Only Connect: Ein Leitfaden zur Glasfaser

Willkommen zu einem weiteren Beitrag in der Serie von Nick LockeNicab Ltd, der über mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Elektronikfertigungsbranche verfügt und sich auf die Montage von Verbindungskabeln spezialisiert hat.

Wie Sie vielleicht wissen, bin ich ein großer Fan von Glasfaser. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Bandbreite enorm ist und die Einsatzmöglichkeiten nahezu unbegrenzt sind. Oh, und es wird nicht rosten!

Diese Woche habe ich beschlossen, Ihnen mit einem Leitfaden zum Thema Glasfaser von unseren Freunden bei der FOA (Fiber Optic Association) eine echte Freude zu bereiten.

Glasfaser

Glasfaser ist das Kommunikationsmedium, das optische Signale über haardünne Stränge aus extrem reinem Glas oder Kunststoff sendet. Das Licht wird durch die Mitte der Faser, den sogenannten „Kern“, „gelenkt“. Der Kern ist von einem optischen Material namens „Mantel“ umgeben, das das Licht im Kern mithilfe einer optischen Technik namens „Totalreflexion“ einfängt. Die Faser selbst ist mit einem „Puffer“ beschichtet, der die Faser vor Feuchtigkeit und physischen Schäden schützen soll. Der Puffer ist das, was man zum Abschluss oder Spleißen von der Faser abzieht.

Der Kern und die Ummantelung bestehen normalerweise aus hochreinem Glas, obwohl einige Fasern vollständig aus Kunststoff bestehen oder einen Glaskern und eine Kunststoffummantelung haben. Der Kern ist so konzipiert, dass er einen höheren Brechungsindex hat, einen optischen Parameter, der ein Maß für die Lichtgeschwindigkeit im Material ist, als der Mantel, was dazu führt, dass „totale interne Reflexion“ Licht bis zu einem bestimmten Winkel im Kern einfängt , die die „numerische Apertur“ der Faser definiert.

Glasfasern sind mit einer schützenden Kunststoffhülle namens „Primärpufferbeschichtung“ beschichtet, die sie vor Feuchtigkeit und anderen Schäden schützt. Mehr Schutz bietet das „Kabel“, bei dem sich die Fasern und Festigkeitsträger in einer äußeren Schutzhülle befinden, die als „Mantel“ bezeichnet wird.

Fasertypen: Multimode und Singlemode, Kern-/Mantelgröße

Die beiden Fasertypen sind Multimode und Singlemode. Innerhalb dieser Kategorien werden Fasern anhand ihres Kern- und Manteldurchmessers identifiziert, der in Mikrometern (ein Millionstel Meter) ausgedrückt wird, z. B. 50/125 Mikrometer Multimode-Faser. Die meisten Fasern haben einen Außendurchmesser von 125 Mikrometern – ein Mikrometer ist ein Millionstel Meter Meter und 125 Mikrometer sind 0,005 Zoll – etwas größer als das typische menschliche Haar.

Bei Multimode-Fasern bewegt sich das Licht im Kern in vielen Strahlen, sogenannten Moden. Es verfügt über einen größeren Kern (fast immer 50 oder 62,5 Mikrometer), der die Übertragung mehrerer Lichtmodi (Strahlen) unterstützt. Multimode wird im Allgemeinen mit LED-Quellen bei Wellenlängen von 850 und 1300 nm (siehe unten!) für langsamere lokale Netzwerke (LANs) und Lasern bei 850 (VCSELs) und 1310 nm (Fabry-Perot-Laser) für Netzwerke mit Gigabit pro Sekunde oder mehr verwendet .

Singlemode-Fasern haben einen viel kleineren Kern, nur etwa 9 Mikrometer, so dass sich das Licht nur in einem Strahl (Modus) ausbreitet. Sie werden für Telefonie und CATV mit Laserquellen bei 1300 und 1550 nm verwendet, da sie geringere Verluste und praktisch unendliche Bandbreite aufweisen. Plastic Optical Fiber (POF) ist eine Faser mit großem Kern (ca. 1 mm), normalerweise mit Stufenindex, die für kurze Netzwerke mit niedriger Geschwindigkeit verwendet wird.

PCS/HCS (Kunststoff- oder Hartmantel-Silikat, Kunststoffmantel auf einem Glaskern) hat einen kleineren Glaskern (ca. 200 Mikrometer) und einen dünnen Kunststoffmantel.

Stufenindex-Multimode war das erste Faserdesign. Es weist eine höhere Dämpfung auf und ist für viele Anwendungen aufgrund der Streuung, die durch die unterschiedlichen Weglängen der verschiedenen im Kern wandernden Moden verursacht wird, zu langsam. Stufenindexfasern sind nicht weit verbreitet – nur POF und PCS/HCS (Kunststoff- oder Hartmantel-Silikat, Kunststoffmantel auf einem Glaskern) verwenden heute ein Stufenindex-Design.

