Einführung in die Glasfasertechnik PDF

Einführung in die Glasfasertechnik Infrastrukturfachkraft für Glasfasernetztechnik (IHK) Grundlagenmodul LWL10, Tag 1 Ein Unternehmen der EnBW Ablauf und Organisatorisches Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 2 Weiterbildungsplan LWL13...

Einführung in die Glasfasertechnik Infrastrukturfachkraft für Glasfasernetztechnik (IHK) Grundlagenmodul LWL10, Tag 1 Ein Unternehmen der EnBW Ablauf und Organisatorisches Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 2 Weiterbildungsplan LWL13 LWL04 Grundlagen Planung von Leitungstiefbau Glasfasernetzen Infrastrukturfachkraft für › 3 Tage Präsenz › 5 Tage Präsenz Glasfasernetztechnik Planung (IHK) › inkl. 1 Tag Abschlusstest LWL10 LWL03 Grundlagen der Ausbau von Glasfasertechnik Glasfasernetzen Infrastrukturfachkraft für › 2 Tage Online › 5 Tage Präsenz Glasfasernetztechnik Bau (IHK) + 3 Tage Präsenz › inkl. 1 Tag › oder 5 Tage Präsenz Abschlusstest LWL05 Betrieb von passiven Glasfasernetzen Infrastrukturfachkraft für › 5 Tage Präsenz Glasfasernetztechnik Betrieb (IHK) › inkl. 1 Tag Abschlusstest Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 3 Überblick über die Schulungstage (LWL10) Grundlagen der Glasfasertechnik › Tag 1: Motivation und physikalische Grundlagen › Tag 2: Komponenten und Verbindungen im Glasfasernetz › Tag 3: Installation einer Glasfaserverkabelung zwischen zwei Verteilerschränken und praktischer Test (Teil 1) › Tag 4: Theoretischer und praktischer Einstieg in die LWL-Messtechnik › Tag 5: Praktischer Test (Teil 2) und theoretischer Abschlusstest Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 4 Agenda für heute 1. Begrüßung Ablauf und Organisatorisches Vorstellung und Erwartungen 2. Motivation und Einführung Einsatzgebiete und Vorteile der Glasfaser Netzstruktur Aktueller Stand und Herausforderungen beim Glasfaserausbau Ziele der Schulung 3. Grundlagen der Glasfasertechnik Lichtleitung durch Totalreflexion Fasertypen: Multimodefaser und Singlemodefaser Moden im Lichtwellenleiter Fasereigenschaften: Dämpfung, Dispersion und NA Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 5 Ablauf Vormittag Nachmittag › 08:30 - 09:15 Uhr › 13:00 - 13:45 Uhr 10 Minuten Pause Mittagspause 10 Minuten Pause › 09:25 - 10:10 Uhr › 12:00 - 13:00 Uhr › 13:55 - 14:40 Uhr 10 Minuten Pause 10 Minuten Pause › 10:20 - 11:05 Uhr › 14:50 - 15:35 Uhr 10 Minuten Pause 10 Minuten Pause › 11:15 - 12:00 Uhr › 15:45 - 16:30 Uhr Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 6 Verhalten bei Feuer oder anderen Gefahren Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 7 Standort Esslingen, Kurt-Schumacher-Straße Parkhaus Leitstelle Aus- und Weiterbildungszentrum Kantine Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 8 Unterweisung zum Praktikum Den Anweisungen der Referenten ist Folge zu leisten! › mögliche Gefahren im Praktikumsbereich › Arbeitssicherheit › Umgang mit Glasfaserresten › Bedienung der Werkzeuge › Lasersicherheit Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 9 Vorstellung und Erwartungen Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 10 Ihr Referent – Michael Schweinberger Position › Produktverantwortlicher Referent, Netztechnische Trainings – Sparte Glasfaser (Gf) Berufliche Erfahrungen › NetCom BW – Leiter Ausbaumanagement – Glasfaserausbau von der Grobplanung über die Genehmigungsplanung inkl. Budgetlegung und Projektmanagement zum fertigen Glasfasernetz › Initiative zum Praxistrainer in der Glasfaserschule der Netze BW seit 2021 › Center Parcs Allgäu – Leiter Technischer Service Errichtung und Betrieb eines eigenen Glasfasernetzes mit PON-Technologie › Varia3 GmbH – Chief Operating Officer – Leitung eines Servicebetriebes zur Installation, Wartung und Instandhaltung von Glasfaser– Koax- und Kupfernetzen in BW für Unitymedia