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Einfügedämpfungen optischerSteckverbinderMartin Strasser, Fiberoptik, HUBER+SUHNER AG, SchweizH+S Technical SeriesHUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions

Inhalt1 Ursachen optischer Einfügedämpfungen 32 Spezifikation der Einfügedämpfung 43 Messung der Einfügedämpfung 53.1 Ursachen von Messfehlern 63.2 Einfluss von Messfehlern 73.3 Einfluss des Referenzverbinders 83.4 Qualitätssicherung bei Huber+Suhner AG 94 Leistungsmessung mit Referenz 104.1 IEC 61300-3-4 Methode B 104.2 IEC 61300-3-4 Methode C 115 Rückstreumessung (OTDR) 125.1 Zweiseitige OTDR Messung 125.2 Genauigkeit der OTDR Messung 135.3 Einseitige Multimode Messung 146 Empfehlungen bei Messung erhöhter Dämpfungen 15HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 2

1 Ursachen optischer EinfügedämpfungenEine optische Steckverbindung besteht aus zwei Ferrulen mit eingeklebten Glasfasern,welche zueinander in einem so genannten Sleeve ausgerichtet werden. Die Einfügedämpfungeiner optischen Steckverbindung hängt von folgenden Parametern 1 ab• Lateralversatz der Fasern• Winkelversatz der Fasern• Modenfelddurchmesser der Fasern• BetriebswellenlängeUrsachen derEinfügedämpfungIn der Praxis ist der Lateralversatz der Faserkerne bei weitem der wichtigste Einflussparameter2 , welcher auf zwei Hauptursachen zurückgeführt werden kann. Eine Ursache ist dieExzentrizität des Fasernkerns, d.h. der Faserkern liegt nicht genau im Zentrum der Ferrule.Diese Abweichungen sind bedingt durch die Herstellungstoleranzen der Ferrulen und derGlasfasern. Die zweite Ursache sind Abweichungen bei der Ausrichtung der Ferrulenim Sleeve, welche durch Toleranzen der Ferrulendurchmesser und des Sleeves zustandekommen.Zwei Ursachen fürLateralversatzExzentrizität undAusrichtung derFerrulenExzentrizitätdes FaserkernsAusrichtungim SleeveDas technische Papier „Einfügedämpfungen aus Faserkern-Koordinaten – tpi20030511d“von HUBER+SUHNER beschreibt im Detail die Ursachen der Einfügedämpfung bei optischenSteckverbindern.1 D. Marcuse, „Loss Analysis of Single-Mode Fiber Splices“, Bell System Tech. Journal, Vol. 56/6, 1977.2 Gilt hauptsächlich für Fiberoptik Steckverbinder mit Vollkeramikferrulen.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 3

Referenzmessung• Stabilität des gesamten Messaufbaus (Temperatureinfluss, etc)• Systematischer Fehler durch zusätzlichen Steckverbindungen im Messkabel(∆IL >0.1dB)Messmethode• Referenz-Leistungsmessung IEC 61300-3-4 Meth. B → Genaueste Methode,da die Messung der einzelnen Verbindung möglich ist.• Referenz-Leistungsmessung IEC 61300-3-4 Meth. C→ Systematische Abweichungdurch zweiten Verbinder in der Messstrecke.• Rückstreumessung → Sehr sorgfältige beidseitige Messung notwendig, umzuverlässige Messwerte zu bekommen; mögliche zusätzliche Fehlerquellen sindgroß (siehe 5).3.2 Einfluss von MessfehlernEine Messung der optischen Einfügedämpfung unterliegt vielen Einflüssen, welche dasMessergebnis verfälschen (siehe 3.1). Die Summe der negativen Einflüsse kann nur durcheine sorgfältige Durchführung der Messung mit kalibrierten Präzisionsgeräten unter kontrolliertenBedingungen auf ein vertretbares Maß reduziert werden. Selbst unter optimalenBedingungen ist es schwierig eine Messgenauigkeit von besser als ±0.1dB zu erreichen.Messdifferenzvon mind. ±0.1 dBin der PraxisQualität derVerbinderklasse+Messfehler=MessergebnisVerteilung derEinfügedämpfungwird verfälscht.Das bedeutet, dass eine Messung von nominal 0.25dB einen Messwert von 0.15dB bis0.35dB ergeben kann. Unter unkontrollierten Messbedingungen oder mit weniger präzisenMessmethoden (z.B. OTDR) kann die Streuung der Messwerte erheblich größer sein.Bei der Vermessung der 0.1dB Verbindungsklasse ist der Messfehler von ±0.1dB gleichgroß wie die Messgröße selbst. Eine präzise Einzelmessung ist kaum mehr möglich. Wirdbeim Kunden eine Qualitätskontrolle der 0.1dB Verbinderklasse durchgeführt, muss dieVerteilung der Einfügedämpfung gemessen werden. Durch den Messfehler wird jedochdiese Verteilung verfälscht und hat unter Umständen keine Aussagekraft mehr über dieQualität der gelieferten Verbinderklasse. In der Regel liegt dann eine Mehrzahl der Einzelmessungenüber 0.1dB, obwohl das Produkt selbst innerhalb der Spezifikation ist.0.1dB Verbinderklasse:Messfehler istgleich gross wieMessgrösseHUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 7

