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Glasfaseroptik

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Optische Kommunikationen haben die Telekommunikationsbranche dramatisch verändert und sind aufgrund einer Reihe von Vorteilen gegenüber Kupferkabeln zur am besten geeigneten Wahl für den Aufbau von Breitband-Internet oder für den Aufbau anspruchsvollerer Datennetze geworden:

  • Optische Kabel haben eine viel größere Bandbreite als Kupferkabel (d. h. es ist eine viel höhere Übertragungsrate möglich, sogar mehr als 10 GB/s).
  • Aufgrund geringerer Verluste sind längere Übertragungsstrecken möglich (z. B. die längste empfohlene Entfernung für Kupferleitungen beträgt 100 m, während Lichtwellenleiter bei einer Länge von 40 km und mehr eine Übertragung von mehr als 10 GB/s erreichen können).
  • Optische Netzwerke reduzieren die Probleme aufgrund der Zeitverzögerung des Signals im Vergleich zum kabelgebundenen Internet.
  • Optische Kabel sind widerstandsfähig gegen elektromagnetische Störungen und eignen sich daher für Umgebungen mit starkem elektrischem Rauschen. Sie eignen sich auch für die Kommunikation mit Geräten in einem gepanzerten Raum, wo während der EMV-Prüfung ein starkes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Außerdem stören Lichtsignale von einer Faser nicht die Kommunikation in anderen Fasern innerhalb desselben optischen Kabels.
  • Optische Fasern sind im Vergleich zu Kupferdrähten kleiner und leichter (z. B. 30-mal kleinerer Querschnitt im Vergleich zu Kupferleitern), sodass mehr optische Fasern in ein optisches Kabel mit einem gegebenen Durchmesser gesteckt werden können.
  • Lichtwellenleiter haben in der Regel eine längere Lebensdauer (sogar mehr als 100 Jahre).
  • Optische Kabel sind sicherer, da sie keine elektromagnetischen Signale aussenden, sodass die Übertragung nicht abgehört werden kann, während jeder Versuch, das Glaskabel zu durchdringen, ein „Lichtleck“ verursacht, was zu einer merklichen Verschlechterung der Kommunikationsqualität führt, die leicht zu erkennen ist. Die optische Kommunikation ermöglicht auch längere Übertragungsdistanzen, sodass es möglich ist, Hardware und Elektronik an einem zentralen Ort zu installieren, im Gegensatz zu Systemen, die auf Kupferleitern basieren, wo Geräte an mehreren Orten installiert werden müssen.
  • Glasfasern sind billiger als Kupferdrähte, weil sie aus Siliciumdioxid (d. h. SiO2) gemacht werden, was ein sehr verbreitetes Material ist.
  • Optische Fasern haben eine hohe Zugfestigkeit, sind flexibel, biegen sich leicht und sind beständig gegen die meisten korrosiven Materialien.

Trotz der Vorteile gegenüber Kupferleitern haben Lichtwellenleiter auch einige Nachteile:

  • Glasfasern sind im Vergleich zu Kupferleitern zerbrechlicher und anfälliger für Beschädigungen. Die Fasern dürfen nicht verdreht oder zu stark gebogen werden.
  • Glasfasern sind schwierig zu verbinden.
  • Glasfaserkabel sind teurer in der Installation, da sie von Fachleuten installiert werden müssen.
  • Fasern sind weniger robust als Kupferdrähte.
  • Glasfaserkabel sind klein und kompakt, wodurch sie bei Montage- oder Bauarbeiten leichter brechen oder beschädigt werden können.

Im Allgemeinen gibt es drei Arten von optischen Kabeln:

  • Monomodefasern haben einen kleineren Kerndurchmesser (9 mm) und lassen Licht mit nur einer Wellenlänge ausbreiten. Dadurch wird die Lichtreflexion erheblich reduziert und die Dämpfung verringert. Monomodefasern sind im Allgemeinen etwas teurer als Multimodefasern. Sie werden häufig in Fernkommunikationsnetzen verwendet.
  • Multimodefasern haben einen größeren Kerndurchmesser als Monomodefasern, was mehr Wege und mehr Wellenlängen für die Lichtübertragung ermöglicht. Multimodefasern sind in Durchmessern von 50 μm und 62,5 μm erhältlich und werden typischerweise für Kurzstreckenkommunikation verwendet. Je nach Änderung des Brechungsindex im Faserkern werden sie in Step-Index-Multimode-Faser und Graded-Index-Multimode-Faser unterteilt.
  • Kunststoff-Lichtwellenleiter sind großkernige Lichtwellenleiter mit stufenweiser Brechungsindexänderung im Faserkern und einem typischen Faserdurchmesser von 1 mm. Der größere Durchmesser erleichtert das Einfangen größerer Lichtmengen von Quellen und Anschlüssen. Kunststofffaserverbinder erfordern keine hohe Präzision, daher sind sie billiger, haltbarer und einfacher zu installieren. Kunststoff-Lichtwellenleiter werden für Anwendungen empfohlen, die keine große Bandbreite über große Entfernungen erfordern.

