Glasfaser- Stecker und Verbinder

Steckerverbinder Anforderungen: einfache Handhabung geringe Einfügedämpfung hohe Rückflussdämpung hohe mechanische Stabilität / hohe Lebensdauer d. h. reproduzierbare Dämpfungswerte hohe Klimastabilität zuverlässiger Faserschutz hohe Packungsdichte Feldmontierbarkeit leichte Reinigungmöglichkeit

Steckerverbinder Vorteile: leichte Trennung bzw. Wiederherstellung von Verbindungen Zugänglichkeit von optischen Leitungen für Messungen Möglichkeiten zur Schaltung von Ersaztzleitungen Nachteile: erhöhte Einfügedämpfung niedrige Rückflussdämpfung

Optische Steckverbinder Stirnflächenkopplung Konstruktionsprinzipien Optische Steckverbinder Prinzip: Direkte Kopplung Indirekte Kopplung Stecker: Stirnflächenkopplung Optische Abbildung Präzisionshülse Justierbare Fassung Linsenstecker + Kupplung: Präzisionshalterung

Konstruktionsprinzipien Fassung der Faserenden in Steckerstiften (Ferrulen) Einkleben des Faserendes in Präzisionshülsen (meist D außen = 2.5 mm) justierbare Fassungen Präzisionshülsen aus : - Metall (Hartmetall) - Keramik - mit Einsatz aus z. B. Glas, Neusilber o.ä. Zentrische Bohrung; Abstufung des Bohrdurchmessers in Schritten von 1 µm

Konstruktionsprinzipien Ausrichtung der konfektionierten Stecker in der Kupplung : starre Präzisionshülse : gute Dämpfungswerte enge Toleranzen hoher Fertigungsaufwand elastische Hülse : Dämpfunsänderung bei mechanischer Belastung konische Hülse : vorwiegend in den USA zu finden, (wird bei Neuverkabelungen heute nicht mehr eingesetzt)

Intrinsische Koppelverluste unterschiedliche Kerndurchmesser unterschiedliche numerische Apertur unterschiedliche Brechzahlprofile

Extrinsische Koppelverluste Stinflächen-Rauhigkeit Schnittwinkel Reflexionsverluste Abstand Radialer Versatz Kipp-Winkelfehler

Konstruktionsprinzipien Die wichtigsten extrinsischen Dämpfungsursachen einer Steckerverbind sind : radialer Versatz : mechanische Fertigunstoleranz Stecker-Hülse Exzentrizität der Bohrung im Steckerstift exzentrische Fixierung der Faser im Stift Exzentrizität Faserkern-Fasermantel Abstand der Faserflächen :

Bestimmung Einfügedämpfung Passungsspiel Steckerstift-Kupplungshülse: Konstant bei gleichen Werkstoffen, d. h. bei gleichen Temperatur- koeffizienten ( und gleicher Temperatur) Passungspiel, mindestens 0.5 µm : Sichere Funktion, d. h. stets Betriebssicherheit, garantiert für : Bmin - Dmax > 0.5 µm aus: DIN 47256 für LSA-Steckverbinder (LWL-Steckverbinder Version A) mit: Bmin = min. Innendurchmesser Hülse Dmax = max. Aussendurchmesser Stift Toleranzen : Stufe Toleranz Toleranz Kuppplung Stift 0 0.5 -1.0 1 1 -1.5 2 2 -2.0 3 4 -3.0 4 8 -6.0 5 12 -12.0 Unterscheidung von 6 mech. Qulitätsstufen Generell: 2 Kriterien zur Qualitätszuordnung mechanische Einstufung: d.h. der Stecker alleine optische Einstufung: der konfektionierte Stecker

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 „push-pull“-Verschluss (z.B. SC-Stecker) : Einrasten durch einfaches Einschieben des Steckers in die Buchse Ausrasten durch Ziehen des Steckers aus der Buchse

Vorteile Verdrehschutz keine Verletzung der Faserendflächen Bei reflexionsfreien Steckverbindern besteht direkter Glas-Glas Übergang aufgrund des physikalischen Kontaktes dürfen die Endflächen nicht gedreht werden Exakte Reproduzierbarkeit der Dämpfung Aufgrund konstanter Konzentrizitätsfehler : Kern-Mantel (z.B. : 3 µm bei MMF) Bohrung im Steckerstift Fixierung der Faser im Stift

Bearbeitung Faserendflächen Planschliff Konvexschliff (PC) Schrägschliff (APC)

