Neue FTTH-Herausforderung

mit Standard-Singlemode-Fasern.

Obwohl optische Fasern über eine überlegene Signalkapazität und Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen verfügen, gibt es einen entscheidenden Aspekt, bei dem Glasfasern schlechter sind als Kupferkabel, und zwar den Signalverlust, wenn sie in enge Ecken gebogen werden.</ span>

Dies macht die Installation optischer Kabel wesentlich aufwändiger als elektrische Kabel, da sie sorgfältiger und mit größeren Biegeradien installiert werden müssen. Es wurden mehrere Ideen vorgeschlagen, um den Biegeverlust von Singlemode-Fasern (SMF) zu reduzieren. Dazu gehören (Abbildung 1) die Reduzierung des Modenfelddurchmessers (MFD) bei gleichzeitiger Erhöhung des Brechungsindexunterschieds zwischen dem Kern- und dem Mantelglas [1] sowie die Reduzierung des Index des Mantels in der Nähe des Kernbereichs durch Reduzierung/ohne Reduzierung des Mantels [2 ], Hinzufügen eines Rings symmetrischer Löcher um den Kern [3] [4], Hinzufügen eines Grabens mit niedrigem Index (Fluor-dotierter Glasring) [5]-[7] und Einführung eines nanostrukturierten Rings mit zufälligen Lücken [8].</ span>

Die Branche hat auch auf diese jüngsten Innovationen mit der Einführung eines neuen Standards reagiert (ITU-T G.657; Abschnitte in Tabelle 1 aufgeführt). Der G.657-Standard beschreibt zwei Gruppen von biegeverbesserten Glasfasertypen. Die erste ist Tabelle A, die Singlemode-Fasern abdeckt, die vollständig mit der vergrabenen Basis von Standard-Low-Water-Peak-Fasern (G.652D) kompatibel sind, aber einen maximalen Makro-Biegeverlust von 0,75 dB pro Windung bei r=10 mm bieten 1’550 nm heißt es. Dies ist bei diesem Radius etwa drei- bis sechsmal geringerer Biegeverlust als bei herkömmlichem SMF. Die zweite Empfehlung, G.657 Tabelle B, beschreibt die Leistung von Fasern mit einem maximalen Makro-Biegeverlust von 0,5 dB pro Windung mit r=7,5 mm bei 1’550 nm.

Fasern, die G.657 Tabelle B entsprechen, weisen bei diesem Radius einen etwa 15- bis 30-mal geringeren Makro-Biegeverlust auf als herkömmliche G.652D-Fasern. Die Empfehlung in Tabelle B gilt für biegeunempfindliche Fasern, die möglicherweise nicht mit Standard-SMF kompatibel sind, wie z. B. Fasern mit sehr kleinen Modenfelddurchmessern, reduzierter Abdeckung oder Lochunterstützung. Doch selbst die Leistungsniveaus von G.657 Table B reichen möglicherweise nicht für einige eingebettete optische Anwendungen aus, bei denen vollständige Kompatibilität mit Standard-SMF erforderlich ist und Installateure möglicherweise optische Kabel ohne Kabelkanäle oder Verwaltungselemente befestigen und um scharfe Ecken verlegen möchten. Daher diskutieren Standardisierungsgremien derzeit über eine neue Klasse „jenseits von Tabelle B“.
Für Innenanwendungen mit einer Makrobiegespezifikation von nur 0,1 dB/Umdrehung für einen Radius von 5 mm bei 1.550 nm; Ungefähr 100-mal geringerer Makrobiegeverlust als ein Standard-SMF.

Unter den verschiedenen oben beschriebenen Low-Biege-Faservorschlägen (Abbildung 1) zeichnen sich grabengestützte und nanostrukturierte Faserdesigns durch potenzielle Biegeleistungen aus (beide geben an, Leistungsniveaus von G zu erreichen). 657B und höher) und sind die vielversprechendsten Ansätze, da sie mit Standard-SMF kompatibel sind. Um diese Aussage in der Realität zu überprüfen, werden wir uns im folgenden Text auf diese Faserdesigns konzentrieren, verschiedene Tests durchführen, um den täglichen Gebrauch zu simulieren, und sie mit Standard-SMF vergleichen.

