Tutorial: Passive Faseroptik

Dies ist Teil 13 eines Tutorials über passive Faseroptik von Dr. Paschotta.

Teil 13: Faserzubehör und Werkzeuge

Nachdem wir einen großen Teil des physikalischen Hintergrunds optischer Fasern behandelt haben, wenden wir uns schließlich einigen praktischen Aspekten zu: einigen Werkzeugen und Zubehörteilen, die man bei der Arbeit mit Faseroptik häufig braucht.

Werkzeuge zum Abisolieren und Brechen von Fasern

In Teil 5 über Faserenden haben wir bereits erklärt, dass Faserenden normalerweise abisoliert und gebrochen werden müssen, und einige typischerweise verwendete Werkzeuge erwähnt. Hier ein kurzer Überblick:

• Ein verbreiteter Typ von Faser-Abisolierwerkzeug sieht aus wie eine Zange. Wenn man von einem Faserkabel ausgeht, muss man zunächst mit dem Abisolierwerkzeug in den Polymermantel einschneiden und das Endstück des Mantels abziehen. Anschließend kann man dasselbe Werkzeug verwenden, um über die letzten Zentimeter auch die Polymer-Schutzschicht (Buffer) von der Faser abzuziehen. (Manche Abisolierwerkzeuge sind entweder auf das Entfernen des Kabelmantels oder auf das Abziehen von Buffer- und dünneren Polymerbeschichtungen spezialisiert.) Das Gerät ist so ausgeführt, dass es in den Kabelmantel oder die Schutzschicht einschneidet, ohne die Glasfaser darin zu beschädigen. Sorgfältige Handhabung ist wichtig, um Beschädigungen der Faser zu vermeiden, die später zum Bruch führen könnten. Mit einem mit Alkohol getränkten Tuch kann man dann etwaige Rückstände der Beschichtung entfernen, die später Probleme verursachen könnten.
• Das Brechen von Fasern (Cleaven) lässt sich oft mit recht einfachen mechanischen Cleaver-Werkzeugen erledigen. Im einfachsten Fall hat man lediglich eine scharfe Klinge aus Diamant, Karbid oder Keramik (einen Ritzer) in Stiftform, um die Faser anzuritzen, und bricht sie dann mit einem Fingerschlag. Alternativ kann man die Faser in eine einfache Halterung legen, sie mit zwei Fingern halten, dazwischen anritzen und schließlich durch etwas stärkeren Zug brechen. Solche einfachen Klingen und Halter sind in einfachen Faser-Konfektionierungssätzen (Vorbereitungssätzen) enthalten.
• Etwas anspruchsvollere Cleaver besitzen einen Faserhalter mit einer V-Nut und eine Mechanik, die die Faser einspannt, zieht, anritzt und schließlich bricht; der Benutzer muss nur die abisolierte Faser einlegen und einen Hebel nach unten drücken.

• Für das Brechen unter besser kontrollierten Bedingungen, das zu gleichmäßigeren Ergebnissen führt, gibt es spezielle Apparate, sogenannte mechanische Präzisions-Cleaver, die folgendermaßen arbeiten. Man legt die abisolierte Faser ein und fixiert sie, typischerweise mit einer V-Nut und zwei Klemmen. Dann bringt man eine Zugspannung auf, deren Größe sich oft einstellen lässt (z. B. mit einem Schraubendreher). Nun lässt man eine Diamantklinge an die Faser herangehen, die den erforderlichen Ritz erzeugt. Die Klinge kann dabei mit einem kleinen Elektromagneten oder Piezo in Schwingung versetzt werden. Schließlich wird die Zugspannung so weit erhöht, dass die Faser bricht. Manche halbautomatischen Cleaver erlauben auch das Winkelbrechen, also die Präparation von Faserenden mit einem gewissen Winkel zur Faserachse.

