Messen von Mehrfaser- Lichtwellenleitern

INFORMATIONSTECHNIK
Messen von MehrfaserLichtwellenleitern
RICHTIGE LICHTEINSPEISUNG ENTSCHEIDET ÜBER MESSGENAUIGKEIT LWL-Mehrfachfasern
mit Mehrfasersteckern (MPO, Multifiber-Push-On) erfordern Messtechniken mit optimierter Lichteinspeisung in die zu messenden Fasern. Nur hochwertige optische Messgeräte erfüllen diese Bedingung. Wie funktionieren solche Messgeräte?
AUF EINEN BLICK
TYPEN VON LICHTWELLENLEITERN Neben den Singlemodesowie den Multimodeglasfasen kommen nun auch Mehrfasersysteme
(Bändchenfasern) zum Einsatz MPO
RICHTIGE LICHTEINKOPPLUNG Für eine fehlerfreie Dämpfungsmessung muss die passende Lichteinkopplung gewählt werden
QUALITÄTSGARANTIE Trotz gegebener Herstellergarantie ist das
Vermessen von Mehrfaser-Lichtwellenleitern nach der Erstinstallation
zu empfehlen
die Anschlusskomponenten (TAE, UAE,
KOAX, usw.) wohnungs- bzw. hausintern unterscheiden. Die nach DIN 18015-1 vorgeschriebenen Rohrnetze für Informations- und
Kommunikationsanlagen (IuK) sowie Rundfunk- und Kommunikationsanlagen (RuK)
bieten die Möglichkeit einer zukunftssicheren Ausstattung mit Informations-, Rundfunk- und Kommunikationsanlagen.
Damit haben nun auch die Lichtwellenleiter in Wohnungen einen neuen Stellenwert
gefunden.
Glasfasern in Rechenzentren
D
ie Forderung von immer mehr Bandbreite ist allgemein bekannt und darüber
wird im Moment viel diskutiert. Multimediaanwendungen und ein schneller Datenverkehr in privaten Haushalten gehört schon
fast zum Standard. In Neubauten (Wohnungen sowie Gewerbebauten) sollte man heute
die Infrastrukturen für die Kommunikationstechnik (Telefon, Daten, Fernsehen, Gebäudeautomation) nach der Empfehlung RALRG 678 einplanen. Es empfiehlt sich, den
Komfortausstattungsgrad »3plus« anzusetzen, ein zukunftsgerechter Ausstattungsgrad. Die Ausstattungsrichtlinie sagt aus,
dass ein wichtiger Bestandteil der Gebäudeinstallation nun haus- bzw. wohnungsinterne Kommunikationsanlagen zur Über-
INFOS
Fachbeiträge
MPO-Stecker in Rechenzentren
»de« 4.2012 ¬ S.58
Messtechnik in Netzen
»de« 1 – 2.2010 ¬ S.52
60
tragung von Sprache, Bildern und anderen
Informationen sind. Als Übertragungsmedien
dienen Kommunikationsleitungen, Funk und
Starkstromleitungen. Ein Rohrnetz ist für leitungsgebundene Übertragungssysteme erforderlich, damit in der Wohnung bzw. im
Haus zur Bereitstellung zeitgemäßer Dienste
und Anwendungen die entsprechenden Leitungen installiert werden können.
Die Anwendungen und die unterschiedlichen Möglichkeiten der Diensteeinspeisung
(z.B. Internet, Telefon, TV über Kupfer- oder
Lichtwellenleiter, über Breitbandkabel, Funk
oder via Satellit) wachsen zunehmend zusammen. Deshalb können sich auch die Anforderungen an die Verkabelung (twisted
pair, Koaxialleiter, Lichtwellenleiter) und an
LICHTEINSPEISUNG
VCSEL (Vertical cavity surface emitting Laser) ist ein Halbleiterlaser, bei dem das Licht
senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zum herkömmlichen Kantenemitter, bei dem das Licht an
ein oder zwei Flanken des Chips austritt.
VCSEL ermöglichen eine bessere Lichteinspeisung in Lichtwellenleiter.