Wellenlängen in der optischen Kommunikation reichen typischerweise von 800 nm bis 1600 nm, aber die gebräuchlichsten Wellenlängen sind 850 nm, 1300 nm und 1550 nm. Multimodefasern arbeiten typischerweise bei 850 nm und 1300 nm, d. h. bei kurzen Wellenlängen, während Monomodefasern für 1550 nm und 1310 nm (seltener) optimiert sind, d. h. für lange Wellenlänge. Neben unterschiedlichen Wellenlängen begegnen uns bei Lichtwellenleiter auch verschiedenste Steckverbinder. Die gebräuchlichsten sind Bionic Steckverbinder (veraltet), Standard SC Steckverbinder, Ferrule Core FC Steckverbinder, ST Steckverbinder, SMA Steckverbinder, Lucent Steckverbinder LC, Plastic Fiber Optic Cable Steckverbinder, Enterprise Systems Connection Steckverbinder ESCON, Fiber Distributed Data Interface Steckverbinder FDDI, Opti- Jack Steckverbinder, LX-5-Steckverbinder, Volition-Steckverbinder, MT-RJ-Steckverbinder, MU-Steckverbinder, MT-Steckverbinder und E2000-Steckverbinder. Steckverbinder sind auch mit unterschiedlich polierten Oberflächen erhältlich, was die Rückflussverluste des Steckverbinders (d. h. die Rückreflexion von Licht) beeinflusst. Die Steckverbinder sind als UPC-Steckverbinder erhältlich, engl. Ultra Physical Contact, die blau gefärbt sind oder APC-Steckverbinder, engl. Angled Physical Contact/Angled Polish Connector, die grün gefärbt sind. Letztere haben die Oberfläche des Kerns in einem Winkel von 8° geschnitten, was die optischen Rückflussverluste reduziert. Die UPC- und APC-Steckverbinder sind aufgrund des unterschiedlichen Winkels der Kernoberfläche nicht austauschbar, daher müssen die Steckverbinder vor dem Anschluss gründlich überprüft werden.

Die Metrologie im Bereich der Lichtwellenleiter ähnelt der Metrologie im Bereich RF&MW. Licht wird von einer optischen Laserquelle erzeugt, und die wichtigsten Parameter dafür sind die Wellenlänge, die optische Leistung und die Linearität. Dies ist sehr ähnlich zu Funktions- und Signalgeneratoren im HF&MW-Bereich, wo die Hauptparameter Frequenz und erzeugte Leistung (Spannung) sind. Licht wird durch optische Fasern, optische Verteiler und optische Dämpfungsglieder übertragen, die als elektrische Kabel, Leistungsverteiler und Dämpfungsglieder im HF&MW-Bereich fungieren; in beiden Fällen ist die Dämpfung der wichtigste Parameter. Die optische Leistung wird mit einem optischen Leistungsmesser gemessen, ähnlich wie bei Mikrowellen-Leistungsabnehmer im RF&MW-Bereich. Das optische Netzwerk kann mit einem optischen Impulsreflektometer OTDR (engl. optical time domain reflectometer) diagnostiziert werden, das eine ähnliche Funktion wie ein Vektornetzwerkanalysator VNA (engl. vector network analyzer) hat. Nicht zuletzt sollte besonderes Augenmerk auf die unterschiedlichen Steckverbinder-Typen (insbesondere bei UPC- und APC-Steckverbindern) und die Sauberkeit der Kontakte gelegt werden. Andererseits sollte im RF&MW-Bereich besonderes Augenmerk auf die Tiefe der Steckverbinder-Pins gelegt werden, sowie auf unterschiedliche Steckverbinder (z. B. N-Typ-Steckverbinder für 50 Ω und für 75 Ω sehen sehr ähnlich aus, aber die Pins haben andere Maße).

Bei SIQ kalibrieren wir optische Laserquellen, optische Leistungsmesser, optische Fasern, optische Dämpfungsglieder und optische OTDR-Reflektometer. Die Kalibrierung ist an Messgeräten möglich, die bei einer Wellenlänge von 1310 nm und 1550 ns arbeiten und auf einheitlichen 9 μm-Lichtwellenleitern mit FC/PC- oder SC/PC-Steckverbindern basieren.