und Telekom Kontakt › Qualifizierter Referent in der Erwachsenenbildung (seit 2012) – Ausbildereignungsprüfung › Netze BW GmbH Ulmer Str. 122a 88400 Biberach Ausbildung › [email protected] › Kommunikationselektroniker Fachrichtung Telekommunikationstechnik › +49 151 466 866 77 › Handwerkskammer Niederbayern-Oberpfalz – Altgeselle Elektrotechnik Mess- und Regeltechnik Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 11 Vorstellung der Teilnehmer › Name › Position/ Aufgabe › Erfahrungen mit Glasfaser › Erwartungen Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 12 Einsatzgebiete und Vorteile der Glasfaser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 13 Warum Glasfasertechnik? Glasfasern ermöglichen die schnelle Übertragung großer Datenmengen über weite Strecken mittels Licht. › Kupfer twisted pair: 60 kg/ km › LWL-Duplex-Kabel: 6 kg/ km Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 14 Einsatzgebiete der Glasfaser › Lichtwellenleiter (LWL) zur optischen Informationsübertragung › Lichtleiter zur Beleuchtung (z. B. bei Mikroskopen) › faseroptische Sensoren Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 15 Einsatzgebiete der Glasfaser (2) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 16 Anwendung der Glasfaser für private Mediennutzung Wozu überhaupt Breitbandausbau mit Glasfaser? › Online-Videotheken › Internet-Fernsehen (IPTV) › Online-Gaming › Ultra HD (UHD) › Cloud Computing › Video-Telefonie → Mit Glasfaser für die digitale Zukunft gerüstet (Video) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 17 Vorteile der Glasfaser › Übertragung über große Distanzen (Reichweite bis 200 km unverstärkt, mit optischen Verstärkern mehrere 1.000 km, mit elektrischer Regeneration praktisch unbegrenzt) › hohe Übertragungsraten bis in den Hundert-Terabit-Bereich (100 ⋅ 1012 Bit/s) › elektromagnetisch nicht störbar, EMV: elektro-magnetisch-verträglich, erdlos › kein Übersprechen benachbarter Fasern (wenn, dann gewollt) › funkenfrei verlegbar in EX-Bereichen (Explosionsgefährdung) › dünne und leichte Kabel, i. d. R. metallfrei › bewährte Technik: weltweit mehrere Mrd. km verlegt Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 18 Meilensteine der optischen Übertragungstechnik › 1870: John Tyndall: Versuche, Licht im Wasserstrahl zu leiten › 1966: erstes elektro-optisches Übertragungssystem › 1999: Seekabel SEA-ME-WE3 (South-East-Asia – Middle-East – Western-Europe) - Länge: 38.000 km (längstes Glasfaserkabel) - Datenübertragungsrate: 20 Gbit/s (entspricht ca. 300.000 gleichzeitig geführter Telefonate) › 2001: Transatlantikkabel (TAT-14) - Länge: 15.000 km - Datenübertragungsrate: 640 Gbit/s (7,7 Millionen gleichzeitige Telefongespräche, 80 % der Bandbreite für Internet) › 2011: Laborversuch in Karlsruhe: 26 Tbit/s (1 Laser) über 50 km 101,7 Tbit/s (370 Laser) über 165 km lange SM-Faser › aktuell: mehrkernige Glasfasern 255 Tbit/s (Labor) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 19 Aktueller Stand und Herausforderungen beim Glasfaserausbau Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 20 Breitbandatlas › Darstellung der Verfügbarkeit von Breitband-Internetanschlüssen › regelmäßige Aktualisierung (Stand: 12.11.2021) › Zoom in Karte möglich › Unterscheidung der Technologien (FTTB/H, CATV, DSL) › private Verfügbarkeit (FTTB/H; ≥ 1000 Mbit/s) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 21 Was heißt eigentlich „Breitband“? › keine spezifische technische Bedeutung im Zusammenhang mit Internetzugang › kein Grenzwert für Datenübertragungsrate (stetige Weiterentwicklung der Kommunikationstechnik) › bezeichnet Infrastruktur für schnellen und dauerhaft aktiven Internetzugang Bandbreitenbedarf für verschiedene Anwendungen/ Dienste › Unterschied Schmalband: Internetzugang per Betrachten von Webseiten 10 Mbit/s Telefonmodem-/ ISDN-Einwahl Internet-Telefonie 0,1 Mbit/s Videostreaming in HD (1.280 x 720) 9 Mbit/s Videostreaming in Full HD (1.920 x 1.080) 16 Mbit/s Videostreaming in Ultra HD (3.840 x 1.920) 25 Mbit/s Virtual Reality in Full HD ca. 20 Mbit/s Virtual Reality in Ultra HD ca. 35 Mbit/s Quelle: Schnabel – Kommunikationstechnik-Fibel, 2019 Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 22 Ziel im Koalitionsvertrag 2021 › „Alle Menschen in Deutschland müssen sich auf moderne Standards (u. A. Breitbandverbindungen) verlassen können.