Forscher lösen Dämpfung und Streuung der Glasfaser

Stellen Sie sich Daten als Fahrzeuge vor, die über eine Informationsautobahn rasen, wobei Glasfasern als Fahrbahn selbst dienen. Wenn die Fahrbahn uneben ist (Dämpfung) oder die Fahrspuren schlecht ausgelegt sind (Streuung), können selbst die schnellsten Fahrzeuge nicht garantieren, dass die Daten ihr Ziel sicher und effizient erreichen. Die Glasfaserkommunikation als Eckpfeiler der modernen Informationsübertragung unterliegt verschiedenen leistungsbeeinflussenden Faktoren, wobei Dämpfung und Streuung zwei der kritischsten sind. In diesem Artikel wird untersucht, wie sich diese Faktoren auf Glasfaserkommunikationsverbindungen auswirken, und es werden Optimierungsstrategien untersucht, um eine zuverlässige und effiziente Datenübertragung sicherzustellen.

Glasfaserkabel werden basierend auf ihrem Kerndurchmesser und ihren Lichtübertragungsmodi in zwei Haupttypen eingeteilt: Multimode-Faser (MMF) und Singlemode-Faser (SMF). Diese Fasern unterscheiden sich erheblich in ihren Lichtquellen, Übertragungseigenschaften und Anwendungen.

• Kerndurchmesser:Relativ groß, sodass das Licht in verschiedenen Winkeln im Kern reflektiert werden kann. Diese Mehrwegeausbreitung gibt „Multimode“ seinen Namen.
• Lichtquelle:Typischerweise werden Leuchtdioden (LEDs) verwendet, die kostengünstig sind, aber inkohärentes Licht mit mehreren Wellenlängen und divergenten Strahlen erzeugen.
• Übertragungseigenschaften:Unterschiedliche Lichtwege erzeugen eine Modendispersion, die die Übertragungsentfernung und Bandbreite begrenzt.
• Anwendungen:Bestens geeignet für Anwendungen über kurze Entfernungen und mit geringer Bandbreite, wie z. B. den Aufbau von Netzwerken und Rechenzentrumsverbindungen, bei denen die geringeren Kosten einen Vorteil bieten.

• Kerndurchmesser:Extrem klein, ermöglicht nur einen einzigen Lichtweg direkt durch den Kern und eliminiert Modendispersion.
• Lichtquelle:Verwendet Laser, die kohärentes Licht mit einer Wellenlänge und stark fokussierten Strahlen erzeugen, die sich ideal für die Übertragung über große Entfernungen eignen.
• Übertragungseigenschaften:Höhere Bandbreite und größere Entfernungen, erfordert jedoch aufgrund des kleinen Kerns präzisere Verbindungen und Wartung.
• Anwendungen:Die bevorzugte Wahl für Langstreckenanwendungen mit hoher Bandbreite, einschließlich Stadtnetzen, Backbone-Netzwerken und Unterseekabeln.

Unter Dämpfung versteht man den Verlust optischer Leistung, wenn Signale durch Glasfaser übertragen werden, was sich erheblich auf die Kommunikationsentfernung und die Systemleistung auswirkt.

• Absorptionsverlust:Fasermaterialien absorbieren auf natürliche Weise bestimmte Lichtwellenlängen und wandeln optische Energie in Wärme um.
• Streuverlust:Mikroskopische Dichteschwankungen und Verunreinigungen streuen das Licht aus seinem Weg, was sich insbesondere auf kürzere Wellenlängen auswirkt.
• Biegeverlust:Übermäßige Faserbiegung führt dazu, dass Licht aus dem Kern austritt, wenn die Reflexionsbedingungen nicht erfüllt sind.
• Steckerverlust:Unvollkommene Ausrichtungen, Verschmutzung oder Luftspalte an den Verbindungspunkten tragen zum Leistungsverlust bei.

• Reduziert die Signalstärke und das Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger
• Begrenzt maximale Übertragungsentfernungen
• Erhöht die Bitfehlerraten und kann möglicherweise zu Systemausfällen führen

• Betrieb bei Wellenlängen mit geringer Dämpfung (1310 nm oder 1550 nm)
• Verwenden Sie hochwertige, verlustarme Fasermaterialien
• Führen Sie eine ordnungsgemäße Installation und Wartung des Steckverbinders durch
• Setzen Sie optische Verstärker (EDFAs oder SOAs) für Langstreckenverbindungen ein
• Führen Sie während des Systemdesigns eine gründliche Budgetierung der optischen Leistung durch

Dispersion tritt auf, wenn sich verschiedene Lichtwellenlängen oder -moden mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, was dazu führt, dass sich Signalimpulse ausbreiten und Übertragungsraten und -entfernungen begrenzt werden.

• Modale Dispersion:Exklusiv bei MMF, verursacht durch unterschiedliche Lichtwege, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen.
• Chromatische Dispersion:Betrifft alle Fasern, resultierend aus wellenlängenabhängigen Geschwindigkeitsschwankungen (Material- und Wellenleiterdispersion).
• Polarisationsmodendispersion (PMD):Tritt bei SMF auf, wenn sich orthogonale Lichtpolarisationen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten.

• Verbreitert Signalimpulse und führt zu Intersymbolinterferenzen
• Beschränkt maximale Übertragungsgeschwindigkeiten und Entfernungen
• Erhöht die Bitfehlerraten

• Dispersionskompensierende Faser (DCF) mit entgegengesetzten Dispersionseigenschaften
• Faser-Bragg-Gitter (FBGs), die Wellenlängen selektiv reflektieren
• Elektronische Dispersionskompensation (EDC) an Empfängern
• Chirped-Puls-Komprimierungstechniken

Systementwickler müssen alle potenziellen Verluste berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die Empfänger ausreichend optische Leistung für eine zuverlässige Kommunikation erhalten.

• Ausgangsleistung des Senders
• Anforderungen an die Empfängerempfindlichkeit
• Gesamte Verbindungsverluste (Faser, Anschlüsse, Spleiße)
• Systemspielraum für Alterung und Umweltveränderungen
• Abzug der Streuungsleistung, sofern zutreffend

• Erforderliche Übertragungsentfernung und Datenrate
• Geeignete Auswahl des Fasertyps
• Optimale Sender-/Empfängerkomponenten
• Bedarf an optischen Verstärkern
• Anforderungen an die Dispersionskompensation

Glasfasersysteme entsprechen etablierten Standards, darunter:

• Telcordia GR-253-CORE für allgemeine Systemanforderungen
• ITU G.957 für optische Schnittstellenparameter
• IEEE 802.3 für Ethernet-Protokolle über Glasfaser

Dämpfung und Streuung haben einen wesentlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Effizienz der Glasfaserkommunikation. Durch ein umfassendes Verständnis dieser Phänomene und die Umsetzung geeigneter Abhilfestrategien – kombiniert mit sorgfältiger Energiebudgetierung und Systemdesign – können Ingenieure leistungsstarke optische Netzwerke entwickeln. Kontinuierliche Fortschritte bei Fasermaterialien, Komponenten und Kompensationstechnologien versprechen eine weitere Verbesserung der Fähigkeiten optischer Kommunikationssysteme.