Modenfeldvergleich: grabengestützt, nanostrukturiert und Standard-SMF. Die Reduzierung des Biegeverlusts kann normalerweise durch Erhöhen der Brechungsindexdifferenz zwischen Kern und Mantel erreicht werden. Auf diese Weise ist es jedoch sehr schwierig, die Größe des Modusraums beizubehalten und gleichzeitig in einem Modus zu bleiben. Grabengestützte und nanostrukturierte Ansätze lösen dieses Problem, indem sie in der Mitte die gleiche Kernbeschichtungsstruktur wie Standard-SMF haben, aber einen Graben mit niedrigem Index um den Kern herum hinzufügen (siehe Abbildung 2). Die richtige Gestaltung der Position dieses Rings wirkt sich nur auf das Ende der optischen Feldverteilung (den Hauptteil, der den optischen Biegeverlust verursacht) aus, ohne die grundlegenden Modeneigenschaften (z. B. Modenfelddurchmesser, Dämpfungseigenschaften und Dispersionseigenschaften) ernsthaft zu verändern. Der resultierende Durchschnittswert der Modengrößen ist zwar immer noch mit dem Standard-G.652D-Bereich (8,6–9,5 μm) kompatibel, unterscheidet sich jedoch geringfügig (9,2 μm für Standard, 8,9 μm für grabengestützte Fasern und 8,6 μm für nanostrukturierte Fasern).

Allerdings sind die theoretischen optischen Kopplungsverluste (unter der Annahme einer Gaußschen Modenform [9]), die sich aus diesem Modengrößenunterschied (0,3–0,6 μm) ergeben, vernachlässigbar (0,01 dB‘ weniger als) . Obwohl die Form der Modenfelder nicht gleich ist, sind die drei untersuchten Fasertypen weitgehend vergleichbar, und die Ringtypen haben das Potenzial, eine Biegung um enge Ecken ohne merkliche Erhöhung der Dämpfung zu ermöglichen.

Für die folgenden Tests wurden alle drei Fasertypen verwendet, um 0,9 mm halbstarre Leitungen und 2,7 mm Simplex-Innenkabel herzustellen

Biegeleistung

Im Allgemeinen nehmen die Biegeverluste aller Fasertypen exponentiell mit dem Biegeradius ab und nehmen mit der Betriebswellenlänge zu. Um die Biegeleistung aller drei Fasertypen zu bestimmen, wurden Standard-Biegeverlusttests (IEC 60794-1-2 E11A) an Rohren des Typs 0,9 mm durchgeführt. So wurden die in Dornen mit unterschiedlichen Radien bei ausgewählten Wellenlängen induzierten Faserdämpfungen (siehe Ergebnisse bei λ=1550 nm links in Abbildung 3) und der spektrale Verlust für einen Dorn mit r = 7,5 mm (rechts in Abbildung 3) überwacht. Beide Fasern mit geringer Biegung bieten im Vergleich zu Standard-SMF ein deutlich verbessertes Biegeverlustverhalten und erfüllen eindeutig die in G.657 Tabelle B angegebenen Leistungsspezifikationen. Wie Messungen zeigen, kann der grabengestützte Typ bis zu r = 10 mm gesponnen werden und bleibt dabei bis zu einer Wellenlänge von 1625 nm unter 0,1 dB pro Vollumdrehung, während die nanostrukturierte Faser den gleichen Wert für r = 5 mm erreicht.</ span>

Diese Messungen zeigen deutlich, dass diese beiden Fasertypen mit geringer Verdrillung die Faseranordnung weniger kritisch und flexibler machen können, da sie das Biegen in engeren Ecken ermöglichen.

Zusätzlich zur schlechten Handhabung optischer Fasern aufgrund der engen Biegung werden sie während und nach der Installation häufig durch Heftklammern und andere Stützelemente zusammengedrückt und gequetscht und müssen möglicherweise Temperaturschwankungen standhalten. Um die mechanische und Umweltzuverlässigkeit verschiedener Fasertypen zu überprüfen und zu vergleichen, werden Drucktests mit 0,9-mm-Rohren (gemäß IEC 60794-1-2 E3) und Temperaturwechseltests mit 2,7-mm-Kabeln (gemäß IEC 60794-1-2 E3) durchgeführt F1) wurde durchgeführt. Ausgewählte Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.

Beide Fasertypen mit geringer Biegung (auch wenn sie nur durch 0,9-mm-Rohre geschützt sind) 1 zeigten bis zu 450 N/cm im Gegensatz zu Standard-SMF (>0,4 dB) vernachlässigbare Verluststeigerungen winziger Kopfdruck. Der Temperaturwechseltest zeigte ein ähnliches Verhalten wie der Makro-Biegetest. Selbst bei sehr starker Abkühlung (–40 °C) kam es bei der nanostrukturierten Faser (λ = 1550 nm) zu einem moderaten (< 1 dB) Anstieg der Verluste. Bei grabengestützten Glasfasern wurden etwas höhere Verluste (~5 dB) gemessen.

