Ein Blick hinter die Lichtwellenleiter-Technologie
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LWL Technik: Ein Streifzug durch Theorie und Praxis Hermann Christen, Market Development Wetzikon, Mai 2014 Agenda zum Aufwärmen ein kleiner Rückblick in die optische Datenübertragung LWL Übertragung 'Performance'-Parameter wie beeinflussen sie die Datenübertragungsperformance was muss ich bei der Installation und im Betrieb berücksichtigen LWL Datenübertragungskanal Elemente wo wirken welche Ü-Parameter Schlussfolgerung & Empfehlungen LWL Technik Seite 2 zum Aufwärmen ein Rückblick in die optische Datenübertragung optische Signale zur Datenübermittlung: Handzeichen, Rauchzeichen Signalfeuer, Leuchtturm Flaggen, Morsen mit Leuchtlampen Voraussetzungen zur Funktion Sichtverbindung vereinbarter Code, um die Signale zu verstehen Grenzen der Datenübertragung Distanz Sichthemmnisse Geschwindigkeit der Codierung / Decodierung LWL Technik Seite 3 Konklusion Das Augenmerk der optischen Übertragung in der historischen Betrachtung konzentriert sich auf die Optimierung der Sichtverbindung. Das Augenmerk der optischen Übertragung in der modernen Datenübermittlungstechnik konzentriert sich ebenfalls auf die Optimierung der Sichtverbindung vom Sender zum Empfänger. Um Optimieren zu können, muss man die 'begrenzenden' Einflüsse kennen und entsprechend berücksichtigen LWL Technik Seite 4 LWL Technik Totalreflexion elektromagnetische Strahlung Gamma Röntgen UV Infrarot Mikrowelle Rundfunk [www.wikipedia] sichtbarer Bereich des elektormagnetischen Strahlungsbandes LWL Technik Seite 6 elektromagnetische Strahlung Gamma Röntgen UV Infrarot Mikrowelle Rundfunk nicht sichtbarer IR Bereich 700 – 2200nm [www.wikipedia] sichtbarer Bereich des elektormagnetischen Strahlungsbandes LWL Technik Seite 7 Lichtbrechung Beim Durchgang von einem optischen Medium in ein zweites optisches Medium mit anderer Dichte (z. B. Luft Wasser) wird das Licht gebremst und erfährt eine Ablenkung. Diese Ablenkung heisst Lichtbrechung. Das Ausmass der Brechung ist abhängig von der Wellenlänge (d.h. rotes Licht bricht anders als blaues Licht) und dem Dichteunterschied der beiden optischen Medien. LWL Technik Seite 9 Totalreflexion Unterschreitet der Einfallswinkel des Lichtes an der Grenzschicht der beiden optischen Medien eine bestimmte Grösse, dann wird es komplett reflektiert. Dieser Effekt heisst Totalreflexion. LWL Technik Seite 10 Totalreflexion in der optischen Faser LWL LWL Technik Seite 11 LWL Basiswissen Die wichtigsten Begriffe numerische Apertur bestimmt die Energie, welche in eine Faser eingestrahlt werden kann: je höher der Winkel, desto höher die einstrahlbare Energie Dämpfung beschreibt den Leistungsverlust entlang der Übertragungsstrecke Dispersion beschreibt die Signalverbreiterung entlang der Übertragungsstrecke LWL Technik Seite 13 LWL Basiswissen numerische Apertur Numerische Apertur Die numerische Apertur ist eine errechenbare Grösse welche definiert, mit welchem maximalen Einkoppelungswinkel ein Lichtstrahl in die Faser eingespeist werden muss, damit dieser in der Faser noch weiter geleitet wird. Die