Zertifizierung von Glasfaserstrecken

Vergleich der Messmethoden nach „Tier-1“ und „Tier-2“

Neue Kommunikationsstandards mit immer höheren Geschwindigkeiten und Datenraten gehen mit ständig steigenden Anforderungen an die verwendeten Übertragungsmedien einher. Für Glasfaserstrecken bedeutet das, dass die erlaubte Dämpfung der Strecken immer kleiner wird. Hauptsächlich sind es verschmutzte, beschädigte oder minderwertige Steckverbinder die die Dämpfung erhöhen oder andererseits Kabel, die zu kleine Biegeradien (Makrobiegung) haben beziehungsweise Verunreinigungen oder einseitige mechanische Belastungen über eine kleine Streckenlänge (Mikrobiegung), die allesamt zu Signalverlusten führen. Auch die Montage der Steckverbinder an die Lichtwellenleiter-Kabel kann die Übertragungsleistung beeinflussen.

Um all diese Einflussfaktoren unter Kontrolle zu halten und die Leistungsfähigkeit eines LWL-Netzes hoch zu halten, bleibt nur gewissenhaftes Inspizieren und Reinigen der Verbindungsstecker und die Überwachung der Einhaltung der zulässigen Messwerte für die Dämpfungen. Das gilt sowohl bei der Neuinstallation, als auch anschließend im laufenden Betrieb bei eventuellen Änderungen von Konfigurationen.

Im Gegensatz zu Messungen an Kupferverkabelungen, bei denen die Normen nur eine Zertifizierungsebene vorsehen, unterscheiden wir beim Messen von Glasfaserstrecken zwei Ebenen, die im Englischen als „Tier 1“ und „Tier 2“ bezeichnet werden. Die „Tier 1“-Ebene beschreibt die Messung der Gesamtdämpfung einer LWL-Strecke, ohne einzelne Streckenkomponenten zu bewerten. Messungen nach „Tier 2“ sind Reflexionsmessungen, die zusätzlich zu den Gesamtaussagen auch Einzelbewertungen der möglichen Streckenereignisse durchführen und meist auch grafisch darstellen.

Vorsicht! Es geht um Ihre Sicherheit

Bevor wir uns mit den einzelnen Methoden des Inspizierens und Messens beschäftigen, denken Sie daran, dass die Sicherheit immer an erster Stelle steht und beachten Sie bitte die folgenden Punkte:

• Schutz der Augen - Schauen Sie nicht direkt auf Laserlichtquellen in Netzwerk- oder Test -und Messgeräten. Das zur Datenübertragung und zum Testen und Messen verwendete Licht ist unsichtbares(!), teils hochenergetisches Infrarotlicht. Halten Sie sich unbedingt an die erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen entsprechend den Laserschutzklassen, wie z.B. das Tragen von Schutzbrillen.
• Faserabfälle und „Scherben“ aus der Faseraufbereitung - Diese müssen sachgemäß behandelt werden, um Durchstiche und Schnitte zu vermeiden. Werfen Sie keine Glasreste zu Boden oder in ungeeignete Abfallbehältnisse.
• Stellen Sie sicher, dass alle aktiven Systeme ausgeschaltet sind. Wenn Sie nicht speziell ein Live-System testen müssen, sollten Sie alle Netzwerkgeräte ausschalten zur gefahrlosen Betrachtung der Steckerendflächen und für Streckenmessungen.

