Technik der laseroptimierten Mehrmodenfaser
Wege des Lichts
Zur schnellen Datenübertragung in Lichtwellenleiternetzen bieten sich optimierte Mehrmodenfasern an. Qualitätsunterschiede dieser Fasern beruhen unter anderem auf dem Herstellungsverfahren. Corning setzt auf die OVD- Methode (Outside Vapour Deposition), die zu einem besonders günstigen Brechungsindexprofil führen soll.
Mit der Entwicklung moderner Industrie- und lokaler Netzwerke (LANs) sind die Anforderungen in
Bezug auf hohe Datenraten ständig gestiegen. Heutzutage arbeiten Industrienetzwerke und LANs mit
Datenraten von bis zu 10 GBit/s. Konventionelle Übertragungssysteme mit kostengünstigen LED-Sendern
und einer oberen Datenratengrenze von 622 MBit/s sind daher für eine zeitgemäße Datenübertragung
ungeeignet. Um die hohen Datenraten moderner Industrienetzwerke und LANs realisieren zu können,
wurden LED-Sender durch Lasersender ersetzt. Die Umstellung von LED auf Laser hat viele
entscheidende Auswirkungen auf die Konstruktion von Glasfasern. Mehrmodenfasern mit
850-nm-Laserdioden (VCSELs) gelten als die wirtschaftlichste Lösung für Industrienetzwerke und LANs
und kommen daher normalerweise in diesen Netzwerken zum Einsatz. Im Zuge der Marktumstellung von
LED auf Laser entstand in den späten neunziger Jahren eine neue Generation von laseroptimierten
Mehrmodenfasern. Der folgende Text arbeitet die Unterschiede zwischen konventionellen
Mehrmodenfasern und laseroptimierten Mehrmodenfasern heraus. Zudem zeigt er auf, wie wichtig die
Wahl hochwertiger laseroptimierter Mehrmodenfasern für hohe Datenraten in Industrienetzwerken und
LANs ist.
Glasfaserübertragung mit LED und Laser
Wird Licht in eine Mehrmodenfaser eingekoppelt, stehen ihm mehrere Wege entlang des Faserkerns
zur Verfügung. Jeden dieser Wege bezeichnet man als Mode, und die Faser trägt folgerichtig den
Namen "Mehrmodenfaser". Das von einer LED (Light Emitting Diode) abgegebene Licht unterscheidet
sich von dem sehr schmalen Lichtstrahl eines Lasers durch seinen großen Öffnungswinkel (Bild 1).
Bei der Einkopplung in eine Mehrmodenfaser "überfüllt" der stark divergente Strahl einer LED den
Faserkern und regt so viele Moden an. Unter ähnlichen Bedingungen regt ein Laser in einer
Mehrmodenfaser nur einige wenige Moden an – im Prinzip nur diejenigen, die lediglich den mittleren
Bereich des Faserkerns durchqueren.
Laseroptimierte Mehrmodenfaser
Der Bereich in der Mitte einer Glasfaser, der einen hohen Brechungsindex aufweist, stellt den
optischen Weg dar, auf dem sich das Licht durch Totalreflexion ausbreiten kann. Bei Mehrmodenfasern
reduziert sich der Brechungsindex langsam mit wachsendem Abstand von der Faserkernmitte, um ein
Gradientenindexprofil zu erzeugen (Bild 2). Das Gradientenindexprofil sorgt dafür, dass das gesamte
Licht unabhängig vom verwendeten Modenübertragungsweg gleichzeitig am Ende des Fasersystems
eintrifft. Abweichungen bei der Ankunftszeit bezeichnen Fachleute als Modendispersion. Das
Leistungsvermögen einer Mehrmodenfaser wird anhand von Bandbreite oder höchster Datenrate und
Reichweite bewertet und in der Einheit MHz * km angegeben. Die Bandbreite ist umgekehrt
proportional zur Modendispersion.
