Tabelle 1. Optisches Verlustbudget und entsprechende zulässige Abstände für verschiedene Anwendungen
Die Ergebnisse eines kontrollierten Experiments zeigen, dass optische Dämpfungsmessungen mit einer Überlauflichtquelle und einer Dornwicklung als Modenkonditionierungsfilter je nach Messgerät erhebliche Abweichungen aufweisen. Im Gegensatz dazu liefern dieselben Messungen mit der Encircled-Flux-Methode (EF) eine hohe Übereinstimmung mit verschiedenen Messgeräten. Die Encircled-Flux-Methode wird von Branchenexperten für präzise optische Dämpfungsmessungen sowohl konventioneller als auch biegeunempfindlicher Multimodefasern empfohlen – ein besonders wichtiges Merkmal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit geringen Dämpfungsgrenzen. Die Encircled-Flux-Methode ist die spezifizierte Messmethode für 40G- und 100G-Ethernet-Anwendungen.
Tabelle 1. TIA-492AAAD-Spezifikationen für OM4-Fasern, September 2009
Optische Dämpfungsmessung – Warum ist sie wichtig?
Die Bereitstellung einer präzisen Methode zur optischen Dämpfungsmessung von Multimodefasern gewinnt zunehmend an Bedeutung für Anwendungen mit sehr hohen Datenübertragungsraten, die strengere Anforderungen an die maximal zulässige Dämpfung im Kanal zwischen optischem Sender und Empfänger stellen. Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Dämpfungsbilanz und die zugehörige maximale Entfernung für verschiedene Anwendungen.
Je höher die Datenübertragungsrate, desto geringer die zulässige Dämpfung im Kanal. Die maximal zulässige Dämpfung eines 10-Gbit/s-Ethernet-Kanals mit OM3-Multimodefaser beträgt 2,6 dB, während die maximal zulässige Dämpfung eines 40-Gbit/s-Ethernet-Kanals und eines 100-Gbit/s-Ethernet-Kanals 1,9 dB mit OM3-Faser bzw. 1,5 dB mit OM4-Faser beträgt.
Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit von optischen Dämpfungsmessungen?
Mehrere wichtige Faktoren können die Genauigkeit von optischen Dämpfungsmessungen beeinflussen:
1. Art und Qualität der Testreferenz-Patchkabel.
2. Die Fehlanpassung der Faser zwischen den Testreferenz-Patchkabeln und der zu messenden Verbindung.
3. Die Eigenschaften der Lichtquelle und die Art der Lichteinkopplung in die Faser.
4. Der verwendete Modenkonditionierungsfilter.
Diese Arbeit analysiert die Auswirkungen all dieser Faktoren auf die Genauigkeit von optischen Dämpfungsmessungen.
1. Art und Qualität der Testreferenz-Patchkabel:
Art und Qualität des Testreferenz-Patchkabels sind entscheidend für die Genauigkeit von optischen Dämpfungsmessungen im Feld. Die Geometrie der polierten Aderendhülse des Patchkabelsteckers kann die Messergebnisse erheblich beeinflussen und muss präzise Parameter wie Biegeradius, Apex und Faserüberstand erfüllen. Daher müssen Testreferenz-Patchkabel Anforderungen an die Endflächengeometrie erfüllen, wie sie beispielsweise in Telcordia GR-326 spezifiziert sind. Darüber hinaus kann die Genauigkeit der optischen Dämpfungsmessung stark beeinträchtigt werden, wenn die Oberfläche des Patchkabelsteckers zerkratzt oder verschmutzt ist. Untersuchen Sie den Faserstecker mit einem Faserendoskop und reinigen Sie ihn gegebenenfalls mit einem Trockenreinigungsverfahren.
Wie können Sie die Zuverlässigkeit Ihrer optischen Dämpfungsmessungen überprüfen? Eine einfache Methode ist die Untersuchung eines geprüften, werkseitig getesteten Patchkabels. Die meisten Hersteller geben den tatsächlichen Dämpfungswert auf der Verpackung an. Überprüfen und reinigen Sie die Stecker des Patchkabels. Schließen Sie dieses geprüfte Patchkabel anschließend an Ihre Geräte an, als wäre es eine Glasfaserverbindung, und testen Sie es mit denselben Referenz-Patchkabeln, die Sie üblicherweise für Verbindungstests verwenden. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit dem Dämpfungswert des werkseitig getesteten Patchkabels. Weicht das Ergebnis deutlich ab (mehr als 0,1 dB), ist der Feldtest fehlerhaft. Die Ursache kann an den Geräten, der Testmethode oder – am wahrscheinlichsten – an den Test-Patchkabeln liegen.