Numerische Apertur kann mit der Formel NA = (n22 – n21) = sin Standard SI-POF = NA 0.5 → 30° Low NA SI-POF = NA 0.3 → 17.5° berechnet werden. LWL Technik Seite 15 Licht einkoppeln 2w0 2 LWL Technik Seite 16 Licht einkoppeln in Faser Light rays outside acceptance angle leak out of core LWL Technik Seite 17 LWL Basiswissen Dämpfungsverluste Dämpfung Dämpfung ist die Abnahme der optischen Signalleistung Biegung Faser Verbindung Pin Pout Powerbudget max. Emission Dedektionsschwelle Verursacht durch Absorbierung, Streuung oder einer Koppelstelle. Angaben in Dezibel (dB) LWL Technik Seite 19 Dämpfungen werden generiert durch… Faser (Material) Absorption Streuung Kann nicht durch Installateur beeinflusst werden Verbindung (Faserende zu Faserende) intrinsisch extrinsisch Biegung (Faser und Kabel) Mikro-Krümmung Makro-Biegung LWL Technik Seite 20 Material-Absorption und Rayleigh Streuung n1 (cladding) Material-Absorption n 3 bis 5 % der Dämpfung Ursache Umwandlung in andere Energieform bei Durchgang Materie 0 (Kern) n1 (cladding) Rayleigh Streuung n 96 % der Dämpfung Ursache Dichtefluktuation in Faser Partikelgrösse (Atoms) in Abhängigkeit von Wellenlänge 0 (Kern) LWL Technik Seite 22 Dämpfung in Abhängigkeit der Wellenlänge Dämpfung [dB/km] 3.5 3. Fenster 2. Fenster 1. Fenster 5. Fenster Rayleigh-Streuung (~ 1/l4) 4. Fenster SiOH-Absorptionen 2.5 1.5 800 1000 950 1200 1240 1400 1440 LWL Technik 1600 Wellenlänge [nm] Seite 23 Zusammenfassung Dämpfungen interne (Physik der Faser) • Absorption • Streuung • Koppeln von Fasern mit verschiedenen • Kerndurchmessern • numerischen Aperturen • Brechungsindexprofilen (mehr dazu später) externe (mechanische Einflüsse) • schlechte Kopplung von Fasern • Versatz / axiales Kippen • Faserabstand / Schliff • Verschmutzte Stecker • mechanische Belastungen • Temperatur • Querdruck • Biegung LWL Technik Seite 24 LWL Basiswissen Dispersion Dispersion Die Dispersion beschreibt die Singalverbreiterung und – abflachung. Je länger die Übertragungsstrecke, desto grösser die Dispersion. Ist die Dispersion zu hoch, kann der Empfänger die Signale nicht mehr unterscheiden. Dispersion wird durch drei Effekte erzeugt: Modendispersion chromatische Dispersion Polarisationsmoden Dispersion nur für WAN relevant LWL Technik Seite 26 Moden Vereinfachung: Mode = in der Faser geführter Lichtstrahl Die Anzahl Moden ist abhängig von der NA, dem Faserdurchmesser und der Wellenlänge. Anzahl Moden M = 0.25x(pxdxNA/l)2 Jeder Mode hat seinen individuellen "Weg" durch die Glasfaser Modendispersion. LWL Technik Seite 27 Modendispersion Beim Einkoppeln von Licht in eine Faser werden Lichtstrahlen weiter geleitet, welche mit unterschiedlichen Einkoppelungswinkeln eingetreten sind. cladding grün = kürzeste Strecke limit core rot = längste Strecke LWL Technik Seite 28 Chromatische Dispersion Eine Lichtquelle emittiert in der Regel polychromatisches Licht, also ein Gemisch aus verschiedenen Lichtwellenlängen, die wir, z.B. bei Tageslicht oder bei Stubenlampen als 'weiss' wahrnehmen. Wir wissen, dass die Anzahl Moden und des Grenzwinkels u.a. von der Wellenlänge des Lichtes abhängig