Neue Technologie steigert die Zuverlässigkeit von Glasfasersignalen

Stellen Sie sich vor, dass Fahrzeuge auf einer Autobahn während der Fahrt allmählich an Leistung verlieren und schließlich ihr Ziel nicht mehr erreichen. Die Glasfaserkommunikation steht vor einer ähnlichen Herausforderung: der Dämpfung. Als Rückgrat der modernen Kommunikation wirkt sich die Glasfaserleistung direkt auf die Effizienz und Qualität der Datenübertragung aus. Allerdings kommt es bei Glasfaserkabeln wie bei Kupferkabeln zu einer Signaldämpfung während der Übertragung, was zu Informationsverlusten führt. Das Verständnis und die Bewältigung der Glasfaserdämpfung ist für die Aufrechterhaltung einer stabilen Hochgeschwindigkeitskommunikation von entscheidender Bedeutung.

Dieser Artikel untersucht die Ursachen, Auswirkungen und Minderungsstrategien der Glasfaserdämpfung und bietet Einblicke in die grundlegenden Mechanismen der optischen Kommunikation und wie man Netzwerkdesign und -wartung optimieren kann.

Unter Glasfaserdämpfung versteht man den Energieverlust optischer Signale bei der Übertragung über Glasfaserkabel. Dieser Verlust äußert sich in einer verringerten optischen Leistung, was sich direkt auf die Kommunikationsentfernung und die Signalqualität auswirkt. Das Verständnis der Arten und Einflussfaktoren der Dämpfung ermöglicht wirksame Maßnahmen zur Minimierung der Signalverschlechterung und zur Verbesserung der Leistung von Glasfasersystemen.

Die Faserdämpfung resultiert aus der Kombination mehrerer physikalischer Phänomene. Die drei Hauptursachen sind Streu-, Absorptions- und Biegeverluste.

Streuung ist die Hauptquelle der Faserdämpfung und macht 95 bis 97 % des gesamten Signalverlusts aus. Während Licht durch die Faser wandert, interagiert es mit mikroskopischen Strukturen und Partikeln im Fasermaterial, wodurch die Strahlen in verschiedene Richtungen gestreut werden. Durch diese Streuung werden einige optische Signale von ihrem vorgesehenen Weg abgelenkt, was zu Energieverlusten führt.

Das vorherrschende Streuphänomen ist die Rayleigh-Streuung, die erstmals im späten 19. Jahrhundert vom britischen Physiker Lord Rayleigh beschrieben wurde. Die Rayleigh-Streuung hängt von der Lichtwellenlänge und der Partikelgröße ab – kürzere Wellenlängen streuen leichter. Dies erklärt, warum der Himmel blau erscheint: Die blauen Wellenlängen des Sonnenlichts werden leichter durch atmosphärische Partikel gestreut.

In der Faseroptik erfahren Infrarotwellenlängen aufgrund ihrer längeren Wellenlänge eine geringere Streuung als sichtbares Licht, was sie ideal für die optische Kommunikation macht.

Die Absorption macht typischerweise 3 bis 5 % der gesamten Faserdämpfung aus. Selbst hochtransparentes Glas absorbiert etwas Licht. Die Absorptionsniveaus hängen von der Art des Fasermaterials und der Signalwellenlänge ab. Ähnlich wie Sonnenbrillen bestimmte Lichtfrequenzen absorbieren, absorbieren Verunreinigungen in Glasfasern Signalenergie und wandeln sie in Wärme um.

Verunreinigungen wie Metallpartikel oder Feuchtigkeit behindern die Signalübertragung durch Energieabsorption. Um die Absorption zu minimieren, sind hochreines Glas, spezielle Dotierstoffe und eine strikte Beseitigung von Verunreinigungen während der Herstellung erforderlich.

Biegeverluste treten auf, wenn die Faserkrümmung den Weg des Lichts verändert und einige Signale daran hindern, die Bedingungen der Totalreflexion zu erfüllen. Dadurch entweicht Licht aus der Faser, was zu einem Energieverlust führt. Biegeverlust tritt in zwei Formen auf: Mikrobiegung und Makrobiegung.