Abb. 1 Mikroskop zur Betrachtung und Analyse von Steckerendflächen zum Anschluss an Dämpfungsmessgerät, OTDR und PC

Abb.2 Unterschiedliche Bezugsverfahren und Messtopologien für LWL-Strecken

Betrachtung der Steckerendflächen

In der Welt der Datenübertragung über Lichtwellenleiter ist allgemein bekannt, dass Defekte wie Kratzer oder Absplitterungen und allen voran Verschmutzungen auf den Steckerendflächen die Hauptursache für Fehler und die Verschlechterung der Übertragungsqualität auf den Übertragungsstrecken sind. Messtechnisch führen derartige Beeinträchtigungen zu erhöhten Reflexionen, das zeigt sich in einer Verringerung der Rückflussdämpfung an den Steckerübergängen und einer Erhöhung der Einfügedämpfung auf der gesamten Strecke. Das kann eine deutliche Beeinträchtigung der Übertragungsleistung bis in hin zur Signalunterbrechung zur Folge haben. Mechanische Folgen können ein Verkratzen oder sogar die Zerstörung der Faserendflächen weiterer Steckverbinder bei Patchvorgängen sein.

Daher ist es unabdingbar die Steckerendflächen stets auf ihre Sauberkeit zu überprüfen, bevor eine Verbindung hergestellt wird. Dies gilt in allen Phasen des Lebenszyklus einer Anlage, angefangen bei der Konfektionierung bzw. Installation über den regulären Betrieb und regelmäßigen Wartungsarbeiten bis hin zur Fehlersuche bei Störungen.

Aber wann gilt eine Steckerendfläche als „sauber und betriebsbereit“? Als Definition von „sauber und betriebsbereit“ dient eine Norm, die von der International Electrotechnical Commission (IEC) erarbeitet wurde. Sie trägt die Bezeichnung IEC 61300-3-35. Dieser Standard definiert allgemeingültige Anforderungen an die Qualität von Steckerendflächen, um eine optimale Einfügedämpfung und Rückflussdämpfung zu gewährleisten. Sie enthält Pass/Fail-Kriterien zum Prüfen und Analysieren der Endflächen von optischen Steckverbindern.

Da die Einhaltung der IEC-Norm die einzige Möglichkeit ist, das Leistungsversprechen der modernen Lichtwellenleiter-Netzwerke mit ihren zahlreichen Steckverbindern zu erfüllen, ist es sinnvoll, den Prozess der Faserendflächen-Prüfung zu automatisieren. Hierzu wird ein Fasermikroskop verwendet, welches in Verbindung mit einer Analyse-Software die Pass/Fail-Kriterien der IEC-Norm einer Bewertung zugrunde legt.

Die Automatisierung dieser Überprüfung mit einem derartigen System beseitigt die Unsicherheiten, die mit einer manuellen Prüfung verbunden sind. Hierbei wird am Ort der Installation ein dokumentierter Nachweis der Qualität der Steckerendfläche erbracht und ein wiederholbarer und zuverlässiger Prozess gewährleistet (siehe Bild 1)

„Tier-1“, Messung der Gesamtdämpfung einer LWL-Strecke

Die Dämpfung begrenzt die Reichweite einer LWL-Strecke und damit deren Leistungsfähigkeit. Deshalb gehört die Dämpfung zu den wichtigsten Parametern in der LWL-Technik. Die Dämpfung ergibt sich aus dem Verhältnis zweier Leistungen und zwar der eingespeisten Leistung am Anfang der Strecke und andererseits der ankommenden Leistung am Streckenende.

Zur Messung der Dämpfung an verlegten Lichtwellenleitern werden zwei Geräte benötigt. Zunächst ein Sender (LS genannt, von englisch Light Source), der auf der einen Seite ein definiertes Lichtsignal (z.B. Encircled Flux konform bei multimode) einspeist. Auf der Gegenseite ein Empfänger (PM genannt, von englisch Power Meter), der die ankommende Leistung misst und diese in Relation zur gesendeten Leistung setzt. Um die Einflüsse der verwendeten Messkabel und Messstecker aus der Dämpfungsmessung heraus zu bekommen, wird zunächst ein Bezugsverfahren (besser bekannt als Nullabgleich oder Normalisierung) durchgeführt und erst im Anschluss die Messung. Zwischen Bezugsverfahren und Messung muss die Leistung des Senders konstant bleiben.