Kalibrierung von Messgeräten auf SIQ

Optische Laserquelle

Der wichtigste Parameter bei der Kalibrierung einer Laserquelle ist die absolute Höhe der optischen Leistung, die mit einem optischen Referenzleistungsmesser auf verschiedenen Ebenen (Linearität) gemessen werden kann. Die optische Leistung kann im Bereich von 0 dBm bis -90 dBm gemessen werden.

Optische Leistungsmesser

Die absolute Genauigkeit der optischen Leistungsmesser wird durch ein Vergleichsverfahren unter Verwendung eines optischen Referenzleistungsmessers kalibriert. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Linearität der optischen Leistungsniveaumessung, die mit einem optischen Referenzabschwächer kalibriert wird. Die Genauigkeit der optischen Leistungsmessung (Linearität) kann im Bereich zwischen 0 dBm und -90 dBm erfolgen.

Optische Dämpfungsglieder und optische Fasern

Der zu kalibrierende Hauptparameter ist die Faserdämpfung oder Dämpfungsglied-Dämpfung und die (inkrementelle und schrittweise) Dämpfung optischer Stufendämpfungsglieder. Die Dämpfung kann im Bereich von 0 dB bis 90 dB nach der Vergleichsmethode (Unsicherheiten von 0,15 dB bis 0,17 dB) oder nach der Methode basierend auf einem optischen stufenweisen Referenzdämpfungsglied im Bereich von -1,4 dB bis -60 dB (Unsicherheit 0,06 dB) gemessen werden. Auch die optische Länge eines Lichtwellenleiters kann kalibriert werden, wenn sein Brechungsindex bekannt ist (es können Faserlängen von 0,1 km bis 100 km kalibriert werden).

Optische Reflektometer im Zeitraum (OTDR)

OTDR ist ein Instrument, das die Entfernung zu bestimmten Ereignissen messen kann (z. B. zu Steckern, Verbindungen oder Fehlern), aber es kann auch die Dämpfung in Glasfasern messen. Dazu sendet er einen Laserlichtimpuls in die optische Faser und misst dann in regelmäßigen Abständen das von der Faser zurückgestreute Signal. Lichtstreuung kann Rayleigh-Streuung an Mikropartikeln in Lichtwellenleitern oder Fresnel-Reflexion am Kontakt verschiedener Materialien im Weg des Lichtimpulses (Steckverbinder, Verbindungsstellen usw.) sein. Mit Kenntnis des Brechungsindex der Faser und basierend auf dem Empfangszeitpunkt des reflektierten Signals kann auch die Entfernung zum beobachteten Ereignis berechnet werden. Das Niveau des empfangenen Signals ist proportional zur Dämpfung der Faser, sodass OTDR auch die Dämpfung der Faser messen kann. Typische Parameter, die kalibriert werden, sind:

  • Verluste im Bereich A, ΔSA (typischer Wert für Lichtwellenleiter ist ±3 dB pro km, Kalibrierung im Bereich von 0 km bis 35 km möglich)
  • Anfangsdistanz-Offsetfehler, ΔL0, der Distanzwert wird auf dem OTDR-Anschluss angezeigt (idealerweise sollte Distanz 0 angezeigt werden)
  • Entfernungsanzeigefehler, ΔSL, ist ein Fehler des Entfernungsgradient (kann in Entfernungen von 5 km bis 35 km gemessen werden)
  • Kalibrierung der Dämpfungsskala (Die Kalibrierung der Dämpfungsskala wird verwendet, um die Genauigkeit der SA-OTDR-Verlustmessung für das Leistungsniveau F im OTDR-Rückstreumodus zu bestimmen)
  • Ereignistotzone (Ereignistotzone wird normalerweise für 1 μs breite Impulse und -35 dB Reflexion angegeben, sofern in den Spezifikationen nicht anders angegeben)
  • Dämpfungstotzone (Dämpfungstotzone, eng. attenuation deadzone, wird als die Differenz zwischen dem Beginn der Lichtreflexion bis zu dem Punkt, an dem das Signal zur Spur der Rückstreuung zurückkehrt, definiert)
  • Dynamikbereich (Der Dynamikbereich gibt die Fähigkeit des OTDR an, lange Fasern und damit kleine Rückstreusignale zu messen. Er wird als Differenz zwischen dem extrapolierten Beginn der Spur der Rückstreuung und dem Geräuschniveau ermittelt. Die Dynamikspanne wird in dB für Faserdämpfung in einer Richtung ausgedrückt.)

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