Drum prüfe wer sich ewig bindet

Der Übergang von Glas zu Glas

14. Oktober 2016

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Verbindungen von Glasfasern bestimmen die Übertragungsqualität des gesamten Systems. Im Laufe der letzten Jahrzehnte (ab ca. 1980), seitdem die ersten Glasfaserstrecken in Betrieb gingen, haben verschiedene Steckersysteme den Markt beherrscht. Hier eine Übersicht dazu, mit Eigenschaften und Anwendungsbeispielen.

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Quelle: EFB

Die Nachfrage nach Glasfaserverkabelungen bei Unternehmen und Privatanwendern steigt kontinuierlich. Grund dafür sind die enorm gewachsenen Datenmengen, die durch die rasante Zunahme vernetzter Technologien im Connected Home und Smart Building entstehen. Entscheidendes Kriterium für die Leistungsfähigkeit der optischen Übertragungsstrecke sind die eingesetzten LWL-Steckverbinder. Denn sie fungieren als direktes Bindeglied zwischen den verschiedenen Glasfaserstrecken und haben maßgeblichen Einfluss auf die Übertragungswerte.

Wichtige Kriterien sind dabei Packungsdichte und individuelle Dämpfungsraten. Letztere ist erheblich von der Sauberkeit und des Schliffes der Steckerstirnflächen abhängig. Selbst kleinste Verschmutzungen können die Dämpfungswerte äußerst negativ beeinflussen und zu einem totalen Übertragungsausfall führen. Nur durch eine korrekte Steckerreinigung ist gewährleistet, dass die Lichtwellenleiterverbindung ein Maximum an Leistung erzielt und die Beschaffenheit der Glasfaser nicht gefährdet ist.

Vom Linsenstecker zur Ferrule

Bild 1: Linsenstecker mit Expanded Beam-Technologie setzt man nur noch in rauen Umgebungen ein

Bild 1: Linsenstecker mit Expanded Beam-Technologie setzt man nur noch in rauen Umgebungen ein

In den frühen Phasen der optischen Übertragungstechnik, die ungefähr Anfang der 1970er Jahre an Fahrt aufnahm, wurden meist sogenannte Linsenstecker eingesetzt (engl. Expanded Beam). Bei diesen wird der Lichtstrahl am Faserausgang mittels einer Sammellinse (Kollimator) parallel gerichtet und am Stecker der Empfangsfaser über eine weitere Sammellinse wieder auf die Faserendfläche fokussiert (Bild 1).

Diese Technik bietet zwar Vorteile gegenüber axialem Versatz und Verunreinigung, birgt allerdings gravierende Nachteile wie etwa eine geringe Packungsdichte und eine hohe Signaldämpfung (siehe Kasten). Sie wird daher mittlerweile nur noch in »Harsh-Environment«-Umgebungen (raue Umgebung) eingesetzt.

Bei der In-House- und Rechenzentrumsverkabelung hingegen kommen heute ausnahmslos Kontakt-Steckverbinder zum Einsatz. Diese verfügen über sogenannte Ferrulen – äußerst präzise, federnd gelagerte, zylindrische Hülsen zur Faseraufnahme, die hauptsächlich aus Keramik oder Metall bestehen.

Über diese Technologie übertragen die Stirnflächen der jeweiligen Fasern in direkten Kontakt zueinander das Licht. Dadurch entsteht eine »zusammenhängende«Glasfaserstrecke. In der Folge sinkt auch die anfallende Einfügedämpfung erheblich (engl. Insertion Loss, kurz IL) – allerdings nur unter der Prämisse, dass ein axialer beziehungsweise lateraler Versatz vermieden wird. Dieser entsteht z. B. durch eine ungenaue Führung der Ferrule in der Kupplung oder einen Versatz des Kernglases aus der Mittelachse und erhöht die Dämpfung überproportional.

Während die Dämpfungswerte bei Linsensteckern im Bereich von 1 … 2 dB liegen, sind es bei korrekt installierten Kontakt-Steckverbindern lediglich 0,1 … 0,5 dB. Damit lassen sich die zur Verfügung stehenden Dämpfungsbudgets problemlos einhalten und wesentlich zuverlässigere Datenübertragungen gewährleisten.

Unterscheidungskriterien der LWL-Steckverbinder

Generell unterscheidet man LWL-Steck­verbinder in verschiedene Kategorien. Die Steckergröße und die Endflächengestaltung geben hier den Ausschlag. Bei der Größe kennt man für gewöhnlich drei unterschiedliche Bauformen: die 2,5 mm- und 1,25 mm- Ferrule sowie den MT-Stecker.

