Cables + Systems © 10/2001 Dätwyler Ltd. Cables+Systems -115 FO-Products V0_0.ppt 1 Glasfaser- Stecker und Verbinder

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Glasfaser-Stecker und Verbinder

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© 10/2001 Dätwyler Ltd. Cables+Systems - 115 FO-Products V0_0.ppt

Steckerverbinder

Anforderungen:

einfache Handhabung

geringe Einfügedämpfung

leichte Reinigungmöglichkeit

hohe Rückflussdämpung

hohe mechanische Stabilität / hohe Lebensdauerd. h. reproduzierbare Dämpfungswertehohe Klimastabilität

zuverlässiger Faserschutz

hohe Packungsdichte

Feldmontierbarkeit

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Steckerverbinder

Vorteile:

leichte Trennung bzw. Wiederherstellung von VerbindungenZugänglichkeit von optischen Leitungen für MessungenMöglichkeiten zur Schaltung von Ersaztzleitungen

erhöhte Einfügedämpfung

niedrige Rückflussdämpfung

Nachteile:

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Konstruktionsprinzipien

Optische Steckverbinder

Direkte Kopplung

Indirekte Kopplung

Stirnflächenkopplung

Optische Abbildung

Präzisionshülse

Justierbare

Fassung

Linsenstecker

Präzisionshalterung

Prinzip:

Stecker:

+Kupplung:

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Fassung der Faserenden in Steckerstiften (Ferrulen)Einkleben des Faserendes in Präzisionshülsen (meist D außen = 2.5 mm)

justierbare Fassungen

Präzisionshülsen aus :- Metall (Hartmetall)

Zentrische Bohrung; Abstufung des Bohrdurchmessers in Schritten von 1 µm

- Keramik- mit Einsatz aus z. B. Glas, Neusilber o.ä.

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Ausrichtung der konfektionierten Stecker in der Kupplung :

• Dämpfunsänderung bei mechanischer Belastung

• vorwiegend in den USA zu finden, (wird bei Neuverkabelungen heute nicht mehr eingesetzt)

starre Präzisionshülse :• gute Dämpfungswerte• enge Toleranzen

• hoher Fertigungsaufwand

elastische Hülse :

konische Hülse :

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Intrinsische Koppelverluste

unterschiedliche Kerndurchmesser

unterschiedliche Brechzahlprofile

unterschiedliche numerische Apertur

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Extrinsische Koppelverluste

Stinflächen-Rauhigkeit

Abstand

Schnittwinkel

Reflexionsverluste

Radialer Versatz

Kipp-Winkelfehler

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Die wichtigsten extrinsischen Dämpfungsursachen einer Steckerverbind sind :

radialer Versatz :• mechanische Fertigunstoleranz Stecker-Hülse

• Exzentrizität der Bohrung im Steckerstift

• exzentrische Fixierung der Faser im Stift

Abstand der Faserflächen :

• Exzentrizität Faserkern-Fasermantel

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Bestimmung Einfügedämpfung

• Sichere Funktion, d. h. stets Betriebssicherheit, garantiert für :

• Unterscheidung von 6 mech. Qulitätsstufen Generell: 2 Kriterien zur Qualitätszuordnung

Passungsspiel Steckerstift-Kupplungshülse:• Konstant bei gleichen Werkstoffen, d. h. bei gleichen Temperatur-

koeffizienten ( und gleicher Temperatur)

Passungspiel, mindestens 0.5 µm :

Toleranzen :

Bmin - Dmax > 0.5 µm aus: DIN 47256 für LSA-Steckverbinder(LWL-Steckverbinder Version A)

mit: Bmin = min. Innendurchmesser Hülse Dmax = max. Aussendurchmesser Stift

mechanische Einstufung: d.h. der Stecker alleine

optische Einstufung: der konfektionierte Stecker

Stufe Toleranz Toleranz

Kuppplung Stift

0 0.5 -1.01 1 -1.52 2 -2.03 4 -3.04 8 -6.05 12 -12.0

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Verschlussprinzipien

Schraubgewinde ( z.B. DIN-Stecker)• Anzug mit definiertem Drehmoment

• kein einfaches Lösen von Hand

Bajonettverschluss (z.B. ST-Stecker) :• sichere und einfache Verriegelung mit einer viertel Umdrehung

•Ausrasten durch Ziehen des Steckers aus der Buchse

•Einrasten durch einfaches Einschieben des Steckers in die Buchse

„push-pull“-Verschluss (z.B. SC-Stecker) :

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Vorteile Verdrehschutz

keine Verletzung der Faserendflächen

Exakte Reproduzierbarkeit der DämpfungAufgrund konstanter Konzentrizitätsfehler :• Kern-Mantel (z.B. : 3 µm bei

MMF)

Bei reflexionsfreien Steckverbindern besteht direkter Glas-Glas Übergang• aufgrund des physikalischen

Kontaktes dürfen die Endflächen nicht gedreht werden

• Bohrung im Steckerstift• Fixierung der Faser im Stift

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Bearbeitung Faserendflächen

Planschliff

Konvexschliff (PC)

Schrägschliff(APC)

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Rückflussdämpfung bei Steckern

Problem :• Vielfachinterferenzen (Fresnel-Reflexionen) im „optischen Resonator“,

gebildet aus den polierten Endflächen

Störung des Modulationsverhaltens

Rückkopplung auf den Sender

Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses

Return > 40 dB

(für hochbitratige Systeme) :

Forderung an die Rückflussdämpfung aller faseroptischen Komponenten

Instabilität der Einfügedämpfung

=>

Return > 12...15 dB

Aber : bei planen Endflächen mit Abstand d gilt :

Diskrepanz !