Instabilität der Einfügedämpfung Rückflussdämpfung bei Steckern Problem : Vielfachinterferenzen (Fresnel-Reflexionen) im „optischen Resonator“, gebildet aus den polierten Endflächen Instabilität der Einfügedämpfung Rückkopplung auf den Sender Störung des Modulationsverhaltens => Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses Forderung an die Rückflussdämpfung aller faseroptischen Komponenten (für hochbitratige Systeme) : Return > 40 dB Aber : bei planen Endflächen mit Abstand d gilt : Diskrepanz ! Return > 12...15 dB

Theoretisch keine Reflexion (Licht „durchtunnelt“ den Luftspalt) Erhöhung Rückflussdämpfung Planer Endflächenschliff; Abstand d <  /2 => Theoretisch keine Reflexion (Licht „durchtunnelt“ den Luftspalt) Problem : Sehr hohe Anforderungen an den Schliff praktisch kaum realisierbar Physikalischer Kontakt (PC = physical contact) der Faserenden Weitgehende Unterdrückung der Fresnel-Reflexionen Praktische Realisierung : Konvexschliff Ergebnis : Return > 30...50 dB (abhängig von Polierverfahren)

Erhöhung Rückflussdämpfung Immersion der Stecker-Stirnflächen : => Der Luftspalt zwischen den Faserendflächen wird mit Flüssigkeit / Gel mit angepasster Brechzahl n gefüllt Problem : Alterungsbeständigkeit verschiedene Temperatur-- gradienten Wellenlängenabhängigkeit nFl () Ergebnis : Return > 30dB realisierbar

Erhöhung Rückflussdämpfung Schrägschliff der Faserenden : => Luftspalt zwischen den Faserenden bleibt bestehen => Fresnel-Reflexionen vorhanden Vorteil : reflektierte Welle liegt außerhalb des Akzeptanzwinkels der gegenüber- liegenden Faser Ergebnis : hohe Rückflussdämpfung realisierbar Return > 60dB ( bei Schrägschliff 7 oder 8°)

Erhöhung Rückflussdämpfung Kombination: Schrägschliff & physikalischer Kontakt => Asymetrischer, sphärischer Anschliff Die Faserendfläche ist kugelförmig mit dem Kugelmittelpunkt ausserhalb der Faserachse Probleme : aufwendiger Schliff Ergebnis : sehr hohe Rückflussdämpfung Return > 60dB

Montage von Steckverbinder feldmontierbar nicht feldmontierbar MMF-Stecker (SMF-Stecker) SMF-Stecker mit hoher Rückflussdämpfung mit Ferrule ferrulenlos

Auf Schmutz und Kratzer auf der Enfläche achten ! Montage von Steckerverbindern 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 : Kleben und / oder Prägetechnik (erste Prägung) Gleichzeitige Zentrierung: Achse der Faser - Achse der Ferrule ! Schleifen und polieren der Steckerendfläche / Faserendfläche in mehreren Schritten : mit Schleifpapier mit abgestufter Körnung mit Schleif- oder Polierpasten Auf Schmutz und Kratzer auf der Enfläche achten !

Montage von Steckerverbindern Polieren der Faserendflächen Aenderung der Brechzahl Herstellung des Endflächenprofils Eliminierung von Kratzern Auf Schmutz und Kratzer auf der Enfläche achten !

Montage von Steckerverbindern Änderung der Brechzahl beim Schleif- / Poliervorgang aufgrund von / abhängig von mechanischer Beanspruchung der Faserenden Materialverschiebung vom Steckerstift auf Faserendflächen Schleif- und Poliermittel Ergebnis: Dünne Zone veränderter Brechzahl NP am Faserende Begrenzte Rückflussdämpfung bei PC-Steckverbindern mit planen bzw. konvexen Endflächen

Steckerverbinder Typen Typ : FSMA (ursprünglich abgeleitet aus HF-SMA-Stecker) Norm : DIN IEC 86 B Merkmale : üblicherweise bei Neuinstallationen von Datennetzen heute nicht mehr eingesetzt Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,4.... 0.7 dB SMF : Einfüge = 0,3.... 0.5 dB Vorteil : Befestigungsmutter Nachteil : • Mühsame Befestigung bei Patch-Feldern • aufgrund fehlender Verdrehsicherung muss auf physikalischen Kontakt verzichtet werden; nur „Steckerstirnflächenkontakt“