Um eine Messung durchzuführen, werden an die Messmodule jeweils Prüfschnüre (hochwertige Messkabel in definierter Referenzqualität) an Sende- und Empfangsport angeschlossen, um die zu testende Anlage zu kontaktieren. Sowohl die Messung einer Installationsstrecke (Permanent Link), als auch einer Übertragungsstrecke (Channel Link) sind somit möglich. Wobei es bei der Messung von Übertragungsstrecken auch eine „verbesserte Testmethode“ gibt, die mit einer Prüfschnur in Verbindung mit den Gerätverbindungsschnüren arbeitet. Für die Durchführung der Bezugsverfahren der Prüfschnüre, gibt es drei Verfahren: Bezugsverfahren mit einer, zwei oder drei Prüfschnüren. Nicht alle Standards unterstützen alle drei Bezugsverfahren, z.B. die ISO/IEC 14763-3 erlaubt nur Bezugsverfahren mit einer oder drei Prüfschnüren. Es ist zu beachten, dass nach dem Bezugsverfahren das Prüfkabel am Sendeport gesteckt bleibt, da diese Kopplung kritisch für die Messgenauigkeit ist (siehe Bild 2).

Auswahlkriterien für „Tier-1-Messgeräte“

Die Messgeräte selber sind je nach Leistungsklasse entweder einfache Einzelgeräte (Sender und Empfänger) oder kombinierte Gerätesätze, bei denen jedes Einzelgerät sowohl über Sender, als auch Empfänger verfügt und als Dämpfungsmessplätze (OLTS genannt, von englisch Optical Loss Test Set) bezeichnet werden. Hier können zwei Fasern mit zwei Wellenlängen gleichzeitig vermessen werden. OLTS-Systeme gibt es als eigenständige Geräte oder, was sehr beliebt ist, als Messmodule zum Anschluss an Kupferzertifizierungsgeräte.

Bei der Anschaffung von Tier-1-Messgeräten sollten einige Performance-Eigenschaften beachtet werden. Dazu gehört heutzutage die Möglichkeit mit normgerechten Lichtsignalen (EF-Konformität) die Messwerte präziser zu ermitteln als in den älteren Systemen. Außerdem ist die Einhaltung von Spezifikationen für Stabilität und Messgenauigkeit, die den Anforderungen der heutigen Aktivsysteme standhalten können, wichtig. Eine einfache Bedienung, die den Ablauf der Referenzierung und den eigentlichen Messvorgang unterstützt und die die Protokollierung der Messdaten automatisiert sind im Interesse der hohen Anforderungen ebenfalls zu bevorzugen (siehe Bild 3).

 „Tier 2“ -  Reflexionmessungen

Zusätzlich zu den durch „Tier-1-Tests“ definierten Gesamtdämpfungsmessungen gibt es in den ISO/IEC- und ANSI/TIA-Standards auch Messungen, die nur mit einem optischen Zeitbereichsreflektometer (engl. Optical Time Domain Reflectometer, kurz OTDR) durchgeführt werden können. Ein OTDR ist auch das beste verfügbare Fehlerortungswerkzeug für Glasfaserstrecken. Es bietet einen detaillierten Überblick über unterschiedlichste Ereignisse entlang der gesamten Faserstrecke. Zusätzlich zu den OTDR-Messungen gehören auch die Steckerendflächenbetrachtung und –dokumentierung zur Ebene 2.

