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Die Steckverbindungen der Lichtwellenleiter müssen auch bei wiederholten Steckungen reproduzierbare optische Kennwerte liefern. Bild: Metz Connect
LWL-Steckverbinder

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Qualität über viele Jahre

Text: Susanne Bernhardt, Metz Connect
Zu den kaum automatisierten Fertigungen gehört die Herstellung von Lichtwellenleiter-Steckverbindungen. Hochpräzise Einzelteile sorgen für stabile Prozesse und gleichbleibende Qualität. Worauf bei den einzelnen Komponenten zu achten ist, wird im Folgenden dargestellt.

Das reibungslose Funktionieren eines Glasfaser-Netzwerks wird im Wesentlichen durch die Qualität und Zuverlässigkeit der LWL-Steckverbindungen (LWL, Lichtwellenleiter) bestimmt. Diese lösbaren Verbindungen ermöglichen es dem Netzbetreiber, Schaltungen nach Bedarf schnell zu ändern oder die Übertragungsqualität zu messen. Trotz fortschreitender Entwicklungen seitens der Fertigungsautomatisierung erfolgt die LWL-Steckermontage beziehungsweise die Fertigung konfektionierter Leitungen noch immer weitestgehend manuell.

Die meistverwendeten Kriterien zur Auswahl dieser wichtigen Komponenten sind sicherlich Preis und optische Parameter wie Einfüge- oder Rückflussdämpfung. Diese optischen Kennwerte müssen auch bei wiederholten Steckungen stabil und reproduzierbar bleiben. Aber auch die Stabilität der Steckverbindung bei Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen oder bei mechanischen Belastungen wie Zug, Querdruck und Vibration muss gewährleistet sein. Zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit müssen vorgegebene Toleranzwerte bei den geometrischen Werten der Ferrule und ihrer Stirnfläche eingehalten werden. Zusätzlich hat das Zusammenspiel zwischen Faser beziehungsweise Ader, Kleber, Spiralfeder und Ferrule einen Einfluss auf das Langzeitverhalten eines LWL-Steckverbinders.

Stecker, Ferrule und Faser

LWL-Steckverbindungen funktionieren überwiegend nach dem Stift-Hülse-Stift-Prinzip. Dabei werden zwei Stecker in einer Kupplung miteinander verbunden. In der Kupplung befindet sich als zentrales Element die längsgeschlitzte Hülse aus Phosphor-Bronze oder Keramik zum genauen Ausrichten der Steckerferrulen. Die Hülse hat einen minimal kleineren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Ferrulen. Durch den Längsschlitz kann die Hülse leicht auffedern, das Toleranzspiel minimiert sich zwischen den beiden Ferrulen und die darin zentrisch eingeklebten Fasern werden zueinander ausgerichtet.

In jedem Stecker sind Spiralfedern, die einen definierten Anpressdruck der Ferrulenstirnflächen aufeinander gewährleisten. Bei den meisten Steckerbauformen oder -Konstruktionen wird sichergestellt, dass die Stecker beim physikalischen Kontakt nicht gegeneinander verdrehen und damit die Stirnflächen nicht beschädigen. Zusätzlich ermöglicht der Verdrehschutz auch eine hohe Reproduzierbarkeit der optischen Messwerte. Zum Fixieren des Steckers am LWL-Kabel wird eine Crimpung durchgeführt, bei der die im Kabel vorhandenen Aramidfasern fest mit der Ferrule und dem Steckergehäuse verbunden werden.

Kleben, Crimpen und Cleaven

Wichtigster Bestandteil eines LWL-Steckverbinders ist die Ferrule mit der eingeklebten Faser. Als Ferrulenmaterial hat sich Keramik durchgesetzt. Dieses Material lässt sich gut verarbeiten und hat eine hohe mechanische und thermische Stabilität. Bei der Auswahl der Ferrule sind die Abmessungen und die dazugehörenden Toleranzen zu berücksichtigen. Hier zählen die Konzentrizität der Bohrung zum Außendurchmesser der Ferrule und die Abstimmung des Bohrungsdurchmessers der Ferrule mit der verwendeten Faser und deren Geometrie.