ist damit generieren Moden, die das Signal zusätzlich verbreitern. Dabei gilt: LED schlechter als VCSEL schlechter als Laser LWL Technik Seite 29 Dipsersion, Effekt allgemeien Eingangssignal Ausgangssignal nach Lx L1 L2 + L2 L1 + L2 + L3 LWL Technik Seite 30 Bandbreiten-Längenprodukt Die Dispersion bei einer bestimmten Wellenlänge wird als Bandbreiten-Längenprodukt angegeben (z.B. 850 nm; 1200MHz/km). Das bedeutet, dass nach 1 km Faserlänge die einzelnen Signale so ineinander geflossen sind, dass sie nicht mehr auseinander zu halten sind. Mit der oben genannten Faser können Sie 1200 MHz über 1000m, resp. 600 MHz über 2 km, resp. 2400 MHz über 500 problemlos übertragen. LWL Technik Seite 31 Zusammenfassung "LWL Basiswissen" Bezeichnung Auswirkung Begrenzung Dämpfung Leistungsverluste entlang der LWL-Strecke Übertragungsdistanz 2 Dispersion Pulsverbreiterung und Signalabschwächung SignalBandbreite & Übertragunsdistanz 3 Numerische Apertur (NA) [-] Einkoppelverluste LED/Laser Faser Faser Faser Faser z.B. APD* Einkoppelbare Leistung 1 * Avalanche Photodiode LWL Technik Seite 32 LWL Übertragungskanal LWL Technik Seite 33 LWL Übertragungskanal Element Aufgabe massgeblicher Störeffekt Patchcord Verbindungskabel, beidseitig konfektioniert Dämpfung zentriert und hält die Faser, verschnappt mit der Kupplung Dämpfung Kupplung führt zwei Stecker zentrisch; Gegenstück zu Schnappmechanismus des Steckers Dämpfung Installationskabel leitet die Daten Modendispersion Stecker LWL Technik Seite 34 Reduzieren der Einflussgrössen Faseraufbau Aufbau einer optischen Faser Ø xx µm αin αout Reflektion n2 (Mantel) n1 (Kern) LWL Technik Ø yy µm PrimärSchutz Seite 36 Fasertypen PMMA Polimetilmetalcrilate HCSF (PCF) Hard Clad Silica Fiber GOF Glass Optical Fiber LWL Technik Seite 37 Aufbau des LWL Kernes Stufenindex Kern = Konstant brechender Index Multi-Stufenindex Gradientenindex Kern= Mehrerschichten mit ungleichen Brechungsindexen Kern = parabolischer Index LWL Technik Seite 38 Moden Dispersion bei Multimodefasern einschränken = Gradientenindex Profil • grösste optische Dichte in der Mitte der Faser = "Bremse" • optische Dichte im Faserkern nimmt mit zunehmenden Abstand zum Zentrum ab = "Autobahn" • Zeitunterschied zwischen langsamen und schnellen Moden ist minimiert cladding V2>V1 parabolischer Index “geringere” Laufzeitunterschiede → höhere BandbreitexLänge limit core z.B. MM 50/125; 62.5/125 LWL Technik Seite 39 "Randmoden" Gerade im Betrieb mit LED's entstehen Moden, welche sich auch im Mantelglas fort bewegen. Diese verlieren sich jedoch auf der Strecke oder bei FaserFaserkontaktstellen (abstreifen). LWL Technik Seite 40 Beherrschen der Einflussgrössen Installation und Handling Fehler beim Installieren Die gute Nachrichten zuerst: LWL Kabel und LWL Assemblies sind betreffend Handling sehr 'gutmütig'. Fehler wirken sich in der Regel nicht auf die Übertragungsperformance aus… messbare Fehler entstehen in der Regel bei Faser-FaserKontaktstellen (Stecker / Spleisse) LWL Technik Seite 42 Dämpfungen durch Koppelfehler (Verbinden von Fasern durch Steckung oder Spleiss) Versatz (nur bei Spleissen) Luftspalt