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Erhöhung Rückflussdämpfung

Planer Endflächenschliff; Abstand d < /2

• Sehr hohe Anforderungen an den SchliffProblem :

• praktisch kaum realisierbar

• Weitgehende Unterdrückung der Fresnel-Reflexionen Physikalischer Kontakt (PC = physical contact) der Faserenden

Theoretisch keine Reflexion (Licht „durchtunnelt“ den Luftspalt)=>

Praktische Realisierung : Konvexschliff

Ergebnis : Return > 30...50 dB(abhängig von Polierverfahren)

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Immersion der Stecker-Stirnflächen :

• AlterungsbeständigkeitProblem :

• verschiedene Temperatur--

gradienten

Der Luftspalt zwischen den Faserendflächen wird mitFlüssigkeit / Gel mit angepasster Brechzahl n gefüllt

=>

Ergebnis :

Return > 30dB realisierbar

• Wellenlängenabhängigkeit nFl

()

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Schrägschliff der Faserenden :

•reflektierte Welle liegt außerhalb des Akzeptanzwinkels der gegenüber- liegenden Faser

Vorteil :

Luftspalt zwischen den Faserendenbleibt bestehen

=>

Ergebnis :hohe Rückflussdämpfung

realisierbarReturn > 60dB( bei Schrägschliff 7 oder 8°)

Fresnel-Reflexionen vorhanden=>

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Kombination: Schrägschliff & physikalischer Kontakt

• aufwendiger Schliff

Probleme :

Asymetrischer, sphärischer Anschliff=>

Ergebnis : sehr hohe Rückflussdämpfung

Return > 60dB

Die Faserendfläche ist kugelförmig mit dem Kugelmittelpunktausserhalb der Faserachse

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Montage von Steckverbinder

Steckverbinder

feldmontierbar nicht feldmontierbar

MMF-Stecker(SMF-

Stecker)

SMF-Stecker mit hoher

Rückflussdämpfung

mit Ferruleferrulenlos

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Montage von Steckerverbindern

• Kleben und / oder

Ausgangspunkt : Steckerstift• axiale Mittelbohrung zur Faseraufnahme• Einsatz aus Spezialmatrial (Glas, Neusilber, Keramik o. ä.) zur Faseraufnahme

Präparierte Faser wird auf Länge geschnitten und zentrisch im Steckerstift fixiert durch :

Schleifen und polieren der Steckerendfläche / Faserendfläche in mehreren Schritten :

• Prägetechnik (erste Prägung)Gleichzeitige Zentrierung: Achse der Faser - Achse der Ferrule !

• mit Schleifpapier mit abgestufter Körnung• mit Schleif- oder Polierpasten

Auf Schmutz und Kratzer auf der Enfläche achten !

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Polieren der Faserendflächen

Auf Schmutz und Kratzer auf der Enfläche achten !

Aenderung der Brechzahl

Herstellung des Endflächenprofils

Eliminierung von Kratzern

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Änderung der Brechzahl beim Schleif- / Poliervorgang aufgrund von / abhängig von

• mechanischer Beanspruchung der Faserenden• Materialverschiebung vom Steckerstift auf Faserendflächen

Ergebnis: Dünne Zone veränderter Brechzahl NP am Faserende

• Schleif- und Poliermittel

Begrenzte Rückflussdämpfung bei PC-Steckverbindern mit planen bzw. konvexen Endflächen

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Steckerverbinder Typen

Typ : FSMA (ursprünglich abgeleitet aus HF-SMA-Stecker)

Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,4.... 0.7 dB

SMF : Einfüge = 0,3.... 0.5 dB

• Mühsame Befestigung bei Patch-Feldern• aufgrund fehlender Verdrehsicherung muss auf physikalischen Kontakt verzichtet werden; nur „Steckerstirnflächenkontakt“

Vorteil : Befestigungsmutter

Norm : DIN IEC 86 BMerkmale : üblicherweise bei Neuinstallationen von Datennetzen heute nicht mehr eingesetzt

Nachteil :

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Typ : DIN-Steckverbinder


SMF : Einfüge = 0,2.... 0.4 dB

nur DIN normiert; keine weite Verbreitung

Vorteil : geringe Toleranzen: exakte Faserpositionierung und geringe Einfügedämpfung

Norm : DIN 47256(LSA)DIN 47257(LSB)

Merkmale : MMF: mechanischer Stirnflächen-

kontakt;SMF: physikal. Kontakt (konvex)mit Verdrehsicherung;mit starrem / gefedertem Stift

Nachteil :