Bei üblichen Quarzglasfasern sind Abisolieren und Brechen normalerweise kein Problem. Es gibt allerdings problematische Fälle, z. B. bei nicht standardmäßigen Faserdurchmessern, bei photonischen Kristallfasern mit großem Luftanteil oder bei zerbrechlichen Fluoridfasern.

Mehr Einzelheiten finden Sie in unserem Enzyklopädieartikel über das Brechen von Fasern.

Geräte zum Spleißen von Fasern

Faserspleißen bedeutet, dass zwei Faserenden so zusammengefügt werden, dass Licht ohne übermäßige Koppelverluste von der einen in die andere Faser gelangen kann. Man muss zwei Techniken unterscheiden:

• Beim mechanischen Spleißen werden die Faserenden mit mechanischen Teilen aneinander befestigt.
• Fusionsspleißen bedeutet, dass die Faserenden durch eine Wärmebehandlung miteinander verschmolzen werden.

Mechanische Spleiße lassen sich mit relativ einfachen Verbrauchsmaterialien herstellen und erfordern keine teuren Geräte. Man muss lediglich die abisolierten und gebrochenen Faserenden in den mechanischen Spleiß einführen. (Manche Ausführungen sind transparent, so dass man das Faserende darin sehen kann.) Mit Klemmmuttern kann man die Fasern fixieren. Die Fasern müssen so weit eingeschoben werden, dass zwischen den Faser-Endflächen praktisch kein Luftspalt bleibt. Manche mechanischen Spleiße sind wiederverwendbar, d. h. man kann die Fasern wieder herausnehmen und den Spleiß für andere Fasern verwenden. Andere erlauben die Verwendung einer Indexanpassungsflüssigkeit, die die Einfügedämpfung erheblich reduzieren kann, aber zusätzliche Reinigung erfordert, wenn ein Spleiß neu gemacht wird. In manchen Fällen verklebt man die Fasern mit einem UV-härtenden Epoxidharz, was natürlich zu permanenten (nicht wiederverwendbaren) Spleißen führt.

Für das Fusionsspleißen gibt es hochentwickelte Fusionsspleißgeräte. Man muss die abisolierten und sorgfältig gebrochenen Faserenden in Klemmen einlegen und richtig positionieren. Auf Knopfdruck bringt das Gerät dann die Faserenden nahe zusammen und führt Wärme aus einem elektrischen Lichtbogen zu (oder eventuell mit einem CO₂-Laser), so dass die Faserenden miteinander verschmelzen. Fusionsspleißgeräte sind recht teuer, aber sie erzeugen die zuverlässigsten und verlustärmsten Spleiße, und das ohne teure Verbrauchsmaterialien.

Obwohl Fusionsspleiße vergleichbar robust sind wie die ursprüngliche Faser, ist die abisolierte Faser weniger gut geschützt. Deshalb verwendet man oft Spleißschutzhülsen, um den gespleißten Bereich zu schützen.

Mehr Einzelheiten finden Sie in unserem Enzyklopädieartikel über das Fusionsspleißen von Fasern.

Inspektion von Faserenden und Faserverbindungen

Visuelle Fehlerortungsgeräte können helfen, Fehlstellen von Fasern zu lokalisieren, insbesondere von Spleißen. Ein solches Gerät enthält eine sichtbare (oft rote) Laserquelle in einem kleinen Gehäuse mit einem Steckverbinder, an den man die zu prüfende Faser anschließen kann. Damit wird etwas sichtbares Licht in die Faser eingekoppelt. Nur an Stellen, wo eine Fehlstelle vorliegt, wird ein nennenswerter Anteil des Lichts aus der Faser herausgestreut und ist damit sichtbar. Offensichtlich sollten mechanische Spleiße transparent sein, damit diese Inspektionsmethode gut funktioniert.

Es gibt auch Fasermikroskope zur Inspektion von Faserenden. Diese können billiger sein als Allzweckmikroskope, da sie mit einer festen (relativ hohen) Vergrößerung arbeiten können. Es kann sehr nützlich sein, regelmäßig z. B. die Qualität von Faserbrüchen und polierten Oberflächen zu prüfen, denn diese ist entscheidend für erfolgreiches Spleißen und für eine verlustarme Konfektionierung. Die mikroskopische Inspektion erfordert nur minimalen Zeitaufwand – viel weniger als eine spätere Suche nach Fehlern und deren Behebung.

