Mit der Entwicklung moderner Industrie- und lokaler Netzwerke (LANs) sind die Anforderungen an die Datenübertragungsgeschwindigkeit stetig gestiegen. Heutzutage arbeiten Industrienetzwerke und LANs mit Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s. Konventionelle Übertragungssysteme mit ihren kostengünstigen LED-Emittern und einer maximalen Datenübertragungsrate von 622 Mbit/s genügen daher nicht mehr den aktuellen Anforderungen. Um die hohen Datenübertragungsraten moderner Industrie- und lokaler Netzwerke zu erreichen, wurden LED-Emitter durch Laseremitter ersetzt. Dieser Wechsel von LEDs zu Lasern hatte entscheidende Auswirkungen auf die Herstellung von Glasfasern. Multimodefasern mit 850-nm-Laserdioden (VCSELs) gelten als die kostengünstigste Lösung für Industrienetzwerke und LANs und werden daher häufig in diesen Netzwerktypen eingesetzt. Im Zuge des Marktwandels von LEDs zu Lasern entstand Ende der 1990er-Jahre eine neue Generation laseroptimierter Multimodefasern. Dieser Artikel beleuchtet die Unterschiede zwischen konventionellen Multimodefasern und laseroptimierten Multimodefasern. Darüber hinaus wird die entscheidende Bedeutung der Auswahl hochwertiger, laseroptimierter Multimodefasern hervorgehoben, um hohe Datenübertragungsraten in industriellen Netzwerken und LANs zu erreichen.

Optische Faserübertragung mit LEDs und Lasern:
Wird Licht in eine Multimode-Faser eingekoppelt, besitzt es mehrere Ausbreitungswege im Faserkern. Jeder dieser Wege wird als Modus bezeichnet, daher der Name „Multimode-Faser“. Das von einer LED (Leuchtdiode) emittierte Licht unterscheidet sich vom sehr schmalen Strahl eines Lasers durch seinen großen Abstrahlwinkel (Abbildung 1). Bei Einkopplung in eine Multimode-Faser füllt der stark divergierende Strahl einer LED den Faserkern aus und regt so viele Moden an. Unter ähnlichen Bedingungen regt ein Laser in einer Multimode-Faser nur wenige Moden an, prinzipiell nur diejenigen, die den zentralen Bereich des Faserkerns durchlaufen.

Laseroptimierte Multimode-Faser:
Der Bereich im Zentrum der optischen Faser weist einen hohen Brechungsindex auf und bildet den optischen Pfad, durch den sich Licht mittels Totalreflexion ausbreiten kann. In Multimode-Fasern nimmt der Brechungsindex mit zunehmendem Abstand vom Faserzentrum allmählich ab und erzeugt so ein Gradientenindexprofil (Abbildung 2). Dieses Gradientenindexprofil gewährleistet, dass das gesamte Licht unabhängig vom gewählten Übertragungsweg gleichzeitig am Ende des Fasersystems eintrifft. Abweichungen in der Laufzeit werden als Modendispersion bezeichnet. Die Durchsatzkapazität einer Multimode-Faser wird anhand der Bandbreite bzw. der maximalen Datenübertragungsrate und -reichweite in MHz·km angegeben. Die Bandbreite ist umgekehrt proportional zur Modendispersion.
Wird ein Laser in eine Multimode-Faser eingekoppelt, verteilt sich das Laserlicht über einen sehr dünnen Bereich des Faserkerns, typischerweise den zentralen Bereich. Die Fähigkeit der Fasern zur Laserübertragung hängt maßgeblich von der Homogenität des Brechungsindexgradientenprofils im Faserkern in diesem Bereich ab. Das Brechungsindexprofil des Kerns einer herkömmlichen Multimode-Faser weist, wie in Abbildung 2 dargestellt, eine anomale Delle entlang der Mittelachse auf.
Diese Anomalie im Zentrum des Brechungsindexprofils hat einen deutlich größeren Einfluss auf den dünnen, konzentrierten Strahl eines Lasers als auf das stark divergierende Licht einer LED. Um moderne Übertragungssysteme mit hohen Datenübertragungsraten zu realisieren, sollten Laser anstelle von LEDs eingesetzt werden. Brechungsindexanomalien entlang der Mittelachse äußern sich in Lasersignalen als Verzerrungen des übertragenen Signals und als hohe Bitfehlerraten. Dadurch wird die maximale Datenübertragungsrate des Systems begrenzt, sodass die Kombination aus Laserwandler und herkömmlicher Multimode-Faser paradoxerweise für Übertragungssysteme mit einer Datenübertragungsrate von 10 Gbit/s ungeeignet ist.
Um dieses Problem zu lösen, ist es notwendig, das Brechungsindexprofil im Zentrum einer Multimode-Faser für Laserübertragungen zu optimieren. Obwohl dies relativ kostspielig ist, sollte das Ziel darin bestehen, alle Anomalien im Zentrum des Brechungsindexprofils zu eliminieren. Laut eigenen Angaben brachte Corning 1998 als erster Hersteller von optischen Fasern eine neue Generation von Multimodefasern auf den Markt, die für Laserübertragungen optimiert waren. Das ideale Brechungsindexprofil einer laseroptimierten Multimodefaser ist in Abbildung 2 dargestellt. Man erkennt, dass alle Anomalien entlang der Mittelachse beseitigt wurden, wodurch Systembeschränkungen oder Signalverzerrungen durch anomale Einbrüche entlang der Achse ausgeschlossen werden.