Ist ein Laser in eine Mehrmodenfaser eingekoppelt, verteilt sich das Laserlicht über einen sehr
schmalen – normalerweise den mittleren – Bereich des Faserkerns. Die Leistung der Faser als
Laserübertragungsmedium hängt dann stark von der Gleichmäßigkeit des
Gradientenbrechungsindexprofils des Faserkerns in diesem Bereich ab. Das Brechungsindexprofil des
Kerns einer konventionellen Mehrmodenfaser weist an der Mittelachse einen Einbruch auf, wie in Bild
2 zu sehen ist. Es liegt auf der Hand, dass sich eine solche Anomalie in der Mitte des
Brechungsindexprofils viel stärker auf den schmalen, konzentrierten Strahl eines Lasers auswirkt
als auf das stark divergente Licht einer LED. Zur Unterstützung moderner Übertragungssysteme mit
hohen Datenraten müssen Laser statt LEDs zum Einsatz kommen. Brechungsindexanomalien entlang der
Mittelachse äußern sich jedoch bei Lasersignalen in Form von Verzerrungen des übertragenen Signals
sowie durch erhöhte Bitfehlerraten. Damit ist dem System eine obere Grenze für die Datenrate
gesetzt, weshalb paradoxerweise die Kombination aus einem laserbasierenden Transceiver und einer
konventionellen Mehrmodenfaser ungeeignet ist für Übertragungssysteme mit einer Datenrate von 10
GBit/s.
Zur Beseitigung dieses Problems ist es erforderlich, das Brechungsindexprofil in der Mitte einer
Mehrmodenfaser für Laserübertragungen zu optimieren. Zwar ist dies verhältnismäßig aufwändig, aber
dennoch gilt es, alle Anomalien in der Mitte des Brechungsindexprofils zu beseitigen. 1998 war
Corning nach eigenen Angaben der erste Glasfaserhersteller, der eine neue Generation von
Mehrmodenfasern einführte, die für Laserübertragungen optimiert sind. Das ideale
Brechungsindexprofil einer laseroptimierten Mehrmodenfaser ist in Bild 2 dargestellt. Man erkennt,
dass alle Anomalien entlang der Mittelachse beseitigt wurden, wodurch Systemeinschränkungen oder
Signalverzerrungen infolge des Einbruchs auf der Mittelachse ausgeschlossen sind.
Laseroptimierung und Herstellungsverfahren
Kürzlich durchgeführte Studien haben ergeben, dass der Prozess zur Herstellung von
Mehrmodenfasern zu verschiedenen Qualitäten hinsichtlich der Homogenität des Brechungsindexprofils
führt. Bei Stichprobenuntersuchungen von einigen laseroptimierten Fasern führender Anbieter, die
mit dem MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapour Deposition, modifizierte chemische Gasabscheidung)
und dem PCVD-Verfahren (Plasma Chemical Vapour Deposition, chemische Gasabscheidung über
Plasmalichtbogen) hergestellt und für die 10 GBit/s-Streckenlängen von 150, 300 und 500 Metern bei
850 nm angegeben wurden, stellte sich heraus, dass etwa 50 Prozent der getesteten Fasern einen
Brechzahleinbruch in der Mittelachse aufwiesen (Bild 3). Zudem traten bei allen betroffenen Fasern
Fehler bei der Lasermittenabstimmung auf. Im Gegensatz dazu lässt sich nach Einschätzung von
Experten mit dem OVD-Faserherstellungsverfahren (Outside Vapour Deposition, äußere Gasabscheidung)
eine optimale Homogenität des Brechungsindexprofils erzielen, sodass mittels OVD-Verfahren
hergestellte laseroptimierte Mehrmodenfasern praktisch keinen Einbruch auf der Mittelachse
aufweisen (Bild 3b).
Ein weiteres wichtiges Problem, das nur bei dem MCVD- und dem PCVD-Verfahren auftritt, besteht
darin, über die gesamte Länge der Faser eine gleichmäßige Bandbreite zu gewährleisten. Dieses
Problem kann sich dadurch äußern, dass bestimmte Faserabschnitte eine andere Bandbreite aufweisen,
als für die Gesamtlänge der Faser ermittelt wurde. Angesichts des starken Schwankungsgrads bei der
Laseroptimierung von Mehrmodenfasern ist es sehr wichtig, alle Mehrmodenfasern, die für den Einsatz
in hochwertigen Laserübertragungssystemen vorgesehen sind, strengen Test- und
Klassifizierungsverfahren zu unterziehen.