Multimode-Fasern mit abgestuftem Index nutzen Variationen in der Zusammensetzung des Glases im Kern, um die unterschiedlichen Weglängen der Moden auszugleichen. Es bietet hundertmal mehr Bandbreite als Stufenindexfaser – bis zu etwa 2 Gigahertz. Es werden zwei Typen verwendet, 50/125 und 62,5/125, wobei die Zahlen den Kern-/Manteldurchmesser in Mikrometern angeben.

Singlemode-Fasern verkleinern den Kern so stark, dass sich das Licht nur in einem Strahl ausbreiten kann. Damit erhöht sich die Bandbreite nahezu ins Unendliche – praktisch ist sie aber auf etwa 100.000 Gigahertz begrenzt – das ist immer noch viel! Singlemode-Fasern haben einen Kerndurchmesser von 8–10 Mikrometern, angegeben als „Modenfelddurchmesser“, die effektive Größe des Kerns, und einen Manteldurchmesser von 125 Mikrometern.

Spezialfasern wurden für Anwendungen entwickelt, die einzigartige Faserleistungsspezifikationen erfordern. Erbiumdotierte Singlemode-Fasern werden in Faserverstärkern verwendet, Geräten, die in Netzwerken über extrem große Entfernungen zur Signalregeneration eingesetzt werden. Fasern sind für die Bandbreite bei Wellenlängen optimiert, die für DWDM-Systeme geeignet sind, oder um die chromatische Dispersion umzukehren. Dies ist ein aktiver Bereich der Faserentwicklung.

Die Herstellung optischer Fasern mit einer Präzision im Submikrometerbereich ist ein interessanter Prozess, bei dem ultrareines Glas hergestellt und in Stränge von der Größe eines menschlichen Haares gezogen wird. Der Prozess beginnt mit der Herstellung einer Vorform, eines Glasstabs mit großem Durchmesser, der genau den gleichen optischen Querschnitt wie eine Faser hat, aber hunderte Male größer ist. Das Ende der Rute wird erhitzt und ein dünner Faserstrang wird aus dem Vorfach gezogen und auf große Spulen gewickelt. Nach der Herstellung wird die Faser getestet und dann zu Kabel verarbeitet.

Hier finden Sie weitere Informationen zur Faserherstellung.

Fasergrößen und -typen

Glasfaser gibt es in zwei Typen: Singlemode und Multimode. Mit Ausnahme von Fasern, die in Spezialanwendungen verwendet werden, können Singlemode-Fasern als Einheitsgröße und Typ betrachtet werden. Wenn Sie mit Telekommunikations- oder Unterseekabeln für lange Strecken zu tun haben, müssen Sie möglicherweise mit speziellen Singlemode-Fasern arbeiten.

Relative Größen aller Fasern

Vergleich der Kern-/Mantelgrößen

Ursprünglich gab es Multimode-Fasern in verschiedenen Größen, die für verschiedene Netzwerke und Quellen optimiert waren. Mitte der 1980er-Jahre standardisierte die Datenindustrie jedoch 62,5-Kern-Fasern (62,5/125-Fasern haben einen 62,5-Mikrometer-Kern und einen 125-Mikrometer-Mantel). Heute heißt das OM1-Standard Glasfaser.) Mit der zunehmenden Verbreitung von Gigabit- und 10-Gigabit-Netzwerken wurde ein altes Glasfaserdesign wiederbelebt. 50/125-Fasern wurden ab Ende der 70er Jahre mit Lasern für Telekommunikationsanwendungen verwendet, bevor Singlemode-Fasern verfügbar wurden. 50/125-Faser (OM2-Standard) bietet eine höhere Bandbreite mit den in den Gigabit-LANs verwendeten Laserquellen und kann Gigabit-Verbindungen über größere Entfernungen ermöglichen. Neuere OM3- oder laseroptimierte 50/125-Fasern werden heute von den meisten als die beste Wahl für Multimode-Anwendungen angesehen.

Um die Fasertypen in einem Kabel zu identifizieren, gibt es gemäß TIA-598 standardisierte Farbcodes für den Kabelmantel. Hier finden Sie weitere Informationen zu Farbcodes für Kabel und Stecker.