Zur Inspektion von Faserenden sind spezielle Interferometer erhältlich. Mit ihnen kann man die Oberflächenqualität und den Kuppenradius (den Krümmungsradius der Endfläche der Steckverbinder-Ferrule) prüfen. Typischerweise wird die zu prüfende Faser samt ihrem Steckverbinder eingesetzt.

Steckverbinder und Patchkabel

Faseroptische Steckverbinder sind sehr nützlich für nicht permanente Verbindungen, z. B. mit Faser-Patchkabeln. Wir haben Steckverbinder in Teil 6 über Faserenden und in unserem Enzyklopädieartikel über Steckverbinder behandelt. Faser-Patchkabel, die bereits vom Hersteller konfektioniert werden, sind in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich:

• Es gibt viele verschiedene Steckverbindertypen und teilweise verschiedene Qualitätsstufen.
• Es sind verschiedene einmodige Fasern und Multimode-Fasern verfügbar.
• Je nach Einsatzumgebung müssen Faser-Patchkabel mit unterschiedlicher Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Hitze und Feuer ausgeführt sein. Tatsächlich ist der Brandschutz gerade für Anwendungen in Innenräumen ein wichtiger Aspekt. Feuchtigkeitsbeständigkeit und Temperaturtoleranz sind für Außenkabel entscheidend. Auch der mechanische Schutz, z. B. dagegen, dass Personen über Faserkabel laufen, kann wichtig sein; es gibt besonders robuste Faserkabel.

Beachten Sie, dass man für die Konfektionierung, also das Anbringen eines Steckverbinders, typischerweise einige zugehörige Ausrüstung braucht. Neben Geräten zum Abisolieren und Brechen sind das oft spezialisierte Werkzeuge, die vom Typ des Steckverbinders abhängen. Manche Anwender der Faseroptik können jedoch ausschließlich mit vorgefertigten fasergekoppelten Geräten und Patchkabeln arbeiten und müssen selbst keine Steckverbinder montieren.

Faseradapter

Es gibt viele Arten von faseroptischen Adaptern. Sie erlauben es, zwei Faserenden zu verbinden, die bereits konfektioniert (also mit Steckverbindern versehen) sind. Manche Adapter können verwendet werden, um Steckverbinder unterschiedlicher Art zu verbinden. Da es sehr viele verschiedene Arten von Steckverbindern gibt, wird auch eine große Vielfalt verschiedener Adapter benötigt.

Faserkollimatoren

In vielen Fällen möchte man das aus einem Faserende austretende Licht in einen kollimierten Strahl umwandeln. Zu diesem Zweck kann man einen Faserkollimator am Ende anbringen. Üblicherweise wird ein Kollimator an einem konfektionierten Faserende verwendet, also an einem Ende mit einem Steckverbinder, beispielsweise vom Typ FC oder SMA. Im Wesentlichen enthält ein solcher Kollimator eine entspiegelte Linse und einen Adapter für den Steckverbinder oder alternativ eine Halterung für eine blanke Faser. Der Strahlradius des kollimierten Strahls ist ungefähr die Brennweite der Linse mal dem halben Divergenzwinkel des aus der Faser austretenden Strahls. Für einmodige Fasern ist die Strahldivergenz näherungsweise die Wellenlänge geteilt durch ($\pi$) mal dem Modenradius. Größere kollimierte Strahlen erfordern Faserkollimatoren, die sowohl länger als auch größer im Durchmesser sind.

Ein Faserkollimator kann auch dazu verwendet werden, einen kollimierten Strahl in eine Faser einzukoppeln.

