Faserbiegungsverlust Der Begriff „Signalverlust“ bezeichnet den Signalverlust, der auftritt, wenn eine Glasfaser über einen bestimmten Radius hinaus gebogen wird. Dieses Phänomen beruht auf dem Austritt von Licht aus dem Faserkern beim Durchlaufen des Mantels. Beim Biegen einer Faser erfahren die Lichtstrahlen an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel Totalreflexion. Ist der Biegeradius jedoch zu klein, können Lichtstrahlen durch den Mantel entweichen, was zu Verlusten führt.

Der Faserbiegungsverlust hängt von mehreren Faktoren ab:

Biegeradius: Je kleiner der Biegeradius, desto höher der Biegeverlust. Dies liegt daran, dass ein kleinerer Biegeradius zu einer stärkeren Krümmung der Lichtstrahlen führt, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Lichtaustritts durch die Verkleidung steigt.

Fasertyp: Verschiedene Fasertypen weisen unterschiedliche Biegedämpfungseigenschaften auf. Beispielsweise weisen Singlemode-Fasern typischerweise geringere Biegedämpfungsverluste auf als Multimode-Fasern.

Wellenlänge: Die Biegedämpfung kann mit der Wellenlänge des durch die Faser übertragenen Lichts variieren. Bei manchen Wellenlängen kann die Biegedämpfung höher sein als bei anderen.

Faserdesign: Die Konstruktion der Faser, einschließlich des Brechungsindexprofils und der verwendeten Materialien, kann die Biegeverluste beeinflussen.

Beschichtung: Art und Qualität der auf die Faser aufgebrachten Beschichtung können deren Flexibilität und Widerstandsfähigkeit gegen Biegeverlust beeinflussen.

Um Biegeverluste zu minimieren, ist ein sorgfältiger Umgang mit Glasfasern und die Vermeidung übermäßiger Biegungen, insbesondere scharfer Knicke, wichtig. Glasfaserkabel sind daher häufig mit Schutzschichten und Verstärkungen versehen, um Biegeverluste zu reduzieren und eine zuverlässige Signalübertragung zu gewährleisten.

Bei der Anwendung von Glasfasern stellt die Mikrobiegungsdämpfung eine komplexere Form der optischen Dämpfung dar. Mit der Weiterentwicklung von Geräten und Glasfasern gewinnt die Mikrobiegungsdämpfung zunehmend an Bedeutung. Durch den Einsatz direkter optischer Schaltverfahren anstelle elektrischer Schaltungen in den Geräten ist die Faser auf engstem Raum langfristigen Belastungen ausgesetzt. Bei Fasern mit geringerem Durchmesser, beispielsweise durch Reduzierung der Beschichtungsdicke oder des Manteldurchmessers, verringert sich der Durchmesser. Auch bei Mehrkernfasern reduziert sich die effektive Manteldicke erheblich, was das Risiko von Mikrobiegungsverlusten erhöht.

Mikro- und Makrobiegungsverluste stehen zwar in direktem Zusammenhang mit Biegung, unterscheiden sich aber hinsichtlich ihres Entstehungsmechanismus deutlich. Daher ist es in der Praxis unerlässlich, Mikro- und Makrobiegungsverluste anhand ihrer Art zu unterscheiden, um die Fehlerursache präzise zu lokalisieren und die geeignete Lösung zu finden.

1. Im Hinblick auf die geometrische Verformung

Die Mikrobiegungsverluste entstehen durch die geringfügige Verformung der Faser, während die Makrobiegungsverluste durch die tatsächliche Biegung verursacht werden, wobei der Außendurchmesser der Faser idealerweise konstant bleibt. Dies führt zu einem deutlichen geometrischen Unterschied. Die geringe Verformung der Faser kann als hochfrequente Störung des geometrischen Umfangs in Längsrichtung der Faser betrachtet werden. Diese Störung besitzt zwei Eigenschaften: Amplitude und Frequenz. Mikrobiegungen entstehen durch hohe Frequenz und geringe Amplitude. Die externe Störung kann simuliert werden, wobei sich Frequenz und Amplitude zufällig mit der Zeit ändern. Die Fouriertransformation dieser zufälligen Variation ergibt, dass die Amplitude der Leistung entspricht und eine entsprechende Korrespondenz zwischen der spektralen Leistungsdichte und der Ortsfrequenz besteht.