Fasertypen und typische Spezifikationen (OM/OS bezieht sich auf TIA-Typen, B bezieht sich auf IEC-Typen, G bezieht sich auf ITU-Typen)

Kern/Mantel

Dämpfung

Bandbreite

Anwendungen/Notizen

Multimode-Graded-Index

@850/1300 nm

50/125 Mikrometer (OM2)

3/1 dB/km

500/500 MHz-km

Lasertauglich für GbE-LANs

50/125 Mikrometer (OM3)

3/1 dB/km

2000/500 MHz-km

Optimiert für 850-nm-VCSELs

50/125 Mikrometer (OM4)

3/1 dB/km

3600/500 MHz-km

Optimiert für 850-nm-VCSELs, höhere Geschwindigkeit

62,5/125 Mikrometer (OM1)

3/1 dB/km

160-200/500 MHz-km

LAN-Faser

100/140 Mikrometer

3/1 dB/km

150/300 MHz-km

Veraltet

Einspielermodus

@1310/1550 nm

9/125 Mikrometer (OS1 B1.1 oder G.652)

0,4/0,25 dB/km

HOCH!

~100 Terahertz

Singlemode-Glasfaser, am häufigsten für Telekommunikations-/CATV-/Hochgeschwindigkeits-LANs

9/125 Mikrometer (OS2, B1.2 oder G.652)

0,4/0,25 dB/km

HOCH!

~100 Terahertz

Faser mit niedrigem Wasserspiegel

9/125 Mikrometer (B2 oder G.653)

0,4/0,25 dB/km

HOCH!

~100 Terahertz

Dispersionsverschobene Faser

9/125 Mikrometer (B1.2 oder G.654)

0,4/0,25 dB/km

HOCH!

~100 Terahertz

Cutoff-verschobene Faser

9/125 Mikrometer (B4 oder G.654)

0,4/0,25 dB/km

HOCH!

~100 Terahertz

Dispersionsverschobene Faser ungleich Null

Multimode-Schrittindex

@850 nm

200/240 Mikrometer

4-6 dB/km

50 MHz-km

Langsame LANs und Verbindungen

POF (Kunststoff-Lichtwellenleiter)

@ 650 nm

1 mm

~ 1 dB/m

~5 MHz-km

Kurze Links & Autos

ACHTUNG: Fasern dürfen nicht gemischt werden! Der Versuch, Singlemode- mit Multimode-Glasfaser zu verbinden, kann einen Verlust von 20 dB verursachen – das sind 99 % der Leistung. Selbst Verbindungen zwischen 62,5/125 und 50/125 können Verluste von 3 dB oder mehr verursachen – mehr als die Hälfte der Leistung. Mehr zu nicht übereinstimmenden Fasern.

Faserspezifikationen

Die üblichen Faserspezifikationen sind Größe (Kern-/Manteldurchmesser in Mikrometern), Dämpfungskoeffizient (dB/km bei geeigneten Wellenlängen) und Bandbreite (MHz-km) für Multimode-Fasern sowie chromatische und Polarisationsmodendispersion für Singlemode-Fasern. Während die Hersteller andere haben Spezifikationen für die Gestaltung und Herstellung der Faser nach Industriestandards, wie numerische Apertur (der Aufnahmewinkel des Lichts in die Faser), Ovalität (wie rund die Faser ist), Konzentrizität von Kern und Mantel usw., haben diese Spezifikationen im Allgemeinen keinen Einfluss Benutzer, die Glasfasern zum Kauf oder zur Installation angeben. Hier finden Sie weitere Informationen zum Testen von Faserspezifikationen.

Einige Fasern wurden so konzipiert, dass sie wesentlich weniger empfindlich auf biegebedingte Verluste reagieren. Diese „biegeunempfindlichen“ Fasern sind für den Einsatz als Patchkabel oder in engen Räumlichkeiten konzipiert, wo normale Fasern Verluste erleiden würden. Hier finden Sie weitere Informationen zu biegeunempfindlichen Fasern.

Dämpfung

Die primäre Spezifikation von Glasfasern ist die Dämpfung. Unter Dämpfung versteht man einen Verlust an optischer Leistung. Die Dämpfung einer optischen Faser wird durch den Dämpfungskoeffizienten ausgedrückt, der als Verlust der Faser pro Längeneinheit in dB/km definiert ist.

Die Dämpfung der optischen Faser ist auf zwei Faktoren zurückzuführen: Absorption und Streuung. Die Absorption wird durch die Absorption des Lichts und die Umwandlung in Wärme durch Moleküle im Glas verursacht. Primärabsorber sind restliches OH+ und Dotierstoffe, die zur Modifizierung des Brechungsindex des Glases verwendet werden. Diese Absorption erfolgt bei diskreten Wellenlängen, die durch die Elemente bestimmt werden, die das Licht absorbieren. Die OH+-Absorption ist vorherrschend und tritt am stärksten um 1000 nm, 1400 nm und über 1600 nm auf.

Die größte Dämpfungsursache ist die Streuung. Streuung entsteht, wenn Licht mit einzelnen Atomen im Glas kollidiert und anisotrop ist. Licht, das in Winkeln außerhalb der numerischen Apertur der Faser gestreut wird, wird vom Mantel absorbiert oder zurück zur Quelle übertragen. Streuung ist auch eine Funktion der Wellenlänge, proportional zur umgekehrten vierten Potenz der Wellenlänge des Lichts. Wenn man also die Wellenlänge des Lichts verdoppelt, reduziert man die Streuverluste um die 2. bis 4. Potenz bzw. das 16-fache.