3.3 Einfluss des ReferenzverbindersDie Exzentrizität des Faserkerns in der Ferrule unterliegt einer statistischen Abweichung.Wählt man einen Verbinder aus einer Vielfalt zufällig aus, so kann dessen Exzentrizitätim ungünstigsten Fall an der oberen Grenze der Spezifikation liegen. In einer Steckverbindungkann dieser Verbinder zu abweichenden Einfügedämpfungen führen.HäufigkeitExzentrizitätFerruleUngünstigsterFall derExzentrizitätVerteilung [m]Verwendet man einen solchen „ungünstigen“ Verbinder in einer Messung als Referenzverbinder,so führt die Messung zu erhöhten Einfügedämpfungen, obwohl der zu vermessendezweite Verbinder innerhalb der Spezifikationen liegt. Die Messung wird durch denReferenzverbinder verfälscht. Es ist zu beachten, dass in diesem Fall nicht nur die Einzelmessungverfälscht wird, sondern auch die gesamte Verteilung der Einfügedämpfung.Prüfling+ + =ReferenzverbinderKupplungEinfügedämpfungReferenzverbinderkönnendie Messungverfälschen.Bei einer absolut korrekten Messreihe zur Bestimmung der Qualität einer Verbinder-klasse,müsste bei jeder Messung ein neuer Referenzverbinder verwendet werden. Nur in diesemFalle, wäre auch die Referenz der natürlichen Streuung unterworfen und die korrekte Verteilungder Einfügedämpfung würde gemessen. In der Praxis ist dieser Ansatz nicht praktikabel,wodurch besonderes Augenmerk auf die Auswahl des Referenzverbinders gelegtwerden muss. Eine ungünstige als auch eine beste Wahl verfälschen die Messreihe. DasGrundproblem ist, dass nie ein Verbinder alleine charakterisiert werden kann, sondernimmer nur ein Verbinderpaar in einer Kupplung. Zusätzlich kann eine einzelne Verbindungnie die Qualität einer Verbin-derklasse charakterisieren, sondern nur eine Verbindervielfaltmit der zugehörigen Verteilung.Die Auswahl desReferenzverbindersist wichtigfür die Qualitätder Messung.Ein verschmutzter oder verkratzter Referenzverbinder kann ebenfalls dieMessung erheblich verfälschen. Gleiches gilt für Kupplungen mit abgenütztenoder verschmutzten Sleeves.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 8

