DGUV Information 203-039 - Umgang mit Lichtwellenleiter-Kommunikations-Systemen (LWKS)

A5.1
Beispiel für die Bestimmung der maximalen Laserleistung beim Betrieb eines CWDM-Lichtwellenleiter-Kommunikationssystems für einem NOHD von 100 mm

Als CWDM-System (CWDM für coarse wavelength division multiplexing) wird ein WDM-System mit vergleichsweise grober Aufteilung der Wellenlängen bezeichnet.

Im Beispielfall soll das System nur vier Wellenlängen beinhalten: 1470, 1490, 1510 und 1530 nm. Alle vier Wellenlängen sollen in einer Einmodenfaser mit einem Modenfelddurchmesser von 11 µm transportiert werden, und alle vier Einzelleistungen sollen gleich groß sein.

Wie groß darf die Leistung pro Kanal für die Einhaltung des EGW im Abstand von 100 mm vom Strahlaustritt sein? Es wird angenommen, dass dieser Abstand mit den Augen erreicht werden kann.

Die dem EGW entsprechende Bestrahlungsstärke für die Augen liegt für alle genannten Wellenlängen bei E_EGW = 1000 Wm^-2.

In dem vorgegebenen Abstand von 100 mm kommt nur ein Teil der abstrahlten Leistung in der Blende an. Gemessen wird mit einem Blendendurchmesser von 3,5 mm. Bei Annahme einer Gauß’schen Abstrahlung ergibt sich der Blendenwirkungsgrad η aus dem Verhältnis zwischen eingefangener und abgestrahlter Leistung:

Tabelle A5.1
Strahldurchmesser und Blendenwirkungsgrade bei den verschiedenen Wellenlängen

Die jeweilige Bestrahlungsstärke (pro Wellenlänge) ergibt sich aus:

Die Wirkung dieser vier Wellenlängen ist additiv. Das heißt, dass in diesem Fall alle Strahlungsanteile sich auf der Hornhaut des Auges addieren. Deshalb darf die Summe aller Bestrahlungsstärken den EGW nicht überschreiten:

Daraus ergibt sich für unseren Beispielfall diesen CWDM-Fall die maximal zulässige, geführte Leistung pro Wellenlänge:

Alternativ könnte man auch mit einem mittleren Blendenwirkungsgrad η_mittel = 7,81 % (aus Tabelle A5.1) rechnen:

Also darf bei jeder der vier Wellenlängen eine maximale Leistung von 30,8 mW, also insgesamt 132 mW in der Faser geführt werden, um in Abständen von 100 mm und mehr vom Strahlaustritt die Expositionsgrenzwerte für die Augen einzuhalten.

A5.2
Strahlungsleistungen von Faserbändchen

Eine begrenzte Zahl von Lichtwellenleitern und Übertragungswellenlängen sind in den Tabellen A5.2 (nach DIN EN 60825-2:2011-06 "Sicherheit von Lasereinrichtungen - Teil 2: Sicherheit von Lichtwellenleiter-Kommunikationssystemen (LWLKS)") und A5.2a (IEC 60825-2 (2021) "Safety of laserproducts - Part 2: Safety of optical fibre communication systems (OFCSs)") angegeben. Die dort angegebenen Grenzwerte basieren auf der Annahme des ungünstigsten Falls und gelten jeweils für einen einzelnen Lichtwellenleiter. Bei Faserbändchen oder Multifasersteckverbindern müssen sich mehrere Fasern den angegebenen Grenzwert "teilen", entsprechend geringer ist die zulässige Strahlungsleistung in der einzelnen Faser.

