Encircled Flux als Multimode-Dämpfungsmessung
Zuverlässige Fasermessung
Der Bedarf nach höherer Bandbreite steigt kontinuierlich: IP-basierende Dienste wie Sprache, Video und Daten verlangen zunehmend nach 40 und 100 Gigabit Ethernet oder Infiniband. Diese lassen sich aber nur mit einem immer enger werdenden optischen Dämpfungsbudget der Faser realisieren. Daher sind hochpräzise Messungen und Reproduzierbarkeit von Ergebnissen heute wichtiger denn je.Wollen Unternehmen Messunsicherheiten erfolgreich minimieren, müssen sie auf die strikte Einhaltung der Einkoppelbedingungen achten. Im Fall von Multimode-Fasern ist die Encircled-Flux-Metrik von Bedeutung: Sie liefert zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse bei Multimode-Dämpfungsmessungen und senkt die Messunsicherheit entscheidend. Höhere Bandbreiten, schnelleres Internet - die Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeiten in Glasfasernetzen steigen konstant. Zugleich werden die Dämpfungsbudgets immer geringer. Dabei sind präzise und reproduzierbare Messungen der Dämpfung in Multimode-Fasern anspruchsvoller und wichtiger denn je: Im Gegensatz zu Singlemode-Fasern, bei denen sich Licht nur in einer Mode ausbreitet, haben Multimodefasern einen wesentlich größeren Kern und ermöglichen die Lichtübertragung auf unterschiedlichen Wegen (Moden). Die Messung verlässlicher und reproduzierbarer Einfügedämpfungen (IL = Insertion Loss) gestaltet sich in der Praxis jedoch schwierig: Um Encircled-Flux-Compliance herzustellen, benötigen Techniker zunächst qualitativ hochwertige Komponenten wie Kupplungen und Stecker. Durch einen falschen Messaufbau oder unterschiedliches Equipment kann es zu stark abweichenden IL-Werten kommen. Zu unterschiedlichen Messwerten kommt es etwa dann, wenn zwei Techniker das gleiche Referenztestkabel mit Steckverbindern in Referenzqualität und unter Verwendung von Mandrels nutzen, mit VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), Laser oder LED jedoch unterschiedliche Lichtquellen oder unterschiedliche Lichtenergie in die Stecker einkoppeln. Doch auch wenn die Lichtquelle dieselbe ist, können typische Ungenauigkeiten im Bereich von bis zu ±0,09 dB auftreten. In allen Fällen entstehen Verluste. So überfüllen oberflächenemittierende LED-Lichtquellen die Multimode-Faser beziehungsweise ihren Kern, indem sie die Lichtenergie gleichmäßig über die ganze Fläche des Kerns verteilt übertragen. Diese "Overfilled Launch Condition" genannte Vollanregung erzeugt tendenziell zu pessimistische Messergebnisse. Kantenstrahler wie Laser hingegen übertragen die Lichtenergie nur in einen geringen Bereich des Kerns und unterfüllen ihn (Underfilled Launch Condition), wodurch es zu optimistischeren Messergebnissen kommen kann. Das Ziel muss daher sein, vergleichbare, reproduzierbare und damit verlässliche Messwerte zu erhalten und die Messunsicherheiten zu minimieren. An dieser Stelle setzt Encircled Flux an: Die Einkoppelbedingung ist durch sorgfältig definierte Anregungsbedingungen definiert und senkt dadurch die Messunsicherheit auf etwa zehn Prozent. Encircled Flux Ursprünglich diente die Encircled-Flux-Metrik zur Simulation von Übertragungsbandbreiten. Dabei machten sich die Techniker die entstehende Modendispersion bei wenig begrenzter Bandbreite zu Nutze. Die Entstehung und Entwicklung der Encircled-Flux-Metrik steht in engem Zusammenhang mit Oberflächenemittern: VCSELs kommen dank ihrer hohen Datenrate seit 1999 als optische Sender für die High-Speed-Übertragung zum Einsatz, da sie sich gut für die analoge Breitband-Signalübertragung eignen. VCSEL-Lichtquellen arbeiten mit einer Wellenlänge von 850 nm, koppeln dabei aber das Licht anders ein als LEDs mit gleicher Wellenlänge: VCSELs emittieren einen schmalen Lichtstrahl, der in der Mitte des Glasfaserkerns am hellsten ist, nach außen hin schnell abdunkelt und den Kern nahe der Grenzschicht zum Mantel nicht mehr beleuchtet. Die Wellenlänge von 850 nm hat die IEEE auch für die Übertragung von VCSELs auf Multimode-Fasern für Gigabit Ethernet vorgegeben. Mit der Entwicklung von 10 Gigabit Ethernet kam es auch zur Festlegung der Encircled-Flux-Metrik. Sie definiert Encircled Flux als Einkoppelbedingung für eine ideale VCSEL-Lichtquelle, die ihre Lichtleistung stärker auf die Mitte des Faserkerns konzentriert als Laser oder LEDs. Seit Juli 2009 definiert der IEC-Standard 61280-4-1 die Teilbereiche für die Energieverteilung des Lichts im Kern. Entscheidend für Encircled Flux ist die Einkoppelbedingung, unter der Licht bei einer Dämpfungsmessung in einen Stecker gelangt: Nur wenn der größte Teil des Lichts in einem genau definierten Teilbereich des Faserkerns übertragen wird, sprechen Fachleute von Encircled Flux (EF). Da die Einkoppelbedingungen für unterschiedliche