Abb. 3 Tier-1-Messmodulte als Erweiterung zu Zertifizierungsmessgerät für Kupferstrecken

Prinzip der OTDR-Messung

Im Gegensatz zu OLTS-Systemen, die an beiden Enden der Strecke angeschlossen werden und so die Verluste über die Strecke ermitteln, sendet ein OTDR Lichtimpulse einseitig in die zu testende Faser. Wenn sich die Lichtimpulse durch die Faser bewegen, wird ein Teil der Energie aufgrund von Rückstreuung (bekannt als Rayleigh-Rückstreuung) an das OTDR zurückgegeben. Diese Rückstreuung tritt kontinuierlich entlang der Faser aufgrund von Fehlern (Fremdmoleküle) in der Faser auf. Sie ist die Hauptursache für Leistungsverluste in der Faser. Wellenlängen mit kürzerem Licht streuen stärker und daher weist die Faser bei kürzeren Wellenlängen eine höhere Einfügedämpfung auf. Zum Beispiel hat eine Multimode-Faser mehr Verlust bei 850 nm als bei 1300 nm. Das OTDR misst die Intensität des rückgestreuten Lichts als Funktion der Zeit, wandelt diese in Entfernung um und zeigt dies grafisch als Rückstreukurve oder vereinfacht als Symbolkette an. Zudem wird sowohl die Gesamtdämpfung der Glasfaser (in dB) als auch die Dämpfung pro Entfernung (in dB/km) angezeigt.

Zusätzlich zur permanenten Rayleigh-Rückstreuung wird Licht auch von Punkten in der Faser reflektiert, an denen sich der Brechungsindex der Faser ändert (Fresnel-Reflexionen). Ereignisse entlang der Faser, die diese Reflexionen verursachen, umfassen: das Faserende, Faserbrüche, Steckverbinder, offene Steckverbinder, mechanische Spleiße und Luftspalte an schlecht gesteckten Verbindern. Diese Ereignisse erscheinen als positive Spitzen in der OTDR-Kurve. Die Höhe der Spitze relativ zu der benachbarten Rückstreuung ist das Reflexionsverhalten des Ereignisses. Reflexion ist das Verhältnis von reflektiertem Licht zu einfallendem Licht an einem einzigen Punkt. Zu hohe Reflexionen sind ein Problem in Netzwerken, sowohl im LAN, als auch in WAN-Netzwerken (siehe Bild 4)

Die Reflexion wird direkt von der Terminierungstechnik beeinflusst. Das Reflexionsvermögen wird in dB gemessen. Ein typischer Reflexionsgrad für verbundene Steckverbinder liegt im Bereich von ‑35 dB bis ‑65 dB. Je negativer die Zahl ist, desto weniger Energie wird zum OTDR zurückreflektiert, was eine bessere Netzwerkleistung bedeutet.

Neben der Verlustmessung der gesamten Faser ist ein OTDR auch in der Lage, den Verlust eines Abschnitts der Faser zu messen, indem Cursors an die gewünschten Punkte in der Messkurve bewegt werden und die Differenz abgelesen oder vollautomatisch durch die eingebauten Auswertetools bestimmt wird. Bitte beachten Sie, dass die von einem OTDR bereitgestellte Gesamtdämpfungsmessung nicht so genau ist wie eine Messung der Einfügedämpfung nach Tier 1. Deswegen sollte eine OTDR-Messung immer bidirektional durchgeführt und die Ergebnisse ausgemittelt werden.

Fehlersuche

Die Stärke eines OTDRs liegt in seinen Möglichkeiten Fehler oder Ereignisse im Kabellauf zu lokalisieren. Das gilt sowohl für Neuinstallationen als auch im Fehlerfall. Wenn ein Techniker z.B. mittels eines OTDRs eine Fehlerbehebung durchführt, wird oftmals die erwartete ursprüngliche Messkurve aus Zeiten der Neuinstallation gegen die aktuell gemessene verglichen, und eventuelle Verschlechterung der Performance direkt ortsgebunden angezeigt.

Moderne OTDRs automatisieren auch bereits die Einstellung der Grundmessparameter und die Erkennung und Vermessung von Ereignissen. Dies beschleunigt den Messprozess und ermöglicht auch weniger erfahrenen Technikern, die Möglichkeiten eines OTDR auszuschöpfen. Zusätzlich zur Messkurve oder Symbolkette zeigt das Gerät eine Ereignistabelle an, die den Ereignistyp und die damit verbundenen Dämpfungs- und Reflexionsmessungen sowie eine Zusammenfassung der Gesamtverluste und –Reflexionen beinhaltet.

