Makrobiegung und Mikrobiegung bei Lichtwellenleitern

Was unterscheidet Makrobiegung von Mikrobiegung — und woran erkennt man in der Messung, welche von beiden vorliegt?

Beide Begriffe benennen Dämpfung, die aus einer Verformung der Faser entsteht — und sie sind trotzdem zwei verschiedene Befunde mit verschiedenen Ursachen, verschiedenen Orten und verschiedenen Gegenmitteln. Makrobiegung ist der Bogen, den man sehen kann. Mikrobiegung ist eine Störung, die kein Auge findet und die sich über eine Länge verteilt.

Licht läuft in einer Glasfaser, weil es innen immer wieder von der Wand zurückgeworfen wird — solange die Faser gerade genug liegt. Biegst Du sie zu eng, fliegt ein Teil des Lichts an der Kurve heraus und geht verloren. Das ist der eine Fall, und man sieht ihn. Der andere ist heimtückischer: Drückt etwas seitlich auf die Faser — ein zu fest gezogener Kabelbinder, eine Kante, das eigene Kabel, das sich in der Kälte zusammenzieht —, dann bekommt sie unzählige winzige Knicke, jeder für sich unsichtbar. Auch dabei geht Licht verloren, nur eben verteilt über eine ganze Strecke.

Ausführliche Erklärung

Zwei Maßstäbe, zwei Mechanismen

Bei der Makrobiegung geht es um Bögen im Millimeter- bis Zentimeterbereich, also um alles, was ein Mensch als Bogen erkennt: die zu enge Schlaufe in der Spleißbox, das Kabel, das hinter einem Rack um die Ecke gezwungen wird, die Reserve, die in eine zu kleine Dose gestopft wurde. Die äußeren Anteile des geführten Lichts erfüllen im Bogen die Bedingung für die Totalreflexion nicht mehr und verlassen den Kern.

Die Mikrobiegung arbeitet zwei Größenordnungen darunter. Gemeint sind zufällige Auslenkungen der Faserachse mit Radien unter einem Millimeter, die sich über eine Strecke verteilen — Hunderte oder Tausende winziger Abweichungen statt eines einzigen Bogens. Sie entstehen aus lateralem Druck, und der hat drei übliche Herkünfte: Kräfte aus Fertigung und Verlegung, Maßänderungen der Kabelwerkstoffe bei Temperaturwechsel, und äußere mechanische Spannung. Der Effekt ist eine Kopplung von Kernmoden an Mantelmoden — Licht, das im Kern laufen sollte, wird in den Mantel gestreut und ist damit weg.

Der dritte Punkt verdient Aufmerksamkeit, weil er in der Planung regelmäßig übersehen wird: Kunststoffe schrumpfen in der Kälte deutlich stärker als Glas. Ein Kabel, dessen Aufbau das nicht abfängt, presst seine eigene Faser gegen die Mantelinnenwand, sobald es kalt wird. Der Dämpfungsanstieg tritt dann im Winter auf und verschwindet im Frühjahr — ein Fehlerbild, das jede Suche nach einer defekten Steckverbindung ins Leere laufen lässt.

Woran die Messung sie auseinanderhält

Der praktisch nutzbare Unterschied liegt in der Wellenlänge. Makrobiegung zeigt sich vorwiegend bei 1550 und 1625 nm und bleibt bei 1310 nm vergleichsweise unauffällig. Mikrobiegung wirkt dagegen auf allen gebräuchlichen Wellenlängen der Einmodentechnik, also einschließlich 1310 nm.

Daraus folgt ein Vorgehen, das ohne Zusatzgerät auskommt, wenn ohnehin mit zwei Wellenlängen gemessen wird. Ein Dämpfungsbefund, der bei der längeren Wellenlänge deutlich stärker ausfällt und bei der kürzeren fast verschwindet, deutet auf einen Bogen. Ein Befund, der bei beiden Wellenlängen ähnlich dasteht, deutet auf Querdruck. Dazu kommt die Ortsinformation der Rückstreumessung: Makrobiegung erscheint als Ereignis an einer Stelle, Mikrobiegung als erhöhte Steigung über einen Abschnitt.

Warum die Beschichtung dazugehört

Die Empfindlichkeit gegen Mikrobiegung ist keine Eigenschaft des Glases allein, sondern des Systems aus Faser und Beschichtung. Die weiche Primärbeschichtung unmittelbar auf dem Glas puffert seitliche Kräfte ab, die harte Sekundärbeschichtung darüber verteilt sie. Als Größenordnung nennen Entwickler aus Faserherstellung und Beschichtungschemie rund 100 MPa Modul für die Primär- und rund 1000 MPa für die Sekundärbeschichtung; gegenüber dem Stand von 1975 ist der Modul der Primärbeschichtung um mehr als das Hundertfache gesenkt worden.