Die 2,5 mm-Ferrule galt lange Zeit als etablierter Standard und ist daher auch heutzutage noch weit verbreitet. Wichtigster Vertreter dieser Steckerkategorie ist der sogenannte SC-Stecker (Subscriber Connector). Diesen gibt es sowohl in einer Einzelfaser- als auch in einer Duplexvariante (Bild 2). Er ist äußerst robust und zeichnet sich durch eine geringe Einfügedämpfung aus. Der durchschnittliche Wert liegt hier bei 0,2 dB. Dank Push-Pull-Prinzip kann er sicher mit den Netzwerkkomponenten verbunden werden.

Als weiterer 2,5 mm-Stecker mit hohem Verbreitungsgrad gilt der E-2000-Stecker (Bild 3). Die Schweizer Firma Diamond SA entwickelte diesen Stecker, speziell für Weitverkehrsnetze (Wide Area Network bzw. WAN). Wie den SC-Stecker, gibt es diesen auch als Duplex-Variante. Er zeichnet sich vor allem durch eine integrierte Staub- und Laserschutzklappe aus, die beim Herausziehen und Stecken automatisch vor- beziehungsweise zurückfährt. So wird das Risiko von Steckerverunreinigungen maßgeblich minimiert und erhöht das Augenschutzniveau signifikant.

Durch die speziellen Entriegelungshebel, die sowohl farblich als auch mechanisch kodiert sind, lässt sich eine fehlerhafte Steckverbindung von Anfang an ausschließen. Da die Verarbeitung des E-2000-Steckers ausschließlich in zertifizierten Fertigungsanlagen durchgeführt werden darf, ist der Anschaffungspreis allerdings relativ hoch.

Bilder 2 bis 4

Ältere LWL-Stecker-Generationen noch immer im Einsatz

In älteren Installationen findet man vielerorts noch den von AT&T entwickelten ST-Stecker (Straight Tip) – insbesondere in lokalen Netzen (Bild 4). Typisch für diesen Stecker-Typ ist der Bajonettverschluss, der eine besonders sichere Verriegelung ermöglicht. Damit stellt man unter anderem sicher, dass sich der Stecker nicht durch Vibrationen oder ähnliche Umwelteinflüsse lösen kann. Nachteile des ST-Steckers sind eine hohe Einfügedämpfung sowie mögliche Messwertschwankungen bei mechanischer Belastung. Dennoch zählt er heute noch zu den am weitesten verbreiteten LWL-Steckern.

Weitere Steckverbinder aus der 2,5 mm-Kategorie sind der DIN- und der FC-Stecker (Fiber Connector). Der DIN-Stecker (Bild 5), auch als LSA-Stecker bekannt, kommt hauptsächlich bei der Deutschen Telekom zum Einsatz. Im LAN-Bereich ist er hingegen eher selten vorzufinden. Er wird vornehmlich auf Singlemodefasern eingesetzt und fällt durch seine ein Zentimeter lange Ferrule auf.

Der FC-Stecker (Bild 6) zeichnet sich vor allem durch seine Robustheit aus. Sein Haupteinsatzgebiet sind normale und polarisationserhaltende Singlemodefasern. Dank seines Schraubverschlusses verfügt er über eine hohe Verbindungsstabilität. Aus diesem Grund findet er heute noch in der Mess- und Medizintechnik sowie im Bereich der Laser-Faserkopplung Verwendung. Aus dem Telekommunikationsbereich ist er jedoch verschwunden.

Der sehr zuverlässige Schraubverschluss kann allerdings zu gravierenden Problemen führen. Bei zu fester Verschraubung besteht das Risiko einer Faserbeschädigung. Nicht fest genug angezogen, wird die Dämpfung erhöht und die Qualität der Datenübertragung massiv eingeschränkt. Moderne Varianten sind jedoch meist mit einem Verdrehschutz ausgestattet, um ein Überdrehen zu verhindern.

Bilder 5 bis 7

Der Trend geht zu Small Form Factor

Zwar sind die 2,5 mm-Stecker relativ weit verbreitet, doch setzen sich seit einigen Jahren Stecker mit 1,25 mm-Ferrule immer stärker durch. Diese bieten aufgrund ihrer kleineren Bauform eine wesentlich höhere Port- und Bestückungsdichte – vergleichbar etwa mit RJ45-Steckern aus der Kupferverkabelung.

Durch die hohe Dichte senken sie zudem den benötigten Platz für Router, Switches oder Patchfelder. Sie werden daher im Bereich der aktiven Netzwerktechnik bevorzugt eingesetzt. Für das Rangieren in der passiven Verteiltechnik sind die kleinen Stecker hinsichtlich Handhabung, Übersichtlichkeit und Robustheit jedoch eher nachteilig.

