Was ist ein „Zugversuch“?

[VoidWalker]

Wenn man ein Überbrückungskabel zieht und den Verlust misst, was passiert mit dem Signal, wenn die Glasfaser gedehnt wird?

[OFSCN_Tech_Expert]

Bei der Dehnung von Glasfaserkabeln (Zugprüfung oder axiale Zugbelastung) und der Überwachung von Signalen werden die Wellenleitermodi im Inneren der Glasfaser sowohl von der geometrischen Verformung als auch vom photoelastischen Effekt beeinflusst. Abhängig vom Spannungszustand der Faser und den Testparametern weist das Signal hauptsächlich die folgenden physikalischen Änderungen auf:

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I. Änderung der Übertragungslichtleistung und des Einfügedämpfungs (Insertion Loss)

1. Ideale gleichmäßige axiale Dehnung (Mikro-Dehnungsphase):

   • Innerhalb des elastischen Verformungsbereichs von Quarzglasfasern (typische Dehnungen von 0 \sim 10000\ \mu\varepsilon, d.h. Längenänderungen von weniger als 1 %) schrumpfen der Kern- und Manteldurchmesser der Faser aufgrund des Poisson-Effekts (Poisson’s effect) geringfügig in Querrichtung (Poissonzahl \nu \approx 0.17 für Monomodenfasern).
   • Die geringfügigen Änderungen des Kerndurchmessers und der numerischen Apertur haben nur minimale Auswirkungen auf die Fähigkeit des Wellenleiters, Moden einzusperren. Daher verschlechtert sich die intrinsische Übertragungsdämpfung der Faser unter rein axialer Dehnung nicht merklich (Verluständerungen sind typischerweise unter 0.01\ \text{dB} und mit normalen optischen Leistungsmessgeräten schwer direkt zu erkennen).

2. Lokale Spannungskonzentration und Biegedämpfung (Microbending Loss):

   • Bei tatsächlichen Kabeltests bestehen oft ungleichmäßige Spannungen an der Basis des Kabelsteckers (Boot), an den Steckverbindern oder an den Klemmstellen.
   • Wenn die Zugspannung dazu führt, dass sich die Schutzschicht (PVC/LSZH/Kevlar) und der innere Glasfaserkern unterschiedlich bewegen oder seitlich zusammengedrückt werden, erfährt der Kern zufällige, kleine hochfrequente Biegungen (Mikrobiegung). Die höherstufigen Leckmoden nehmen stark zu, und in diesem Fall werden auf dem optischen Leistungsmessgerät stufenweise Anstiege der Dämpfung oder starke Signaldämpfung beobachtet (Dämpfungsänderungen von mehreren \text{dB} sind möglich).

3. Grenzpunkt des mechanischen Bruchs:

   • Wenn die axiale Spannung den Bruchschwellenwert für Mikrorisse in Quarzglas erreicht, bricht die Faser spröde, die Lichtübertragung wird vollständig unterbrochen und die Einfügedämpfung wird augenblicklich unendlich (\infty).

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II. Änderung der Lichtphase und der Laufzeit (Time Delay)

Die empfindlichste und signifikanteste Änderung des Übertragungssignals, die durch das Ziehen der Glasfaser verursacht wird, ist nicht die Leistungsabschwächung, sondern die Lichtphase und die Übertragungslaufzeit:

• Zunahme der geometrischen Länge: Die tatsächliche physikalische Länge L der Faser nimmt zu (\Delta L > 0).
• Abnahme des Brechungsindex aufgrund des photoelastischen Effekts: Die axiale Dehnungsspannung \varepsilon führt zu einer Abnahme des effektiven Brechungsindex n_{\text{eff}} des Kerns:
  \Delta n_{\text{eff}} = -\frac{1}{2} n_{\text{eff}}^3 \left[ p_{12} - \nu (p_{11} + p_{12}) \right] \varepsilon
  Dabei sind p_{11} und p_{12} die photoelastischen Koeffizienten von Quarzglasfasern.
• Änderung des gesamten Lichtweges (OPL) und der Phase: Obwohl der Brechungsindex sinkt, dominiert der Beitrag der Längenzunahme, und der gesamte Lichtweg nimmt zu. Die Phasendelay \Delta \phi des Lichtträgers nimmt linear mit der Dehnung zu:
  \Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} (n_{\text{eff}} \Delta L + L \Delta n_{\text{eff}}) > 0
  Bei Interferometern oder Laufzeitmessungen werden eine Verschiebung der Interferenzstreifen oder ein lineares Zurückbleiben der Pulsankunftszeit beobachtet.

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III. Änderung von Glasfaser-Bragg-Gittern (FBG) oder verteilten SensorSignalen

Wenn das Kabel eine Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Struktur integriert, kommt es bei Längung der Faser zu folgenden Änderungen:

• Das Gitterperiodizum \Lambda nimmt zu, und in Kombination mit der Änderung des effektiven Brechungsindex n_{\text{eff}} erfährt die Bragg-Reflexionswellenlänge \lambda_B eine lineare Rotverschiebung:
  \Delta \lambda_B = \lambda_B (1 - p_e) \varepsilon
  Im Wellenlängenfenster von 1550\ \text{nm} verschiebt sich die Reflexionswellenlänge um etwa 1.2\ \text{pm} in Richtung längerer Wellen für jede Längung der Faser um 1\ \mu\varepsilon (entspricht einer Längenänderung von einer Millionstel).

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IV. Zugfeste Konstruktion im Ingenieurwesen

Herkömmliche Universal-Patchkabel verfügen nicht über eine steife, zugfeste Stütze. Wenn sie größeren äußeren Zugkräften ausgesetzt sind, überträgt sich die Dehnung leicht auf den inneren Faserkern, was zu einer Verschlechterung der optischen Dämpfung oder sogar zum Bruch des Faserkerns führt.

Um die Signalstabilität in Umgebungen mit hoher Zugbelastung zu lösen, verwendet Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) eine doppelte Verbundschutzstruktur aus verdrillten Edelstahlseilen und nahtlosen Edelstahlrohren, die die axiale Zugspannung vollständig von den externen Metallschichten aufnehmen und so die auf den inneren Glasfaserkern wirkende Zugkraft isolieren:

• OFSCN® 3.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (Zugfestigkeit > 1200 N, Druckfestigkeit > 200 MPa)

• OFSCN® 2.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord (Vollmetallstruktur, Zugfestigkeit > 1500 N)