers liegt und genügend Spielraum für die mit der Zeit einhergehende Leistungsverschlechterung besteht, ist die Reduzierung der Verluste in Glasfasern unerlässlich. Im Folgenden werden einige gängige Ansätze für die Planung und Installation von Glasfaserverbindungen vorgestellt.
● Achten Sie darauf, möglichst hochwertige Kabel mit gleichen Eigenschaften zu verwenden.
● Verwenden Sie nach Möglichkeit hochwertige Steckverbinder. Achten Sie darauf, dass die Einfügedämpfung unter 0,3 dB und die zusätzliche Dämpfung unter 0,2 dB liegt.
● Um die Anzahl der Verbindungsstellen zu minimieren, sollte die gesamte Scheibe (eine Scheibe mit mehr als 500 Metern Länge) zum Konfigurieren verwendet werden.
● Beim Spleißen sind die Verarbeitungs- und Umgebungsanforderungen strikt einzuhalten.
● Die Verbindungsstellen müssen eine ausgezeichnete Passgenauigkeit und dichte Kopplung aufweisen, um Lichtverluste zu vermeiden.
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