Dies ist auch intuitiv leicht verständlich und lässt eine qualitative Schlussfolgerung zu: Bei sehr hoher Störfrequenz ist die Faserverformung gleichmäßig, und der Einfluss der Mikrobiegungsverluste ist gering. Bei sehr niedriger Störfrequenz hingegen kann es zu tatsächlichen Biegungen kommen, und die Makrobiegungsverluste dominieren.

2. Vom Verlustmechanismus

Bei der Makrobiegungsdämpfung kann davon ausgegangen werden, dass sich die Modenfeldverteilung des Grundmodus (Einmodenfaser) in der Faser zur Biegeseite hin ausbreitet. Der Anteil, der tief in den Fasermantel eindringt, strahlt ab und verliert allmählich an Leistung. Bei der Mikrobiegungsdämpfung wird ein Teil der Leistung des sich in der idealen Faser ausbreitenden Grundmodus unter dem Einfluss von Störungen in verschiedene Moden höherer Ordnung eingekoppelt. Mit zunehmender Ausbreitungsdistanz wird die von diesen Moden höherer Ordnung getragene Leistung aus der Oran-Zehn-Element-Faser abgestrahlt und kann gegebenenfalls wieder in den Grundmodus eingekoppelt werden.

Die Analyse der Mikrobiegungsverluste basiert typischerweise auf der Modenkopplungstheorie, und die grundlegende Beziehung ist etwas kompliziert.

Hierbei ist C der Kopplungskoeffizient zwischen dem Grundmodus und einem der höheren Moden. Er gibt an, wie viel Leistung vom geführten Modus auf den höheren Modus oder den Mantelmodus (im Einmodenbetrieb) übertragen wird. Q_Faser beschreibt die Störung der Faser unter direkter Spannung, und Q_Umgebung die Störung unter indirekter Spannung bei Änderung der Umgebungsbedingungen. Die Genauigkeit dieser Modellanalyse ist aufgrund der stark zufälligen Störungen, die die Mikrobiegungsverluste verursachen, begrenzt. Ziel der Analyse ist es jedoch, eine gute Orientierung zu bieten. In bestimmten Fällen können zusätzliche Koeffizienten verwendet werden, um die Simulationsergebnisse zu approximieren.

Olshansky untersuchte und schlug in der Frühphase eine Beobachtungsbeziehung vor.

a -Kernradius

b - Verkleidungsradius

Delta – Brechungsindexdifferenz

Elastizitätsmodul der EE-Polymerbeschichtung

Beispiel – Elastizitätsmodul von optischem Glasfaserglas

Für die meisten Anwendungsfälle ist diese Beziehung hilfreicher.

3. Ursache für Mikrobiegungsverluste

Die Ursache für Mikrobiegungsverluste sind hauptsächlich externe Faktoren. Wird die Faser ohne Kabelkonfektionierung verwendet und wirken keine äußeren Kräfte im freien Raum, treten keine Mikrobiegungsverluste auf. Obwohl geometrische Unregelmäßigkeiten der Faser selbst potenziell Mikrobiegungsverluste verursachen können, ist deren Einfluss vernachlässigbar, da die Dämpfungsprüfung im Werk erfolgreich bestanden wurde. Es wird lediglich der Einfluss der Mikrobiegungsverluste berücksichtigt, der durch die externe Fixierung in optischen Kabeln oder Geräten entsteht.

Die Ursachen für Mikrobiegungsverluste liegen hauptsächlich in drei Aspekten.

Der erste Faktor ist die Faserkonstruktion selbst. Die Faserkonstruktion selbst ist nicht die Ursache für Mikrobiegungsverluste, aber die Empfindlichkeit gegenüber Mikrobiegung wird durch die Faserkonstruktion bestimmt. Die Konstruktion des Faserkerns wird hauptsächlich durch den MAC-Wert beeinflusst. Dies steht im Einklang mit Olshanskys Formel zur Bestimmung der Fasereigenschaften.