A5.3
Maximale Ausgangsleistung während der Abschaltung

Die Tabellen A5.2 (nach DIN EN 60825-2:2011-06 "Sicherheit von Lasereinrichtungen - Teil 2: Sicherheit von Lichtwellenleiter-Kommunikationssystemen (LWLKS)") und A5.2a (IEC 60825-2 (2021) "Safety of laserproducts - Part 2: Safety of optical fibre communication systems (OFCSs)") zeigen die maximalen Ausgangsleistungen (in mW) während der Abschaltzeit für LWLKS mit Einmodenfasern, die auf die Grenzen eines niedrigeren Gefährdungsgrads in 1 s an uneingeschränkten Standorten und in 3 s an eingeschränkten und kontrollierten Standorten abschalten. Entsprechend dem niedrigeren Gefährdungsgrad sollten die Konstruktionsanforderungen nach Anhang B der jeweils gültigen DIN EN 60825-2 "Sicherheit von Lasereinrichtungen - Teil 2: Sicherheit von Lichtwellenleiter-Kommunikationssystemen (LWLKS)", umgesetzt werden.

Die Gleichung, aus der die Tabellenwerte der maximalen Ausgangsleistungen abgeleitet wurden, wurde aus der Bedingung berechnet, dass die EGW-Werte während der Abschaltung eingehalten werden müssen und lautet:

Für die hier in Betracht kommenden Abstände darf man davon ausgehen, dass die Leistungsdichte über der Blende nahezu konstant ist. Unter dieser Voraussetzung kann die obige Formel vereinfacht werden zu:

wobei außerdem der Modenfelddurchmesser durch die numerische Apertur NA ersetzt wurde.

Tabelle A 5.2
Leistungsgrenzwerte für 11 µm-Einmodenfasern (SM) und Mehrmodenfasern (MM) mit numerischer Apertur von 0,18 (Kerndurchmesser < 150 µm) gemäß DIN EN 60825-2 "Sicherheit von Lasereinrichtungen - Teil 2: Sicherheit von Lichtwellenleiter-Kommunikationssystemen (LWLKS) - Ausgabe 2011"

Anmerkung 1 Gefährdungsgrade 1M und 2M

Die maximale Leistung, die in der Tabelle für 11-µm-Einmodenfasern aufgeführt ist, ist durch die Bestrahlungsstärke begrenzt. Der genaue Leistungsgrenzwert für Glasfasern wird deshalb durch die kleinste zu erwartende Strahldivergenz bestimmt, die wiederum vom Modenfelddurchmesser (MFD) der Einmodenfaser abhängig ist. Dies kann sich bei unterschiedlichen Werten des MFD ändern und zu bedeutenden Unterschieden bei den Grenzwerten der Laserklassen bei sich änderndem Modenfelddurchmesser führen. In manchen Hochleistungs-Steckverbindern werden vergrößerte MFD verwendet, wobei die Fernfeld-Divergenz geringer ist. Diese Steckverbinder können einen höheren Gefährdungsgrad zur Folge haben. Bei Benutzung solcher Steckverbinder wird die Bestimmung des Gefährdungsgrads dringend empfohlen.

Anmerkung 2 1300-nm-Werte

Die 1310-nm-Werte sind für 1270 nm berechnet, dies ist die kürzeste Wellenlänge im 1310 nm-Übertragungsfenster.

Anmerkung 3 Faserparameter

Die verwendeten Faserparameter decken den jeweils schlimmsten Fall ab. Die Werte für die Einmodenfaser sind für eine Faser mit 11 µm Modenfelddurchmesser berechnet und die Werte für die Mehrmodenfaser für eine Faser mit einer numerischen Apertur von 0,18. Viele Systeme, die bei 980nm und 1 550nm arbeiten, benutzen Fasern mit kleinerem Modenfelddurchmesser. Zum Beispiel gilt ein Grenzwert von 197 mW für den Gefährdungsgrad 1M, wenn ein dispersionsverschobenes Glasfaserkabel bei 1 550nm betrieben wird, die einen oberen Grenzwert für den Modenfelddurchmesser von 9,1 µm aufweist.

Anmerkung 4 Grenzwerte für den Gefährdungsgrad 1M für Wellenlängen < 1310nm

Für 900 nm und kürzere Wellenlängen und Einmodenfasern werden hier keine Grenzwerte für den Gefährdungsgrad 1M angegeben, weil die bei diesen Wellenlängen auftretende Divergenz ziemlich variiert. Der Grund dafür ist, dass sich diese Wellenlängen in Wirklichkeit in mehreren Moden in einer Standard-1310-nm Einmodenfaser ausbreiten und die genau Divergenz vom eher unvorhersehbaren Grad der Modenmischung abhängig ist. Die veränderliche Modenmischung ist ebenfalls ein großes Problem, wenn man versucht, diese Wellenlängen in einer echten Mehrmodenfaser zu bewerten. Wenn notwendig, kann man in diesen Fällen einen Wert mit der Annahme berechnen, dass die gesamte Leistung in der Faser im Grundmodus geführt wird. Mit den Gleichungen für Einmodenfasern erhält man einen konservativen Wert.