Allerdings übertreffen beide Fasern mit geringer Biegung die Leistung von Standard-SMF-Kabeln; Dieses Kabel weist selbst bei –15 °C Verluste von mehr als 5 dB auf (dieses Innenkabel ist für –20 bis 70 °C bei λ = 1300 nm spezifiziert).

Messungen bestätigen, dass sowohl die Makrobiege- als auch die Mikrobiegeleistung (die Hauptursache für Verluste bei Druckbeanspruchung) ebenfalls zunimmt. Sie lassen auch die Annahme zu, dass die Nanostruktur unter mechanischem Druck nicht beschädigt wird (Hohlräume kollabieren/verschwinden nicht). Daher verbessert die Verwendung von Fasern mit geringer Biegung bei der Herstellung optischer Kabel tatsächlich die optische Leistung unter mechanischer und umweltbedingter Belastung.

Additive Forschung

Alle optischen Kommunikationssysteme für Innenräume müssen mit der alten Welt verbunden sein und normalerweise mit Standard-SMF arbeiten. Normalerweise wird diese Verbindung durch Fusionsspleißen erreicht. Allerdings können selbst solche, die G.652D entsprechen, möglicherweise nicht nahtlos in andere Standard-SMFs gespleißt werden, da die Fasern nur eine geringe Biegung aufweisen, die Moden nicht übereinstimmen, Löcher oder Lücken im Glas vorhanden sind oder unterschiedliche Glasarten innerhalb der Faser vorhanden sind. Um die Spleißbarkeit der untersuchten Low-Twist-Fasertypen zu überprüfen, wurde ein systematischer Spleißfeldtest (Abbildung 5 links) zwischen und über alle möglichen Faserkombinationen bei einer Wellenlänge von 1310 nm durchgeführt. Die Messergebnisse sind in Abbildung 5 (rechts) unter Verwendung von Boxplots zusammengefasst, die den Mittelwert (horizontale Linie), 75 % (Box) und 98 % des Bereichs (vertikale Linie) der resultierenden Einfügedämpfungsdaten (80 Verbindungen pro Satz) zeigen.< / span>

Diese Grafik zeigt recht deutlich die Unterschiede in der Spleißbarkeit zwischen drei verschiedenen Fasertypen. Die höchste Dispersion ist die der Nanostrukturfaser selbst (0,04–0,18 dB), aber theoretisch (gleiche Modenfeldgröße der beiden Spleißpartner) kann eine ähnliche Dispersion (0,0–0,03 dB) mit Standard-SMF erreicht werden. Dies kann durch eine suboptimale Konfiguration der Spleißvorrichtung (kein Kern, nur Beschichtungsausrichtung kann verwendet werden) und/oder ein mögliches asymmetrisches Kollabieren der Hohlräume während des Spleißens erklärt werden. Im Allgemeinen wird erwartet, dass sich durch die Verbesserung der Spleißtechniken (Rezepte) die Leistungsniveaus verbessern und sich sogar geringeren Verlustverteilungen annähern, ähnlich wie beim Standard-SMF-Spleißen.

Obwohl die Spleißleistung bei Fasern mit geringer Biegung etwas schlechter ist, ähneln die Gesamtverlustwerte (Durchschnitt < 0,1 dB, max. < 0,2 dB) den höheren Verlusten bei Makrobiegung Es eignet sich gut für Innenanwendungen, bei denen die potenzielle Reduzierung überkompensiert wird.

Linkrecherche

Konnektivität mit der Außenwelt kann durch optische Anschlüsse sowie durch Fusion erreicht werden. Aufgrund der unterschiedlichen Glasstrukturen der neuen Low-Bend-Fasertypen stellte sich während des Montageprozesses die Frage, ob sich die Endoberfläche ähnlich wie Standard-SMF verhalten und den geometrischen und Qualitätskriterien entsprechen würde.

Produzierte 0,9-mm-Röhren mit drei Fasertypen wurden mit LC-PC- und SC-APC-Anschlüssen unter Verwendung von Standardmontageprozessen zusammengebaut (ohne zu wissen, welcher Fasertyp verwendet wurde). Glücklicherweise war und war während des Montagevorgangs keine besondere Wartung erforderlich.
Mit Ausnahme des visuellen Inspektionsschritts fiel das ungewöhnliche (aber charakteristische) Aussehen der Endoberfläche der nanostrukturierten Faser auf (siehe Abbildung 6 rechts).