• Mikrobiegeverlust:Unmerkliche Verformungen im kleinen Maßstab (Biegeradien unter 1 cm) durch Temperaturschwankungen, Druck oder mechanische Beanspruchung. Diese mikroskopischen Biegungen streuen das Licht und verschlechtern die Übertragungsqualität. Obwohl für das bloße Auge unsichtbar, verändern Mikrobiegungen den Einfallswinkel des Lichts, wodurch Moden höherer Ordnung in Winkeln reflektiert werden, die eine weitere Ausbreitung verhindern, was zu einer Mantelabsorption führt.
• Makrobiegeverlust:Sichtbare großflächige Biegungen (Radien über 1 cm) aufgrund erheblicher Temperaturschwankungen, Druckschwankungen oder mechanischer Beanspruchung wie Kabelbiegung oder Zugspannung. Ähnlich wie beim Mikrobiegen, jedoch mit größeren Radien, verändern Makrobiegungen die Einfallswinkel so weit, dass ein Teil des Lichts außerhalb des Faserkerns reflektiert und vom Mantel absorbiert wird.

Spezielle Kabeldesigns und Installationstechniken minimieren Biegeeffekte, einschließlich Schutzmaßnahmen wie Kabelklemmen oder -wannen, um Fasern vor äußerer Belastung zu schützen.

Die Dämpfung wird in Dezibel pro Kilometer (dB/km) gemessen und in Verlustwerte (in dB) für bestimmte Kabellängen umgerechnet.

• Wellenlängeneinfluss:Kürzere Wellenlängen erfahren eine höhere Absorption, wodurch die Dämpfung bei Singlemode-Fasern geringer ist als bei Multimode-Fasern bei gleichen Längen.
• Auswirkungen auf die Länge:Längere Fasern erleiden einen größeren Energieverlust durch Streuung und Absorption. Singlemode-Fasern weisen über identische Entfernungen eine geringere Dämpfung auf als Multimode-Fasern.
• Umweltauswirkungen:Die Dämpfung nimmt mit der Temperatur leicht zu, nimmt jedoch mit der Luftfeuchtigkeit ab, wenn die Kabeladern trocken bleiben.
• Auswirkungen auf die Faserstruktur:Kabelzentren weisen bei Berechnungen eine höhere Dämpfung auf als Kanten.

Singlemode- und Multimode-Fasern weisen unterschiedliche Dämpfungseigenschaften auf. Während Multimode-Fasern bei gleichen Längen einen höheren Verlust aufweisen als Singlemode-Fasern, ist bei Langstreckenanwendungen (mehr als 100 Meter) die Dämpfung bei Multimode-Fasern über ihre jeweiligen optimalen Distanzen vergleichsweise geringer als bei Singlemode-Fasern.

Die Dämpfung ist ein entscheidender Aspekt bei der Gestaltung und Bereitstellung von Glasfasernetzen, da sie die maximalen Übertragungsentfernungen bestimmt, bevor eine Signalverstärkung oder -regeneration erforderlich ist. Um die Dämpfung zu minimieren, müssen hochwertige Glasfaserkabel und -komponenten verwendet werden, die normalerweise in Schutzmänteln installiert werden, um die Auswirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit auf die Umwelt zu reduzieren. Ein umfassendes Verständnis der Glasfaserdämpfung ermöglicht eine bessere Netzwerkplanung.

Während Glasfaserdämpfung in der optischen Kommunikation unvermeidlich ist, ermöglicht ein gründliches Verständnis ihrer Ursachen und Einflussfaktoren wirksame Minderungsstrategien zur Verbesserung der Systemleistung. Die Auswahl optimaler Wellenlängen, der Einsatz hochwertiger Materialien, die Optimierung von Kabeldesign und -installation sowie die Kontrolle der Umgebungsbedingungen tragen alle zur Dämpfungsreduzierung bei. Nur durch die Beherrschung der Dämpfungsprinzipien können wir stabile, zuverlässige Glasfasernetze aufbauen, die die Grundlage der modernen Informationsgesellschaft bilden.