Optomechanische Teile für die Faseroptik

Häufig verwendet man eine V-Nut mit einer Klemme darüber, um eine Faser fest in einer bestimmten Position zu halten. Indem man solche V-Nuten in einer Reihe anordnet, kann man ein Faser-Array aufbauen, bei dem typischerweise eine gewisse Anzahl von Fasern (manchmal sogar Tausende von Fasern) in einer Linie mit konstantem, wohldefiniertem Abstand angeordnet sind. Es gibt auch spezielle Steckverbinder für Faser-Arrays.

Für die Einkopplung von Laserlicht in eine Faser gibt es komplette Einkoppelsysteme, die eine V-Nut und Klemme(n) auf einem Präzisions-Verschiebetisch sowie eine fokussierende Linse enthalten. Eine Alternative dazu kann ein Faserkollimator (siehe oben) auf einem Verschiebetisch sein.

Wenn Freistrahl-Optiken in einen faseroptischen Aufbau eingefügt werden müssen, kann es praktisch sein, eine Anordnung aus zwei Faserkollimatoren mit etwas Platz dazwischen zu verwenden. Besonders beim Einsatz mit einmodigen Fasern ist eine hohe mechanische Stabilität wichtig.

Fasermanagement

Wenn man mit vielen Fasern arbeitet, kann man spezielle Lösungen für die Verwaltung von Fasern einsetzen:

• Kabelbinder zur Kennzeichnung und Beschriftungssysteme helfen dabei, einzelne Fasern, Kabel oder Bündel zu identifizieren.
• Faseroptische Aufwickeltrommeln ordnen und schützen Faserkabel auf optischen Tischen oder Breadboards.
• Produkte wie Kabelwannen, Kabelleitern, Kabelbindeböden und Montagewinkel helfen, Faserkabel zu ordnen.
• Faser-Patchfelder dienen als geordnete Verteilerknoten für faseroptische Kabel. Es handelt sich typischerweise um Metallgehäuse, die eine Reihe von Ports oder Steckverbindern aufnehmen. Sie können Adapterplatten, Steckverbinder-Adapter und manchmal Spleiß-Kassetten mit Platz für die Faserablage enthalten. Es gibt Ausführungen für Rack- und Wandmontage sowie für den Außenbereich und für die Hutschienenmontage. Es gibt sogar robotische Patchfelder, die softwaregesteuerte Umkonfigurationen erlauben.
• Es gibt Faser-Shuffles, deren wesentlicher Zweck darin besteht, eine geeignete Führung von Signalen durch viele Fasern zu ermöglichen. Einfache Shuffles sind relativ simpel und bieten eine feste Zuordnung; sie erlauben es im Grunde, die Fasern kompakt und geordnet unterzubringen. Komplexere, rekonfigurierbare Shuffles, die eine Art von optischen Schaltern enthalten, können für ein adaptives Netzwerkmanagement eingesetzt werden.

Es gibt auch Softwarelösungen für die Verwaltung von Fasern. Im Wesentlichen kann solche Software ein virtuelles Modell eines bestehenden Systems bereitstellen und alle seine relevanten Eigenschaften verfolgen – zum Beispiel, welche Signalkanäle (oft mit verschiedenen Wellenlängen bei Systemen mit Wellenlängenmultiplex) durch welche Fasern laufen. Sie kann zur Bewertung von Leistungsengpässen und der Effizienz der Ressourcennutzung genutzt werden. Das kann für die Planung weiterer Ausbauschritte entscheidend sein, etwa als Reaktion auf einen wachsenden Leistungsbedarf.

Das Ende

Damit endet das RP-Photonics-Tutorial über passive Faseroptik. Wir hoffen, dass Ihnen das Tutorial gefallen hat und dass Sie auf unserer Website noch viele weitere interessante Dinge finden werden, z. B. in der RP Photonics Encyclopedia und in diversen Fallstudien, die mit unserer Software RP Fiber Power erstellt wurden. Für viele Zwecke können Sie auch sehr von der kostenlosen Version oder der PRO-Version der Software RP Fiber Calculator profitieren.