Laseroptimierung und Fertigungsmethoden:
Jüngste Studien zeigen, dass die Qualität multimodaler Fasern, insbesondere die Homogenität ihres Brechungsindexprofils, vom Fertigungsverfahren abhängt. Tests an laseroptimierten Fasern führender Hersteller, die mittels MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) und PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) bei 10 Gbit/s und Längen von 150, 300 und 500 Metern sowie einer Wellenlänge von 850 nm hergestellt wurden, ergaben, dass etwa 50 Prozent der getesteten Fasern eine anomale Abflachung der Mittelachse aufwiesen (Abbildung 3a). Darüber hinaus zeigten alle betroffenen Fasern Fehler bei der Bestimmung des Laserzentrums. Im Gegensatz dazu erzielt das OVD-Verfahren (Outside Vapor Deposition) laut Experten eine optimale Homogenität des Brechungsindexprofils, sodass laseroptimierte Multimodefasern, die mit diesem Verfahren hergestellt wurden, praktisch keine Abflachung der Mittelachse aufweisen (Abbildung 3b).
Eine weitere wesentliche Herausforderung, die speziell für die MCVD- und PCVD-Verfahren gilt, besteht darin, eine homogene Bandbreite über die gesamte Faserlänge zu gewährleisten. Dieses Problem kann sich zeigen, wenn bestimmte Faserabschnitte eine von der für die gesamte Faserlänge ermittelten Bandbreite abweichende Bandbreite aufweisen. Angesichts der hohen Schwankungsbreite bei der Laseroptimierung von Multimodefasern ist es unerlässlich, alle für hochwertige Laserübertragungssysteme vorgesehenen Multimodefasern strengen Test- und Klassifizierungsverfahren zu unterziehen.

Leistungsklassifizierung von LEDs und Lasern:
Die hohe Datenübertragungsrate (bestimmt durch Bandbreite und Reichweite) einer Faser hängt von der Laufzeitdifferenz zwischen angeregten Moden und der Energieverteilung zwischen den Moden ab. Daher muss die Leistung herkömmlicher Multimodefasern (für die Verwendung mit LEDs) nach der OFL-Bandbreitenmessmethode (Overfilled Launch) klassifiziert werden, die die Kopplungsbedingungen einer LED simuliert. Die Kopplungsbedingungen für Laser sind jedoch völlig anders. Aus diesem Grund sind für die neue Generation von Multimodefasern neue Leistungsklassifizierungsmethoden erforderlich, die die speziellen Kopplungsbedingungen eines Lasers berücksichtigen.
Es existieren verschiedene Klassifizierungsmethoden: DMD, RML und minEMBc. Die RML-Bandbreite (Restricted Mode Launch) war der erste standardisierte Index für laseroptimierte Fasern gemäß dem TIA-455-204-Standard. Diese Methode eignet sich für Bandbreitenprognosen bis zu 1 Gbit/s. Für Übertragungssysteme mit Datenraten bis zu 10 Gbit/s ist die neueste und präziseste Methode zur Bestimmung der Übertragungskapazität von Multimodefasern mit höheren Bandbreiten erforderlich: die minEMBc-Methode (minimal berechnete effektive Modenbandbreite). minEMBc wird von den Normen TIA/EIA 455-220 und IEC 60793-1-49 unterstützt und gilt in der Glasfaserindustrie als einzige Referenzmessung für große Bandbreiten. Sie basiert auf der DMD-Methode und ist inhärent skalierbar, um verschiedene Bitraten und Längen vorherzusagen. Andere Messmethoden liefern hingegen lediglich ein Gut/Schlecht-Ergebnis für 10 Gbit/s über 300 Meter.
Für eine laseroptimierte 10-Gbit/s-Multimodefaser, die nicht nach den modernsten und präzisesten Bandbreitenmessmethoden klassifiziert ist, kann keine vollständige Leistungsgarantie gegeben werden. Insbesondere bei Multimodefasern, die nach MCVD- oder PCVD-Verfahren hergestellt werden, können die von den Herstellern angegebenen Daten Schwankungen unterliegen, die auf axiale Bandbreiteninhomogenitäten oder darauf zurückzuführen sind, dass der anomale Brechungsindexabfall entlang der Mittelachse nicht vollständig beseitigt wurde.