Steckerverbinder Typen Typ : DIN-Steckverbinder Norm : DIN 47256 (LSA) DIN 47257 (LSB) Merkmale : MMF: mechanischer Stirnflächen- kontakt; SMF: physikal. Kontakt (konvex) mit Verdrehsicherung; mit starrem / gefedertem Stift Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,2.... 0.5 dB SMF : Einfüge = 0,2.... 0.4 dB Vorteil : geringe Toleranzen: exakte Faserpositionierung und geringe Einfügedämpfung Nachteil : nur DIN normiert; keine weite Verbreitung

Vergleichbar mit DIN-Stecker Steckerverbinder Typen Typ : FC / PC (Fiber Connector / Physical Contact) Norm : IEC 874-7 Merkmale : MMF: mechanischer Stirnflächen- kontakt; SMF: physikal. Kontakt mit Verdrehsicherung; mit starrem / gefedertem Stift Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,2.... 0.5 dB SMF : Einfüge = 0,2.... 0.4 dB Vorteil : geringe Toleranzen: exakte Faserpositionierung und geringe Einfügedämpfung Vergleichbar mit DIN-Stecker

Steckerverbinder Typen Typ : BFOC (Bajonet Fibre Optic Connector) Norm : entspr. IEC 874-10 in 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 Verdrehsicherung für MMF und SMF Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,2.... 0.5 dB SMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB Vorteil : • leichte Handhabung • hohe Reproduzierbarkeit • niedrige Einfügedämpfung

Steckerverbinder Typen Typ : SC (Subbscriber Connector) Norm : IEC 874-? Merkmale : „push-pull“-Prinzip; gegen Verdrehung gesichert; auch als Duplex-Ausführung normiert mit Kodierung zur Unterscheidung von Sende- und Empfangspfad Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB SMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB Vorteil : • leichte Handhabung • hohe Packungsdichte möglich • niedrige Einfügedämpfung

Steckerverbinder Typen Typ : E 2000 (Diamond)) Norm : ? Merkmale : „push-pull“-Prinzip; gegen Verdrehung gesichert; auch als Duplex-Ausführung normiert mit Kodierung zur Unterscheidung von Sende- und Empfangspfad Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB SMF : Einfüge = 0,2.... 0.3 dB Vorteil : • leichte Handhabung • hohe Packungsdichte möglich • niedrige Einfügedämpfung

Steckerverbinder Typen Typ : MIC (Medium Interface Connector) Norm : IS 9314-3, als Geräteanschlussstecker festgelegt FDDI-Standard Merkmale : Einsatz: Computernetze Duplex-Stecker für Sende und Empfangspfad ( mit schwimmend gelagerten Steckerstiften) Kodiersystem für Stecker und Buchse Dämpfung : MMF : Einfüge = 0,3 dB (typ.) Vorteil : kein Verwechseln von Sende- und Empfangspfad möglich Nachteil : • Aufwendige Konstruktion • großer Platzbedarf

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;

Umgang mit Steckerverbindern Berühren der Steckerstirnfläche absolut vermeiden ! Im nicht gesteckten Zustand Steckerstift stets mit Schutzkappe versehen ! Beides führt zur Verschmutzung (Staub, Fett u.a.) und zur mechanischen Beschädigung der Faserendflächen. Dämpfungserhöhung Begutachtung der Steckerendfläche : Betrachtung unter einem Auflichtmikroskop

Abhilfe bei Dämpfungserhöhung Verschmutzung der Stirnfläche : • 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 Mechanische Beschädigung der Stirnfläche : z. Bsp.: Kratzer, Ausbrüche auf der Endflächen • Nachpolieren (je nach Steckertyp; erfordert sehr vorsichtige Handhabung

Mechanischer Spleiss Beispiel eines mechanischen Spleisses : • bedingt lösbar • Indexanpassung mit Matchinggel • Mehrfachausführungen (siehe Beispiel)

Eigenschaften nach EN 50173 Mech. / optische Eigenschaften Anforderungen Prüfnorm Nenndurchmesser der Faser 125 IEC 793-2: 1992 um Lebensdauer > 500 EN 186000-1: 1993 Steckerzyklen Uebertragungseigenschaften Dämpfung, maximal Spleiss 0,3 IEC 1073-1 dB sonst 0.5 EN 186000-1: 1993 Reflexionsdämpfung, MMF 20 EN 186000-1: 1993 minimal dB SMF 26