3.4 Qualitätssicherung bei HUBER+SUHNER AGWie kann HUBER+SUHNER AG die Qualität garantieren?In der Produktion wird eine 100%ige Qualitätskontrolle durchgeführt, d.h. jeder zum Kundenausgelieferte Verbinder wird einer Einfügedämpfungsmessung unterzogen. DieseMessung unterliegt ebenfalls einer Ungenauigkeit von max. ±0.1dB, mit der die Messungbeeinträchtigt wird.HUBER+SUHNERführt eine 100%igeQualitätskontrolledurch.+Fehler 0.1dB=Einfügedämpfung [dB]Indirekte MessungEinfügedämpfung [dB]Direkte Messung100% QualitätskontrolleUm trotzdem die spezifizierte Qualität garantieren zu können, werden die verarbeitetenFasern, Ferrulen und Sleeves einer präzisen Eingangskontrolle unterzogen. Durch mathematischeModelle wird von den geometrischen Abweichungen sehr präzise auf die Einfügedämpfungund deren Verteilung rückgeschlossen. Das bedeutet, die Verteilung wirdzusätzlich indirekt gemessen. Durch Vergleich dieser indirekten Resultate mit der direktenMessung der Einfügedämpfung, wird die Qualität zuverlässig sichergestellt.Herstellergarantiert Qualitätdurch direkteund indirekteMessung.HUBER+SUHNER AG ist ein Qualitätshersteller von optischen Verbindungslösungen undist stets bemüht, die beste Qualität zur Zufriedenheit der Kunden auszuliefern.3Die Messgenauigkeit von ±0.1dB (3σ-Wert) unter Produktionsbedingungen wird durch Vergleichsmessungen durchakkreditierte Schweizer Test und Kalibrationslabors sichergestellt.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 9

4 Leistungsmessung mit ReferenzDie zuverlässigste Methode zur Bestimmung der Einfügedämpfung ist der Vergleich einerReferenzleistung P 0mit der Messleistung P 1,Einfügedämpfung A r[dB] = -10 Log P 1/ P 0Die IEC Norm 61300-3-4 beschreibt im Detail die korrekte Durchführung der Messung.Unter anderem sind die korrekte Ausleuchtung der Faser, die Kalibrierung und Genauigkeitder Messgeräte und eine einstündige thermische Stabilisierung des Messaufbauszwingende Vorgaben.Korrekte Durchführungder Messunglt. IEC Norm4.1 IEC 61300-3-4 Methode BVon einem Sender (S) wird Licht in die Faser eingespeist und durch einen Modenfilter(mf) die richtige Anregung der Faser gewährleistet. Bei der Referenzmessung wird derReferenzverbinder (RP) direkt an das Leistungsmessgerät 4 (D) angeschlossen und dieReferenzleistung P 0gemessen. Danach wird der zu vermessende Verbinder (DUT) an denReferenzverbinder angeschlossen und die Leistung P 1bestimmt. Methode B misst die Einfügedämpfungzwischen dem Referenzverbinder (RP) und dem zu vermessenden Prüfling.Methode B der IECNorm 61300-3-4ist die genauesteMessung derEinfügedämpfung.Diese Methode erlaubt die zuverlässigste und genaueste Messung der Einfügedämpfung.Wird die Einfügedämpfung zusätzlich mit anderen Methoden (z.B. ODTR) gemessen, sosind bei abweichenden Messergebnissen stets die Ergebnisse dieser Methode B zu bevorzugen5 .4Der am Empfänger (D) angeschlossene Verbinder leistet praktisch keinen Beitrag zu den Verlusten, wenn diegesamte Leistung durch einen großflächigen Empfänger detektiert wird.5Vorausgesetzt alle Messungen wurden gleich sorgfältig durchgeführt.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 10

4.2 IEC 61300-3-4 Methode CIn der Praxis ist es in vielen Fällen nicht möglich, das zu vermessende Kabel direkt an dasLeistungsmessgerät (D) anzuschließen. Für diesen Fall sieht die Norm Methode C vor. DieReferenzstrecke zur Messung von P 0beinhaltet ein Testkabel mit einer zusätzlichen Steckverbindung.Bei der eigentlichen Messung wird das zu vermessende Kabel zwischen denbeiden Referenzverbindern (RP) eingefügt und die Leistung P 1bestimmt. Es werden gleichzeitigzwei Steckverbindungen gemessen, wodurch nicht auf die Einfügedämpfungen dereinzelnen Steckverbindungen rückgeschlossen werden kann. Der Messwert kann zwar umden Mittelwert der zweiten Einfügedämpfung korrigiert werden, die resultierende Messunsicherheitist jedoch erhöht verglichen zur Methode B.Methode C der IECNorm 61300-3-4misst zwei SteckverbindungengleichzeitigMethode C eignet sich nicht zur genauen Messung der Einfügedämpfung einereinzelnen Steckverbindung. Wird diese Methode trotzdem zur Charakterisierungherangezogen, ist der Messfehler mindestens die Einfügedämpfung(>0.1dB) der zweiten Steckverbindung.Diese Methode kommt z.B. bei der Vermessung von installierten Kabeln zum Einsatz. Einezusätzliche Fehlerquelle ist, dass die Referenzmessung räumlich an einem anderen Ort alsdie Messung P 1stattfinden kann (Einfluss von Temperatur, Aufwärmzeiten von Geräten,etc).HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 11

