| de 11/2004 | |
Informationstechnik |
Plastik statt KupferPOF – Polymer Optical Fiber –, ein preiswertes und problemloses Übertragungsmedium, jahrelang reserviert für Spezialanwendungen in Maschinensteuerungen, im Automobil- und Flugzeugbau, dringt jetzt in Heim, Büro und Industrie vor. Anwendungen: Multimedia, Fast Ethernet, Industrial Ethernet. Wachstumsprognosen: zwischen 20 und 25 % jährlich. Unser Beitrag erläutert die Technik.
Kurz, dick und gutmütig ist die Polymerfaser im Vergleich zur Glasfaser. Kurz heißt, mit 50 m oder maximal 100m Reichweite bleibt sie weit zurück hinter den 200 km, die Glasfasern im Telekom-Weitverkehr überbrücken. Mit 1mm Durchmesser ist sie dick gegenüber den 125 µm der modernen Glasfaser. Schon dadurch erweist sie sich gutmütig: Man kann sie im Feld konfektionieren, denn bei 1 mm Durchmesser braucht man keine aufwändigen Spleißeinrichtungen oder Mikroskope, um die Leiter zu positionieren.
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Ihre ersten Einsatzgebiete fand die Polymerfaser aus anderen Gründen. In der Industrie steuert man seit rund 20 Jahren Maschinen über POF dort, wo starke elektromagnetische Felder die Signale auf Kupferleitungen stören würden. Als optisches Übertragungsmedium ist POF dagegen prinzipiell unempfindlich. Im Flugzeugbau bewährt sich POF aufgrund ihres geringen Gewichts und verursacht keine Funken. Im Automobilbau besticht sie mit ihrer mechanischen Robustheit und Störfestigkeit, weshalb POF so manches Luxusfahrzeug mit Rundum-Information und digitalem Sound versorgt.
Jetzt bekommt die leichte Faser gleich von zwei Seiten Auftrieb. Im Heim ist es die Firewire-Schnittstelle IEEE 1394b, die POF als Multimedia-Backbone-Netz zu einer preiswerten Alternative zu Kupfer werden lässt (siehe Beitrag in »de« 7/2004, Seite 36 ff.). In der Industrie lässt Industrial Ethernet die herkömmlichen Feldbussysteme mit der Bürokommunikation zusammenwachsen. Auch hier kann POF preislich mit einer Kat.-5e-Kupferverkabelung konkurrieren. Installateure werden sich deshalb in naher Zukunft mit diesem Medium beschäftigen müssen.
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Zunächst bestimmt die Faserdämpfung die Reichweite einer POF-Verbindung. Mit rund 0,2 dB Dämpfung pro m überträgt die Standard-POF »trübe« gegenüber der Silizium-Glasfaser, die man im Weitverkehr findet. Das Material, PMMA oder Polymethylmetacrylat, kennen viele auch unter dem Begriff Plexiglas. Trotzdem leuchtet POF rund 500mal »durchsichtiger« als Fensterglas: Hinter einer Scheibe von 1m Dicke käme kein Licht mehr an.
Allerdings hängt die Dämpfung stark von der Lichtwellenlänge ab. Die Standard-POF zeigt ausgeprägte Dämpfungs-Minima in den so genannten optischen Fenstern bei 520 nm (grün), 570 nm (gelb) und 650 nm (rot) (Bild 1). Dass ausgerechnet das schmals-te Fenster bei 650 nm zur Übertragung benutzt wird, hängt damit zusammen, dass höherwertige optische Sendeelemente wie Laserdioden, RC-LEDs (Resonant Cavity LEDs, siehe auch Kasten S. 45) und VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) nur für Wellenlängen von 650 nm an aufwärts erhältlich sind. Normale LEDs für 520 nm und 570 nm machen zurzeit noch Schwierigkeiten mit der »sauberen« Einkopplung des Lichts in die Faser und eigenen sich nicht für die Übertragung hoher Bitraten.
Nicht allein die Dämpfung bestimmt die Reichweite, sondern auch die Art der Ausbreitung. Die Standard-POF 980µm/1000 µm basiert auf einer Stufen-index-(SI-)Faser: Der Brechungsindex ändert sich abrupt am Rand des leitenden Kerns von 980 µm: Eine Totalreflexion führt das Licht durch das Innere des Leiters. Lichtstrahlen von 650 nm Wellenlänge haben genügend Platz, um beliebig im Kern zu vagabundieren und zu verschiedenen Zeitpunkten am Faserende anzukommen (Bild 2). Diese modale Dispersion »verschmiert« bei höheren Übertragungsraten die entsprechend kürzeren Impulse so, dass der Empfänger schließlich nicht mehr zwischen null und eins unterscheiden kann. Für Standard-SI-POF liegt deshalb die Reichweite für 100 Mbit/s bei 50 bis 100 m. Das genügt für Maschinensteuerungen und Sensoren, ebenso für Fast Ethernet im Büro oder Multimedia-Anwendungen im Heim.