Klassifizierung von LED- und Laserleistung
Die hohe (anhand von Bandbreite und Reichweite ermittelte) Datenrate einer bestimmten Faser ist
durch die relative Laufzeitverzögerung zwischen den angeregten Moden und der Energieverteilung
zwischen den Moden bestimmt. Aus diesem Grund muss die Leistung von konventionellen Mehrmodenfasern
(für den Einsatz mit LEDs) anhand der OFL-Bandbreitenmessung (Overfilled Launch, vollständige
Anregung aller Kernmoden) klassifiziert sein, bei der die Einkoppelbedingungen einer LED nachgeahmt
werden. Die Einkoppelbedingungen beim Laser sind komplett anders. Daher sind für die neue
Generation von Mehrmodenfasern Leistungsklassifizierungsverfahren erforderlich, die die speziellen
Einkoppelbedingungen eines Lasers berücksichtigen.
Es gibt verschiedene Klassifizierungsmethoden: DMD, RML und minEMBc. Die RML-Bandbreite
(Restricted Mode Launch, Bandbreite mit selektiver Modenanregung) war die erste gemäß Standard
(TIA-455-204) zugelassene Kennzahl für laseroptimierte Fasern. Sie eignet sich für
Bandbreitenprognosen bis 1 GBit/s. Für Übertragungssysteme mit höheren Datenraten bis 10 GBit/s ist
die neueste und genaueste Methode zur Ermittlung der Übertragungsleistung von Mehrmodenfasern mit
hoher Bandbreite erforderlich, nämlich die minEMBc-Bandbreite (minimum calculated Effective Modal
Bandwidth, minimale berechnete effektive modale Bandbreite). minEMBc wird durch die Normen TIA/EIA
455-220 und IEC 60793-1-49 unterstützt und gilt in der Glasfaserbranche als die einzige
Referenzmessung für hohe, DMD-basierende und inhärent skalierbare Bandbreiten zur Prognose
verschiedener Bitraten und Streckenlängen. Andere Messungen umfassen dagegen lediglich eine
Bestanden/Nicht-Bestanden-Schätzung für 10 GBit/s über 300 Meter.
Für eine laseroptimierte 10-GBit/s-Mehrmodenfaser, die nicht nach den neuesten und genauesten
Methoden zur Laserbandbreitenmessung klassifiziert ist, lässt sich keine vollständige
Leistungsgarantie abgeben. Speziell bei nach MCVD- oder PCVD-Verfahren hergestellten
Mehrmodenfasern können die vom Hersteller angegebenen Daten aufgrund der ungleichmäßigen axialen
Bandbreite oder des nicht vollständig beseitigten Brechzahleinbruchs auf der Mittelachse bestimmten
Schwankungen unterliegen.
Fazit
Die heutigen modernen Industrie- und LAN-Netzwerke müssen die Übertragung von Datenraten von 1
GBit/s und höher ermöglichen, um die Gigabit-Ethernet-, 10-Gigabit-Ethernet- und
Fibre-Channel-Protokolle unterstützen zu können. Infolgedessen sind in solchen Netzwerken LEDs,
deren Datenrate auf 622 MBit/s beschränkt ist, durch Laser – vor allem VCSELs mit 850 nm – als
Lichtquelle abgelöst. Zudem haben laseroptimierte Mehrmodenfasern konventionelle Mehrmodenfasern
ersetzt, um kostengünstige, hoch leistungsfähige Laserübertragungssysteme realisieren zu können.
Jedoch gibt es abhängig vom Herstellungsverfahren durchaus Unterschiede zwischen laseroptimierten
Fasern. Fasern, die nach dem OVD-Verfahren hergestellt sind, weisen keinen Brechzahleinbruch in der
Mittelachse auf und verfügen über eine gute axiale Gleichmäßigkeit. Bei Fasern, die nach dem MCVD-
oder dem PCVD-Verfahren hergestellt wurden, gilt dies nicht uneingeschränkt. Um eine Garantie der
Leistungsfähigkeit für eine Vielzahl von Standard-VCSELs geben zu können, sollte die
10-GBit/s-Faserleistung mit der minEMBc-Kennzahl ermittelt werden. Corning stellt seine
Mehrmodenfasern (Infinicor) nach dem OVD-Verfahren her und verwendet die minEMBc-Kennzahl zur
Klassifizierung seiner 10-GBit/s-Produkte.
Stichproben reichen nicht aus
Zudem misst der Glasfaseranbieter die Laserbandbreite eines jeden Meters auf jeder einzelnen
Faserrolle und verlässt sich somit nach eigenen Angaben nicht allein auf Stichprobe. Dies soll
garantieren, dass alle Fasern hundertprozentig den Angaben entsprechen. Die Qualitätskontrolle hat
in diesem Umfeld also einen besonders hohen Stellenwert.
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