POF-Dämpfung und Reichweite

Warum eine Polymerfaser rot leuchtet, nach 50 Metern Schluss ist und der Hersteller trotzdem 100 Meter verspricht.

Definition

Dämpfung ist der Verlust an optischer Leistung entlang der Faser, angegeben in Dezibel. Bei Glasfaser rechnet man in dB pro Kilometer, bei Polymerfaser sinnvoller in dB pro Meter: Eine PMMA-Faser dämpft bei 650 nm zwischen 0,16 und 0,23 dB pro Meter, also 160 bis 230 dB pro Kilometer. Nach 50 m sind damit 8 bis 12 dB verloren – das entspricht zwischen 85 und 94 Prozent der eingekoppelten Leistung.

Das klingt erstmal schlecht und ist es für Weitverkehrsstrecken auch. Für Gebäudenetze ist es irrelevant, weil dort niemand Kilometer überbrückt. Die Dämpfung bestimmt bei POF nicht, ob die Technik funktioniert, sondern nur, wie lang der Link sein kann.

Warum 650 nm

PMMA ist nicht gleichmäßig transparent. Die C-H-Bindungen des Kunststoffs absorbieren im Infraroten, und zwar in mehreren Oberschwingungen, die sich bis ins sichtbare Rot hinein auswirken. Dazwischen liegen Fenster geringerer Dämpfung – bei etwa 520 nm (grün), 570 nm (gelb) und 650 nm (rot).

Genutzt wird überwiegend das rote Fenster bei 650 nm. Nicht, weil es das beste wäre – bei 520 nm dämpft PMMA weniger –, sondern weil dort über Jahrzehnte die billigsten und schnellsten LEDs verfügbar waren. Grüne Sender kommen in der Messtechnik und Sensorik vor, in der Datenübertragung praktisch nicht.

Oberhalb von 700 nm steigt die Dämpfung steil an. Deshalb funktioniert PMMA-POF bei 850 nm nicht, obwohl Glasfaser und PCF dort arbeiten – ein Grund, warum POF-Messgeräte zwei Wellenlängen haben und man sie nicht verwechseln darf.

Perfluorierte Fasern haben keine C-H-Bindungen und damit dieses Problem nicht: Sie dämpfen unter 20 dB/km und arbeiten bei 850 bis 1300 nm.

Woher die Verluste kommen

Die Faserdämpfung ist nur ein Teil der Rechnung. Auf einer realen Strecke summieren sich:

Materialabsorption. Das Kunststoffmolekül selbst schluckt Licht. Nicht beeinflussbar, in der Faserdämpfung enthalten.

Streuung. Dichteschwankungen und Verunreinigungen im Polymer lenken Licht aus dem Kern. Ebenfalls in der Faserdämpfung enthalten.

Kopplungsverluste. An jedem Übergang Sender–Faser, Faser–Faser und Faser–Empfänger geht Licht verloren, durch Versatz, Luftspalt, Reflexion an der Stirnfläche und Winkelfehler. Größenordnung 1 bis 2 dB je Steckverbindung oder Kupplung. Die große numerische Apertur der SI-POF hält diese Verluste klein – das ist der Grund, warum ein Schnitt mit dem Cutter genügt.

Biegeverluste. Unterschreitet der Biegeradius etwa 25 mm, trifft ein Teil der Strahlen nicht mehr flach genug auf die Kerngrenze und tritt aus. Jede zu enge Biegung kostet von einigen Zehntel dB bis zu mehreren dB; ein Knick ist dauerhaft, weil die Faser dabei mikroskopisch reißt.

Alterung und Temperatur. PMMA vergilbt unter UV und nimmt Feuchtigkeit auf, beides erhöht die Dämpfung über die Jahre. Dafür wird eine Systemreserve von typisch 3 dB eingeplant.

Das Link-Budget

Ob eine POF-Strecke funktioniert, entscheidet die Bilanz zwischen dem, was der Sender liefert, und dem, was der Empfänger als Eingangssignal benötigt.