Der wichtigste Stecker im SFF-Segment ist der sogenannte LC-Stecker (Lucent Connector). Ihn gibt es – genau wie den SC-Stecker – in einer Einzelfaser-Variante oder als Duplex-Version (Bild 7). Letztere Ausführung benötigt dabei nicht mehr Platz als ein gewöhnlicher RJ45-Stecker und ist mittlerweile gemäß DIN EN 50173 für den Arbeitsbereich standardisiert.

MPO bietet maximale Packungsdichte

Im Rechenzentrumsfeld werden hinsichtlich Packungsdichte wesentlich höhere Anforderungen gestellt. Hier sind heute vor allem zwei Steckertypen vertreten. In älteren Installationen findet sich meist der sogenannte MTRJ-Stecker (Bild 8). Dieser verfügt über eine MT-Ferrule (Mechanical Transfer), die für zwei Fasern ausgelegt ist. Damit ermöglicht er hohe Packungsdichten auf Patchfeldern und Switch-Ports. Ursprünglich waren bis zu acht Fasern geplant. Dies hat sich jedoch nicht durchgesetzt.

In aktuellen Projekten findet insbesondere der MPO-Stecker Verwendung (Mulitpath Push-On oder Multi-Fiber Push-On) (Bild 9). Dieser unterstützt paralleloptische Datentransfers mit Übertragungsraten bis zu 120 GBit/s und ist nach ISO 11801 und EN 50173-5 ergänzend zum LC-Stecker für Rechzentrumsanwendungen standardisiert. Wie der MTRJ-Stecker setzt er auf eine MT-Ferrule und ist in der Lage mehrere Fasern zu führen.

Insgesamt fasst der MPO-Steckverbinder bis zu 16 Fasern in einer Reihe. Er ist mit bis zu sechs Reihen erhältlich und kann somit bis zu 96 Fasern in einem einzelnen Stecker vereinen. Damit stellt er die höchste Packungsdichte aller LWL-Steckverbinder bereit. Aufgrund seiner hohen Einfügedämpfung von bis zu 0,5 Dezibel lässt er sich jedoch gerade bei hohen Datenübertragungsraten nur auf kurzen Faserstrecken einsetzen. Auf längeren Verbindungsstrecken mit mehreren Patch-Punkten ist das zur Verfügung stehende Dämpfungsbudget hingegen schnell ausgereizt.

Bilder 8 bis 10

F-SMA – noch nicht beim alten Eisen

Einen Ausreißer hinsichtlich Bauform stellt der sogenannte F-SMA-Stecker dar (Fiber Sub-Miniature Assembly) (Bild 10). Dieser Steckverbinder aus den Anfangszeiten der LWL-Verkabelung verfügt über eine 3,175 mm große Ferrule und eine dementsprechend geringe Packungsdichte. Hinzu kommt eine sehr hohe Einfügedämpfung von 0,6 dB bis 1dB. Für leistungsfordernde LWL-Verkabelungen im Rechenzentrumsbereich und im Smart Building scheidet der Steckverbinder damit klar aus. In der Mess-, Medizin- und Militärtechnik wird er jedoch aufgrund seiner Stabilität und Zuverlässigkeit auch heute noch eingesetzt.

Endflächengestaltung maßgeblich für Rückflussdämpfung

Bild 11: Durch die Verkippung der Steckerendfläche erreicht man bessere Rückdämpfungswerte

Bild 11: Durch die Verkippung der Steckerendfläche erreicht man bessere Rückdämpfungswerte

Neben der Baugröße der LWL-Steckverbinder spielt die Endflächengestaltung eine Rolle bei der Unterscheidung von Steckerkategorien. Generell werden die Steckverbinder in zwei Segmente geteilt: Physical Contact (PC) und Angled Physical Contact (APC). Die PC-Stecker sind ballig poliert und stellen über die abgerundete Endfläche einen physischen Kontakt zwischen den Faserkernen her. Dennoch kommt es am Übergangspunkt der Fasern unweigerlich zu Reflexionen – je nach Steckertyp zu stärkeren bzw. schwächeren. Da durch steigende Datenraten und fortschrittliche Übertragungsprotokolle immer höhere Anforderungen an die Dämpfungswerte gestellt werden – und damit auch an die Rückflussdämpfung – wurden die Polierqualitäten der Stecker immer weiter verbessert.

Neben der PC-Variante entwickelten sich dabei der SPC- (Super Physical Contact) und der UPC-Stecker (Ultra Physical Contact). Noch bessere Dämpfungswerte konnten dann nur noch mit dem APC-Stecker erzielt werden. Bei diesem ist die Steckerendfläche ebenfalls ballig poliert. Zusätzlich ist sie jedoch um acht Grad im Standard zum rechten Winkel der Faserachse verkippt (Bild 11). Dadurch wird das von der Steckerendfläche reflektierte Licht über das Mantelglas nach außen gebrochen. Eine Störung der Datenübertragung wird so bestmöglich vermieden.

