Yeni FTTH Mücadelesi

standart tek modlu liflerle.

Optik fiber, üstün sinyal kapasitesine ve elektromanyetik girişime karşı bağışıklığa sahip olmasına rağmen, fiberin bakır kabloların gerisinde kaldığı temel bir husus vardır ve bu da dar köşelerde büküldüğünde oluşan sinyal kaybıdır.

Bu, optik kablo kurulumunu elektrikli tiplere göre çok daha zahmetli hale getirir, çünkü daha dikkatli ve büyük bükülme yarıçaplarıyla kurulmaları gerekir. Tek modlu fiberlerin (SMF) bükülme kaybını azaltmak için birkaç fikir önerilmiştir. Bunlar arasında (Şekil 1) çekirdek ve kaplama camı arasındaki kırılma indisi farkını artırırken mod alan çapını (MFD) azaltmak [1], kaplamayı azaltarak/azaltmadan, çekirdek bölgesine yakın kaplamanın indeksini düşürmek [2], çekirdeğin etrafına simetrik delikler halkası eklemek [3][4], düşük indeksli bir hendek eklemek (Flor katkılı cam halka) [5]-[7] ve rastgele boşluklu nano yapılı bir halka tanıtmak [8] yer almaktadır.

Sektör, bu son yeniliklere yeni bir standart sunarak da yanıt vermiştir (ITU-T G.657; bölümler Tablo 1’de gösterilmiştir). G.657 standardı, iki grup bükülme-iyileştirilmiş optik fiber türünü açıklamaktadır. İlki, standart düşük su tepe (G.652D) liflerinin gömülü tabanına tamamen uyumlu olan, ancak 1’550 nm’de r=10 mm ile bir tur için maksimum 0,75 dB’lik makro eğilme kaybı sunan tek modlu lifleri kapsayan tablo A olarak adlandırılır. Bu, bu yarıçaptaki geleneksel SMF’ye göre yaklaşık 3 ila 6 kat daha düşük eğilme kaybıdır. İkinci öneri olan G.657 tablo B, 1’550 nm’de r=7,5 mm ile bir tur için maksimum 0,5 dB’lik makro eğilme kaybına sahip liflerin performansını açıklar.

G.657 tablo B’yi karşılayan lifler, bu yarıçapta geleneksel G.652D liflerinden yaklaşık 15 ila 30 kat daha düşük makro bükülme kaybına sahiptir. Tablo B önerisi, çok küçük mod alanı çaplarına sahip, azaltılmış kaplamaya sahip veya delik destekli lifler gibi standart SMF ile uyumlu olmayabilecek bükülmeye duyarsız lifleri kapsar. Yine de G.657 tablo B’nin performans seviyeleri bile, standart SMF ile tam uyumluluğun gerekli olduğu ve montajcıların optik kabloları kanal veya yönetim elemanları olmadan keskin köşelerin etrafından zımbalamak ve yönlendirmek isteyebileceği bazı yerleşik optik uygulamalar için yeterli olmayabilir. Sonuç olarak, standardizasyon kuruluşları şu anda ‘tablo B’nin ötesinde’ yeni bir sınıfı tartışıyorlar
1’550nm’de 5 mm’lik bir yarıçap için 0,1 dB/tur kadar düşük bir makro bükme spesifikasyonuna sahip iç mekan uygulamaları için; Standart bir SMF’den yaklaşık 100 kat daha düşük makro-bükülme kaybı.

Yukarıda açıklanan farklı düşük bükülme fiber önerileri arasında (Şekil 1), hendek destekli ve nano-yapılı fiber tasarımları, potansiyel bükülme performansları (her ikisi de G.657B ve üzeri performans seviyelerine ulaşmayı iddia ediyor) ve standart SMF ile uyumlu olmaları nedeniyle en umut verici yaklaşımlardır. Bu beyanı gerçekte doğrulamak için, aşağıdaki metinde bu fiber tasarımlarına yoğunlaşacağız, günlük kullanımı simüle etmek için farklı testler yapacağız ve bunları standart SMF ile karşılaştıracağız.