5 Rückstreumessung (OTDR)Eine OTDR (Optical Time-Domain Reflectometry) Messung ist keine direkte Messung derEinfügedämpfung, sondern eine Schätzung aus dem rückgestreuten 6 Signal in der Faser.Diese Methode liefert ungenauere und nicht so zuverlässige Werte für die Einfügedämpfungals eine Leistungsmessung mit Referenz.Um eine OTDR Schätzung durchführen zu können, muss in der gesamten Messstreckedie exakt gleiche Faser vorhanden sein. In der Praxis sind jedoch in vielen Fällen LWLNetzwerke mit unterschiedlichen Fasern installiert. Bereits geringfügige Unterschiede deseffektiven Brechungsindizes oder des Kerndurchmessers können eine einseitige OTDRMessung erheblich verfälschen (>0.5dB) und dadurch unbrauchbar machen 7 . Alle renommiertenHersteller von OTDR Geräten (z.B. EXFO 8 ) betonen die Wichtigkeit einer beidseitigenMessung bei Singlemode Fasern.OTDR ist keineMessung sonderneine Schätzung.Eine einseitigeMessung führtzu falschenErgebnissenObwohl Fasern von verschiedenen Herstellern oder Chargen innerhalb derSpezifikation liegen, sind immer geringfügige Fertigungstoleranzen vorhanden.Diese Fertigungstoleranzen genügen, um erhebliche Messfehler bei einseitigerODTR Messung zu verursachen.5.1 Zweiseitige OTDR MessungDie IEC Norm 61300-3-4 und alle Hersteller von OTDR Messgeräten schreiben fürSinglemode-Strecken eine zweiseitige OTDR Messung mit ausreichendem Vorspann LS1und Nachspann LS2 vor. Eine korrekte Durchführung erzeugt zuverlässige Messergebnisse.Eine einseitige Messung ist eine unzulässige Methode, welche unakzeptable Messfehlererzeugt.IEC Norm und renommierteHerstellerschreiben einezweiseitige OTDRMessung vor.In der Praxis wird aus Unkenntnis oder aus Kostengründen manchmal nureine einseitige Messung zur Bewertung eines LWL Netzwerkes durchgeführt.Diese Messung kann grobe Fehler im Netzwerk aufdecken, ist jedoch für dieQualitätskontrolle von Steckverbindern unbrauchbar und nicht zulässig.6Diese so genannte Rayleighstreuung ist die Ursache für die Faserdämpfung.7D. Eberlein, Lichtwellenleiter-Technik, Espert Verlag, 5. Auflage, 2003.8C. Hamel, Bidirectional OTDR Testing: Multimode vs. Singlemode Fibers, EXFO Application Note 043.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 12

5.2 Genauigkeit der OTDR MessungDie Genauigkeit der Messung ist vom so genannten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) abhängig,welches durch die Messparameter beeinflusst wird. Eine falsche Einstellung derMessparameter kann zu schlechtem SNR und unakzeptablen Messfehlern führen 9 . Da inder Praxis die Messung nicht immer von qualifiziertem Personal durchgeführt wird, unterstützenmodere Geräte zunehmend die richtige Einstellung der Messparameter.Die Messgenauigkeitist von derOTDR Geräteeinstellungabhängig.• Pulsbreite: Eine kurze Pulsbreite erhöht die räumliche Auflösung der Messung.Andererseits ergeben kurze Pulse ein schlechteres SNR, wodurch dieMessgenauigkeit reduziert wird.• Mittelung: Eine Mittelung der Messung erhöht das SNR, wodurch stets einemöglichst hohe Anzahl von Mittelungen gewählt werden sollte. Um optimaleErgebnisse zu erzielen, empfiehlt EXFO eine Mittelungszeit von drei Minuten beijeder Messung 10 .• Bandbreite und Abtastrate: Diese beiden Werte variieren von Gerät zu Gerätbestimmten die Qualität der Messung. Handgeräte haben in der Regel eineschlechtere Messgenauigkeit als nicht-mobile Geräte.• Linearität: Moderne Geräte haben eine spezifizierte Linearität von0.05 dB/dB. Das bedeutet, dass eine Dämpfung von 1dB mit einerGenauigkeit von 0.05dB gemessen werden kann. Der angezeigte Wertkann im Bereich von 0.95dB bis 1.05dB variieren.Ein OTDR führt keine direkte Messung der Einfügedämpfung durch, sondern schätzt denMesswert basierend auf Statistik und mathematischen Modellen.OTDR Geräte zeigen in vielen Fällen die Messwerte mit einer Genauigkeitvon 0.01dB an. Diese Anzeigegenauigkeit steht in keiner Relation zur eigentlichenMessgenauigkeit, welche die bestimmende Größe ist.9C. Hamel, J. Barnard, Optimizing OTDR Measurement Parameters, EXFO Application Note 076.10P. Talbot, C. Hamel, M.-C. Michel, OTDR and OLTS: Two different Tools for Specific Needs, EXFOApplication Note 026.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 13