Je kleiner der MAC ist, desto geringer sind die Mikrobiegungsverluste bei gleicher äußerer Störung.

Dies spiegelt sich in der jeweiligen Faser wider; im Allgemeinen weist die G657-Faser geringere Mikro-Biegeverluste auf als die G652-Faser.

Obwohl sich die Mikrobiegungsverluste durch Verringerung des Kernradius und Erhöhung der Brechungsindexdifferenz reduzieren lassen, ist ein Zusammenhang zwischen den Faserparametern und der Standardisierung der Faser unwahrscheinlich, wenn nur ein Parameter geändert wird, während die anderen unverändert bleiben. Dieser Trend setzt sich jedoch fort.

Die Gestaltung des Fasermantels kann ebenfalls zu Verbesserungen führen. Die Wellenlängenabhängigkeit der Mikrobiegungsdämpfung ändert sich stark, wenn dem Fasermantel eine bestimmte Rillenstruktur hinzugefügt wird.

Die Wellenlängenabhängigkeit der Mikrobiegungsdämpfung der gerillten Faser in der Abbildung unterscheidet sich deutlich von der der Standardfaser. Die Wellenlängenabhängigkeit der Standardfaser in dieser Abbildung weicht geringfügig von den üblichen Daten ab, insbesondere bei der gerillten Faser, deren Mikrobiegungsdämpfung abgeflacht ist. Dies bedeutet, dass bei der üblichen Problemlokalisierung und -analyse das Faserdesign berücksichtigt werden muss, da Erfahrungswerte sonst irreführend sein können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Faserdesign die Mikrobiegungsdämpfung optimiert, was in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft ist.

Zweitens hängt die Ursache der Mikrobiegungsverluste mit den Eigenschaften des Glasfaserkabels zusammen, was komplexer ist. Die Komplexität liegt darin, dass es sehr viele verschiedene Glasfaserkabeltypen mit unterschiedlichen Designs gibt, die sich jedoch relativ leicht auf einen bestimmten Typ beziehen lassen. Ein typischer Faktor ist der Einfluss der Beschichtung. Intuitiv lässt sich schlussfolgern, dass die Beschichtung als erste Schutzlinie der Faser eine effektive Spannungsübertragung ermöglicht. Wenn die Beschichtung als Spannungsübertragungsfunktion verwendet wird, gilt: Je kleiner der innere und je größer der äußere Elastizitätsmodul ist, desto kleiner ist der Wert der Spannungsübertragungsfunktion und desto geringer ist auch der Einfluss der entsprechenden Mikrobiegungsverluste. Es ist bekannt, dass ein größerer Durchmesser der Beschichtung den Einfluss der Mikrobiegungsverluste verringert.

Der Durchmesser einer 900-µm-Faser ist offensichtlich deutlich kleiner als die Mikrobiegedämpfung einer 250-µm-Faser. Es ist außerdem bekannt, dass bei gleicher Glasfaserkabelkonstruktion die Mikrobiegedämpfung einer 900-µm-Faser unter normalen Umständen trotz ihres geringen Wirkungsbereichs im Kabel deutlich geringer ist.

Der dritte Faktor ist der Einfluss der Umgebung, in der sich das Kabel befindet. Aufgrund der Komplexität der Mikrobiegedämpfung existiert derzeit kein standardisiertes Prüfverfahren. Das in IEC/TR62221 beschriebene Prüfverfahren wird üblicherweise direkt angewendet. Die Bestimmung der Störung gestaltet sich schwierig. Selbst bei bestimmten Prüfverfahren, Prüfumgebungen und Prüfgeräten können unterschiedliche Einbauorte zu abweichenden Ergebnissen führen. Die Ergebnisse verschiedener Labore und Prüfverfahren sind nicht direkt vergleichbar, sondern lassen sich lediglich qualitativ vergleichen. Für die Beurteilung der Prüfergebnisse ist eine separate Bewertung erforderlich.