Beispielsweise ist der Verlust von Multimode-Fasern bei 850 nm (kurze Wellenlänge genannt) mit 3 dB/km viel höher, während er bei 1300 nm (lange Wellenlänge genannt) nur 1 dB/km beträgt. Das bedeutet, dass bei 850 nm die Hälfte des Lichts auf 1 km verloren geht, während bei 1300 nm nur 20 % verloren gehen.

Daher ist es für die Übertragung über große Entfernungen vorteilhaft, die längste praktische Wellenlänge für minimale Dämpfung und maximale Entfernung zwischen Repeatern zu verwenden. Absorption und Streuung ergeben zusammen die oben gezeigte Dämpfungskurve für eine typische Glasfaser.

Glasfasersysteme übertragen in den „Fenstern“, die zwischen den Absorptionsbändern bei 850 nm, 1300 nm und 1550 nm entstehen, wo die Physik auch die einfache Herstellung von Lasern und Detektoren ermöglicht. Kunststofffasern haben ein begrenzteres Wellenlängenband, was den praktischen Einsatz auf 660-nm-LED-Quellen beschränkt.

Bandbreite

Die Informationsübertragungskapazität von Multimode-Fasern wird durch zwei separate Dispersionskomponenten begrenzt: modal und chromatisch. Die modale Dispersion entsteht dadurch, dass das Indexprofil der Multimode-Faser nicht perfekt ist. Das abgestufte Indexprofil wurde gewählt, um theoretisch zu ermöglichen, dass alle Moden entlang der Länge der Faser die gleiche Gruppengeschwindigkeit oder Durchgangsgeschwindigkeit haben. Dadurch, dass die äußeren Teile des Kerns einen niedrigeren Brechungsindex haben als die inneren Teile des Kerns, werden die Moden höherer Ordnung schneller, wenn sie sich von der Mitte des Kerns entfernen, wodurch ihre längeren Weglängen ausgeglichen werden.

In einer idealisierten Faser haben alle Moden die gleiche Gruppengeschwindigkeit und es tritt keine Modaldispersion auf. Bei realen Fasern ist das Indexprofil jedoch eine stückweise Annäherung und alle Moden werden nicht perfekt übertragen, was eine gewisse Modendispersion ermöglicht. Da die Moden höherer Ordnung größere Abweichungen aufweisen, reagiert die Modendispersion einer Faser (und damit ihre Laserbandbreite) tendenziell sehr empfindlich auf die Modenbedingungen in der Faser. Daher nimmt die Bandbreite längerer Fasern nichtlinear ab, da die Moden höherer Ordnung stärker gedämpft werden.

Der zweite Faktor der Faserbandbreite, die chromatische Dispersion, betrifft sowohl Multimode- als auch Singlemode-Fasern. Denken Sie daran, dass ein Prisma das Spektrum des einfallenden Lichts auffächert, da sich das Licht je nach Farbe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet und daher in unterschiedlichen Winkeln gebrochen wird. Die übliche Art, dies auszudrücken, ist, dass der Brechungsindex des Glases wellenlängenabhängig ist. Daher kann ein sorgfältig hergestelltes abgestuftes Indexprofil nur für eine einzige Wellenlänge optimiert werden, normalerweise in der Nähe von 1300 nm, und Licht anderer Farben leidet unter der chromatischen Dispersion. Sogar Licht im gleichen Modus wird gestreut, wenn es unterschiedliche Wellenlängen hat.

Die chromatische Dispersion ist ein großes Problem bei LED-Quellen mit MM-Faser, die eine breite spektrale Leistung haben, im Gegensatz zu Lasern, die den Großteil ihres Lichts in einem schmalen Spektralbereich konzentrieren. Systeme wie FDDI, die auf Oberflächenemitter-LEDs mit breitem Spektrumsausgang basieren, litten unter einer so intensiven chromatischen Dispersion, dass die Übertragung auf nur zwei Kilometer 62,5/125-Faser beschränkt war.

Die chromatische Dispersion (CD) wirkt sich auch auf lange Verbindungen in Singlemode-Systemen aus, selbst bei Lasern. Daher sind Fasern und Quellen optimiert, um die chromatische Dispersion in den Langstreckenverbindungen zu minimieren.

Gut gemacht, dass du das überstanden hast. Du wirst mir sicher zustimmen, dass Ballaststoffe fantastisch sind und warum sie nicht mehr davon verwenden! Als besonderes Vergnügen gebe ich Ihnen nächste Woche einen Test, um zu sehen, wie viel Sie gelernt haben!

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Nicab Ltd Mitarbeiter von Nicab Ltd