2. Abweichungen zwischen zwei gespleißten Glasfasern.
Faserabweichungen sind eine Folge der inhärenten Fasereigenschaften und stehen in keinem Zusammenhang mit den verwendeten Spleißtechniken. Die intrinsischen Kopplungsverluste aufgrund von Faserabweichungen werden unter anderem durch Folgendes verursacht:
2.1. Unterschiedliche Kerndurchmesser,
2.2. Konzentrizitätsfehler zwischen Kern und Mantel,
2.3. Unterschiedliche numerische Aperturen.
Welche Spezifikationen gelten für diese Parameter? Tabelle 2 bietet eine Zusammenfassung einiger der dimensionalen und optischen Spezifikationen der OM4-Multimode-Faser.
Wie hoch ist der intrinsische Kopplungsverlust beim Spleißen zweier Fasern, die sich an den minimalen bzw. maximalen Grenzen der TIA-492AAAD-Spezifikation befinden? Die Abbildungen 1, 2 und 3 zeigen jeweils den intrinsischen Kopplungsverlust aufgrund von Unterschieden im Faserdurchmesser, Konzentrizitätsfehlern zwischen Kern und Mantel sowie Unterschieden in der numerischen Apertur.
Wie in den Abbildungen 1, 2 und 3 dargestellt, können die Verluste durch Faserdisparität im ungünstigsten Fall im Vergleich zu den für Datenübertragungsraten von 10 Gigabit und höher vorgesehenen Verlustbudgets erheblich sein. Woran liegt das? In Feldtests beobachten wir im Allgemeinen keine so hohen Verluste aus zwei Gründen: 1) Die meisten modernen Fasern werden mit engeren Toleranzen als den spezifizierten gefertigt, und 2) nicht alle Moden werden im gleichen Maße angeregt; das heißt, aufgrund der verwendeten Modenfilterung steht für Moden höherer Ordnung weniger Leistung zur Verfügung als für Moden niedrigerer Ordnung (ein Thema, das später in diesem Artikel erläutert wird).
3. Eigenschaften der Lichtquelle und Einkopplung des Lichts in die Faser:
Die Einkopplungsbedingungen und die Art der Lichteinkopplung in die Faser können die Messungen der optischen Verluste stark beeinflussen. Bei Multimodefasern können unterschiedliche Einkopplungsleistungsverteilungen (Einkopplungsbedingungen) zu unterschiedlichen Dämpfungsmessungen führen.
Die Leistungsverteilung zwischen den Fasermoden wird durch die Steuerung der Injektionsfleckgröße und der Winkelverteilung mithilfe eines optischen Systems erreicht, das Licht in die Faser einkoppelt, wie in Abbildung 4 dargestellt.
In Gradientenindexfasern führt der niedrigere Brechungsindex des Kerns nahe dem Mantel dazu, dass Moden höherer Ordnung einen gekrümmten Pfad beschreiben, der länger ist als der des axialen Strahls (der „Mode nullter Ordnung“). Da Moden höherer Ordnung tiefer in den Glaskern eindringen und stärker gestreut oder absorbiert werden, weisen sie eine höhere Dämpfung auf als Moden niedrigerer Ordnung. Daher besitzt eine lange, vollständig gefüllte Faser (in die alle Moden mit der gleichen Leistung eingekoppelt werden) eine geringere Leistung in den Moden höherer Ordnung als ein kurzes Stück derselben Faser. Der Begriff „Gleichgewichtsmodenverteilung“ (EMD) beschreibt die Modenverteilung in einer langen Faser, die ihre Moden höherer Ordnung verloren hat. Diese Änderung der Modenverteilung zwischen langen und kurzen Fasern kann einen großen Unterschied bei Messungen mit der Faser bewirken. Abbildung 5 veranschaulicht die relative Modenleistungsverteilung für Multimodefasern.
Abbildung 5 veranschaulicht die Gleichgewichtsmodenverteilung (EMD) für ein langes Multimode-Fasersegment und die Modenleistungsverteilung für ein kurzes Multimode-Fasersegment bei Verwendung eines Modenfilters. Die Modenfilterung entfernt Moden höherer Ordnung, liefert aber nur eine grobe Annäherung an die EMD.
4. Modenkonditionierungsfilter
4.1. Dorngewickelter Modenkonditionierungsfilter
Ein dorngewickeltes Injektionspatchkabel wird üblicherweise als Modenkonditionierungsfilter verwendet. Die Dornwicklung spannt die Faser und erhöht die Dämpfung höherer Moden, wenn Licht in die zu prüfende Faser eingekoppelt wird.