Während die Rückflussdämpfung bei PC-Steckern im Bereich von - 30 dB bis - 50 dB liegt, können mit APC-Steckern Werte von - 60dB oder mehr erzielt werden. APC-Stecker werden hauptsächlich in Kombination mit Singlemodefasern eingesetzt.

Vorsorge ist besser als Nachsorge

Bild 12: Zur Reinigung der Steckerendflächen kommen für gewöhnlich Reinigungs­kassetten zum Einsatz

Bild 12: Zur Reinigung der Steckerendflächen kommen für gewöhnlich Reinigungs­kassetten zum Einsatz

Um optimale Dämpfungswerte zu erhalten, ist es jedoch nicht nur erforderlich den richtigen Steckertyp mit der optimalen Endflächengestaltung einzusetzen und axialen Versatz zu vermeiden. Besonders großen Einfluss auf die Dämpfungswerte haben vor allem raue Faserstirnflächen. Diese entstehen für gewöhnlich durch Verschmutzungen, Flecken oder Kratzer.

Gemäß einer Studie von NTT-Advanced Technology sehen 98 % der befragten Installateure Steckerverunreinigungen als größte Ursache für Netzwerkausfälle an. Dieses Ergebnis ist wenig verwunderlich. Denn ein einziges Partikel im Faserkern kann bereits zu signifikanten Reflexionen und einer erhöhten Einfügedämpfung führen. Im Ernstfall sind sogar Schäden am Equipment möglich. Eine korrekte Steckerreinigung ist daher von oberster Priorität, selbst bei Steckern, die noch nie gesteckt wurden. Daher ist in der Vorschrift IEC 14763-3 festgelegt, dass jede Steckerendfläche vor dem Patchen zu begutachten und gegebenenfalls zu reinigen ist – so oft bis die Steckerstirnfläche sauber ist. Das gilt sowohl für den Patch-Stecker als auch den Stecker in der Kupplung.

Bild 13: Für die Reinigung von Steckern, die sich bereits in der LWL-Kupplung befinden, werden Ferrulenreiniger verwendet

Bild 13: Für die Reinigung von Steckern, die sich bereits in der LWL-Kupplung befinden, werden Ferrulenreiniger verwendet

Gerade letzterer ist besonders anfällig für Verschmutzungen, das wird jedoch beim Prüfen oft übersehen. Um Verunreinigungen zuverlässig zu erkennen, wird die Kontrolle der Steckerstirnflächen normalerweise mit einem LWL-Handmikroskop durchgeführt. Anschließend können die Verschmutzungen mit verschiedenen Hilfsmitteln entfernt werden.

Generell empfiehlt es sich, zunächst mit einem fusselfreien Tuch trocken zu reinigen. Bringt dies nicht den gewünschten Effekt, kann der Schmutz mit hochreinem Isopropyl-Alkohol oder Spezial-Reinigungsmitteln feucht angelöst und anschließend trocken nachgereinigt werden. Für die Reinigung der Patch-Stecker kommen üblicherweise sogenannte Reinigungskassetten zum Einsatz (Bild 12). Zur Reinigung der Stecker in den LWL-Kupplungen werden Ferrulenreiniger eingesetzt. Diese passen sich ideal an die Steckerstirnfläche an und ermöglichen so eine optimale Schmutzentfernung (Bild 13).

Optische Dämpfung

Optische Dämpfung ist das generelle Grundproblem jeder optischen Datenübertragung. Sie wird in Dezibel (dB) gemessen und bezeichnet den Energieverlust, den die Lichtstrahlen beim Durchlaufen einer Faserstrecke erleiden. Dieser Energieverlust spielt insofern eine Rolle als er sich direkt auf die Bitfehlerrate auswirkt – also die Anzahl der verfälschten Datensignale. Je mehr Energie verloren geht, desto höher ist die Bitfehlerrate. Steigt sie zu stark an, ist eine zuverlässige Datenübertragung nicht mehr gewährleistet.

Schlussbetrachtung

Insgesamt lässt sich festhalten: Vorsorge ist besser als Nachsorge. Denn verglichen mit einer Steckerreinigung vor der Inbetriebnahme nimmt eine nachträgliche Fehlerbehebung wesentlich mehr Zeit in Anspruch. Es lohnt sich daher, die Stecker konsequent im Voraus auf Verunreinigungen zu prüfen. So kann langwieriges und vor allem teures Fehlersuchen effektiv vermieden und eine zuverlässige Datenübertragung von Anfang an gewährleistet werden. Auch Beschädigungen an kostspieligen Messgeräten, die durch die Übertragung von Schmutzpartikel entstehen können, werden konsequent ausgeschlossen.

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