“ › „Wir treiben die Glasfaserausbauförderung voran.“ › „Unser Ziel ist die flächendeckende Versorgung mit Glasfaser (fiber-to-the-home, FTTH).“ Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 23 Umsetzung des Ziels › Aber was heißt das eigentlich? › Wie ist die flächendeckende Versorgung mit Glasfaser zu erreichen? › Wer und was wird gebraucht? › Welche Fachqualifikationen sind erforderlich? Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 24 Weg in die Gigabit-Gesellschaft Glasfaser-Ausbaustufen (FTTx) Kupfer Glasfaser Wohnung 1 Wohnung 2 Vermittlungsstelle Kabelverzweiger Wohnung 3 Wohnung 4 Keller HÜP  DSL Glasfaser bis zur Vermittlungsstelle: bis zu 16 Mbit/s  FTTC (VDSL) Glasfaser bis zum Kabelverzweiger: bis zu 50 Mbit/s (Vectoring bis zu 100 Mbit/s)  FTTB Glasfaser bis zum Hausübergabepunkt: bis zu 100 Mbit/s  FTTH Glasfaser bis zur Teilnehmerschnittstelle: 1.000 Mbit/s (1 Gbit/s) ✓ Synchroner Gigabit-Anschluss (Up- & Downstream) setzt Glasfaser bis in Wohnung voraus (FTTH)! Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 25 Netzebenen › Netzebene 1: Backbone (Fernnetz) › Netzebene 2: Verteilnetz vom Backbone zur Vermittlungsstelle Wohnung 1 Wohnung 2 Vermittlungsstelle Kabelverzweiger Wohnung 3 Wohnung 4 Keller HÜP › Netzebene 3: von Vermittlungsstelle bis zum Hausübergabepunkt (HÜP) im Keller › Netzebene 4: vom HÜP im Keller bis zur Teilnehmerschnittstelle (TS) in Wohnung › Netzebene 5: von Teilnehmerschnittstelle bis zum Arbeitsplatz in Wohnung Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 26 Räumliche Einordnung der Netze › Weitverkehrsnetze (WAN) › Zugangsnetze (FTTx) − regionale, nationale und kontinentale Netze − Endkundenanschluss − einige 100 km bis einige 1.000 km − einige 100 m bis wenige Kilometer − ausschließlich Glasfaser − Zuführung über Glasfaser − Tbit/s pro Faserpaar − Kupferdoppelader, Koaxialkabel, Funk, wenig Glasfaser − redundant (Ringe); hochverfügbar − Mbit/s pro Faserpaar (Ziel: Gbit/s) − wenige Netzbetreiber − Stern oder Baum › Metronetze (MAN) › Lokale Netze (LAN) − Stadtnetze − Teilnehmer-/Firmennetz − einige Kilometer bis max. 100 km − i. d. R. Verbindung von Computern innerhalb eines Gebäudes − ausschließlich Glasfaser − einige Meter bis max. einige Kilometer − Gbit/s pro Faserpaar − oft redundant; meist vermascht − HVt, lokale PoP Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 27 Netztopologie › geometrische Struktur der Netzknoten und -kanten › Bsp.: Baum, Stern, Bus, Ring, Voll-/Teilvermaschung › Knoten der Kernnetze i. d. R. teil-/vollvermacht › Weiterverkehrsnetze (WAN) i. d. R. hierarchische Struktur › Vermittlungsstellen unterer Hierarchieebenen i. d. R. sternförmig angebunden › Weitverkehrs- und Knotenvermittlungsstellen (PoP); Teilnehmervermittlungsstellen (HVt) › Bsp.: IP-Netz der Deutschen Telekom (Stand 2013) › Anzahl Teilnehmervermittlungsstellen: 1000 bis einige 1000 Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 28 Netzstruktur im Zugangsnetz › Zugangsnetz (Verteilnetz + Anschlussnetz) Kernnetz › vom CO (PoP) über NVt bis zum HÜP (Backbone) (vom HVt über KVz bis zum APL) › Netzebene 3 (NE 3) › Netzarchitekturen: − Punkt-zu-Punkt (P2P) − Punkt-zu-Multipunkt (P2MP) Quelle: TE Connectivity Quelle: Hauff-Technik GRIDCOM Quelle: Sichert Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 29 Fachkräftemangel blockiert Breitbandausbau Pressemeldungen Quelle: n-tv Quelle: Westfalenpost Quelle: Merkur.de Quelle: elektroniknet.de Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 30 Wo drückt der Schuh? In Deutschland gibt es keinen Ausbildungsberuf zur Installation und Montage von Glasfasernetzen! Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 31 Herausforderungen im Glasfasernetz › viele, oft unterschiedlich verwendete Fachbegriffe › hohe Anforderungen bei Handhabung, hoher Montageaufwand › Stecker-Stirnflächen empfindlich gegen Schmutz › nichtmetallische Glasfaserkabel mit Leitungssuchgerät nicht ortbar › geringe Leistungsübertragung → Seekabel: Kupferrohr zur Stromversorgung von optischen Verstärkern → kein PoE (Power over Ethernet) › Übertragung im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 32 Ziele der Schulung Der Teilnehmer … › … erkennt Zukunftssicherheit und Vorteile der Glasfaser gegenüber anderen Übertragungsmedien › … gewinnt Überblick über Aufbau von Glasfasernetzen › … besitzt fundiertes Wissen zu physikalischen Grundlagen (nützlich u. a. bei Messtechnik) › … kennt Fachbegriffe, um sich in Branche verständlich austauschen zu können › … kennt wichtigsten Faser- und Steckertypen im Glasfasernetz (NE 3) › … beherrscht praktischen Umgang mit Glasfaserkabeln und LWL-Steckverbindern › … kann Qualität von Steckerstirnflächen sicher beurteilen und fachgerechte Reinigung durchführen › … kann Arbeitsschritte beim Spleißen fachgerecht durchführen › … kennt mögliche Gefahren und geeignete Schutzmaßnahmen (Laserschutz, Umgang mit Glasfaserresten) › … kann möglichst genaue und reproduzierbare Messungen (IL, RL) im Glasfasernetz durchführen › … kann geeignete Einstellungen am OTDR-Messgerät selbständig vornehmen › … besitzt Grundkenntnisse und -fähigkeiten, um sich effizient und zielgerichtet weiterbilden zu können Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 33 Lichtleitung durch Totalreflexion und Aufbau der Glasfaser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 34 Physikalische Größen › c: Lichtgeschwindigkeit (Vakuum: c0 ≈ 300.000 km/s) › λ: Wellenlänge (Länge einer Schwingung; Lambda) › f: Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde) › n: Brechzahl („optischer Widerstand“; Vakuum: n0 = 1) sichtbares Licht λ c=λ⋅f › nm: Brechzahl des Mediums › cm: Lichtgeschwindigkeit im Medium Infrarot λ cm = c0 / nm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 35 Brechung und Reflexion Was ist zu beobachten, wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium (n1) und einem optisch dünneren Medium (n2) fällt? › Lichtstrahl wird in Abhängigkeit des Einfallswinkels α1 einfallender reflektierter gebrochen und reflektiert Lot Lichtstrahl Lichtstrahl › Reflexion erfolgt unter Winkel α1 n1 Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel α1 α1 Mediengrenze α2 › Brechung erfolgt für n1 > n2 unter Winkel α2 > α1 gebrochener n2 Lichtstrahl Brechungsgesetz: n1 ⋅ sin(α1) = n2 ⋅ sin(α2) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 36 Grenzwinkel der Totalreflexion Wie groß kann der Brechungswinkel α2 maximal werden? › bei α2 = 90° verläuft gebrochener Lichtstrahl entlang Mediengrenze Lot › Einfallswinkel, für den α2 = 90° gilt, wird Grenzwinkel der Totalreflexion genannt (α1 = αg) n1 einfallender reflektierter Lichtstrahl Lichtstrahl αg › Grenzwinkel αg abhängig von Brechzahlen n1 und n2: Mediengrenze 90° gebrochener α1 = αg n1 ⋅ sin(α1) = n2 ⋅ sin(α2) sin(αg) = n2 / n1 Lichtstrahl sin(90°) = 1 n2 Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 37 Totalreflexion Was ist bei noch flacherem Lichteinfall (Einfallswinkel α > αg) zu beobachten? › bei α > αg erfolgt Totalreflexion Lot › Licht wird im optisch dichteren Medium (n1, Glaskern) geführt n1 