Mod alanı karşılaştırması: hendek destekli, nano yapılı ve standart SMF Bükülme kaybını azaltmak normalde çekirdek ve kaplama arasındaki kırılma indisi farkını artırarak yapılabilir. Ancak bunu yaparak mod alanı boyutunu korumak ve aynı anda tek modda kalmak çok zordur. Hendek destekli ve nano-yapılı yaklaşımlar, standart SMF ile aynı çekirdek kaplama yapısını merkezde bulundurarak ancak çekirdeğin etrafına düşük endeksli bir hendek ekleyerek bu sorunu çözer (bkz. Şekil 2). Bu halkanın konumunun uygun şekilde tasarlanması, temel mod özelliklerini (örneğin mod alanı çapı, zayıflama özellikleri ve dispersiyon özellikleri) ciddi şekilde değiştirmeden yalnızca optik alan dağılımının kuyruğunu (optik bükülme kaybına neden olan ana parça) etkileyecektir. Standart G.652D aralığıyla (8,6-9,5 μm) hala uyumlu olsa da, mod boyutlarının ortaya çıkan ortalama değeri biraz farklı hale gelir (standart için 9,2 μm, hendek destekli için 8,9 μm ve nano yapılı fiber için 8,6 μm).

Ancak bu mod boyutu farkından (0,3-0,6 μm) kaynaklanan teorik optik kuplaj kayıpları (Gauss mod şekli varsayıldığında [9]) ihmal edilebilir düzeydedir (0,01 dB’den az). Bu nedenle, mod alanlarının şekli aynı olmasa da, araştırılan üç fiber türü büyük ölçüde karşılaştırılabilirdir ve halka türleri, zayıflamada gözle görülür bir artış olmadan sıkı köşelerin etrafında bükülmeye izin verme potansiyeline sahiptir.

Aşağıdaki testler için, 0,9 mm yarı sıkı borular ve 2,7 mm iç mekan tipi simpleks kablolar üretmek için üç tip fiber de kullanıldı.

Eğilme Performansı

Genel olarak, herhangi bir tip fiberin eğilme kayıpları, eğilme yarıçapı ile üssel olarak azalır ve çalışma dalga boyu ile artar. Her üç tipteki elyafın eğilme performansını belirlemek için, 0,9 mm tip tüplerde standart eğilme kaybı testleri (IEC 60794-1-2 E11A) gerçekleştirildi. Böylece, seçilen dalga boylarında farklı yarıçaplara sahip mandrellerde indüklenen elyaf zayıflamaları (Şekil 3’ün solunda λ=1550 nm’deki sonuçlara bakın) ve r = 7,5 mm’lik bir mandrel için spektral kayıp (Şekil 3’ün sağında) izlendi. Her iki düşük eğilme elyafı da standart SMF’ye kıyasla oldukça iyileştirilmiş bir eğilme kaybı davranışı sunar ve açıkça G.657 tablo B’de verilen performans spesifikasyonunu karşılar. Ölçümlerin gösterdiği gibi, hendek destekli tip, 1625 nm dalga boyuna kadar tam dönüş başına 0,1 dB’nin altında kalırken r=10 mm’ye kadar bükülebilirken, nano yapılı elyaf aynı değere r = 5 mm için ulaşmıştır.

Bu ölçümler, bu iki düşük bükülme lifi tipinin, daha sıkı köşelerde bükülmeye izin verdiği için lif kurulumlarını daha az kritik ve daha esnek hale getirebileceğini açıkça göstermektedir.

Sıkı bükülme nedeniyle optik liflerin kötü muamele görmesinin yanı sıra, zımbalar ve diğer destekleyici özellikler nedeniyle kurulum sırasında ve sonrasında sık sık sıkıştırılır ve ezilir ve sıcaklık değişikliklerine dayanmak zorunda kalabilirler. Farklı lif tiplerinin mekanik ve çevresel güvenilirliğini kontrol etmek ve karşılaştırmak için, 0,9 mm tüpler kullanılarak ezme testleri (IEC 60794-1-2 E3’e göre) ve 2,7 mm kablolar kullanılarak sıcaklık döngüsü testleri (IEC 60794-1-2 F1’e göre) gerçekleştirildi. Seçilmiş sonuçlar Şekil 4’te verilmiştir. 

Her iki düşük bükülme lif tipi (sadece 0,9 mm tüplerle korunsalar bile) standart SMF’nin (> 0,4 dB) aksine, 450 N/cm’ye kadar 1 dakikalık basınç basınçları için ihmal edilebilir kayıp artışları göstermiştir. Sıcaklık değişim testi, makro bükme testindekine benzer bir davranış gösterdi. Çok şiddetli soğutmada bile (–40 °C) nano yapılı fiber için kayıplarda orta düzeyde (< 1 dB) bir artış meydana geldi (λ = 1550 nm). Bir dereceye kadar hendek destekli fiber için daha yüksek (~5 dB) kayıplar ölçüldü.