Lichtquellen variieren, sind VCSEL- und LED-Dioden sowie Laser an die EF-Bedingung anzupassen. Grundlage vieler Standards - wie IEE802.3, ANSI/TIA und ISO/IEC - bilden LED-Lichtquellen. Diese überfüllen jedoch den Glasfaserkern, wodurch sie mehr Moden aufweisen, die sich nahe der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel befinden. Diese Moden höherer Ordnung sind anfälliger für die Dämpfung durch das Biegen der Glasfaser und gehen auch an Verbindungsstellen zuerst verloren. Bei Multimode-Dämpfungsmessungen mit einer LED-Lichtquelle kommen Mandrels zum Einsatz, um zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse gewährleisten zu können. Das mit der Lichtquelle verbundene Anschlusskabel ist dabei so um den zylindrischen Wickeldorn (Mandrel) gewickelt, dass der Einfallswinkel an der Biegung kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, was die Moden höherer Ordnung beseitigt, bevor das Testsignal in die zu prüfende Strecke einkoppelt. Dadurch verringert sich die gemessene Dämpfung. Kommen Laser-Lichtquellen zum Einsatz, ist laut IEEE802.3aq und FOTP-203-Standard zusätzlich ein Fiber Shaker zu verwenden, der die "Speckle" genannten helleren Sprenkel durch Änderung der differentialen Weglänge der unterschiedlichen Moden in der Faser anpasst. Dazu schüttelt der Shaker die Faser während des Messvorgangs kontinuierlich, um die "Speckles" auszumitteln. Die EF-Einkoppelbedingung verbessert die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse signifikant und senkt deren Abweichung auf einer gesamten Verbindungstrecke auf unter zehn Prozent. Um jedoch vergleichbare Messergebnisse gewährleisten zu können, müssen Netzwerktechniker die Einkoppelbedingung (Mode Condition) Encircled Flux regelmäßig überwachen. Dies ist auch dann nötig, wenn Hersteller von Dämpfungsmessgeräten die Einhaltung von EF garantieren, da selbst bei baugleichen Messgeräten der gleichen Serienreihe und desselben Baujahrs Unterschiede auftreten können. Bei der IL-Messung von LWL-Steckern (S2) oder Kabeln verbinden Netzwerktechniker einen Test-Jumper mit einer Lichtquelle. Am Ende des Test-Jumpers ist ein Stecker angebracht (S1) und mittels Kupplung mit dem Prüfling verbunden. Das Licht wird von der Lichtquelle über S1 in Stecker S2 eingekoppelt und so über das daran angeschlossene Kabel am anderen Ende aufgefangen und gemessen. Die Lichtübertragung in der Glasfaser erfolgt dabei nur im Faserkern, nicht in der gesamten Faser. Mit diesem Testaufbau lassen sich die Verlustleistung respektive der Energieverlust messen, die beim Einkoppeln der Lichtenergie von S1 in S2 entstehen. IL-Messung in der Praxis Da sich Encircled Flux abhängig von der verwendeten Faser oder weiteren Zwischenadaptierungen signifikant verändern kann, ist ihre Compliance zwingend am Ende des Test-Jumpers zu kontrollieren. Als eine der weltweit wenigen Firmen überprüft Tde laufend das gesamte Multimode-Messequipment einschließlich aller Test-Jumper und garantiert so IEC-Konformität und Reproduzierbarkeit seiner Testergebnisse. Fazit: Vorteile von Encircled Flux Encircled Flux hat auf vielen Ebenen Vorteile aus. Mit den sorgfältig definierten Anregungsbedingungen lassen sich Ungenauigkeiten bei Dämpfungsmessungen nachweislich auf rund zehn Prozent reduzieren. Auch eine gute Leistung in High-Speed-Netzen bei Verwendung von 850-nm-VCSELs in 10-Gigabit-Ethernet-Systemen lässt sich nur unter Einhaltung von Encircled Flux gewährleisten. Das gilt auch für neue Techniken wie Prizm Light Turn, bei denen opto-elektronische Module direkt auf den Leiterplatten montiert und über Prismenstecker platzsparend angeschlossen sind, oder Lensed MT, die ohne EF-Compliance keine zuverlässige Messergebnisse liefern. Nicht zuletzt gewährleistet Encircled Flux auch die bessere Vergleichbarkeit von unterschiedlichem Messequipment. Doch auch wenn viele Messgeräte-Hersteller mittlerweile EF-Compliance für ihre Messgeräte garantieren, so gilt die Einhaltung nur für den Messgeräte-Ausgang. Ist ein Adapterkabel zwischen Messgeräte-Ausgang und Prüfling geschaltet, können sich die am zu messenden Stecker anliegenden Einkoppelbedingungen wieder völlig ändern. Gründe dafür können Fasertypen unterschiedlicher OM-Kategorien sein, deren Kombination, die Verbindungsanzahl oder sogar unterschiedliche Faserhersteller und Kabellängen. Daher ist Encircled Flux kein statischer Parameter - vielmehr verändert sich die Anregungsbedingung dynamisch im Lauf einer Kabelstrecke. Um verlässliche und vergleichbare Messergebnisse erzielen zu können, müssen Hersteller und Netzwerkingenieure daher die Einkoppelbedingungen direkt vor dem zu messenden Stecker prüfen. Und genau an dieser Stelle muss das Encircled-Flux-Konzept erfolgreich umgesetzt sein.
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