einfallender totalreflektierter › kein Lichteintritt in optisch dünneres Medium (n2, Glasmantel) Lichtstrahl Lichtstrahl α α Mediengrenze n2 Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 38 Aufbau der Glasfaser Primäre Schutzschicht Glasmantel Glaskern (primary coating) (cladding) (core) Glasmantel (125 µm) Glaskern (8,3 µm bzw. 50/ 62,5 µm) Primäre Schutzschicht (250 µm) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 39 Wie sieht eine Glasfaser aus? › dünner „Faden“ aus Quarzglas (SiO2) › Aufbau eines Lichtwellenleiters (LWL): − Glaskern − Glasmantel − Schutzschicht › Vergleich: − Durchmesser des menschlichen Haares: 40 µm − Kerndurchmesser der Glasfaser: 8,3 µm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 40 Herstellung und Schutz der Glasfaser – Ader und Kabel Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 41 Herstellung der Vorform › thermische Abscheidung des Glaskerns in einem Quarzrohr (Glasmantel) › schichtweiser Aufbau des Kerns im Quarzrohr › Dotierprofil/ Brechzahl sehr genau einstellbar Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 42 MCVD-Verfahren › MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition › modifizierte chemische Gasphasenabscheidung Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 43 Kollabieren der Vorform › Kollabieren des Rohres durch Erhitzen › Zusammenschrumpfen der hohlen Vorform zum Stab › Verhältnis der Durchmesser von Glaskern (hellgrün) zu Glasmantel (dunkelgrün) entspricht bereits dem der herzustellenden Glasfaser › Verjüngung des Glasmantels auf 125 µm im Ziehturm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 44 Glasfaserherstellung Herstellung der Vorform Ziehturm Quelle: glasfaserinfo.de Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 45 Ziehen der Glasfaser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 46 Schutz der Glasfaser › Glasfaser (LWL-Faser) empfindlich gegen: − Zug-, Biege- und Torsionsbeanspruchungen − Feuchtigkeit LWL-Faser: › weitere Schutzschichten erforderlich: Primäre Schutzschicht Glasmantel Glaskern − sekundäre Schutzschicht → LWL-Ader (primary coating) (cladding) (core) − tertiäre Schutzschicht → LWL-Kabel Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 47 Aderkonstruktionen Vollader Hohlader Bündelader Festader Kompaktader Kern Mantel 1. Schutzschicht (Faser) 2. Schutzschicht (Ader) › 1. und 2. Schutzschicht fest miteinander verbunden › kleiner Zwischenraum zw. › Durchmesser: typ. 1,4 mm › mehrere Fasern (typ. 12 oder 24) › Durchmesser: typ. 0,6 mm 1. und 2. Schutzschicht in gemeinsamer Hülle › große Einsatztemperaturbereiche; bzw. 0,9 mm › Durchmesser: typ. 0,6 mm geringe mechanische › meist mit Gel gefüllt › direkte Steckermontage bzw. 0,9 mm Beeinflussung (Faserüberlänge) › Durchmesser: typ. 2 - 4 mm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 48 Glasfaserkabel › tertiäre Schutzschicht › Zugentlastung durch Aramidgarn › erhöhter mechanischer und chemischer Schutz › unterschiedliche Aufbauvarianten › unterschiedliche Mantelmaterialien Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 49 Moden im Lichtwellenleiter – Multimodefaser und Singlemodefaser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 50 MMF - Stufenindex (SI) nMantel = 1,48 dMantel = 140 µm Bandbreite-Längen-Produkt nKern = 1,5 dKern = 100 µm 100 MHz·km NA = ca. 0,24 θ = ca. 14° Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 51 MMF - Gradientenindex (GI) nMantel = 1,465 dMantel = 125 µm Bandbreite-Längen-Produkt nKern = 1,479 dKern = 50 µm bzw. 62,5 µm ca. 5 GHz·km NA = 0,20 ± 0,015 θ = ca. 11,9° Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 52 SMF - Standardfaser (Einfach-Stufe) nMantel = 1,461 dMantel = 125 µm Übertragungskapazität nKern = 1,467 dKern = 8,3 µm theoretisch > 100 THz·km NA = 0,14 θ = 8,04° Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 