POF-Faserarten

Stufenindex, Doppelstufenindex, Multistufenindex, Gradientenindex, Mehrkernfaser: Was die Brechzahlprofile unterscheidet und welche Faser im Heimnetz, in der Anlage und im Labor verwendet wird.

Definition

Alle Polymerfasern (POF) führen Licht durch Totalreflexion in einem Kern aus Kunststoff, der von einem Mantel mit kleinerer Brechzahl umgeben ist. Unterschiedlich sind zwei Dinge: das Material des Kerns – meist PMMA, seltener Polycarbonat oder ein Fluorpolymer – und das Brechzahlprofil, also der Verlauf der Brechzahl vom Kern zum Mantel.

Das Profil entscheidet über die Bandbreite. Je größer der Winkel, unter dem ein Lichtstrahl noch geführt wird, desto größer die Laufzeitunterschiede zwischen den Strahlen (Modendispersion) und desto stärker verschmieren die Impulse auf der Strecke. Ein Profil, das die schrägen Strahlen bremst oder gar nicht erst zulässt, liefert mehr Bandbreite – auf Kosten der eingekoppelten Lichtmenge und damit der Reichweite.

Die IEC-Norm 60793-2-40 fasst die Polymerfasern als Kategorien A4a bis A4h zusammen.

Die fünf Profile

SI-POF ist die Faser, die gemeint ist, wenn von POF die Rede ist: 1 mm PMMA-Kern, 2,2 mm als Duplexkabel, rotes Licht bei 650 nm. Sie steckt in Heimnetz-Konvertern, PROFIBUS- und PROFINET-Strecken, MOST-Ringen und TOSLINK-Kabeln. <a href="/lexikon/p/pof-netzwerk.html">POF-Netzwerke</a> im Heimbereich sind immer SI-POF.

DSI-POF wird auch Low-NA-Faser genannt: Der zweite Mantel verengt den Akzeptanzwinkel, die Laufzeitunterschiede sinken, die Bandbreite steigt etwa auf das Doppelte. Der Preis ist die geringere Einkopplung – eine LED bringt weniger Licht in die Faser.

MSI-POF treibt dasselbe Prinzip weiter: Statt zweier Stufen liegen mehrere Schichten mit abgestufter Brechzahl übereinander, was einem Gradientenprofil nahekommt, ohne es fertigungstechnisch zu sein.

GI-POF hat keinen Sprung, sondern einen stetigen, annähernd parabolischen Brechzahlverlauf. Schräg laufende Strahlen bewegen sich dabei überwiegend in Zonen kleinerer Brechzahl und damit schneller; die Laufzeitunterschiede heben sich weitgehend auf. Das ist dasselbe Prinzip wie bei der Gradientenindex-Glasfaser.

MC-POF teilt den 1-mm-Querschnitt in viele dünne Kerne mit je eigenem Mantel. Für die Bandbreite bringt das wenig, für die Biegung viel: Weil jeder Einzelkern dünn ist, sind Biegeradien von wenigen Millimetern möglich, ohne dass Licht austritt. Eine Faser für enge Führungen, nicht für Reichweite.

Materialien

PMMA (Polymethylmethacrylat, Acrylglas) ist das Standardmaterial. Es ist im roten Bereich um 650 nm am transparentesten – daher die Wellenlänge – und liegt dort bei 0,16 bis 0,23 dB pro Meter, also 160 bis 230 dB/km. Die maximale Einsatztemperatur liegt je nach Ausführung bei 70 bis 85 °C.

Polycarbonat verträgt höhere Temperaturen, dämpft aber stärker und spielt heute kaum eine Rolle.

Perfluorierte Polymere (bekannt als CYTOP) sind das Gegenmodell: Sie dämpfen unter 20 dB/km, also rund zehnmal weniger als PMMA, und arbeiten bei 850 bis 1300 nm statt im Roten. Aus ihnen entstehen PF-GI-POF mit Kerndurchmessern von 50 bis 120 µm – deutlich dünner als PMMA-POF und damit nicht mehr mit dem Cutter zu konfektionieren. Im Labor wurden damit 40 Gbit/s über 100 m gezeigt. Am Markt ist das eine Nische für Interconnect-Anwendungen, kein Heimnetzprodukt; der Preis liegt um Größenordnungen über PMMA-POF, und die Handhabung nähert sich der Glasfaser an.

Warum SI-POF trotzdem gewinnt

Rechnerisch ist die Stufenindexfaser das schlechteste Profil: numerische Apertur 0,50, entsprechend große Modendispersion. In der Praxis ist sie das verbreitetste, und zwar aus drei Gründen.

Erstens ist die theoretische Bandbreitengrenze zu pessimistisch. Modenmischung und die stärkere Dämpfung der schrägen Strahlen sorgen dafür, dass die realen Laufzeitunterschiede nur etwa ein Drittel des rechnerischen Werts betragen. Eine 50 m lange SI-POF hat damit rund 100 MHz Bandbreite, was ohne weitere Maßnahmen für etwa 200 Mbit/s Datenrate reicht.

Zweitens holen Übertragungsverfahren den Rest. Mit Entzerrung und Mehrträgerverfahren wurden über dieselbe Faser 1 Gbit/s auf 50 m erreicht – das ist die Grundlage von IEEE 802.3bv und der Grund, warum Gigabit-POF im Heimnetz ohne neue Faser funktioniert. Die Intelligenz liegt im PHY, nicht im Profil.

Drittens ist die große numerische Apertur ein Vorteil, kein Nachteil, sobald man konfektioniert: Ein 1-mm-Kern, der Licht aus einem weiten Winkel annimmt, verzeiht einen schiefen Schnitt und einen Versatz von zehntel Millimetern. Genau das macht die Konfektionierung mit dem einfachen POF-Cutter möglich.

Abgrenzung: PCF und HCS

Zwischen POF und Glasfaser liegt die PCF (Polymer Cladded Fiber), auch HCS (Hard Clad Silica): ein Glaskern von 200 µm mit Kunststoffmantel, Außendurchmesser 230 µm. Sie ist keine Polymerfaser – der Kern ist Quarzglas –, wird aber mit denselben Wellenlängen und teils denselben Steckverbindern betrieben und deckt in der Industrie die Strecken ab, für die POF zu kurz und Glasfaser zu aufwendig ist: rund 10 dB/km statt 200, Reichweiten von 100 bis 400 m je nach Protokoll. Konfektioniert wird sie mit eigenem Werkzeug und Schleifsatz, aber weiterhin vor Ort.

Was wo verwendet wird

• Heimnetz, TOSLINK, MOST, PROFIBUS/PROFINET: SI-POF, 1 mm PMMA, 650 nm. Praktisch ausschließlich.
• Enge Führungen, bewegte Teile: MC-POF, wo der Biegeradius zählt.
• Industriestrecken über 50 m: PCF/HCS statt POF.
• Labor, Interconnect, Forschung: PF-GI-POF.
• DSI und MSI: historisch als Zwischenschritt zu höheren Datenraten entwickelt, durch die Signalverarbeitung in den Gigabit-PHYs weitgehend überholt.

Quellen

• IEC 60793-2-40 (Polymerfasern, Kategorien A4a bis A4h)
• Technische Hochschule Nürnberg, POF-AC: Die Polymerfaser; Brechzahlprofile; GI-POF aus Fluorpolymer
• IEEE 802.3bv-2017 (1000BASE-RH)
• U.I. Lapp GmbH: Kurzanleitung PROFIBUS Optical Link Module (POF- und PCF-Kennwerte)