Daran hängen zwei Konsequenzen. Erstens ist die Mikrobiegeempfindlichkeit eine Kenngröße der Faser, die im Labor gemessen wird — der technische Bericht IEC TR 62221 beschreibt dafür vier Verfahren, die die Faser kontrolliert unter Querdruck setzen. Zweitens ist sie auf der Baustelle nicht messbar und auch nicht beeinflussbar; wer sie berücksichtigen will, tut das bei der Auswahl des Kabels und nicht bei der Montage.

Häufiges Missverständnis

„Wir nehmen biegeunempfindliche Faser, dann ist das Thema erledigt." Biegeunempfindliche Fasern sind eine Antwort auf die Makrobiegung, und zwar auf deren optischen Teil. Sie ändern nichts an der mechanischen Dauerlast im Glas, und sie machen die Faser nicht unempfindlich gegen Querdruck — Mikrobiegung entsteht aus einem anderen Mechanismus und wird über den Kabelaufbau und die Beschichtung beherrscht, nicht über das Brechzahlprofil.

Der zweite Irrtum ist ein Denkfehler über Reserven. „Die Strecke läuft, also ist der Bogen egal." Eine Faserstrecke wird mit einem Dämpfungsbudget geplant, und dieses Budget ist bereits für etwas vorgesehen: für Alterung, für spätere Spleiße, für den Tag, an dem jemand einen Steckverbinder tauscht. Was eine Biegung heute frisst, fehlt später — und zwar an der Stelle, an der niemand mehr weiß, dass es dort je einen Bogen gab.

Nicht zu verwechseln mit

Mindestbiegeradius: Ein Grenzwert für die Ausführung, keine Beschreibung eines Verlustmechanismus. Er hält die Makrobiegung von vornherein aus der Strecke heraus und schützt gleichzeitig das Glas vor Dauerlast.
Grunddämpfung der Faser: Der Verlust, den auch die perfekt verlegte Faser hat, angegeben in dB pro Kilometer und stark wellenlängenabhängig. Sie ist der Ausgangspunkt der Budgetrechnung, Biegeverluste kommen obendrauf.
Rückflussdämpfung an Steckverbindungen: Ein reflektierendes Ereignis an einer Trennstelle. Es sieht in der Rückstreumessung anders aus als eine Biegung und hat mit ihr nichts zu tun.
Chromatische Dispersion: Das Auseinanderlaufen des Impulses über die Länge. Sie begrenzt die Datenrate, kostet aber keine Leistung.

In der Fehlersuche

Eine Faserstrecke zwischen Technikraum und Kinoraum, seit zwei Jahren in Betrieb, meldet im Winter sporadisch Bildaussetzer und im Sommer nie. Die naheliegende Vermutung — eine wackelige Steckverbindung — ist die falsche, weil ein Kontaktfehler kein Kalenderverhalten zeigt.

Deshalb zuerst: Was an dieser Strecke ändert sich mit der Jahreszeit? Damit sind es zwei Kandidaten, das Kabel selbst und die Umgebung, durch die es läuft. Das Vorgehen ergibt sich daraus: gemessen wird bei Kälte, mit zwei Wellenlängen, und verglichen wird mit der Messung der Abnahme. Steht der Mehrverlust bei beiden Wellenlängen ähnlich da und verteilt er sich über einen Abschnitt statt über einen Punkt, ist es Querdruck — und die Suche verlagert sich vom Steckfeld auf die Trasse: unbeheizter Abschnitt, zu fest gezogene Binder, Faser gegen eine Kante.

Erst danach kommen Geräte ins Spiel, und die Reihenfolge ist an dieser Stelle wichtig, weil ein Tausch der Transceiver den Befund verwischt: Ein neues Modul hat mehr Sendeleistung und schiebt die Strecke zurück in den grünen Bereich, ohne dass die Ursache verschwunden wäre. Der Fehler kommt dann im übernächsten Winter wieder.

Verknüpfte Inhalte

Wie Glasfaser überhaupt funktioniert und was Einmoden- von Mehrmodenfasern unterscheidet, steht beim Lichtwellenleiter, die Klassen selbst bei den Faserklassen OM und OS. Die zulässigen Radien und die Langzeitermüdung des Glases führt der Mindestbiegeradius — dort steht auch, warum beim Einziehen ein anderer Wert gilt als danach. Warum Kälte auch dem Kupferkabel gefährlich wird, und zwar aus einem ganz anderen Grund, behandelt die Verlegetemperatur.

Quellen

Definition, Ursachen und Wellenlängenverhalten der Mikrobiegung sowie die Moduln des Beschichtungssystems folgen einem Fachbeitrag zweier Autoren aus Faserherstellung und Beschichtungsentwicklung von 2013. Die vier Laborverfahren für die Mikrobiegeempfindlichkeit stehen im technischen Bericht IEC TR 62221; Bezeichnung und Verfahrensnamen sind über den Normenkatalog geprüft, der Berichtstext lag nicht vor. Die Angaben zur Makrobiegung stützen sich auf denselben Fachbeitrag und auf den bereits belegten Bestand zum Mindestbiegeradius.