Im Umfeld der optischen Messtechnik fällt derzeit immer wieder der Begriff Encircled Flux, abgekürzt EF. Im Detail gilt es unter anderem die Fragen zu klären, wie sich EF bei der Messung an Multimode-Glasfaser-Verkabelungsstrecken bemerkbar macht und warum genau diese Messtechnik für den Installateur wichtig ist.

Die Bewertung von Multimode-Glasfaser-Verkabelungsstrecken in anwendungsneutralen Kommunikationskabelanlagen geschieht üblicherweise entweder mittels einer Dämpfungsmessung (LSPM = Light Source + Power Meter, entspricht Messart „Tier 1“) oder einer OTDR (OTDR = Optical Time Domain Reflectometry, entspricht Messart „Tier 2“). Gerade bei der Tier-1-Dämpfungsmessung gibt es immer wieder größere Abweichungen bei den Ergebnissen, und zwar abhängig vom verwendeten Mess-Equipment.

Da bei modernen Anwendungsprotokollen die Dämpfungsbudgets zwischen Sender und Empfänger immer kleiner werden, müssen die Messergebnisse dennoch immer präziser und reproduzierbar sein. Um auf belast- und vergleichbare Messergebnisse zu kommen, haben sich die Gremien der Standardisierung auf neue Definitionen für die Dämpfungsmessung von Multimode-Glasfaser-Verkabelungen geeinigt. Ein Teil der Genauigkeitsverbesserung geschieht über die Optimierung der Referenzierungsmethoden und der zulässigen Toleranzen der verwendeten Messhilfsmittel, der zweite Teil mit der Spezifizierung des zu verwendenden Testsignals. Für Techniker und Installateure ist es also angeraten, sich die neuen Anforderungen der Encircled-Flux-Definition für das verwendete Prüfsignal näher anzusehen. Wichtige Vorbemerkung und schon sehr oft in vielen verschiedenen Fachartikeln beschrieben: Sauberkeit und Beschädigungsfreiheit sind die obersten Gebote bei Glasfaser-Verkabelungen und natürlich auch bei der Glasfaser-Messtechnik. Um sich ein Bild der Sauberkeit und des Zustands der verwendeten Glasfaser-Stecker an den Referenzkabeln (Messkabeln) und an den zu messenden Glasfaser-Strecken zu verschaffen, ist es unumgänglich, sich vor jeder Messung alle beteiligten Glasfaser-Steckverbinder-Stirnflächen mittels eines Glasfaser-Mikroskops anzusehen. Dann kann der Techniker, falls diese verschmutzt sind, die Stecker-Stirnflächen reinigen, dann wieder inspizieren und, wenn dann alles sauber und beschädigungsfrei ist, die Steckverbindung der inspizierten und gereinigten Glasfaser-Stecker vornehmen.

Sauberkeit und Beschädigungsfreiheit sind die obersten Gebote bei Glasfaser-Verkabelungen. Bild: Softing IT Networks

Jede andere Vorgehensweise wäre ein „Blindflug“ und leichtsinniger Umgang mit den Stecker-Stirnflächen der Glasfaser-Stecker, was zu weiteren Verschmutzungen, Beschädigungen und sogar zum Totalausfall der Glasfaser-Verkabelungsstrecken führen kann (Bild unten).

Optische Dämpfung

Um den Einfluss von Encircled Flux auf die Messtechnik zu erklären, muss man sich zunächst mit den Grundlagen der Glasfaser-Dämpfungsmessung beschäftigen. Wie misst man die Dämpfung bei einer Glasfaser-Verkabelung? Es klingt im Grunde relativ einfach: Der Techniker verwendet eine Lichtquelle (Light Source = LS) und einen Leistungsmesser (Power Meter = PM) und führt damit eine Messung der auf der Glasfaserstrecke verloren gehenden Lichtleistung durch. Also ist die Dämpfung:

L [dB] = 10 × log (Pin / Pout).

Wenn der verwendete Pegelmesser die gemessenen Licht-Leistungspegel direkt in dBm anzeigen kann, kann der Techniker die Dämpfung alternativ einfach als Differenz der Sendeleistung (PLS [dBm]) abzüglich der Empfangsleistung (PPM [dBm]) berechnen:

L [dB] = PLS [dBm] − PPM [dBm].

Diese Gleichung sieht zwar sehr einfach aus, aber die Tücke liegt – wie fast immer – im Detail, da der Techniker zuerst eine „Nullung“ („Normalisierung“ oder offiziell nach Standard ein „Bezugsverfahren“) durchführen muss, um die Anteile des Mess-Equipments am Gesamtergebnis zu eliminieren. Besonders die Qualität der Messkabel und -stecker trägt wesentlich zur Genauigkeit des Ergebnisses bei. Um den richtigen relativen Messwert zu erhalten, ist die von der Lichtquelle abgegebene Leistung (PLS) zu bestimmen und im Leistungsmesser als Referenzwert abzulegen. An dieser Stelle treten jedoch schon die ersten Schwierigkeiten auf.

Referenzierung

Die Standards haben für diese Nullung zwischen einem und drei Referenz-Messkabel vorgesehen. Bei den Anregungsbedingungen – also wie und wieviel Licht (genauer Licht-Moden) in die Glasfasern eingekoppelt werden – gab es auch bisher schon verschiedene Methoden basierend auf den verwendeten Lichtquellen. In den vergangenen Jahren haben die Experten das Thema der Lichteinkopplung erneut aufgegriffen und die Definition des Encircled Flux (begrenzter Lichtstrom) in die Standards integriert.