Etwas mehr Ordnung in den Strahlengang bringt eine Gradientenindex-(GI-)Faser: Der Brechungsindex ändert sich kontinuierlich über dem Querschnitt. Reduziert man außerdem die Abmessungen auf 500µm/750 µm oder gar 120µm/490 µm und erhöht die Lichtwellenlänge auf 850 nm, so bringt man bei typischen Dämpfungen von 40 dB/km selbst 1 Gbit/s viele 100m weit. Das reicht, um ganze Gebäudekomplexe oder Fertigungshallen mit Fast- oder Gigabit-Ethernet zu versorgen. Die GI-POF stellt damit eine ernst zu nehmende Konkurrenz zur HCS-Faser (Hard Clad Silica, 200µm/230 µm) dar, einer SI-Glasfaser, die in der Industrie vielfach vorkommt.
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Perfekte Ordnung bringen Singlemode-Glasfasern (GOF – Glass Optical Fibers) 9µm/125 µm: Ihr leitender Kern von 9 µm Durchmesser lässt dem Licht von 1300nm oder 1550 nm Wellenlänge nur eine einzige Ausbreitungsart zu. Damit lassen sich bis zu 200 km überbrücken. Für Gebäudeverkabelungen wäre allerdings hier mit Kanonen auf Spatzen geschossen. Die Faser erweist sich als empfindlich in der Handhabung, teuer in der Installation und benötigt hochpräzise Steckverbinder: Bei einem Versatz von ankommender und abgehender Faser um ein Fünftel Haaresbreite (10 µm) unterbricht eine Singlemode-Glasfaserverbindung längst; eine Standard-POF-Verbindung hat dagegen nur einen Lichtverlust von 1%.
Bei der Suche nach dem POF-Stecker finden Planer und Installateure eine bunte Vielfalt an Techniken und Typen. Genormt sind sie fast alle. Dieses Kriterium hilft also nicht weiter. Allgemeine Verbreitung, einfache Konfektionierung und reproduzierbare, dämpfungsarme Kontakte sind die wesentlichen Punkte, die bei der Wahl den Ausschlag geben sollten.
Im Heim scheint sich für Multimedia-Installationen (Firewire, IEEE 1394b) der PN-Connector durchzusetzen, eine rückwärtskompatible Variante des F07, der wiederum ein Duplex-F05 (Toslink) ist: Zwei F05-Stecker passen nebeneinander in eine F07- oder PN-Buchse (Bild 3). Zwischen den Audio-/Video-Geräten ist u.a. auch der ursprünglich von Sony stammende SMI Connector (Small Multimedia Interface) anzutreffen.
Für den Bürobereich empfiehlt die EN 50173 für strukturierte Gebäudeverkabelungen einen SC-Duplex-Steckverbinder. SC ist der preiswerteste der Präzisionsstecker, bekannt aus der Weitverkehrstechnik mit Glasfasern, und kann mit entsprechenden Ferrulen (Faserendhülsen) auch POF aufnehmen. Steht im Hauptverteiler wenig Platz zur Verfügung, darf man dort auch SFF-(Small Form Factor)-Module verwenden – Module, die eine optische Duplex-Verbindung in einem RJ45-Ausschnitt unterbringen. MT-RJ ist für POF ungeeignet, aber SC-RJ ist für GOF (Glass Optical Fiber), HCS (Hard Clad Silica) und POF erhältlich, und es spricht nichts dagegen, ihn auch für Fiber To The Desk (Glasfaser vom Verteiler bis zum Arbeitsplatz – ohne Konverter) einzusetzen.
Noch bunter gestaltet sich das Bild in der Industrie – deshalb hier nur ein kleiner Auszug. Wer traditionell von Feldbussystemen wie Sercos oder Interbus herkommt, mag sich auch für POF nicht vom F-SMA mit seiner Überwurfmutter trennen. Der ST mit seinem Bajonettverschluss, ursprünglich im Weitverkehr beheimatet, findet sich ebenfalls in der Industrie und lässt sich mit GOF, HCS und POF beschalten. Schließlich gibt es den SC-RJ in IP67-Ausführung (staubdicht und geschützt gegen zeitweiliges Untertauchen) als industrietaugliche optische Duplex-Verbindung (Bild 4).
Optische Steckverbinder dürfen eine Dämpfung von max. 2 dB verursachen. Bei einer Faserdämpfung von 0,2 dB/m verkürzt jede Steckverbindung also die Reichweite um 10 m, wenn man davon ausgeht, dass ein gesamtes Dämpfungsbudget zur Verfügung steht, das nicht überzogen werden darf.
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| Bild 5: Häufigkeitsverteilung der Steckerdämpfung bei geschliffenen und polierten Faserenden |
Mit guten Steckverbindungen lassen sich typische Werte von 1 dB Dämpfung erreichen (Bild 5). Dazu muss alles stimmen: Die Fixierung der Faser im Stecker oder Anschlussmodul, die Behandlung der Faserendfläche, der physikalische Kontakt von Faser zu Faser.