5.3 Einseitige Multimode MessungEine OTDR Messung für Multimode unterliegt grundsätzlich anderen Prinzipien als eineOTDR Messung für Singlemode. Die Messung der Einfügedämpfung hängt stark von derModenverteilung in der Faser ab, wodurch die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit derMessergebnisse geringer sind. Im Gegensatz zu Singlemode haben unterschiedliche Fasernnur minimalen Einfluss. Jedoch sind die Verluste für Multimode richtungsabhängig,wodurch die Vorteile einer zweiseitigen Messung nicht genutzt werden können. OTDRMessungen für Multimode werden einseitig durchgeführt.Nur für Multimodeist eine einseitigeOTDR MessungzulässigHUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 14

6 Messung erhöhter DämpfungenBei der Abnahme von installierten Netzwerken oder bei der Qualitätskontrolle bei Kundenwerden die Einfügedämpfungen von LWL Strecken (bestehend aus Steckverbindernund Kabeln) überprüft. Ergeben diese Messungen erhöhte Werte wird folgende Vorgehensweiseempfohlen.Der Messtechniker muss die Ursache für die erhöhten Dämpfungen feststellen und folgendeFragen beantworten:Ursache1Messmethode2Steckverbindung3SpleißMessung erhöhter DämpfungenWurde die richtige Messmethode verwendet?Ist die Messgenauigkeit ausreichend?Wurden Fehler minimiert? Sind die Messgeräte kalibriert?jaWurden die Steckverbinder und Kupplungen gereinigt?Sind die Stecker sorgfältig verbunden?Welche Qualitätsklasse der Verbinder wurde verwendet?Bei Pigtails:Wurde der Speiß ordnungsgemäß durchgeführt?Präzision und Wartung des Spleißgeräts?jajaÜberprüfung derMessmethodeÜberprüfung derSteckverbindungÜberprüfung desSpleißAbklärung durch den HerstellerEine notwendige Voraussetzung ist die Verwendung der richtigen Messmethode und derrichtigen Messmittel. Erst wenn der Techniker sicher ist, dass die Messung mit einer ausreichendenGenauigkeit durchgeführt wurde, kann diese Fehlerursache ausgeschlossenwerden.In einem zweiten Schritt muss sichergestellt werden, dass die LWL Strecke ordnungsgemässinstalliert wurde. Das bedeutet, alle Steckverbinder und Kupplungen sind frei vonVerschmutzung, minimale Biegeradien wurden eingehalten und Beschädigungen sindnicht vorhanden.Drittens muss bei Verwendung von Pigtails überprüft werden, ob die Spleisse ordnungsgemässdurchgeführt wurden. Im Zweifelsfall sind die Spleisse zu erneuern.Wurden diese Ursachen für erhöhte Dämpfungen eindeutig ausgeschlossen, sollte eineAbklärung durch den Hersteller angestrebt werden.HUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 15

HUBER+SUHNER AGFiberoptikCH-9100 Herisau, SchweizTel. +41 (0)71 353 4 1 11Fax +41 (0)71 353 46 47www.hubersuhner.comHUBER+SUHNER – Excellence in Connectivity Solutions 16