53 Wellenmodell des Lichts › bei Kerndurchmesser der Singlemodefaser (8,3 µm) kann Lichtausbreitung nicht mehr mit Strahlenmodell beschrieben werden › stattdessen wird Wellenmodell verwendet: − Licht breitet sich nicht als Strahl mit punktförmiger Ausdehnung durch Glaskern aus, sondern als Mode mit endlichem Durchmesser − Intensitätsverteilung über Kernquerschnitt kann durch Glocken-Kurve (Gaußfunktion) angenähert werden Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 54 Modenfelddurchmesser › mathematische Definition › Durchmesser bei definiertem Intensitätsabfall 1 Brechzahlprofil › Modenfelddurchmesser ist abhängig von: − Wellenlänge des Lichts − Fasertyp Intensitätsprofil › Abkürzung: MFD MFD 1/e2 Kerndurchmesser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 55 Grenzwellenlänge › kleine Wellenlängen werden enger an Faserachse geführt › wird Wellenlänge kleiner als Grenzwellenlänge λC (cut-off), die für Singlemodefaser angegeben ist, so wird Lichtausbreitung in Faser mehrmodig (Multimode-Verhalten) › Standard-SMF werden typischerweise bei λ < 1260 nm mehrmodig › zum Vermeiden der damit entstehenden Modendispersion müssen Wellenlängen größer λC gewählt werden Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 56 Dämpfung Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 57 Dämpfung im Lichtwellenleiter Allgemeines › Dämpfung bedeutet Verlust optischer Leistung auf der Glasfaserstrecke Streuung › Dämpfung ergibt sich durch Streuung und Absorption des Lichts (intrinsische Verluste) › zusätzlich können Biegeverluste und Koppelverluste auftreten (extrinsische Verluste) Absorption › Dämpfung begrenzt die Übertragungsdistanz der Glasfaser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 58 Exponentieller Leistungsabfall › amorphe Struktur des Glases → Streuung, Absorption (unvermeidbare physikalische Effekte im LWL) 1 α = 0,2 dB/km normierte optische Leistung P(z) › Streuung und Absorption führen zu exponentiellem 0,8 Leistungsabfall auf der Strecke z: 0,6 P(z) = P0 ⋅ 10(-α⋅z / 10 dB) 0,4 3 dB 6 dB › hierbei sind: 0,2 − P0: optische Leistung am Beginn der Strecke − P(z): optische Leistung nach der Strecke z 0 0 10 20 30 40 50 − α: Dämpfungskoeffizient Strecke z in km Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 59 Dämpfungskoeffizient › Dämpfungskoeffizient α gibt Dämpfung a bezogen auf Strecke z = 1 km an: α = a / z in dB/km LWL-Typ λ in nm α in dB/km › je größer der Dämpfungskoeffizient α, desto stärker der MM 850 2,7 Leistungsabfall MM 1300 0,7 SM 1310 0,33 › auch Dämpfungsbelag genannt SM 1550 0,20 SM 1625 0,22 › typische Werte in Tabelle Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 60 Dämpfungsverlauf › 3 wesentliche Dämpfungsmechanismen: Rayleigh-Streuung, IR-Absorption, Absorption an Hydroxidionen (OH--Ionen) › Dämpfung a ist wellenlängenabhängig › somit ist auch Dämpfungskoeffizient eine Funktion der Wellenlänge: α = α(λ) Dämpfungskoeffizient in dB/km 100 Absorption an OH--Ionen 10 1 Rayleigh-Streuung IR-Absorption 400 800 1200 1600 2000 Wellenlänge in nm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 61 Übertragungsfenster Lokale Minima ergeben 3 Übertragungsfenster: › Multimode: − 1. und 2. optisches Fenster − Wellenlängenbereiche: 850 nm, 1300 nm Dämpfungskoeffizient in dB/km Optische Fenster 100 › Singlemode: 1300 nm/ 850 nm 1550 nm 1310 nm − 2. und 3. optisches Fenster 10 − Wellenlängenbereiche: 1310 nm, 1550 nm 1 − zusätzlich 4. optisches Fenster (1625 nm + 1650 nm) Wellenlänge 400 800 1200 1600 2000 in nm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 62 Übertragungsbänder › feinere Unterteilung in optische Übertragungsbänder › Unterteilung wichtig beim Einsatz von CWDM/ DWDM-Systemen › (für Singlemode-LWL) O-Band E-Band S-Band C-Band L-Band U-Band 1260 nm 1360 nm 1460 nm 1530 nm 