Die informationstechnische Vernetzung von Unternehmens-, Leit- und Feldebene setzt die sichere und stabile Übertragung hoher Datenraten voraus. Lichtwellenleiter sind hierfür ideal ge­eignet. Die bei dieser Übertragungstechnik eingesetzten Komponenten – wie konfektionierte Steckverbinder oder Patchkabel – werden üblicherweise in der Produktion oder im Labor mittels Dämpfungs-Messgeräten überprüft. Die ermittelten Werte werden den Artikeln beigefügt, um dem Endanwender die Qualität zu dokumentieren. So weit, so gut. Werden diese Komponenten nun im Feld verlegt und anschließend erneut gemessen, ergeben sich allerdings häufig andere Messwerte als die dokumentierten Werte des Herstellers. Nicht selten weichen die Werte sogar um mehr als 50 % von den dokumentierten Werten ab!
Ursache für diese Diskrepanz ist, dass zur Messung der Einfügedämpfung (IL = Insertion Loss) von LWL-Komponenten zahlreiche Methoden existieren. Wollen Hersteller und Anwender die Ergebnisabweichung für Multimode-Komponenten minimieren, sind also identische Einkoppel-Bedingungen während der Messung zu beachten. Hierdurch lässt sich die Messunsicherheit auf bis zu 10 % reduzieren.
Zunächst sollte sowohl für das Sendegerät – also die Lichtquelle – als auch für den Empfänger garantiert sein, dass diese gültige Kalibrierzertifikate aufweisen und einen zuverlässigen und stabilen Messvorgang erlauben. Damit sich Sender und Empfänger verstehen, muss die richtige Wellenlänge eingestellt und auf das übrige Mess-Equipment sowie auf die zu prüfenden LWL-Komponenten abgestimmt sein. Definierte Messkabel und -kupplungen ermöglichen schließlich zuverlässige und reproduzierbare Mess-Ergebnisse. Voraussetzung hierfür ist unter anderem der Einsatz hochwertiger Messkabel, die über Referenzsteckverbinder verfügen, welche mit geringen Toleranzen für Geometrien und Ferrulen-Maße gefertigt wurden. Als Messkupplungen eignen sich Kupplungen mit einer eng tolerierten Keramikführungshülse.

Vor dem Anschluss der Messkabel an die Prüflinge ist unbedingt zu kontrollieren, ob die Stirnflächen der Steckver­binder sauber und unbeschädigt sind. ­Gerade beschädigte oder verschmutzte Stirnoberflächen können zu Folgeverschmutzungen, Folgeschädigungen und sogar zum Ausfall der LWL-Komponenten führen. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Steckverbinder der Messkabel sowie die Steckverbinder der zu messenden LWL-Komponenten zu inspizieren und gegebenenfalls zu reinigen. Die Steckverbinder dürfen erst gesteckt werden, wenn alle Steckverbinder und Messkupplungen überprüft, sauber und unbeschädigt sind. Beschrieben ist die visuelle Inspektion von LWL-Steckverbindern in der Norm DIN EN 61300-3-35.

Halbleiter-Laser als neuer Standard

Sind die zuvor beschriebenen Voraussetzungen erfüllt, können bei Multimode-Komponenten noch immer große Abweichungen der gemessenen Einfügedämpfungswerte auftreten. Diese Abwei­chungen kommen durch unterschiedliche Messgeräte zustande, da im Feld in aller Regel andere Messgeräte verwendet werden als in der Fertigung oder im Labor. Die entsprechenden Sender verfügen daher über unterschiedliche Lichtquellen, die wiederum unterschiedliche Lichtverhältnisse produzieren. Gerade bei Multimode-Messungen an Quarzglas-Lichtwellenleitern G50/125µm und G62,5/125 µm wirken sich diese unterschiedlichen Lichtverhältnisse in den Mess-Ergebnissen der Einfügedämpfung aus. Wichtige Einflussgrößen sind hier Lichtmenge und Modenverteilung – sie unterscheiden sich je nach der Art der ver­wendeten Lichtquelle.

Wickeldorne eliminieren die Moden höherer Ordnung bei Multimode-Messungen.

© Phoenix Contact

In den Anfangsjahren der LWL-Messtechnik wurde mittels Licht-emittierender Dioden (LED) Licht in den Multimode-Lichtwellenleiter eingekoppelt. Heute kommen überwiegend Oberflächen-emittierende Halbleiter-Laser (VCSEL = vertical-cavity surface-emitting laser) zur Messung von Quarzglas-Multimode-Fasern G50/125 µm zum Einsatz – zum Beispiel in den Kategorien OM3 und OM4. Während LED-Lichtquellen einen breiten Lichtstrahl bei überfüllter Anregung erzeugen, geht von Laser-Lichtquellen ein schlanker gerichteter Lichtstrahl bei unterfüllter Anregung aus. Von unterfüllter Anregung spricht man, wenn das Licht stark auf die Mitte des Glaskerns konzentriert ist. Das Licht wird dabei in wenige Moden niedriger Ordnung eingebracht. Bei überfüllter Anregung wird das Licht hingegen in Moden hoher Ordnung zum Glasmantel hin eingebracht.

