gesponsertFiber Optic für raue Umgebungen Signale zuverlässig per Lichtwellen übertragen

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Die Signalübertragung mit Lichtwellen bietet gegenüber der Datenübertragung mit Kupfer in einigen Bereichen Vorteile. Die Grundlagen und aktuelle Entwicklungen bei Lichtwellenleitern.

Die optische Signalübertragung nutzt Lichtwellenleiter aus Kunststoff oder Glas, um Informationen mittels Licht zu übertragen. Im Gegensatz zu Kupferkabeln, über die elektrische Signale entweder differenziell oder koaxial transportiert werden, überträgt die Fiber Optic Lichtsignale durch dünne Fasern. Diese Fasern bestehen aus einem Kern, der das Licht führt, sowie einer umgebenden Schicht, die das Licht im Kern hält.

Die Funktion beruht dabei auf der Totalreflexion: Wenn Licht in den Kern einer Glasfaser eintritt und auf die Grenzfläche zum Mantelglas trifft, wird es so reflektiert, dass es im Kern gehalten und entlang der Faser weitergeleitet wird. Dadurch kann das Licht über große Entfernungen ohne nennenswerte Signalverluste übertragen werden. Die Anwendungsgebiete der Lichtwellen reichen von Telekommunikationssystemen über Breitband-Internetverbindungen bis hin zu Sensortechnologien sowie medizinischen Applikationen.

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Die Signalübertragung mit Licht hat im Vergleich zur kupfergebundenen Datenübertragung zahlreiche Vorteile, wie höhere Bandbreite, geringere Dämpfung, größere Reichweite, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Interferenzen (EMI) sowie Hochfrequenzstörungen (RFI), geringeres Gewicht, weniger Platzbedarf und höhere Sicherheit gegenüber Abhörversuchen.

Daher ist Fiber Optic die Wahl für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsnetzwerken, Rechenzentren, Unterwasserkabeln und vielen weiteren Bereichen.

Die Signale werden durch Lichtimpulse übertragen, die entweder durch Kunststoff- oder Glasfasern geleitet werden. Kunststofffasern (Polymer Optical Fiber; POF) werden für Fiber Optic als Alternative zu Glasfasern eingesetzt.

Der Aufbau von Kunststofffasern ähnelt grundsätzlich dem von Glasfasern, bestehend aus einem Kern und einer umgebenden Schicht, die als Mantel bezeichnet wird. Der Kern (Signalübertragung) mit einem Durchmesser von 980 µm besteht aus einem Polymer. Der Mantel dient als umgebende Schicht und hat einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern, um die Totalreflexion zu ermöglichen.

Die Kunststofffasern sind flexibler und leichter als Glasfasern, was ihre Handhabung und Installation erleichtert. Sie sind auch weniger empfindlich gegenüber mechanischer Belastung, was zu weniger Brüchen führt. Darüber hinaus sind Kunststofffasern kostengünstiger als Glasfasern.

Im Vergleich zu Glasfasern haben Kunststofffasern eine höhere Dämpfung, sodass das Lichtsignal lediglich über kürzere Entfernungen übertragen werden kann. Sie sind zudem anfälliger für Interferenzen und erlauben nur eine geringere Bandbreite. Kunststofffasern werden hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen geringe Übertragungsdistanzen und niedrigere Bandbreiten gefordert sind, wie in der Gebäudetechnik oder in der Automobilindustrie.

Insgesamt bieten Kunststofffasern eine Alternative für Anwendungen, bei denen Flexibilität, Robustheit und Kosteneffizienz wichtige Faktoren sind. Glasfasern stellen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften und Leistungsfähigkeit in vielen Anwendungen die bevorzugte Wahl dar.

Glasfaserleitungen (Glass Optical Fiber; GOF) sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Kommunikationsnetzwerke und bieten eine effiziente Übertragung von Daten über große Entfernungen. Sie bestehen aus dünnen Glasfasern. Es werden zwei Haupttypen von Glasfaserleitungen unterschieden, Singlemode und Multimode.

Der Einsatz von Singlemode oder Multimode hängt von der jeweiligen Applikation ab. Der Hauptunterschied der beiden Typen liegt in der Art und Weise, wie das Licht im Kern der Glasfaser (Bild 1) reflektiert wird.

Bei Singlemode-Glasfasern (SM) wird das Licht nur in einem einzigen Modus (Strahlengang) übertragen, während bei Multimode-Glasfasern mehrere Moden gleichzeitig zur Verfügung stehen. Singlemode-Glasfasern haben einen kleineren Kerndurchmesser von 9 µm und eignen sich am besten für Langstreckenübertragungen mit hoher Bandbreite und geringer Dämpfung. Durch den kleineren Kerndurchmesser wird das Licht in einer einzelnen Mode (Strahl) geführt, was zu einer geringeren Lichtbrechung und einer höheren Bandbreite führt. Dies ermöglicht eine effiziente Übertragung von Daten über große Entfernungen.