Ancak, her iki düşük bükme tipi fiber, standart SMF’li kablodan daha iyi performans gösterir; bu kablo, –15 °C’de bile 5 dB’den daha yüksek kayıplar sergiler (bu iç mekan kablosu, λ = 1300 nm’de –20 ile 70 °C arasında belirtilmiştir).

Ölçümler, makro bükmenin yanı sıra mikro bükme performansının (basınç stresi sırasında kaybın ana nedeni) da arttığını doğrulamaktadır. Ayrıca, nano yapının mekanik basınç altında hasar görmediği (boşlukların çökmediği/yok olmadığı) varsayımına da izin verirler. Bu nedenle, optik kabloların üretiminde düşük bükülme liflerinin kullanılması, mekanik ve çevresel stres altında optik performansı gerçekten iyileştirir.

Eklemeli Araştırmalar

Tüm iç mekan optik iletişim sistemleri, genellikle standart SMF kullanılarak çalışan eski dünyaya bağlanmalıdır. Genellikle bu bağlantı füzyon ekleme ile gerçekleştirilir. Ancak, G.652D’ye uygun olanlar bile düşük bükülme lifleri, mod şekil uyumsuzluğu, camdaki delikler veya boşluklar veya lif içindeki farklı cam tipleri nedeniyle diğer standart SMF’lere sorunsuz bir şekilde eklenemeyebilir. Araştırılan düşük bükülme lif tiplerinin eklenebilirliğini doğrulamak için, 1310 nm dalga boyunda tüm olası lif kombinasyonları arasında ve boyunca sistematik bir ekleme saha testi (Şekil 5 sol) gerçekleştirildi. Ölçülen sonuçlar, elde edilen ekleme kayıpları verilerinin (set başına 80 bağlantı) ortalama değerini (yatay çizgi), %75’ini (kutu) ve %98 aralığını (dikey çizgi) gösteren kutu grafikleri kullanılarak Şekil 5’te (sağ) özetlenmiştir.

Bu grafik, üç farklı lif tipi arasındaki eklenebilirlikteki değişimi oldukça açık bir şekilde göstermektedir. En yüksek dağıtım, nano yapı fiberinin kendisine göre dağılımıdır (0,04-0,18 dB), ancak teorik olarak (iki ekleme ortağının aynı mod alan boyutu) standart SMF ile benzer bir dağılım (0,0-0,03 dB) elde edilmelidir. Bu, ekleme cihazının optimum olmayan bir kurulumu (çekirdek yok, yalnızca kaplama hizalaması kullanılabilir) ve/veya ekleme sırasında boşlukların olası asimetrik çökmesiyle açıklanabilir. Genel olarak, ekleme tekniklerinin (reçetelerin) iyileştirilmesiyle performans seviyelerinin iyileşmesi ve hatta standart SMF eklemesine benzer şekilde daha düşük kayıp dağılımlarına yaklaşması beklenir.

Düşük bükülme liflerinde ekleme performansı biraz daha kötü olsa da, genel kayıp seviyeleri (ortalama < 0,1 dB, maks. < 0,2 dB) daha yüksek kayıpların makro bükülme kaybındaki potansiyel azalma ile aşırı telafi edildiği iç mekan uygulamaları için oldukça uygundur.

Bağlantı Araştırmaları

Dış dünyayla bağlantı, füzyon eklemenin yanı sıra optik konektörlerle de sağlanabilir. Yeni düşük bükülme fiber tiplerinin farklı cam yapıları nedeniyle, montaj işlemi sırasında uç yüzeyin standart SMF’ye benzer şekilde davranıp davranmayacağı ve geometrik ve kalite kriterlerine uyup uymayacağı sorusu ortaya çıkmıştır.

Üç tip fiber içeren üretilen 0,9 mm tüpler, standart montaj işlemleri kullanılarak (hangi tip fiber kullandıklarını bilmeden) LC-PC ve SC-APC konektörleriyle birleştirildi. Neyse ki, montaj süreci boyunca özel bir bakım yapılmadı ve yapılmasına gerek kalmadı,
görsel inceleme adımı hariç, nano yapılı elyafın alışılmadık (ama karakteristik) uç yüzey görünümü fark edildi (sağdaki Şekil 6’ya bakın).