In den zurückliegenden Jahren wurden unterschiedliche Methoden zur Definition der Lichtverteilung beschrieben und als Multimode-Anregungsbedingungen in Normen festgelegt. Da sich in Multimode-Fasern das Licht in unterschiedlichen Moden ausbreitet, kommt der Eliminierung der unstabilen Moden höherer Ordnung eine besondere Bedeutung für reproduzierbare Mess-Ergebnisse zu. Eine vergleichsweise einfache technische Lösung bieten sogenannte Glasfaser-Wickeldorne.

Das Wirkprinzip der Wickeldorne beruht auf der unterschiedlichen Streuung der Lichtmoden. Während sich die Moden niedriger Ordnung stabil längs entlang des Glasfaserkerns ausbreiten, streuen die Moden höherer Ordnung vor allem bei stark gekrümmten Lichtwellenleitern. Diese Krümmung wird mittels Wickeldorn erreicht. Die umhüllte oder ummantelte Multimode-Glasfaser wird mehrfach um eine solche Spindel mit einem definierten Durchmesser gewunden. Da der Wickeldurchmesser in Abhängigkeit der gewählten Norm für die gleiche Faserstärke unterschiedlich vorgegeben ist, können aber noch immer unterschied­liche Lichtverhältnisse an der Einkoppelstelle der zu messenden LWL-Komponente (DUT = Device under Test) auftreten. Somit ist die tatsächliche Anregung an der Einkoppelstelle unbekannt.

Neue Spezifikation für die Lichtverteilung

Beispiel einer EF-Schablone für eine G50/125µm-Faser bei 850 nm (Quelle: DIN ISO/IEC 14763-3 Anhang A): Der eingeschlossene Strahlungsfluss stellt die Verteilung der Licht­leistung über den Radius der Faser dar.

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Um auch diese Unsicherheit zu eliminieren, haben die Experten der internationalen Normungsgremien die Bedingungen für die Lichtverteilung an der Einkoppelstelle neu definiert. Ergebnis ist der ‚eingeschlossene Strahlungsfluss‘ (EF = Encircled Flux). Die Standardisierung fordert diese Anregungsbedingung nicht an der Einkoppelstelle vom Sender in das Sendekabel, sondern an der Einkoppelstelle zur geprüften LWL-Komponente – also am Ausgang des Sendekabels. Somit wird diese spezifizierte Anregungsbedingung direkt in die zu messende LWL-Komponente eingespeist. Die Spezifikationen sind im Standard DINEN61280-4-1 beschrieben und legen die Anregungsbedingungen im Wesentlichen für die Multimode-Fasern G50/125µm und G62,5/125µm bei den Wellenlängen 850 nm und 1300 nm fest. Der eingeschlossene Strahlungsfluss lässt sich durch Anschluss eines Mode-Controllers oder eines sogenannten ‚Encircled Flux Mode Conditioners‘ erzeugen und durch eine Nahfeldmessung mit einem geeigneten Nahfeldmessgerät überprüfen.

Aus der Vielzahl der Methoden zur Messung der Einfügedämpfung an LWL-Komponenten haben sich einige über die Jahre bewährt – und kommen entsprechend in der Praxis zum Einsatz.

Die Methoden in der Praxis

Lichtquellen im Vergleich: ­Üblicherweise über­füllen LED-Licht­quellen die Faser, während Laser die Faser signifikant unterfüllen – VCSEL-gängige Multimode-Transceiver unterfüllen die Faser nicht so stark wie Laser-Lichtquellen. (VCSEL = vertical-cavity surface-­emitting laser)

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Als Messmethoden im Labor und in Fertigungsstätten sind die ­Verfahren nach DINEN61300-3-4 ‚Einfügungsverfahren (C3) für Patchcords‘ und nach DINEN61300-3-4 ‚Einfügungsverfahren (C2) für Steckverbinder‘ etabliert. Die Normen beschreiben die verschiedenen Verfahren zur Messung der Dämpfung von Lichtwellenleiter-Bauteilen. Für Messungen im Feld wird zumeist die DINISO/IEC14763-3 herangezogen. Diese beschreibt Messmittel und Verfahren für die Sichtprüfung und Messung von Lichtwellenleiter-Verkabelungen, die nach ISO/IEC11801 beziehungsweise DIN EN 50173 oder vergleichbaren Normen ausgelegt sind.

Auf den Punkt gebracht: Messungen mit unterschiedlichen Messgeräten, aber gleichem normativen Aufbau, erzeugen Mess-Abweichungen, die durch unterschiedliche Einkopplungsbedingungen hervorgerufen werden. Her­steller von LWL-Komponenten sowie Messtechniker im Feld müssen daher die Voraussetzungen berücksichtigen, die für die Durchführung der Mess­technik und für den normativen Aufbau gelten. So lassen sich Mess-Unsicherheiten minimieren, reproduzierbare ­Ergebnisse erzielen und eine gleich­bleibende Qualität der LWL-Anschlusskomponenten im Feldeinsatz sicher­stellen.

Autor:
Frank Kölske ist Entwicklungsingenieur im Bereich Field Device Connectors bei Phoenix Contact.