Die Verwendung der Dornwicklung als Modenfilter ist in Anhang A.1.3.1.2 von TIA-455-78B beschrieben. Eine Fernfeldmessung dient dem Vergleich der Ausgangsleistungsverteilung eines langen (über 1 km) Abschnitts der Prüffaser, der mit einer gleichmäßigen Überlauflichtquelle angeregt wird, mit der Ausgangsleistungsverteilung eines kurzen Faserabschnitts mit aufgesetztem Dorn. Der Dorndurchmesser wird so gewählt, dass die Fernfeldleistungsverteilung im kurzen Abschnitt der Fernfeldleistungsverteilung des langen Abschnitts möglichst nahekommt. Das Dornwickelverfahren
ist weit verbreitet für die Prüfung von Glasfasern im Feld. Dieses Verfahren sieht die Verwendung einer Überlauflichtquelle der Kategorie 1 und eines Referenz-Testpatchkabels vor, das um einen Dorn gewickelt ist. Die Spezifikation für die Lichtquelle der Kategorie 1 wird durch den Test des gekoppelten Leistungsverhältnisses (CPR) bestimmt, der in Abbildung 6 und 2 dargestellt ist. Abschnitt 6.4.2.1 der Norm ANSI/TIA-568-C.0 legt zulässige Dorndurchmesser für gängige Multimode-Kabeltypen (fünf Windungen) fest.
Das Problem des Dornwickeltests besteht darin, dass er zu erheblichen Messabweichungen führen kann. Diese Abweichungen sind bedingt durch 1) Unterschiede in der Leistungsverteilung der Moden der gekoppelten Lichtquelle in Abhängigkeit vom verwendeten Gerät, da die Spezifikation für Kategorie 1 relativ ungenau ist**, und 2) Unterschiede in den Eigenschaften der in den Testreferenz-Patchkabeln verwendeten Multimode-Fasern, da die Auswirkungen der Biegung je nach Faserhersteller variieren können.
4.2. Modenkonditionierungsfilter – Eingeschlossener Fluss.
Der eingeschlossene Fluss (EF) ist eine neuartige Methode zur Steuerung der Leistungsverteilung von Licht, das vom Ende eines Testreferenzkabels (TRC) eingespeist wird, um optische Dämpfungsmessungen durchzuführen.
Die oberen und unteren Grenzwerte der Lichtleistungsverteilung werden in Abhängigkeit vom Kernradius und für Wellenlängen von 850 nm und 1300 nm spezifiziert (siehe Abbildung 7 [3]). Diese EF-Methode wurde von Optikexperten entwickelt, um die Variabilität von Dämpfungsmessungen im Vergleich zu anderen optischen Dämpfungsmessmethoden zu reduzieren, die eine Überlauflichtquelle und Modenkonditionierungsfilter (z. B. Dornwicklung) verwenden. Der eingeschlossene Fluss ist auch die im IEEE-802.3ba-Standard für 40-Gbit/s-Ethernet (40GBASE-SR4) und 100-Gbit/s-Ethernet (100GBASE-SR10) spezifizierte Testmethode.
Die TIA führt die Methode des eingeschlossenen Flusses in ihrem neuen Glasfaserteststandard ein.
Die Testmethode des eingeschlossenen Flusses ist in TIA-526-14-B, „Messungen der optischen Dämpfung installierter Multimode-Glasfaserkabel“, spezifiziert und mit IEC 61280-1-4 harmonisiert. Die TIA arbeitet derzeit an einem neuen Anhang 2 zu ANSI/TIA-568-C.0, der verschiedene glasfasertechnische Fragestellungen behandelt. Ein Abschnitt dieses Anhangs ersetzt die in TIA-455-78B und TIA-526-14-A spezifizierte Dornwicklungs-Testmethode durch Folgendes:
Für Multimode-Kabel schreiben die Kabelstandards vor, dass Dämpfungsmessungen gemäß TIA-526-14-B durchgeführt werden müssen. Dies erfordert, dass die Injektionsanschlussdose des Patchkabels bestimmte Injektionsbedingungen erfüllt, die durch die spektrale Breite und Leistungsverteilung der Moden bestimmt werden. Diese Injektionsbedingungen können entweder vom Feldmessgerät selbst oder mithilfe eines externen Modenkonditionierers bereitgestellt werden.
Vergleich der optischen Verlustmessungen, die mittels Überlaufinjektion (OFL)/Dornwicklung gemäß TIA-426-14-A, Methode B, im Gegensatz zum eingeschlossenen Fluss gemäß TIA-426-14-B, Anhang A, erhalten wurden
Um die Variabilität der optischen Dämpfungsmessungen besser zu verstehen, wurde ein kontrolliertes Experiment durchgeführt, bei dem alle Variablen außer den Injektionsbedingungen konstant gehalten wurden.