400 x büyütme altında nano yapılı bölge renkli noktalar olarak fark edilirken, hendek bölgesi zar zor görülebiliyor. Çekirdek arka aydınlatmasında beyaz ışık kullanıldığında çekirdek ile hendek arasındaki ve çekirdek ile nano yapı arasındaki kaplama bölgesi zayıf ışık halkası olarak görünür hale gelir.

Lif çekirdeğinin ölçülen uç yüzey geometrileri (yarıçap, tepe ofseti, lif çıkıntısı) farklı lif tipleri arasında ayırt edilebilir değildi ve IEC 61755-3-1/2 tarafından verilen tolerans aralığının oldukça içinde kaldı.

Konnektörlerin cilalanması, temizlenmesi ve birleştirilmesinin etkisini daha iyi görebilmek için bir dizi uç yüzey (bkz. Şekil 7) yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikroskobu (SEM) altında incelendi. Resimlere bakıldığında, nanometre aralığına kadar harika çözünürlüğü sayesinde SEM altında daha fazla çizik ve izlerin görülebildiği açıkça görülüyor.

Ancak uç yüzeyler hala çok iyi görünüyor ve bu da cilalama işleminin kalitesini kanıtlıyor.

Bu resimlerde hendek destekli fiberin halkası belirginleşiyor ve nano yapılar artık alt mikron delikler olarak açıkça ayırt edilebiliyor. Deliklerde cila kalıntılarının veya diğer kalıntıların kalması veya daha fazla çizik yüzeye neden olması endişelerine rağmen, uç yüzey olması gerektiği gibi görünüyor. Deliklerin daha yakından incelenmesi (daha yüksek büyütme ile büyütülmüş halini görün), boyutlarının aslında nano aralıkta olduğunu (< 200 nm, alttaki 1 μm referans çizgisiyle karşılaştırın) ve rastgele dağılmış olduklarını gösteriyor.

Genel olarak, hendek ile nano yapı arasındaki farka rağmen, her iki düşük bükülme lif türü için de kısıtlama veya uyarlama (sızdırmazlık vb.) olmaksızın standart bir montaj işleminin kullanılabileceği söylenebilir.

Bağlayıcılı lif montajlarının uyumluluğunu kanıtlamak için, kayıp dağılımları ekleme işlemine benzer şekilde λ = 1310 nm’de araştırıldı. Tüm olası kombinasyonlar için birleştirme kaybı sonuçları (LC-bağlayıcı tarafı) Şekil 8’de (solda) kutu grafikleri olarak verilmiştir.
Baharatlama testlerinde elde edilen sonuçların aksine, bireysel dağılımlar birbirine benzemektedir. Düşük bükülme liflerinin SMF’ye (S-T ve S-N’den S-S’ye) ekleme kaybının biraz daha yüksek ortalama değerleri bu sefer kısmen mod şeklindeki farklılıklarla açıklanabilir. Düşük bükülme liflerinin SMF’ye (S-S) göre kendisine (T-T ve N-N) olan daha yüksek ortalama kaybı, daha karmaşık cam yapıları nedeniyle biraz daha yüksek geometrik toleranslara (çekirdek dış merkezliliği, lif çapı) sahip olabileceklerini tekrar göstermektedir.

Son olarak, nano yapıların bir dizi bağlantıdan sonra zarar görüp görmeyeceğini kontrol etmek için 1000 yeniden bağlantıdan oluşan bir çiftleşme döngüsü testi (IEC-61300-2-2) gerçekleştirildi. Test sırasında herhangi bir kayıp bozulması fark edilmedi. Uç yüzey biraz hasar görmüş olsa da (daha fazla çizik, Şekil 8 sağda) ve bazı kirlenmeler olsa da (düzgün bir şekilde temizlenmemiş), nano yapılı fiber standart SMF’ye benzer şekilde davrandı.

Genel olarak, biraz daha yüksek ortalama değerlere (0,07 dB yerine 0,11 dB) rağmen, konnektör performansının standart SMF ile uyumlu olduğu ve iç mekan uygulamaları için oldukça uygun olduğu söylenebilir.

Güvenilirlik Hususları

Şimdiye kadar optik kablo için düşük bükülmeli fiber kullanmanın faydalarını gördük kurulumlar. Ancak, kurulu bir optik bağlantının sinyal iletim güvenilirliği hem optik kayıp hem de mekanik kararlılık açısından değerlendirilmelidir. Büyük bükülme yarıçaplarında fiber yönetimi için geleneksel kurallarla, fiber kırılması bir sorun olmamıştır. Ancak, fiber bükülme yarıçapları düştükçe, fiber ömrü önemli bir husus haline gelir. Sadece şunu hesaba katın, 5 mm bükülme yarıçapındaki fiber üzerindeki gerilim, 10 mm bükülme yarıçapındakinden 4 kat ve geleneksel 30 mm bükülme yarıçapını izleyen bir fiber üzerindekinden 40 kat daha yüksektir.