Die Absetzmaße der Adern beziehungsweise Kabel und auch die einzufüllende Klebermenge müssen genau auf den jeweiligen Steckerbausatz abgestimmt sein, um durch die Klebung der Faser in die Ferrule und die Crimpung des Kabels an das Steckergehäuse eine gute Verbindung zu garantieren. Nach dem anschließenden Cleaven wird der Ferrulenendfläche beim Schleifen und Polieren eine ballige Form gegeben. Die ballige Endfläche wird während des gesamten Fertigungsprozesses mehrfach nach IEC 61300-3-35 auf Verschmutzungen, Unregelmäßigkeiten oder Kratzer geprüft. Werden diese Prozesse nicht mit der notwendigen Sorgfalt durchgeführt, drohen bei permanenter Steckung eventuell Faserbrüche oder Mikrokrümmungen, die mittel- oder langfristig zu erhöhten Dämpfungswerten führen können. Diese Fehler können nicht direkt bei der Endprüfung von Einfüge- oder Rückflussdämpfung festgestellt werden.

Krümmungsradius, Faserstand, Apex-Offset

Um die Prozesssicherheit zu gewährleisten, sollten stichprobenartig Messungen mit dem Interferometer erfolgen. Geometrische Werte wie Krümmungsradius, Faserstand, Apex-Offset und auch die Oberflächengüte der Ferrulenstirnfläche werden kontaktlos gemessen. Diese Werte garantieren den direkten Kontakt der Ferrulen in der Kupplung und bestimmen maßgeblich das Verhalten des Steckers über die Anwendungsdauer, die häufig zwischen fünf und 15 Jahren liegen muss. Durch die ballige Form der Steckerstirnfläche wird der mechanische, direkte Kontakt garantiert. Dabei führt ein zu kleiner Radius zu einer kleinen Kontaktfläche mit einem hohen Druck, was bei Langzeitanwendungen zu Beschädigungen der Glasfaser führen kann. Ist der Radius zu groß, ist auch die Kontaktfläche zur groß und es kann zu einem Luftspalt kommen. Der Radius für SMA-Steckverbindungen (Sub-Miniature Assembly) mit einem geraden Schliff sollte zwischen fünf und 30 mm liegen, bei Schrägschliff (APC, Angled Physical Contact) zwischen fünf und 12 mm.

Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften beziehungsweise bestimmten Schleifparametern kann es zu einem Abstand zwischen Stirnfläche der Ferrule und der Faserendfläche kommen. Ragt dabei eine Faser heraus, kann dies sehr schnell zu einem Ausbrechen der Faser führen. Sollte eine Faser nach innen versetzt sein, können sich die Fasern durch den Luftspalt nicht berühren und es kommt zu Reflexionen. In der IEC 61755-3-1/-2 sind die Werte mit einem maximalen Vorstand von 100 nm vorgegeben. Der maximal erlaubte Rückstand ist abhängig vom Krümmungsradius und dem Apex-Offset und wird in der Regel durch das Interferometer entsprechend berechnet und ebenfalls gemessen. Der Apex-Offset ist die radiale Abweichung des Faserkerns vom höchsten Punkt der Steckerstirnfläche. Beide sollten idealerweise zusammenfallen. Bei einer Abweichung von maximal 70 µm wird der Faser-Faser-Kontakt in der Kupplung aber immer noch garantiert.