Einen weitereren Anwendungsbereich von
Breitbandanwendungen findet man in Rechenzentren. Allerdings erfordert dieser erhöhte Bandbreitenbedarf auch in Rechenzentren die Vorausplanung dieser Anforderungen. Das führt dazu, dass man sich speziell in Rechenzentren Gedanken darüber
macht, wie man in Zukunft effizient höhere
Datenraten zwischen Servern, Switches und
Storage übertragen kann. Hierzu eignen sich
besonders gut Glasfaserverbindungen. Allgemein bekannt sind hier die Singlemode- und
Multimodefasern. Seit einigen Jahren kommen aber immer mehr die mehrfasrigen
Lichtwellenleiter in Anwendung, Diese erfordern spezielle, mehrfasrige Stecksysteme,
MPO genannt, Multifiber-Push-On (Bild 1).
Wie Studien bereits gezeigt haben rechnet
man in den nächsten Jahren damit, dass diese Datenraten zunächst 40 Gb/s und später
100 Gb/s erreichen werden (siehe Bild 2).
Bereits heute werden in modernen Rechenzentren immer häufiger 40 Gb/s-Trunks mit
vorkonfektionierten MPO-Kabelstrecken installiert. Die Vorteile liegen auf der Hand, anstatt einzelne Fasern zu verwenden, setzt
man MPO-Verkabelungsstrecken mit bis zu
zwölf Fasern pro Strecke ein, was zu einer
de 11.2013
INFORMATIONSTECHNIK
Bild 1: MPO-Steckverbinder (Male-mit Pins)
ner Größe und Aufbau ähnlich dem MTRJStecker, zeichnen sich aber durch eine höhere Faserdichte aus. Der MPO-Stecker hat
eine Ferrule mit den Maßen 2,5 mm x 6,4 mm
und ist damit geringfügig größer als der
MTRJ-Stecker. Der MPO-Stecker hat eine
Push-Pull-Verriegelung mit Schiebehülse
und kann zwei Ausrichtungsstifte am Ferrulenende haben (Male-Stecker, siehe Bild 1).
Wie die meisten LWL-Stecker kann die Stirnfläche als Physical Contact (PC) oder als
Angle Polished Convex (APC) mit Schrägschliff verarbeitet sein. Definiert ist der MPOStecker selbst in den Standards IEC61754-7
und TIA/EIA 604-5. In den Normen
ISO / IEC11801 sowie EN50173-5 ist dieser
www.elektro.net
Steckverbindertyp neben dem SC- und LCStecker für Anwendungen im Bereich Rechenzentrum standardisiert und unterstützt
paralleloptische Übertragungen, die wie
die kommenden Varianten 40 Gbit/s und
100 Gbit/s-Ethernet, im Bereich der Multimodeanwendung, nicht mehr über Einzelfasern, sondern über Mehrfaserkabel mit
MPO-Steckern, übertragen werden. Der MPOStecker hat eine typische Einfügungsdämpfung von 0,3 dB, eine Rückflussdämpfung
von > 15 dB und ist für mehr als 1 000 Steckzyklen ausgelegt.
Messen von
MPO-Verkabelungen
Müssen wir MPO-Verkabelungen messen?
Ja, obwohl die Trunkkabel mit den MPOSteckverbindern selbstverständlich von den
Herstellern getestet werden, können z.B. die
Steckverbinder während der Montage verschmutzt werden, oder die Fasern können
Stress ausgesetzt werden, der deren gute Eigenschaften beeinträchtigt. Ob es sich also
nun um den Test neu installierter MPO-Links
oder Aggregation-Links handelt oder auch
um einen Eingangstest an MPO-Komponenten, wie zum Beispiel Aufteilkassetten (oder
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Was bedeutet eigentlich MPO?
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10 G
40 G
2020
2019
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2017
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2013
2012
2011
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2008
2007
2006
1G
100 G
(Quelle IEEE, 2011)
100 M
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2004
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0
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2
2001
Bild 2: Trend von Ethernet-Technologien über der Zeit
LC
TRCs
SC
LC
MPO / MTP
MPO / MTP
Verbindungskabel
SC
TRCs
SC
SC
Quelle: Psiber-Data.com
MPO-Stecker (Multifiber-Push-On, MPO), ist
ein Mehrfaserstecker für Multimode- und
Singlemodefasern, der 4, 8, 12, 16, 24 oder
mehr Glasfasern aufnehmen kann. Der ursprüngliche Stecker wurde von NTT in den
80er-Jahren entwickelt und in den 90erJahren von einem Joint Venture namens USConec (NTT, Corning und Fujikura) zum
MTP-Stecker weiterentwickelt. Neuere Entwicklungen des MPO-Steckers bringen es
auf bis zu 72 Glasfasern, die in mehreren
Reihen in einem Stecker untergebracht sind.