Sabit bir servis gerilimi altında bir fiberin güvenilirliğini tahmin etmek için formüller (çatlak büyümesi için bir kuvvet yasasına dayalı olarak) IEC 62048 standardında tanımlanmıştır. Fiber çapı boyunca aynı gerilim dağılımı nedeniyle, farklı fiber tipleri arasında başka bir ömür kuralı için fiziksel bir neden beklenmemelidir. Bu formülü uygulayarak, bükülme yarıçapına bağlı olarak 1ppm’lik bir arıza olasılığı ile 20 yıllık bir ömre ulaşan izin verilen fiber uzunluğu hesaplandı (bkz. Şekil 9).

Düşük bükülme liflerinde biraz daha kötü bir ekleme performansı olmasına rağmen, genel kayıp seviyeleri (ortalama < 0,1 dB, maks. < 0,2 dB) daha yüksek kayıpların makro bükülme kaybındaki potansiyel azalma ile aşırı telafi edildiği iç mekan uygulamaları için oldukça uygundur. Sonuç olarak, bu güvenilirlik seviyelerine (20 y, 1 ppm) ulaşmak için sadece 5 cm’lik elyafın 10 mm’lik bir yarıçapla (tam bir tur bile değil) ve sadece 1 cm’lik elyafın 5 mm’lik bir yarıçapla (¼ turdan biraz daha fazla) bükülebileceği, dağıtım çerçevelerindeki birkaç 1000 m’lik elyafın (ekleme kasetleriyle elyaf bükülme yarıçapı 30 mm ile sınırlanmıştır) aksine, bükülebileceği bulunmuştur. Sonuç olarak, herhangi bir tip elyafın sıkı bükülmesi, tur başına bağlantı güvenilirliğini önemli ölçüde azaltır ve müşteriler için hangi risk seviyelerinin (kaç tane
keskin bükülme) kabul edilebilir olduğu sorusu ortaya çıkar.

Eğilme ve kayıp açısından kritik uygulamalar için hendek destekli ve nano yapılı fiber tiplerini kullanmayı öneriyoruz. Ancak sistemin güvenilirliğini korumak için, düşük eğilmeli fiberlerin kurulumunun standart tek modlu fiberlerde olduğu gibi aynı dikkatle ele alınmasını ve uygun fiber yönetiminin kullanılmasını öneriyoruz.

Sonuç

Yeni hendek destekli ve nano yapılı bükülmeye dayanıklı lif tipleri, standart tek modlu liflerin optik özellikleri açısından kapsamlı bir şekilde test edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Bükülme, mekanik ve çevresel koşullar altında daha iyi performans gösterdikleri gibi, bir dereceye kadar standart SMF ile uyumlulukları da gösterilmiştir. Normal üretim süreçleri, bu liflerle konektörleri birleştirmek için kullanılabilirken neredeyse benzer optik performanslara ulaşılabilir.

Öte yandan, bu liflerin birleştirilmesi daha kritiktir ve daha fazla birleştirme ve üretim süreci iyileştirmeleriyle üstesinden gelinebilecek hafif düşük performans seviyeleriyle sonuçlanır. Daha iyi bükme performansına ve kayıp ve bükülme kritik uygulamasındaki büyük avantaja rağmen, çok sıkı bükme koşulları altında ömür boyu güvenilirliğin hala dikkate alınması gerekir. Hendek destekli ve nano yapılı lifler, mevcut standart tek modlu liflere göre gerçek bir ilerleme oldukları için bükülme ve kayıp kritik uygulamalar için önerilir, ancak tüm optik cam lifleri ile aynı özenle ele alınmalıdır.

Not: Yukarıda açıklanan tüm araştırmalar için standart SMF için Corning®’in SMF28®’ini, hendek destekli fiber için Draka®’nın BendBrightXS®’ini, nano-yapılı tasarım için ise Draka®’nın ClearCurve®’ünü kullandık:
Corning®’in ClearCurve®’ünü, 0,9 mm borular için HUBER+SUHNER®’in CW-E9’unu ve 2,7 mm kablolar için HUBER+SUHNER®’in CWJH-H27’sini kullandık.