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Typ : FC / PC (Fiber Connector / Physical Contact)


SMF : Einfüge = 0,2.... 0.4 dBVorteil : geringe Toleranzen: exakte Faserpositionierung und geringe Einfügedämpfung

Norm : IEC 874-7

Merkmale : MMF: mechanischer Stirnflächen- kontakt;

SMF: physikal. Kontakt mit Verdrehsicherung;

mit starrem / gefedertem Stift

Vergleichbar mit DIN-Stecker

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Typ : BFOC (Bajonet Fibre Optic Connector)


SMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dBVorteil :

Norm : entspr. IEC 874-10in EN 50173 für Datennetze (LAN) empfohlen

Merkmale : entspricht dem ST-Steckverbinder (Straight Trip)

Nachfolger für BAM-Steckerverbinder(Biconial Alignment Mechanism) in den USA;

Steckerstift meist aus Keramik;ausgestattet mit Verdrehsicherungfür MMF und SMF

• leichte Handhabung• hohe Reproduzierbarkeit • niedrige Einfügedämpfung

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Typ : SC (Subbscriber Connector)


SMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB • leichte Handhabung

• hohe Packungsdichte möglich

• niedrige Einfügedämpfung

Norm : IEC 874-?

Merkmale : „push-pull“-Prinzip; gegen Verdrehung gesichert;

auch als Duplex-Ausführung normiert mit Kodierung zur Unterscheidung von Sende- und Empfangspfad

Vorteil :

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Typ : E 2000 (Diamond))


SMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB • leichte Handhabung

• hohe Packungsdichte möglich

• niedrige Einfügedämpfung

Norm : ?

Merkmale : „push-pull“-Prinzip; gegen Verdrehung gesichert;

auch als Duplex-Ausführung normiert mit Kodierung zur Unterscheidung von Sende- und Empfangspfad

Vorteil :

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Typ : MIC (Medium Interface Connector)

Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,3 dB (typ.)

• Aufwendige Konstruktion• großer Platzbedarf

Vorteil : kein Verwechseln von Sende-

und Empfangspfad möglich

Norm : IS 9314-3, als Geräteanschlussstecker festgelegtFDDI-Standard

Merkmale : Einsatz: ComputernetzeDuplex-Stecker für Sende und Empfangspfad ( mit

schwimmend gelagerten Steckerstiften)Kodiersystem für Stecker undBuchse

Nachteil :

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Weitere Steckerverbinder-Typen

Linsenstecker : Integration einer Linse (Stablinse, Kugellinse)Aufweitung und Fokussierung des überkoppelnden Lichts

• Vorteil - geringe Empfindlichkeiten gegenüber seitlichem Versatz

- unempfindliche gegen Toleranzen in Längsrichtung • Nachteil - zusätzliche Bauteile -> teuer

- zusätzliche Verluste durch Reflexionen • Einsatz - Sonderanwendungen

VCS-Steckerverbinder (V-groove Connector System) : V-Nut als Justierungsprinzip

Hybrid-Steckerverbinder :elektrische und optische Leitungen werden gemeinsam geführt;

Optaball-Steckerverbinder :eine Kugelllagerkugel in der Kupplung dient zur genauen Zentrierung der Steckerstifte;

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Umgang mit Steckerverbindern

Berühren der Steckerstirnfläche absolut vermeiden !

Begutachtung der Steckerendfläche :Betrachtung unter einem Auflichtmikroskop

Im nicht gesteckten Zustand Steckerstift stets mit Schutzkappe versehen !

Beides führt zur Verschmutzung (Staub, Fett u.a.) und zur mechanischen Beschädigung der Faserendflächen.

DämpfungserhöhungDämpfungserhöhung

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Abhilfe bei Dämpfungserhöhung

Verschmutzung der Stirnfläche :

Mechanische Beschädigung der Stirnfläche :z. Bsp.: Kratzer, Ausbrüche auf der Endflächen

• Reinigung mit trockenem, fusselfreiem Tuch

• Betupfung • Reinigung mit trockenem, fusselfreiem Tuch

• Betupfung der Steckerstirnfläche mit Büroklebeband

• Reinigung mit fusselfreiem, in Alkohol (oder entsprechend Herstellerangaben) getränktem Tuch

• Stecker mit Indexanpassung: vorsichtige Benetzung der Steckerstirnfläche

• Nachpolieren (je nach Steckertyp; erfordert sehr vorsichtige Handhabung

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Mechanischer Spleiss

Beispiel eines mechanischen Spleisses :• bedingt lösbar

• Indexanpassung mit Matchinggel

• Mehrfachausführungen (siehe Beispiel)

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Eigenschaften nach EN 50173

Mech. / optische Eigenschaften Anforderungen Prüfnorm

Nenndurchmesser der Faser 125 IEC 793-2: 1992um

Lebensdauer > 500EN 186000-1: 1993 Steckerzyklen

Uebertragungseigenschaften

Dämpfung, maximal Spleiss 0,3 IEC 1073-1dB sonst 0.5 EN 186000-1:

1993

Reflexionsdämpfung, MMF 20 EN 186000-1: 1993

minimal dBSMF 26

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