Der Faserabstand in einer Reihe und zwischen den Reihen liegt bei 250 µm. Der
MPO-Stecker wird typischerweise mit sog.
Bändchen-Fasern eingesetzt und ist in sei-
Lichtwellenleiter
Führung
2000
Bislang hat sich die optische Messtechnik
(Pegelmessung und OTDR, opt. Time Domain Reflektometer) auf einzelne SInglemode- und Multimodefasern beschränkt.
Die optische Pegelmessung beruht auf einer zweiseitig durchgeführten Leistungspegelmessung und liefert sehr genaue Messergebnisse. Sie wird insbesondere dort angewendet, wo die Dämpfungsreserven genau
bestimmt werden müssen.
Die zweite wesentliche Messung in optischen Systemen ist die Time Domain Reflektometermessung in Glasfasern (OTDR). Mit
ihr schaut man quasi von einer Seite in die
Faser hinein und erfasst die reflektierten
Lichtsignale. Mithilfe der Laufzeit der reflektierten Signale schließt man dann auf die
Lage und Eigenschaften von Störstellen. Diese können sein: schlechte Steckverbinder,
schlechte Spleißstellen, Faserknicke oder gar
ein Faserbruch. Allerdings sind die Messwerte nicht so genau wie bei der Pegelmessung.
Nun besteht aber der Bedarf, auch die
mehrfasrigen Lichtwellenleiter messen zu
können. Damit wachsen auch die mechanischen und physikalischen Anforderungen an
optischen Messgeräten an. Ein ganz wesentlicher Aspekt ist die definierte Lichteinspeisung in die Fasern, um genaue Messergebnisse zu erhalten. Hierzu gehen wir später
genauer ein, doch zunächst beschreiben wir
hier den MPO-Stecker.
Server in Millionen
Messtechnik muss mitwachsen
Quelle: IT-Wissen
Reduzierung der Menge an verwendeten
Einzelkabeln, Einzelsteckverbindern und einer Reduzierung des Platzbedarfes in Verlegewegen führt und auch die Anzahl möglicher Fehlerquellen reduziert.
Bild 3: MPO-Leitung mit Fan-Out (Aufteilung) und Testkabel beidseitig
61
INFORMATIONSTECHNIK
Quelle: Rosenberger-OSI
lateraler
Versatz
unterfüllte
Laser
Anregung
keine Dämpfung
durch Kernversatz
Faserkern
z. B. 50 µm
Fasermantel
125 µm
Quelle: Rosenberger-OSI
Bild 4: Faser-Verbindung-Faser, unterfüllte Anregungsbedingungen messen Kernversatz
nicht
unterfüllte
LED
Anregung
lateraler Versatz
falsche OFL-Dämpfung
tatsächliche Versatzdämpfung
Faserkern z. B. 50 µm
Fasermantel 125 µm
Bild 5: Faser-Verbindung-Faser, überfüllte Anregungsbedingungen erbringen falsche Ergebnisse
Quelle: Rosenberger-OSI
lateraler
Versatz
EF oder
VCSEL
Anregung
nur großer Versatz
wird als Dämpfung
gemessen
Faserkern
z. B. 50 µm
Fasermantel
125 µm
Bild 6: Faser-Verbindung-Faser, Encircled-Flux (EF)-Anregungsbedingungen, optimale
Messbedingungen
leistungsmesser, zu vermessen und die entsprechenden Werte einzeln zu dokumentieren (Bild 3). Die Problematiken hierbei sind
vielfältig: Zunächst fordert die Standard ISO/
IEC11801 und auch TIA (International Telecommunications Union) für die Messung an
Multimode-MPO-Links eine »Encircled-Flux«(EF)-Lichtquelle (eingekreister, umgebener
Fluss), was nur in den seltensten Fällen bei
»einfachen« Dämpfungsmessgerätesätzen
der Fall ist. Im nachfolgenden Kapitel erläu-
Quelle: Psiber-Data.com
Fan-Out-Kabel) die von MPO Steckverbindern auf z. B. 12 Einzelsteckverbinder LC
oder SC umsetzen – immer wieder steht man
vor dem Problem, wie kann ich diese richtig
messen?