1565 nm 1625 nm - - - - - - 1360 nm 1460 nm 1530 nm 1565 nm 1625 nm 1675 nm 0 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 Wellenlänge / nm Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 63 LWP- und ZWP-Lichtwellenleiter › Trend zur Vergrößerung des nutzbaren Wellenlängenbereichs: − CWDM: bis zu 18 Kanäle (1271 nm - 1611 nm) − FTTx: Wellenlängen außerhalb klassischer optischen Fenster › Problem hoher Dämpfung durch Wasserpeak bei 1383 nm (bei Herstellung der Glasfaser (1990er-Jahre) gelangten unvermeidlich geringe Mengen Wasser aus Luft in Glas) › Unterdrückung des Wasseranteils durch neues Herstellungsverfahren: − Glasfasern (SMF) mit reduziertem Wasserpeak: Low Water Peak (LWP)-LWL − Glasfasern ganz ohne Wasserpeak: Zero Water Peak (ZWP)-LWL Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 64 Biegeverluste Macro- und Microbending tragen zur Dämpfung in der Faser bei, da die Grenzwinkel-Bedingung für die Totalreflexion nicht mehr eingehalten wird. › Macrobending (Biegeradien im mm-Bereich) − entsteht durch Unterschreiten des zulässigen Mindest- Biegeradius − Licht tritt aus Faser aus (Brechung) › Microbending (Biegeradien im µm-Bereich) − mikroskopische Faserverformungen/ Unebenheiten in Faser − an Störstellen, die beim Beschichten der Glasfaser oder Verseilen der Fasern zu Kabeln auftreten können − oder durch Temperatur-, Druck- sowie Zugbelastung im LWL Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 65 Dispersion Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 66 Dispersionsarten Multimode-Faser Singlemode-Faser Material Moden Polarisations- Chromatische Dispersion Dispersion Modendispersion Dispersion (PMD) Bandbreiten- Koeffizient der PMD-Koeffizient längenprodukt (BLP) Chromatischen in 𝒑𝒔/ 𝒌𝒎 gemessen in 𝑴𝑯𝒛 ∗ 𝒌𝒎 Dispersion Dchrom in 𝒑𝒔/(𝒏𝒎 ∗ 𝒌𝒎) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 67 Allgemeines zur Dispersion › in der Glasfasertechnik versteht man unter dem Begriff Dispersion alle Effekte, die zu einer zeitlichen Impulsverbreiterung des Signals im Lichtwellenleiter führen (Laufzeitunterschiede) › durch Dispersion wird die Datenübertragungsrate (Übertragungskapazität, Übertragungsbandbreite) des LWL begrenzt › neben der Dämpfung entscheidender Parameter eines LWL › unterschieden werden die wesentlichen Dispersionsarten: − Modendispersion − Materialdispersion chromatische Dispersion − Wellenleiterdispersion − Polarisationsmodendispersion Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 68 Modendispersion Unterschiedliche Laufzeiten der verschiedenen Lichtstrahlen (Moden) Auswirkung Impuls- verbreiterung A Begrenzung Übertragungs- kapazität t Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 69 Modendispersion (2) Die Modendispersion tritt in Multimode-Stufenprofil-Fasern (MMF-SI) auf. Sie ist abhängig von › Brechzahlprofil › Numerischer Apertur › Kerndurchmesser › Übertragungswellenlänge In einer Multimode-Stufenprofil-Faser breiten sich sehr viele unterschiedliche Moden unter verschieden langen optischen Wegen aus. → Laufzeitunterschiede → Impulsverbreiterung Verbesserung: Verwendung anderer Fasertypen, z. B. Gradientenindex- oder Singlemode-Fasern Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 70 Materialdispersion › Brechzahl des Kernglases ist wellenlängenabhängig: n = n(λ) › somit ist auch Ausbreitungsgeschwindigkeit wellenlängenabhängig: cm = c0 / n → cm(λ) = c0 / n(λ) › Signal besteht aus mehreren Wellenlängen → unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten → Laufzeitunterschiede › Materialdispersion ist stoffabhängige Größe, die über Kernglas beeinflusst werden kann Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 71 Materialdispersion (2) Der Brechungsindex hängt von der Wellenlänge ab. DMAT ist durch die Dotierung des Glases beeinflussbar. Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 72 Wellenleiterdispersion › verursacht durch die unterschiedliche Lichtverteilung der Moden auf Kern- und Mantelglas (wellenlängenabhängig) › Durch komplexere Indexprofile kann die cladding Wellenleiterdispersion beim Herstellungsprozess der Glasfaser beeinflusst werden. core Faserachse 1550 nm 1310 nm SMF-SI Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 73 Wellenleiterdispersion (2) › DWEL durch Indexprofil beeinflussbar › Indexprofil und Geometrie definieren die Dispersion DWEL des Wellenleiters r Mantel Kern n Mantel r Standard- DS-Faser DF-Faser Faser (dispersion shifted) (dispersion flattened) Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 74 Chromatische Dispersion › Dchrom: Chromatische Dispersion › Dchrom beinhaltet beide Beiträge DMAT und DWEL › D: Koeffizient der Dispersion Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 75 Chromatische Dispersion (2) › die Summe aus Material- und Wellenleiterdispersion ergibt die chromatische Dispersion (Überlagerung beider λ- Abhängigkeiten) › selbst Laser emittieren nicht nur auf einer Wellenlänge, sondern mit einer Wellenlängenverteilung (Spektrum) › die verschiedenen Wellenlängen unterliegen unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten › dadurch kommt es zur Impulsverbreiterung t t Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 76 Beispiel zur Dispersion Beeinflussung durch 3 Faktoren: › Koeffizient der chr. Dispersion der Faser: Dchrom = 17 ps/(nm⋅km); Standard-Singlemode-LWL bei 1550 nm › Spektrum des Sendeelements: Δλ = 0,3 nm › Länge der Übertragungsstrecke: L = 150 km Δt = Dchrom ⋅ Δλ ⋅ L Δt = 17 ps/(nm⋅km) ⋅ 0,3 nm ⋅ 150 km Δt = 765 ps Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 77 Polarisationsmodendispersion (PMD) › Polarisation gibt die Ausrichtung der Schwingung der Lichtwelle an › die Lichtausbreitung im LWL ist unterschiedlich schnell je nach Lage der Schwingung › es bilden sich 2 Hauptachsen aus, die Schnelle und die Langsame › dadurch kommt es in Summe zu Impulsverbreiterungen, die als Gruppenlaufzeitdifferenz (DGD: Differential Group Delay) bezeichnet werden › DGD ist sehr empfindlich gegenüber Temperatur, Druck, Zug, Biegung und Torsion › Mittelwert der DGD ist PMD Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 78 Numerische Apertur Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 79 Grenzwinkel › Grenzwinkel der Totalreflexion αg bestimmt maximalen Einfallswinkel θGrenz auf Stirnfläche der Faser › Sinus des maximalen Einfallswinkels θGrenz wird als numerische Apertur definiert Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 80 Definition der Numerischen Apertur › Als numerische Apertur NA eines Lichtwellenleiters wird der Sinus des Grenzwinkels θGrenz definiert: NA = sin(θGrenz) › Die numerische Apertur ist ein Maß dafür, wie groß der maximale Einfallswinkel auf die Stirnfläche sein darf, damit das Licht im Lichtwellenleiter noch geführt werden kann (Akzeptanzkegel). › Die numerische Apertur ist abhängig von der Brechzahldifferenz: NA = n12 - n22 › Norm: − NA(8,3 µm-LWL) ≈ 0,12 − NA(50 µm-LWL) = 0,2 − NA(62,5 µm-LWL) = 0,275 Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 81 Zusammenfassung wichtiger Fasereigenschaften Bezeichnung Auswirkung Begrenzung Leistungsverluste Dämpfung entlang der Übertragungsdistanz Glasfaserstrecke Datenübertragungsrate Dispersion Impulsverbreiterung (Übertragungskapazität) Einkoppelverluste: Numerische Apertur LED/ LD → Faser einkoppelbare Leistung Faser → Faser Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 82 Vielen Dank für Ihr Interesse! Fragen? Netze BW GmbH Sparte Dienstleistungen Netztechnische Trainings Kurt-Schumacher-Str. 35 73728 Esslingen Weitere Infos erhalten Sie auf unserer Homepage: www.netze-bw.de/trainings Netztechnische Trainings, Stand 26.01.2024 83