Abb. 4 Funktionsprinzip eines OTDRs

Abb. 5 Modernes OTDR zum Einmessen von LWL-Strecken und zur Fehlerortung mit Reflexionskurve

Besonderer Messaufbau

Beim Messen mit einem OTDR sind einige Besonderheiten zu beachten. Durch das einseitige Messprinzip ist es erforderlich als Adaption zu dem zu testenden System hin spezielle Vorlauffasern zu verwenden. Die Aufgabe dieser Testkabel ist nicht nur die passenden Steckerübergänge zu liefern, sondern auch dafür zu sorgen, dass der ausgesendete Impuls nicht schon als Reflexion am ersten Stecker den Empfänger überfährt, und auch der erste Stecker der Strecke in dieser „Totzone“ landet. Totzonen sind Streckenteile, auf denen keine Bewertung stattfinden kann, weil Ereignisse davor so viel Reflexion liefern, dass der Empfänger gesättigt ist und für eine kurze Zeit deswegen „blind“ für weitere Ereignisse ist. Deswegen sind klassische Längen von Vorlauffasern immer größer als die Dämpfungstotzonen der Messoptiken, z.B. mindestens für Multimode >75m und Singlemode >150m.

Die größte Reflexion entsteht üblicherweise am offenen Ende der Strecke am Übergang des letzten Steckers in Luft. Um aber einen Faserbruch kurz vor dem letzten Stecker auch eindeutig als solchen zu erkennen, verwendet man Nachlauffasern, die die eigentliche Endreflexion über das Faserende hinaus verlagern und somit eine eindeutige Bewertung des letzten Steckers ermöglichen.

Die Vor- und Nachlauffasern sollten nicht nur über die passenden Längen, sondern auch über Stecker in Referenzqualität verfügen, um keine ungewollten Ungenauigkeiten in die Messung zu bringen. Auch sollten die Messungen von beiden Seiten ausgeführt und ausgemittelt werden, um möglichst hohe Genauigkeiten für die Gesamtdämpfungsaussage zu erzielen.

Auswahlkriterien

Bei der Anschaffung eines OTDRs sollte auch auf einige Performanceeigenschaften geachtet werden, die für die jeweilige Anwendung wichtig sind. Dazu gehören Parameter wie der Dynamikbereich und Messbereich, die die Reichweiten der Messungen begrenzen, dazu gehören auch die Totzonen, die die Darstellung von dicht aufeinanderfolgenden Reflexions- und Dämpfungsereignissen verantworten, und dazu gehören noch Faktoren wie Impulsbreiten und Samplingraten, die Ortsauflösungen bestimmen. Einfache Bedienung und Protokollierung der Messdaten verstehen sich von selbst (siehe Bild 5).

Fazit

Nachdem wir nun beide Messebenen für Glasfaserstrecken kennengelernt haben, stellt sich abschließend die Frage, welche Messungen die „besseren“ sind und als Abnahmemessungen verwendet werden sollen. Letzten Endes legt natürlich der Kunde fest wie seine Dokumentation der Anlage aussehen muss. Um aber ein Optimum an Genauigkeit zu erhalten, sollte eine Tier-1-Messung immer durchgeführt werden, besonders wenn die Strecken für schnelle breitbandige Anwendungen verwendet werden. Hier gilt es gegen sehr kleine Dämpfungsbudgets auszukommen. Eine Tier-2-Messung ergänzt natürlich die Aussage zur Gesamtdämpfung mit ihrer Einzelanalyse der vorhandenen Ereignisse und Bilder der Steckerendflächen. Zur Fehlersuche ist grundsätzlich ein OTDR unabdingbar.

Alfred Huber, Leitung Technik Softing IT Networks GmbH