Budget = minimale Sendeleistung − Empfängerempfindlichkeit

Beispiele aus Datenblättern:

Davon abzuziehen sind Faserdämpfung, Steckverbindungen, Biegungen und die Systemreserve. Was übrig bleibt, ist die Marge.

Rechenbeispiel: 12,5 dB Budget, 50 m Faser bei 0,20 dB/m ergibt 10 dB, zwei Anschlüsse mit je 1 dB ergeben 2 dB – Summe 12 dB. Die Strecke läuft, aber ohne jede Reserve. Mit 3 dB Systemreserve gerechnet, ist sie zu lang.

Der PCF-Fall zeigt, dass eine geringere Faserdämpfung allein nichts nützt: 4 dB Budget klingen wenig, reichen aber für 400 m, weil die Faser nur 10 dB/km dämpft. In den dünnen 200-µm-Kern koppelt der Sender deutlich weniger Licht ein – das kostet Budget, die Faser gibt es über die Länge zurück.

Reichweiten

Die Spannweite bei Fast Ethernet ist kein Widerspruch, sondern eine Frage, wie konservativ gerechnet wird. Die PROFINET-Richtlinie legt 230 dB/km zugrunde und zieht 3 dB Reserve ab, ein Heimnetzhersteller rechnet mit guter Faser und frisch geschnittenen Enden. Für die Planung gilt der konservative Wert: 50 m bei Gigabit, besser 40 m, wenn viele Biegungen und mehrere Anschlüsse im Spiel sind.

Warum Gigabit weniger weit kommt

Dieselbe Faser, dieselbe Dämpfung, aber 1000BASE-RH schafft weniger Meter als 100BASE-FX. Zwei Gründe:

Der Empfänger braucht bei höherer Symbolrate mehr Leistung für dieselbe Fehlerrate – die Empfindlichkeit verschlechtert sich, das Budget schrumpft.

Und die Modendispersion begrenzt zusätzlich: Eine 50 m lange SI-POF hat rund 100 MHz Bandbreite, was rechnerisch für etwa 200 Mbit/s reicht. Dass trotzdem 1 Gbit/s im POF-Netzwerk laufen, ist der Signalverarbeitung im PHY zu verdanken (Entzerrung, Mehrträgerverfahren) – aber die kostet Reserve. Bei Gigabit begrenzt also nicht nur die Leistung, sondern auch die verschmierte Impulsform.

Praxis

• Planen: Streckenlänge ausmessen, nicht schätzen. Zuschlag für Bögen, Schlaufen in Dosen und Reserve.
• Kupplungen vermeiden. Jede Verbindung kostet 1 bis 2 dB. Eine durchgehende Faser schlägt zwei kurze mit Kupplung.
• Sauber schneiden. Ein schlechter Schnitt kostet mehr als zehn Meter Faser. POF-Cutter verwenden.
• Klasse wählen. Wenn Gigabit an der Grenze liegt und der Anschluss ohnehin nur 250 Mbit/s bringt, ist Fast Ethernet mit großer Reserve die stabilere Wahl.
• Messen, wenn es knapp wird. Ab etwa 40 m oder bei Dokumentationspflicht: Dämpfung messen und gegen das Budget halten.

Quellen

• U.I. Lapp GmbH: Kurzanleitung PROFIBUS Optical Link Module (Sendeleistung, Empfindlichkeit, Reichweiten POF/PCF)
• Siemens Industry Online Support, Beitrag 109754843 (OLM-Reichweiten je Fasertyp)
• Siemens: SIMATIC ET 200eco PN, Verkabelungstechnik (PROFINET-Segmentlängen)
• Phoenix Contact: Datenblatt FL IF 2POF SCRJ-D (230 dB/km, 3 dB Systemreserve)
• Technische Hochschule Nürnberg, POF-AC: Die Polymerfaser (Bandbreite, Modenmischung); GI-POF aus Fluorpolymer
• IEEE 802.3bv-2017 (1000BASE-RH)