Eine mögliche Lösung ist, die einzelnen Fasern mittels zweier Fan-Out-Kabel (Aufteilungskabel) auf Einzelstecker zu legen und
dann jede einzelne Faser mittels eines Dämpfungs-Messgerätesatzes, bestehend aus einer Glasfaserlichtquelle und einem Glasfaser-
Bild 7: Dämpfungsergebnis und FiberMap bei Geräten mit direkten MPO Anschlüssen
62
tern wir die Problematik der Lichteinkopplung
in Glasfasern genauer und das hier angesprochene Verfahren »EF«.
Optimierte Lichteinspeisung –
Encirceld Flux
Im Gegensatz zu normalen Multimodelichtquellen (LED oder Laser) stellt »Encirceld
Flux« ein standardisiertes Lichteinkoppelverfahren für Multimodelichtquellen bereit, das
für eine genau definierte und extrem gleichmäßige Lichteinkopplung in Multimodeglasfasern sorgt, und damit zu wesentlich genaueren und besser reproduzierbaren Messergebnissen bei der Vermessung von Multimodelinks führt. In Abhängigkeit der
einspeisenden Lichtquelle unterscheiden wir
hier zwischen »unterfüllende«, »überfüllende« sowie »kontrolliert unterfüllende« Lichteinspeisung (EF).
Verschiedene Lichteinspeisungen
Das eine Extrem sind Lichtquellen, welche
die Faser bei der Dämpfungsmessung von
Multimodeverkabelung unterfüllen (zu schmaler Lichtstrahl, Bild 4), wie z. B. von Laser
von OTDRs. Diese erbringen zu gute, aber
falsche Messergebnisse, weil Verbindungsfehler wie z. B. lateraler Versatz der Faserkerne (verursacht durch Toleranzen in der Verbindung), nicht erkannt werden können.
Das andere, ebenfalls fehlerhafte Extrem,
sind OFL, Overfilled Launch Lichtquellen, wie
z. B. LEDs von einfachen Dämpfungsmeßgeräten, welche die Faser bei der Messung von
Multimodeverkabelung überfüllen (Bild 5).
Hier ist der abgestrahlte Lichtkegel der LED,
der auf die Faserfrontfläche leuchtet, wesentlich größer als der Faserkern. Das erbringt zu
schlechte und ebenfalls falsche Messergebnisse, verursacht durch den Verlust der in
den Fasermantel eingekoppelten Moden höherer Ordnung (Mantelmodendämpfung).
Überfüllte Anregungsbedingungen erbringen
falsche Ergebnisse
Kontrolliert, unterfüllende Einspeisung
Die zuletzt normierte Multimode-Anregungsbedingung ist der EF, welcher den Anregungsbedingungen von aktuellen 850 nmMultimode-VCSEL-Sendern (VCSEL: verticalcavity surface- emitting Laser, siehe Kasten)
in üblichen Transceivern am besten entspricht. Die 50-μm-Faser wird kontrolliert
unterfüllt (Bild 6) mit einem Lichtspot von
22 μm Durchmesser eingespeist. Bei der
erstmaligen Messung der realen Dämpfung,
die 850-nm-VCSEL-Sender in Multimodeverde 11.2013
LINKS
www.psiber-data.com
www.rosenberger-osi.de
INFOS
Noch Fragen
Sigurd Schobert
Telefon: (0 89) 21 83 - 89 82
[email protected]
www.elektro.net
Quelle: Psiber-Data.com
Bild 8: Leuchtdichteverteilung am Einspeisepunkt der Faser: hier eine gute Einspeisung
Bild 9: Zu ungleichmäßige Lichteinspeisung
am Eingang der zu messenden Faser
Quelle: Psiber-Data.com
kabelungen erfahren, wird dieses so gehandhabt. EF-Anregungsbedingungen gewährleisten mit ihren 850 nm-Multimode-VCSEL
den Anwendungen entsprechende stimmende Dämpfungswerte. Es werden keine zu
Messfehlern führenden Moden höherer Ordnung, wie bei OFL (Overfilled Launch Lichtquellen, LEDs, Bild 5), in die zu messende
Verkabelung eingekoppelt. Große Faserkernversätze werden gemessen, aber kleinere, in
Multimode-Steckverbindungen übliche Versätze, die VCSELs nicht dämpfen, werden
nicht als solche erfasst.