Bei 400-facher Vergrößerung ist der nanostrukturierte Bereich als farbige Punkte erkennbar, während der Grabenbereich kaum sichtbar ist. Bei Verwendung von weißem Licht zur Kernhinterleuchtung wird der Beschichtungsbereich zwischen Kern und Graben sowie zwischen Kern und Nanostruktur als schwacher Lichtring sichtbar.

Die gemessenen Endflächengeometrien des Faserkerns (Radius, Scheitelversatz, Faserüberstand) waren nicht zwischen verschiedenen Fasertypen unterscheidbar und lagen deutlich innerhalb des von IEC 61755-3 vorgegebenen Toleranzbereichs -1/2 .

Um die Wirkung des Polierens, Reinigens und Zusammenbaus der Steckverbinder besser zu sehen, wurden eine Reihe von Endflächen (siehe Abbildung 7) unter einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Beim Betrachten der Bilder wird deutlich, dass im REM dank der hervorragenden Auflösung bis in den Nanometerbereich mehr Kratzer und Markierungen zu erkennen sind.

Aber die Endflächen sehen immer noch sehr gut aus, was die Qualität des Polierprozesses beweist.

In diesen Bildern wird der Ring der grabengestützten Faser deutlich und die Nanostrukturen sind nun deutlich als Löcher im Submikrometerbereich zu erkennen. Trotz Bedenken, dass Poliermittelrückstände oder andere Ablagerungen in den Löchern verbleiben oder eine stärker zerkratzte Oberfläche verursachen könnten, sieht die Endoberfläche so aus, wie sie sollte. Eine genauere Betrachtung der Löcher (siehe Vergrößerung bei stärkerer Vergrößerung) zeigt, dass ihre Größe tatsächlich im Nanobereich liegt (<200 nm, vergleiche mit der 1-μm-Referenzlinie unten) und dass sie zufällig verteilt sind.

Generell kann trotz des Unterschieds zwischen Graben und Nanostruktur gesagt werden, dass ein Standard-Montageprozess für beide Arten von Fasern mit geringer Biegung ohne Einschränkungen oder Anpassungen (Abdichtung usw.) verwendet werden kann .).

Um die Kompatibilität von Faseranordnungen mit Linkern nachzuweisen, wurden Verlustverteilungen bei λ = 1310 nm untersucht, ähnlich dem Spleißprozess. Die Ergebnisse der Kopplungsverluste (LC-Linker-Seite) für alle möglichen Kombinationen sind als Boxplots in Abbildung 8 (links) dargestellt.
Im Gegensatz zu den Ergebnissen der Würztests sind die einzelnen Verteilungen einander ähnlich. Die etwas höheren Durchschnittswerte der Einfügungsdämpfung im SMF (S-T und S-N bis S-S) von Fasern mit geringer Verdrillung können dieses Mal teilweise durch Unterschiede in der Modenform erklärt werden. Der höhere durchschnittliche Selbstverlust (T-T und N-N) im Vergleich zum SMF (S-S) von Fasern mit geringer Biegung zeigt erneut, dass sie aufgrund ihrer komplexeren Glasstruktur möglicherweise etwas höhere geometrische Toleranzen (Kernexzentrizität, Faserdurchmesser) aufweisen.

Abschließend wurde ein Steckzyklustest (IEC-61300-2-2) bestehend aus 1000 Wiederverbindungen durchgeführt, um zu prüfen, ob die Nanostrukturen nach einer Reihe von Verbindungen beschädigt würden. Während des Tests wurde keine Verlustverschlechterung festgestellt. Obwohl die Endoberfläche leicht beschädigt war (mehr Kratzer, Abbildung 8 rechts) und es einige Verunreinigungen gab (nicht ordnungsgemäß gereinigt), verhielt sich die nanostrukturierte Faser ähnlich wie Standard-SMF.

Insgesamt lässt sich trotz der etwas höheren Durchschnittswerte (0,11 dB statt 0,07 dB) sagen, dass die Steckerleistung dem Standard-SMF entspricht und durchaus für Innenanwendungen geeignet ist .