Fazit:
Moderne industrielle Netzwerke und LANs müssen Datenübertragungsraten von 12 Gbit/s und höher ermöglichen, um Gigabit-Ethernet, 10-Gigabit-Ethernet und Fibre-Channel-Protokolle zu unterstützen. Daher wurden LEDs, deren Datenübertragungsrate auf 622 Mbit/s begrenzt ist, in solchen Netzwerken durch Laser, insbesondere VCSELs mit einer Wellenlänge von 850 nm, als Lichtquellen ersetzt. Laseroptimierte Multimodefasern haben herkömmliche Multimodefasern abgelöst und ermöglichen kostengünstige, leistungsstarke Laserübertragungssysteme. Allerdings bestehen je nach Herstellungsverfahren Unterschiede zwischen laseroptimierten Fasern. Fasern, die im OVD-Verfahren hergestellt werden, weisen keine anomale Abnahme des Brechungsindex entlang der Mittelachse auf und besitzen eine gute axiale Homogenität. Im Gegensatz dazu weisen Fasern, die im MCVD- oder PCVD-Verfahren hergestellt werden, diesbezüglich Einschränkungen auf. Um die Leistungsfähigkeit einer großen Anzahl von Standard-VCSELs zu gewährleisten, muss die Durchsatzkapazität von 10-Gbit/s-Fasern mithilfe des minEMBc-Index bestimmt werden. Corning stellt seine Multimode-Fasern (Infinicor) unter Verwendung des OVD-Verfahrens her und verwendet den minEMBc-Index zur Klassifizierung seiner 10-GBit/s-Produkte.

Stichprobenartige Prüfungen reichen nicht aus.
Dieser Glasfaserlieferant misst daher die Laserbandbreite jedes einzelnen Meters jeder Faserspule, da er eigenen Angaben zufolge Stichproben allein für unzureichend hält. Dies soll gewährleisten, dass alle Fasern die Herstellerspezifikationen zu 100 % erfüllen. In diesem Zusammenhang ist die Qualitätskontrolle von höchster Wichtigkeit.

 

Weitere Informationen oder ein Angebot

 

Bibliographie
– P. Bell, Todd Wiggs, „Multimode fiber and the Vapor Deposition Manufacturing Process“, Corning Optical Fiber Guidelines, Online-Publikation, Band 10, Juli www.corning.com/opticalfiber/guidelines_magazine/eguidelines/vol10/view.aspx?article=2&page=1&region=na&language=en 2005

Technische Quellen
– Leitfaden zur Glasfaserauswahl (Voraussetzungen für die Auswahl von Glasfasern in industriellen Netzwerken) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP1160.pdf
– Entwicklung der 50/125-mm-Faser seit Veröffentlichung von IEEE 802.3ae (Entwicklung der 50/125-mm-Faser seit der Veröffentlichung von IEEE 802.3ae) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP4253.pdf
– Mit berechneter EMB wird SR 10G garantiert (EMB-Berechnung garantiert SR 100 http://www.com.ng.com/docs/opticalfiber/r3716.pdf)

 

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