Eine weitere Herausforderung ist der korrekte Nullabgleich zwischen der Lichtquelle
und dem Leistungsmesser und der Aufwand
der herbei betrieben werden muss, um die
Referenzqualität der verwendeten Messkabel
zu garantieren. Das alles macht eine Messung nach diesem Verfahren kompliziert und
zeitaufwendig – und damit auch teuer!
Eine wesentlich elegantere Lösung ist es,
die erforderlichen Testfunktionen in Messgeräten mit direkten MPO-Anschlüssen einzubauen. An diese können dann, mittels entsprechender MPO-Messkabel in Referenzqualität, direkt die zu vermessenden MPOKabelstrecken angeschlossen werden. Diese
Messanordnung besteht dann ebenfalls aus
einer Lichtquelle, die dann aber 12 »Encircled Flux« Multimode Lichtquellen enthält.
Der dazu passende Leistungsmesser hat
dann auch wiederum zwölf einzelne Pegelmesser in einem Adapter mit MPO-Anschluss. Bei diesen Messgeräten kann man
dann mit einem Autotest gleich alle zwölf Fasen messen (Bild 7), was deutlich schnellere
Messungen als bei den Einzelfasermessgeräten zur Folge hat. Ein weiterer Vorteil dieser
MPO-Messgeräte ist dann zusätzlich, dass
man dann bei den gemessenen MPO-Links
die Anordnung der Fasern nach Typ A, B
oder C (Verschiedene Zählrichtungen der Fasern im MPO-Stecker) und auch eine
Quelle: Psiber-Data.com
INFORMATIONSTECHNIK
Bild 10: Psiber Data WireXpert mit MPO-Messadaptern
kundenspezifische Anordnungen der Fasern
bestimmen und in einer FiberMap darstellen
kann (Bild 7). Ein weiterer Vorteil dieser
Messgeräte ist dann auch die einfachere
Handhabung der Messgeräte und auch der
Messergebnisse, da man alle Daten zusammen in einem Autotest-Ergebnis und Protokoll erhält.
Die Bilder 8 und 9 zeigen außerdem die
Qualität der Lichteinspeisung am Eingang einer Faser. Im Bild 8 erkennt man eine flächenmäßig, gleichmäßige Verteilung der
Lichtintensität in die X- und Y-Richtung der
Faserfrontfläche. Hier handelt es sich um eine typische EF-Einspeisung. Bild 9 zeigt eine
ungleichmäßige Lichtintensitätsverteilung.
Eine solche Lichteinspeisung führt zu Messfehlern. Die intensiveren Lichtmoden (hier
rot) am Rand des Faserkerns führen zu
Messverlusten und damit zu Fehlinterpretationen bei der Auswertung.
Ein Beispiel eines MPO-Verkabelungs
Messgerätes ist z. B. der Psiber Data WireXpert mit MPO-Multimode-Messadaptersatz,
bestehend aus einer MPO »Encircled Flux«
Multimode Lichtquelle, einem MPO-Pegelmesser und dazu passenden Messkabeln in
Referenzqualität (Bild 10).
Fazit
Eine Multimode-Messslichtquelle mit kontrollierten Anregungsbedingungen gewährleistet
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von
Dämpfungsmeßwerten. Der zur Dämpfungsmessung von Multimodeverkabelungen eingesetzte Lichtquellentyp und wie dessen
Licht in die Faser eingekoppelt wird, bestimmt eine genaue Messung der Pegel in
Lichtwellenleitern.
AUTOR
Thomas Hüsch
Psiber Data GmbH, Krailling
Sigurd Schobert
Redaktion »de«
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