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| Bild 6: POF 980/1000 mm mit Schraubhülse (von R&M zum Patent angemeldet) |
Die Klebetechnik zur Fixierung der Faser ist präzise und umständlich. Mit der Klemmtechnik kommt der Installateur recht flott voran, kann aber die Faser so deformieren, dass zusätzliche Dämpfungen und Reflexionen entstehen. Das gilt auch für unsachgemäßes Crimpen der Zugentlastung. Eine Alternative stellen Schraub-Ferrulen (Faser-endhülsen) dar, die die Faser sicher halten und führen, ohne sie stark zu belasten (Bild 6).
Wesentlich ist die Behandlung der Faserendfläche. Bild 7 vergleicht die unterschiedlichen Behandlungen der Faser-endflächen. Demgegenüber hat der direkte physikalische Kontakt von Faser zu Faser eher untergeordnete Bedeutung. Bekannt machte sich auch die Hot-Plate-Methode. Die Faser – aus Kunststoff – erwärmt man einfach am Faserende, bis sie weich ist, und drückt sie gegen eine spiegelglatte Oberfläche. Das geht schnell und lässt sich mit geringen Abweichungen wiederholen.
Allerdings sind die Ergebnisse nicht so gut wie beim Polieren, und zum Polieren braucht man auch nicht viel mehr Zeit: Ein Duplex-POF-Anschluss lässt sich mit etwas Übung in etwa 1min komplett konfektionieren (siehe auch »de« 7/2004, Seite 39).
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| Bild 7: Die Behandlung der Faserendfläche bestimmt wesentlich die Dämpfung der Steckverbindung |
POF verlegt man meist als Duplex-Kabel. Mit rund 2,2mm x 4,4 mm Querschnitt sieht es aus wie eine zweiadrige Kupferlitze. Man lasse sich nicht täuschen: Selbst bei der schlanken Glasfaser bringen Mantel und Zugentlastungen die gängigen Kabel äußerlich auf 3 mm (simplex) oder 2,7mm x 5,4 mm (duplex).
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| Bild 8: Handmessgeräte für optische Installationsstrecken; Referenzkabel mit 1 mal F07 auf 2 mal F05 |
Ein POF-Kabel lässt sich wesentlich unproblematischer verlegen als ein Glasfaserkabel. Wie bei Kupferkabeln muss man auf Ecken und scharfe Kanten achten und aufpassen, dass es keine Kinke (Knoten beim Einziehen) gibt. Man darf den minimalen Biegeradius von 25 mm nicht unterschreiten, um die Faser nicht dauerhaft zu schädigen. Das stellt keine Schwierigkeiten dar, denn die Faser ist steif und auch robust. Nur wenn man sie an einer Stelle zehnmal um 90 Grad auf minimalen Radius biegt, kann eine Verformung zurückbleiben, die eine zusätzliche Dämpfung von 0,5 dB verursacht.
Mit 100 N hält POF etwa so viel Zug aus wie ein Kupferkabel. Diesem Zug hält die Faser aber nicht auf Dauer stand, das Material würde fließen. Die Faser soll also nach der Installation entspannt im Kabelkanal ruhen.
Da die POF selbst und ihr Mantel elektrisch nicht leiten, könnte man sie grundsätzlich »nackt« mit allen Kupfer-Steuer-, Kommunikations- und Starkstromkabeln zusammen verlegen. Trotzdem empfehlen die Hersteller die Verwendung getrennter Kabelkanäle oder Schutzrohre, damit die Faser bei Installationsarbeiten an den Kupferleitungen nicht beschädigt wird oder Biege- und Zugbelastungen erfährt, die unbemerkt zur Verschlechterung der Übertragung führen.
Gegenüber Glasfaser-Installation hat die POF-Installation einen einzigartigen Vorteil: Das verwendete Licht liegt im sichtbaren Bereich und die üblichen Sendeleistungen der Lichtquellen sind so gering, dass dieses keine Laser-Schutzmaßnahmen erfordert. Die grundsätzliche Funktion oder auch Leckstellen lassen sich mit bloßem Auge erkennen.
Endgültige Sicherheit oder verbindliche Daten für Abnahmeprotokolle bringt trotzdem nur die Messung. Dazu gibt es handliche optische Quellen und Leistungspegelmesser mit Adaptern für alle gängigen Steckverbindertypen (Bild 8).
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| Bild 9: Dämpfungsmessung in zwei Schritten |
Die Vorgehensweise beschreibt die Norm ISO/IEC 61280-4-1 Ed 1.0 (Draft) als »Methode 1«. Zunächst verbindet man Lichtquelle und Pegelmesser über zwei Referenzkabel und gleicht den Pegelmesser auf null ab. Dann schaltet man die Installationsstrecke dazwischen und kann direkt die Dämpfung ablesen (Bild 9). Da bei der Referenzmessung eine Steckverbindung »herausreferenziert« wurde, muss man für sie noch rechnerisch einen Wert hinzuschlagen, beispielsweise 1,5 dB.
www.pofeska.com,
www.r&m.com
www.nuvitech.com
www.pofac.de
www.rdm.com
