Wegen ihrer hohen Dämpfung lassen sich optische Polymerfasern nicht für Leitungsdistanzen von mehr als 100 Metern einsetzen. Wenn alle Parameter optimal ausgerichtet werden, sind allerdings doch größere Längen möglich.
Als Polymerfasern (POF) werden insbes. optische Fasern aus Polymethylmethacrylat bezeichnet. Während Glasfasern aus der Datentechnik das Licht üblicherweise in Kernen mit Durchmessern von 10 bis 50 µm führen, ist bei Polymerfasern 1 mm gängig. Aufgrund des großen Durchmessers eignen sich LEDs als Sendeelement, zumal diese preiswerter und zuverlässiger als Laserdioden sind.
In der praktischen Anwendung haben POF einige Vorteile. Sie sind flexibler, robuster und lassen sich abschneiden. POF haben aber auch Nachteile. Die Verluste in der Faser liegen um 0,2 dB/m, während die Glasfaser einen Verlust von 0,2 dB/km hat. Das limitiert die Längen, so dass ohne Optimierungen 100 MBit/s nur bis rund 100 m möglich sind.
Um zu ermitteln, welche Bitraten über verschiedene Längen unter realistischen Bedingungen erreichbar sind, wurde in den 1990er Jahren ein vereinfachtes Modell für POF-Systeme entworfen, das auf der Ermittlung des minimal nötigen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) für eine fehlerfreie Übertragung basierte. Als Sender wurden grüne LED oder Laser mit einer Leistung von 10 mW angenommen. Die Faserdämpfung betrug 110 dB/km (inkl. Reserve für Stecker, Biegungen und Alterung). Für die optische POF-Bandbreite setzte man eine Näherung an: 15 GHz bei 1 m, 238 MHz bei 100 m und 56 MHz bei 500 m. In der Berechnung wurden vier unterschiedliche Modulationsformate angenommen: binär NRZ, Mehrstufen-Pulsamplituden-Modulation (PAM) und Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM). Der Haupteffekt ist, dass die benötigte Empfängerbandbreite für die höheren Modulationsformate auf ein Fünftel für QAM1024 sinkt. Allerdings wird ein höheres SNR benötigt, um die einzelnen Modulationsstufen unterscheiden zu können. Bei Bitraten, die über der verfügbaren Bandbreite liegen, kann man den Frequenzgang entzerren, um trotzdem eine fehlerfreie Übertragen zu realisieren.
Unterschiedliche Längen und Modulationsformate
Mit einem 520-nm-Laser wurden am POF-AC die maximalen Bitraten über Entfernungen zwischen 100 m und 180 m untersucht und es wurden 5,2 bzw. 1,4 GBit/s erreicht. Das Modell zeigt, dass bei unterschiedlichen Längen verschiedene Modulationsformate die besten Ergebnisse bringen. Optimal ist die PAM16-Modulation mit Vorverzerrung für Längen bis maximal 100 m. Bei sehr großen Distanzen ist ein niedriges PAM oder sogar NRZ besser geeignet.
Mittels Messungen an längeren Fasern wurde untersucht, ob solche Systeme auch für Bitraten von 10 MBit/s bis 100 MBit/praxistauglich sind. Um die minimale POF-Dämpfung zu nutzen, wurden grüne LEDs eingesetzt. Bei einer Mittenwellenlänge von 522 nm emittieren die LEDs rund 5 mW. Per NRZ-Modulation und ohne Entzerrung wurde tatsächlich eine Bitrate von 15 MBit/s über eine Faserlänge von 500 m übertragen. Als Empfänger diente ein Transimpdanzverstärker mit einer Pin-Photodiode.
Erstmalig wurden bei einer Länge von 500 m der POF Bitraten von über 100 MBit/s erreicht (NRZ: 110 MBit/s; PAM4: 120 MBit/s). Allerdings reicht die Bandbreite von grünen LEDs für höhere Datenraten nicht aus. Bei Distanzen von 200 m bis 500 m wurden mit den identischen Fasern neue Messungen mit einer grünen LED und einer Wellenlänge von 514 nm durchgeführt. Die besten Resultate ergaben sich mit PAM4-Modulation, etwas schlechtere mit PAM8.
Für 200 m, 300 m und 400 m der POF-Strecke wurden jeweils 1.300 MBit/s, 560 MBit/s und 370 MBit/s erreicht. Für 500 m wurden mit dem Laser 230 MBit/s erzielt.
Für Anwender von Systemen mit POF-Längen ab 500 m muss die Faserverbindung geprüft werden – sowohl nach der Erstinstallation, als auch nach Fehlern. Außerdem müssen die Streckenverluste genau bekannt sein. Obtis hat dafür ein modulares System mit einem deutlich höheren Leistungsbudget entwickelt, welches in der Sensorik und als Testgerät eingesetzt werden kann. Es arbeitet nicht mit Gleichlicht, sondern das LED-Signal wird mit 5 kHz moduliert. Damit wird Umgebungs- und Fremdlicht mit entsprechenden transparenten Ummantelungen unterdrückt.
Ein vereinfachtes Modell berechnet die Kapazität von PMMA-POF-Systemen. Demnach lassen sich Bitraten bis mindestens 100 MBit/s über Distanzen bis 500 m übertragen. Für diese Distanz erreicht die LED >100 MBit/s und der Laser >200 MBit/s.
11.10.2021