nicht-axiale Steckung LWL Technik Seite 43 Dämpfungen durch Koppelfehler (Verbinden von Fasern durch Steckung oder Spleiss) Unterschiede in Faserparameter Kerndurchmesser Numerische Apertur Brechungsindex-Profile LWL Technik Seite 44 Elemente LWL Übertragungskanal Störeffekte Element wirksamer Effekt Effekt mindern Patchcord Dämpfung • Biegeradien • Querdruck Stecker / Kupplung Dämpfung, Reflektion • Reinigung Stecker und Kupplung • nur fasergleiche Komponenten benutzen Installationskabel Dämpfung, Moden DISPERSION • Biegeradien • Querdruck LWL Technik Seite 45 Dämpfungserhöhung Dämpfungserhöhungen im Datenkanal lassen sich meistens auf nicht gereinigte Steckeroberflächen zurück führen beide Stecker reinigen, dann stecken Auch wenn zu eng verlegte Installationskabel oder Patch Cords in der Regel bei Wellenlängen bis 1310nm nicht mit messbaren Dämpfungserhöhungen reagieren… wegen Lebensdauer Biegeradien trotzdem einhalten LWL Technik Seite 46 Dämpfungen durch Handlingsfehler Oberflächenrauhheit/ Verschmutzung n0 (K er n) n1 (c la dd in g) Mikrokrümmungen bei Faserherstellung durch Querdruckbelastung Makrokrümmungen Installation Tieftemperatur *) LWL Technik Seite 47 Empfehlungen Faser Grundsätzlich deckt die Singlemodefaser alle Bedürfnisse ab! Weitere Fasern wären nicht notwendig. Die Gründe, warum trotzdem verschiedene Fasertypen zum Einsatz kommen sind: Kosten Steckkomponenten Aktivkomponenten Unterhalt LWL Technik Seite 49 Typische Einsatzgebiete der Fasertypen Fasertyp Stärke Schwächen Applikation SM 9 m • • • Empfindlichkeit bei langen Wellenlängen Kosten Equipment • • WAN Campus BxL Produkt Dämpfung • MM 50 m • Dämpfung • max. 500m / 10 G • • • Campus Steigzone Kommunikation im Feld PCF 200 m • Feldmontage Equipment • max. 200m (1G) • • • Maschinen Backbone Maschinensignale Kommunikation im Feld Feldmontage Equipment • max. 70m (1 G) • • Maschinensignale Home Verkabelung • POF 1000 m • • LWL Technik Seite 50 Backbone Stecker Automation IEC SC E-2000 ST FC LC MT-RJ MPO 61754-4 61754-15 61754-2 61754-13 61754-20 61754-18 61754-7 Anzahl Fasern 1 2 12 -24 Ferrulenmaterial Keramik Kunststoff Führung Hülse Pin Ferrulen Ø Verschluss 1.25 mm 2.5 mm pushpull Hebel Bajonett Verschr aubt Hebel LWL Technik na Hebel pushpull Seite 51 Zusammenfassung Technik Zwei wesentliche Parameter, welche die Übertragungseigenschaft beeinflussen Dämpfung (Verbindungen, abhängig von Wellenlänge) Modendispersion (Installationskabel, abhängig von Wellenlänge) Modendispersion kann nur auf Kosten erhöhter Dämpfung beeinflusst werden Dämpfung durch Verschmutzung Stecker/Kupplung mechanische Einflüsse (Biegung, Druck, Versatz, Fasermischung) LWL Technik Seite 52 Zusammenfassung Produkte Für Gebäudeverkabelung (Büro, Fabrikhalle, Backbone, Automationsverkabelung) genügt die 50 m Faser vollauf. Im Betrieb wenig belastete Netzwerke (Vibration, Handling): LC Verbinder (1.25mm Ferrule) Im Betrieb belastete Netzwerke SC Verbinder (2,5mm Ferrule) Belastungen Temperatur / Feuchte / Gase kein Unterschied zwischen LC und SC. LWL Technik Seite 53 Fragen? Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