Überlegungen zur Zuverlässigkeit

Bisher haben wir die Vorteile der Verwendung von Fasern mit geringer Biegung für optische Kabelinstallationen gesehen. Die Zuverlässigkeit der Signalübertragung einer etablierten optischen Verbindung muss jedoch sowohl hinsichtlich des optischen Verlusts als auch der mechanischen Stabilität bewertet werden. Mit herkömmlichen Regeln für das Fasermanagement bei großen Biegeradien war Faserbruch kein Problem. Wenn jedoch die Biegeradien der Fasern abnehmen, wird die Lebensdauer der Fasern zu einem wichtigen Gesichtspunkt. Bedenken Sie, dass die Belastung einer Faser bei einem Biegeradius von 5 mm viermal höher ist als bei einem Biegeradius von 10 mm und 40-mal höher als bei einer Faser mit einem herkömmlichen Biegeradius von 30 mm.

Formeln zur Vorhersage der Zuverlässigkeit einer Faser unter konstanter Betriebsbeanspruchung (basierend auf einem Potenzgesetz für Risswachstum) sind in der Norm IEC 62048 definiert. Aufgrund der gleichen Spannungsverteilung über den Faserdurchmesser ist zwischen verschiedenen Fasertypen kein physikalischer Grund für eine andere Lebensdauerregel zu erwarten. Unter Anwendung dieser Formel wurde die zulässige Faserlänge berechnet, um eine Lebensdauer von 20 Jahren mit einer Ausfallwahrscheinlichkeit von 1 ppm abhängig vom Biegeradius zu erreichen (siehe Abbildung 9).

Obwohl die Spleißleistung bei Fasern mit geringer Biegung etwas schlechter war, waren die Gesamtverlustwerte (durchschnittlich < 0,1 dB, max. < 0,2 dB) höher als höhere Verluste Makrobiegung eignet sich gut für Innenanwendungen, bei denen die potenzielle Verlustreduzierung überkompensiert wird. Um diese Zuverlässigkeitsniveaus (20 y, 1 ppm) zu erreichen, benötigen wir daher nur 5 cm Faser mit einem Radius von 10 mm (nicht einmal eine volle Windung) und nur 1 cm Faser mit einem Radius von 5 mm (weniger). Es hat sich herausgestellt, dass es im Gegensatz zu einigen 1000-m-Fasern in Verteilern (bei Spleißkassetten ist der Faserbiegeradius auf 30 mm begrenzt) etwas stärker gebogen werden kann. Infolgedessen verringert eine enge Biegung jeglicher Art von Glasfaser die Verbindungszuverlässigkeit pro Windung erheblich und verringert das Risikoniveau für Kunden (wie viele).
starkes Biegen) ist akzeptabel.

Für biege- und verlustkritische Anwendungen empfehlen wir den Einsatz grabengestützter und nanostrukturierter Fasertypen. Um die Zuverlässigkeit des Systems aufrechtzuerhalten, empfehlen wir jedoch, dass die Installation von Low-Biege-Fasern mit der gleichen Sorgfalt wie Standard-Singlemode-Fasern behandelt wird und dass ein geeignetes Fasermanagement verwendet wird.

Ergebnis

Neue grabengestützte und nanostrukturierte biegefeste Fasertypen wurden ausführlich getestet und auf ihre optischen Eigenschaften mit Standard-Singlemode-Fasern verglichen. Sie haben eine bessere Leistung unter Biege-, mechanischen und Umweltbedingungen sowie eine gewisse Kompatibilität mit Standard-SMF gezeigt. Mit normalen Herstellungsprozessen können Steckverbinder mit diesen Fasern konfektioniert werden und dabei nahezu ähnliche optische Leistungen erzielt werden.

Andererseits ist das Spleißen dieser Fasern kritischer und führt zu etwas geringeren Leistungsniveaus, die durch weitere Verbesserungen des Spleißens und des Herstellungsprozesses ausgeglichen werden können. Trotz der besseren Biegeleistung und des großen Vorteils bei verlust- und biegekritischen Anwendungen muss die Lebensdauerzuverlässigkeit unter sehr strengen Biegebedingungen immer noch berücksichtigt werden. Für biege- und verlustkritische Anwendungen werden grabengestützte und nanostrukturierte Fasern empfohlen, da sie einen echten Fortschritt gegenüber aktuellen Standard-Singlemode-Fasern darstellen, aber mit der gleichen Sorgfalt wie alle optischen Glasfasern gehandhabt werden sollten.

Hinweis: Verwenden Sie für alle oben beschriebenen Studien SMF28® von Corning® für Standard-SMF, BendBrightXS® von Draka® für grabengestützte Fasern usw Für das nanostrukturierte Design haben wir ClearCurve® von Draka® verwendet:
CurveCurve® von Corning®, CW-E9 von HUBER+SUHNER® für 0,9-mm-Rohre und HUBER+SUHNER® für 2,7-mm-Kabel. Wir haben CWJH-H27 von verwendet.