Federkraft und Zugentlastung messen

Eine LWL-Steckerferrule darf während des Einfederns nicht haken, um gleichmäßige und vor allem gleichbleibende Kontaktkräfte über die Lebensdauer zu gewährleisten. Das teilweise degressive Federverhalten hakender Ferrulen kann zu Beschädigungen der Ferrulenstirnflächen durch hohe Auftreffgeschwindigkeiten und zu erhöhtem Verschleiß bei wiederholten Steck- und Ziehvorgängen führen. Ferner führen stark inhomogene Kräfte in der Regel zu unsymmetrischen Verbindungen innerhalb der Führungshülse. Die Zugentlastung am Stecker muss über die Aramidfasern des Kabels, nicht über den Mantel erfolgen. Dabei ist die Zugfestigkeit hauptsächlich durch folgende Parameter bestimmt: das Design des Crimphalses am Steckergehäuse, das Material und die Wandstärke der Crimphülse, Form und Maßhaltigkeit der Crimpung, der Kraft beim Crimpen, der Aramidgehalt des Kabels und die Verteilung des Aramids im Crimpbereich. Werden diese Parameter beim Steckerhersteller oder beim Konfektionär berücksichtigt, stellt ein Test nach IEC 61300-2-4 kein Problem dar.

Messverfahren zur Fertigungsendprüfung

Die optische Einfügedämpfung jeder einzelnen Komponente einer LWL-Strecke begrenzt die Übertragungslänge und damit deren Leistungsfähigkeit. Deshalb ist die Einfügedämpfung eine der wichtigsten Kenngrößen bei LWL-Komponenten. Auf die ebenfalls wichtige Rückflußdämpfung wird nicht weiter eingegangen. Die Messung der Einfügedämpfung kann gegen einen Masterstecker (nach IEC 61300-3-4) oder bei zufälliger Kombination („Random mating“, nach IEC 61300-3-34) erfolgen. Beide Messverfahren sollten mit je zwei Wellenlängen durchgeführt werden.

Die Dämpfungsmessung nach IEC EN 61300-3-4 ist eine typische Fertigungsendprüfung unter Verwendung eines Mastersteckers: Um die Qualität eines einzelnen Steckers messen zu können, muss der Gegenstecker „ideal“ sein, das heißt, möglichst geringe Toleranzen aufweisen. Er muss höchste Ansprüche bezüglich Zentrierung, Schielwinkel und Stirnflächengüte erfüllen. Je besser der Masterstecker ist, desto genauer sind die Messergebnisse.

Bei der Messung mit zufällig ausgewählten, nicht ausgerichteten Steckern kann folgende Situation auftreten: Zwei Stecker, die die gleichen wie oben genannten Werte für den Kernversatz und den Schielwinkel aufweisen, werden gegeneinander gesteckt. Der Unterschied der beiden Stecker ist jedoch, dass die Kernversatzablage genau entgegen gerichtet ist, zum Beispiel sechs Uhr gegen zwölf Uhr. Ferner ist der Schielwinkel jeweils gleich orientiert. Das heißt, es liegt der „Worst Case“ vor: zweifacher Kernversatz und zweifacher Schielwinkel führen zu einer Einfügedämpfung von 0,91 dB. Nicht ausgerichtete Stecker, die gegen Master gemessen jeweils eine ausreichende, maximale Dämpfung von 0,25 dB zeigen, können durchaus in beliebiger Kombination eine Dämpfung von 0,91 dB zeigen. Dieser Extremfall ist äußerst selten, statisch aber nicht auszuschließen. In der IEC 61755-1 werden deshalb auch immer der jeweils zu erzielende Erfüllungsgrad der maximalen Einfügedämpfungswerte mit 97 Prozent angegeben.

Wichtig sind hochpräzise Einzelteile

LWL-Steckverbinder werden mit einem hohen Anteil an manuellen Fertigungsschritten hergestellt. Umso wichtiger ist es, hochpräzise Einzelteile zu verwenden, deren Qualität ständig durch Verarbeitungs- und Qualifizierungsprüfungen zu kontrollieren ist. Steckerbausätze, Fasern oder Kabel und sonstige Materialen müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, um so stabile Fertigungsprozesse und eine gleichbleibend gute Qualität über viele Jahre zu garantieren.

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