Zum Verständnis die frühere Situation: Zunächst hatte man die Verwendung von LED-Lichtquellen standardisiert. Diese erzeugen eine sogenannte „Overfill“-Anregung (Bild rechts, Teil a). Dieser „Overfill“ führte allerdings zu nicht besonders exakten Ergebnissen, da durch die Überflutung mit dem Licht der LED-Lichtquelle Licht-Moden sowohl in den Glasfaserkern als auch den Glasfasermantel eingekoppelt wurden. Diese waren dann als stabile Moden niedriger Ordnung (nahe des Glasfaserkerns) und als instabile Moden höher Ordnung (weiter entfernt vom Glasfaserkern bis in den Glasfasermantel) in der Glasfaser ausgebreitet. Das führte bei kurzen Referenz-Messkabeln dazu, dass der Techniker beim Nullabgleich zu viel Licht mit einem Leistungsmesser gemessen hat. Dieses wiederum zog fehlerhaften Messungen nach sich, weil die gemessene Referenzleistung durch die Mantel-Moden zu hoch war.

Zusätzlich können bei längeren Verkabelungsstrecken die instabilen Moden höherer Ordnung im Glasfasermantel und zum Teil auch im Glasfaserkern nach etlichen Metern verschwunden sein. Sie sind dann an der Messung nicht mehr beteiligt. Um stabilere Verhältnisse zu erreichen, wurden bei diesem Verfahren die sogenannten Mantel-Moden und die instabilen Moden höherer Ordnung bereits vor der Nullung mittels eines Modenfilters (Mandrel) herausgefiltert. Dieses Vorgehen führte zu etwas stabileren Messverhältnissen, aber immer noch waren die gemessenen Dämpfungen in der Regel zu hoch und damit zu pessimistisch. In der weiteren Entwicklung kamen dann in der Messtechnik die auf VCSEL-Lasern (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) basierenden Lichtquellen auf (Bild unten, Teil b), weil diese auch vielfach in den Aktivkomponenten der Übertragungsstrecken zum Einsatz kommen (zum Beispiel 1GbE SFPs mit 850 nm VCSEL). Diese Methode hat dann allerdings dazu geführt, dass die Messergebnisse wegen zu geringer Ausleuchtung des Glasfaserkerns und zu wenigen Moden höherer Ordnung zu optimistisch war. Fehler, wie zum Beispiel ein Versatz von Glasfaserkernen zwischen zwei verbundenen Glasfaser-Steckverbindern, gingen so unter.

Modenverteilung und Ausleuchtung bei verschiedenen Lichtquellen. Bild: Softing IT Networks

Die beiden Anregungsbedingungen „Overfill“ und „Underfill“ konnten bei Messungen Abweichungen von deutlich mehr als zehn Prozent zur Folge haben, was in den vergangenen Zeiten großer Systemreserven für Glasfaser-Übertragungstrecken nicht besonders kritisch war. Da es jedoch heute – bei höheren Übertragungsraten wie 40GBase-SR4, 100GBase-SR10 über OM3 bis OM5 und Glasfasern mit Längen von 100 und 150 Metern sowie einem Channel-Budget von nur noch 1,9/1,5 dB – solch große Systemreserven nicht mehr gibt, kann sich der Techniker diese großen Abweichungen nicht mehr leisten. Die Standardisierungsgremien mussten reagieren und Anregungsverfahren diskutieren, die diese Abweichungen erst gar nicht zulassen.

Die Experten begannen folgerichtig vor einigen Jahren damit, eine genaue Definition der Licht-Leistungsverteilung im Glasfaserkern zu schaffen. Encircled Flux oder begrenzter Lichtstrom definiert exakt, wie das Lichtsignal auszusehen hat. Es liegt damit zwischen einer Overfill- und einer Underfill-Anregung.

Definition

EF ist laut Standard der Anteil der kumulativen (aufsummierten) Leistung des Nahfelds gegenüber der Gesamtausgangsleistung als Funktion des radialen Abstands vom optischen Zentrum des Glasfaserkerns. Durch eine genaue Messung der Lichtleistung mittels einer Nahfeldmessung wird so also genau messbar, wie viele Moden niedriger und höherer Ordnung man zur Messung und somit in den Glasfaser-Kern der zu messenden Strecken einkoppelt.

Welche spezifizierten Lichtleistungs-Verhältnisse das für die verschiedenen Kerndurchmesser und verwendeten Wellenlängen sind, kann der Techniker im Standard DIN EN 61280-4-1 nachlesen.

Fazit: EF-kompatibles Mess-Equipment wird wichtiger

Künftig wird die Verwendung von Mess-Equipment, die mit Encircled-Flux-kompatiblen Lichtquellen arbeitet, immer wichtiger sein, um bei geringeren Dämpfungsbudgets zuverlässige und genaue Ergebnisse bei den Messungen von Multimode-Glasfaser-Verkabelungsstrecken zu erreichen. Nur so lässt sich bereits im Vorfeld gewährleisten, dass die Übertragung moderner Highspeed-LWL-Anwendungen problemlos funktioniert.

Thomas Hüsch ist im Technical Support und Training bei Softing IT Networks tätig, www.softing.de.