Anmerkung 5 Mehrmodenfasern mit Kerndurchmessern von mehr als 150 µm

Diese Lichtwellenleiter (z. B. Hartmantel-Silicafasern (HCS) mit 200 µm Kerndurchmesser oder Plastikfasern mit 1000 µm Kerndurchmesser) müssen als mittelgroße ausgedehnte Quellen angesehen werden. Die anwendbare Quellengröße kann vom Grad der Modenfüllung abhängen und sollte genau bestimmt werden, bevor man die Grenzwerte berechnet.

Anmerkung 6 Grenzwerte für den Gefährdungsgrad 2

Man kann zeigen, dass für scheinbare Quellengrößen von weniger als 33 µm (das gilt in der Lichtwellenleiter-Übertragungstechnik in den meisten Fällen) die Grenzwerte für den Gefährdungsgrad 2 immer niedriger sind als die entsprechenden Grenzwerte des Gefährdungsgrads 1M: sicher für das unbewaffnete Auge, aber möglicherweise unsicher bei Benutzung optischer Instrumente.

Anmerkung 7 Bündeladerfasern und Flachbandkabel

Die Grenzwerte in der Tabelle wurden nur für Einzelfasern berechnet. Wenn Bündeladerfasern oder Flachbandkabel mit Einzelfasern in dichter Nachbarschaft beurteilt werden müssen, dann muss jede Einzelfaser und jede mögliche Gruppe dieser Fasern untersucht werden.

Anmerkung 8 1420-nm-Wert

Die 1420-nm-Werte wurden für den Raman-Bereich von 1420 bis 1500 nm berechnet.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser DGUV Information lag eine neue Norm IEC 60825-2 (2021) "Safety of laser products - Part 2: Safety of optical fibre communication systems (OFCSs)" vor, die noch harmonisiert und übersetzt werden muss. Die nachfolgende Tabelle ist dieser Norm entnommen.

Tabelle A 5.2a
Leistungsgrenzwerte für 11-µm-Einmodenfasern (SM) und Mehrmodenfasern (MM) mit numerischer Apertur von 0,18 (Kerndurchmesser < 150 µm) gemäß IEC 60825-2 (2021) "Safety of laser products - Part 2: Safety of optical fibre communication systems (OFCSs)"

Anmerkung 1 Gefährdungsgrade 1M und 2M

Die maximale Leistung, die in der Tabelle für 11-µm-Einmodenfasern aufgeführt ist, ist durch die Leistungsdichte begrenzt. Der genaue Leistungsgrenzwert für Lichtwellenleiter wird deshalb durch die kleinste zu erwartende Strahldivergenz bestimmt, die wiederum vom Modenfelddurchmesser (MFD) des Einmodenfasern abhängig ist. Dies kann sich bei unterschiedlichen Werten des MFD ändern und zu bedeutenden Unterschieden bei den Grenzwerten der Laserklassen bei sich änderndem Modenfelddurchmesser führen. In manchen Steckverbindern werden vergrößerte MFD verwendet, wobei die Fernfeld-Divergenz geringer ist. Diese Steckverbinder können einen höheren Gefährdungsgrad zur Folge haben.

Anmerkung 2 1310-nm-Werte

Die 1270-nm-Wellenlänge entspricht der kürzesten Wellenlänge in Datenverkehrsanwendungen, zum Beispiel LAN-WDM 8.