In der ersten Testreihe wurden dieselben permanenten Verbindungen (PL a), PL b) und PL c) mit denselben Testreferenzkabeln (mit konventioneller Multimode-Faser), TRC #1 und TRC #2, getestet. Diese waren um einen 22-mm-Dorn gewickelt und wurden mit zwei verschiedenen Testgeräten (OLTS #1 und OLTS #2) geprüft. In der zweiten Testreihe wurden die Testreferenzkabel durch Kabel mit integriertem EF-Modul (EF #1 und EF #2) anstelle der dorngewickelten Version ersetzt. Die optische Dämpfung wurde unter den oben beschriebenen verschiedenen Injektionsbedingungen in den drei 20 Meter langen permanenten Verbindungen mit den folgenden zwei Steckverbindern gemessen:
Permanente Verbindung a) mit konventioneller Multimode-Faser,
permanente Verbindung b) mit biegeunempfindlicher Multimode-Faser von Lieferant A und
permanente Verbindung c) mit biegeunempfindlicher Multimode-Faser von Lieferant B.
Abbildung 8 zeigt die Testdaten.
**Hinweis: Ein Unterschied von 4 dB im CPR-Wert einer Lichtquelle der Kategorie 1 entspricht einer 150%igen Steigerung der Leistung höherer Moden.
Messergebnisse
Die Ergebnisse des kontrollierten Experiments sind in Abbildung 9 dargestellt. Die erste Testreihe wurde unter gleichen Bedingungen mit einer Überlauflichtquelle und einem drahtgewickelten Modenfilter durchgeführt. Es besteht ein Unterschied von ca. 0,5 dB in der optischen Dämpfung zwischen den Tests mit OLTS #1 und OLTS #2. Dieser Unterschied betrifft alle permanenten Verbindungen unabhängig vom Fasertyp. Woran liegt diese Diskrepanz?
Der Unterschied in den Dämpfungsmessungen lässt sich auf die Lichtmenge zurückführen, die von den beiden Messgeräten in die Multimode-Faser eingekoppelt wird. Obwohl beide Lichtquellen der Kategorie 1 entsprechen, reichen die Spezifikationen nicht aus, um eine gleichmäßige Leistungsverteilung der Moden am Ende eines Testreferenz-Patchkabels bei Verwendung des drahtgewickelten Modenfilters zu gewährleisten. Ein Unterschied von 0,5 dB in den Messungen kann bei Dämpfungsbudgets im Bereich von 1,5 dB bis 2,6 dB über Erfolg oder Misserfolg der Verbindung entscheiden.
In der zweiten Testreihe stimmten die optischen Verlustmessungen (innerhalb einer Toleranz von +/- 0,1 dB) mit den beiden Testinstrumenten (OLTS #1 und OLTS #2) überein, wenn ein Encircled Flux Modenkonditionierungsfilter verwendet wurde.
Gute Nachrichten!
Es besteht branchenweit Einigkeit über Testverfahren, die präzise und reproduzierbare optische Dämpfungsmessungen gewährleisten. Die Methode des eingeschlossenen Flusses reduziert die Streuung der Dämpfungsmessungen auf bis zu ±10 % bei Dämpfungsmessungen über 1 dB. Die Einhaltung der Norm IEC 61280-4-1 lässt sich mithilfe eines Modencontrollers erreichen, der entweder in das Testgerät integriert oder als externes Gerät zwischen Lichtquelle und Prüfling geschaltet werden kann.
Der Modencontroller ist ein passives Bauteil, das sicherstellt, dass die Einkopplungsbedingungen unabhängig von der verwendeten Lichtquelle (LED oder Laser) den Anforderungen der IEC 61280-4-1 entsprechen.
Fazit:
Optische Dämpfungsmessungen im Feld sind komplexer als es scheint und können von zahlreichen Variablen beeinflusst werden, darunter Faserdisparität, Art und Qualität der Testreferenz-Patchkabel sowie Injektionsbedingungen (OFL/Dornwicklung vs. Encircled Flux).
Die hohen Anforderungen an die optische Dämpfung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen erfordern ein präzises Testverfahren für die Feldverbindungsprüfung. Branchenexperten empfehlen das Encircled-Flux-Verfahren aufgrund seiner genauen optischen Dämpfungsmessungen sowohl für konventionelle Multimode-Fasern (MMF) als auch für Bi-Integrated-Multimode-Fasern (BIMMF).
Encircled Flux ist zudem das spezifizierte Testverfahren für 40G- und 100G-Ethernet-Anwendungen.
Autor:
Autor: Paul Kish, Direktor für Systeme und Standards bei Belden
Über den Autor:
Paul Kish, Direktor für Systeme und Standards bei Belden, hat maßgeblich zur Entwicklung der Kabelstandards von TIA, ISO und IEEE beigetragen und ist außerdem Mitglied des BICSI Technical Information and Methods Committee.