Anmerkung 3 Lichtwellenleiter-Parameter

Die verwendeten Lichtwellenleiter-Parameter decken den jeweils schlimmsten Fall ab. Die Werte für die Einmodenfasern sind für einen Lichtwellenleiter mit 11 µm Modenfelddurchmesser berechnet und die Werte für die Mehrmoden-Lichtwellenleiter für einen Lichtwellenleiter mit einer numerischen Apertur von 0,18. Viele Systeme, die bei 980 nm und 1550 nm arbeiten, benutzen Lichtwellenleiter mit kleinerem Modenfelddurchmesser. Zum Beispiel gilt ein Grenzwert von 197 mW für den Gefährdungsgrad 1M, wenn ein dispersionsverschobenes Lichtwellenleiterkabel bei 1550 nm betrieben wird, das einen oberen Grenzwert für den Modenfelddurchmesser von 9,1 µm aufweist.

Anmerkung 4 Grenzwerte für den Gefährdungsgrad 1M für Wellenlängen < 1310nm

Für Einmodenfasern und Wellenlängen von 900 nm und weniger werden hier keine Grenzwerte für den Gefährdungsgrad 1M angegeben, weil die bei diesen Wellenlängen auftretende Divergenz ziemlich variiert. Der Grund dafür ist, dass sich diese Wellenlängen in Wirklichkeit in mehreren Moden in einem Standard-1310-nm-Lichtwellenleiter ausbreiten und die genaue Divergenz vom eher unvorhersehbaren Grad der Modenmischung abhängig ist. Die veränderliche Modenmischung ist ebenfalls ein großes Problem, wenn man versucht, diese Wellenlängen in einem echten Mehrmoden-Lichtwellenleiter zu bewerten. Wenn notwendig, kann man in diesen Fällen einen Wert mit der Annahme berechnen, dass der Lichtwellenleiter die gesamte Leistung im Grundmodus führt. Mit den Gleichungen für Einmodenfasern erhält man einen konservativen Wert.

Anmerkung 5 Mehrmoden-Lichtwellenleiterkabel mit Einzelkern

Für Wellenlängen zwischen 400 nm und 1400 nm wird der GZS der Laserklasse 1 auf der Basis der Winkelausdehnung des Kerndurchmessers auch für schwach vergrößernde optische Instrumente berechnet. Wenn die Winkelausdehnung 1,5 mrad übersteigt, dann werden diese Fasern als ausgedehnte Quellen angesehen. Unter Bedingungen 3, d.h. in einem Abstand von 100 mm gemessen, ist eine Faser mit einem Kerndurchmesser von mehr als 150 µm eine ausgedehnte Quelle. Zum Beispiel gelten Hartmantel-Silica-Lichtwellenleiter (HCS) mit 200 µm Kerndurchmesser oder Plastik-Lichtwellenleiter mit 1000 µm Kerndurchmesser) als mittelgroße ausgedehnte Quellen. Die anwendbare Quellengröße kann vom Grad der Modenfüllung abhängen und sollte genau bestimmt werden, bevor man die Grenzwerte berechnet. Auch unter Bedingung 2, entsprechend einem Messabstand von 35 mm, wird eine Faser mit einem Kerndurchmesser von mehr als 52,5 µm als ausgedehnte Quelle angesehen. Die in dieser Tabelle gezeigten GI 50 Fasern gelten daher unter Bedingung 2 als Punktquellen, wohingegen GI 62,5 Fasern als ausgedehnte Quellen gelten.

Anmerkung 6 Bündelader-Lichtwellenleiter und Flachbandkabel

Die Grenzwerte in der Tabelle wurden nur für Einzel-Lichtwellenleiter berechnet. Wenn Bündelader-Lichtwellenleiter oder Flachbandkabel mit Einzel-Lichtwellenleitern in dichter Nachbarschaft zueinander beurteilt werden müssen, dann muss jeder einzelne Lichtwellenleiter und jede mögliche Gruppe dieser Lichtwellenleiter untersucht werden.

Anmerkung 7 1420-nm-Leistungsgrenze

Die 1420-nm-Leistungsgrenzen wurden für den Raman-Bereich von 1420 nm (Pumpe) bis 1500 nm (Signal) berechnet.

Anmerkung 8 Grenzwerte für 3R

In diesen Fällen ist der Grenzwert für den Gefährdungsgrad 1M größer als der Grenzwert für den Gefährdungsgrad 3B.