Singlemode-Fasern erfordern eine kohärente Lichtquelle, wie einen Laser. Sie sind in der Regel kostenintensiver aufgrund der komplexeren Technologie und der höheren Anforderungen an die Komponenten selbst.

Multimode-Fasern (MM) weisen einen Kerndurchmesser von typischerweise 50 µm auf, der mehrere Modi (Strahlen) unterstützt. Dies führt zu einer höheren Lichtbrechung und einer geringeren Bandbreite im Vergleich zu Singlemode-Fasern. Multimode-Fasern werden häufig für kürzere Strecken verwendet, wie in lokalen Netzwerken (LANs) oder Rechenzentren, wo hohe Bandbreite und kurze Distanzen aufeinandertreffen. Sie können mit kostengünstigeren Lichtquellen wie LEDs betrieben werden.

Steckverbindungen für raue Umgebungen

Fiber Optic punktet durch die störungsfreie Übertragung ohne jegliche Einbußen im Signalpfad sowie die hohe Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen und bei hohen Temperaturschwankungen. Dazu kommen die Funktion selbst über große Distanzen und im Umfeld magnetischer Felder sowie die Kombinierbarkeit mit anderen Medien (Hybridübertragung).

Ein wichtiger Aspekt ist die Präzision und Genauigkeit, die bei der Verbindung von Lichtwellenleitern erforderlich ist. Da Glasfasern einen sehr kleinen Kerndurchmesser haben, müssen die Steckverbinder eine präzise Positionierung der Fasern ermöglichen, um eine effiziente und zuverlässige Übertragung zu gewährleisten. Jeder geringfügige Versatz oder Winkel kann zu Signalverlusten führen. Daher müssen die Steckverbinder eine hohe mechanische Stabilität sowie Ausrichtungsgenauigkeit aufweisen.

Ein weiterer Aspekt ist die Dichtigkeit der Steckverbinder gegenüber äußeren Einflüssen wie Staub, Feuchtigkeit oder anderen Verunreinigungen. Die Dichtigkeitsforderungen sind in der Regel höher als bei Steckverbindern für Kupferkabel, da die Faserenden empfindlicher auf Verunreinigungen reagieren. Zusätzlich müssen Fiber-Optic-Steckverbinder mechanisch hoch belastbar sein, da sie unter harschen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden (hohe Stoß-, Vibrations- und Zugbelastungen).

Insgesamt stellt Fiber Optic aufgrund der spezifischen Eigenschaften und Ansprüche an die Signalübertragung höhere Anforderungen an die Steckverbinder (Bild 2) als die Komponenten der kupfergebundenen Datenübertragung.

Welche Lösung für welche Anwendung?

Fiber-Optic-Systemlösungen mit Kunststofffasern gewährleisten eine stabile Übertragung auch bei rauen Bedingungen wie Zug, Biegung und Temperaturbelastung. Bestens dafür geeignet sind sie auch dank der robusten Steckverbinder. Durch ihren Aufbau sind die Kontakte – und damit die gesamte Systemlösung – weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzungen (Bild 3).

Für kurze Übertragungsstrecken stellt die POF-Technik eine besonders kosteneffiziente Lösung dar. Die Steckverbinder aus Mühldorf erreichen 10.000 Steckzyklen ohne die Notwendigkeit einer Reinigung.

Bei derPhysical Contact-Technik kommt es zu einer direkten Kontaktierung (Bild 4). Bei ihr berühren sich die Stirnflächen der Glasfaserenden, die innerhalb von Ferrulen sitzen, genau zentrisch. Der geringe Durchmesser des Glasfaserkerns führt dazu, dass bei diesem System bereits ein kleiner Staubpartikel ausreichen kann, um das Übertragungssystem empfindlich zu stören.

Daher muss der Steckverbinder vor jedem Verbinden auf beiden Seiten gereinigt werden. Vorteilhaft ist die besonders niedrige Einfügedämpfung. Außerdem ist die Technik für Standardanforderungen ausgelegt und schafft dabei bis zu 1.000 Steckzyklen.

Für rauere Umgebungen bietet sich die Expanded Beam-Technik an, die ohne direkte Kontaktierung auskommt. Bei ihr wird das Lichtsignal durch eine Strahlaufweitung innerhalb des Stecksystems von einem Kontakt zum anderen übertragen (Bild 5). Dies geschieht durch spezielle Linsen, sodass der Übertragungsbereich des Lichts deutlich vergrößert wird und somit weniger störungsanfällig ist. Die bei jedem Steckvorgang erforderliche Reinigung entfällt und ist lediglich bei Bedarf (erhöhte Verschmutzung) erforderlich.

Ein weiterer Vorteil: Expanded Beam ermöglicht insgesamt rund 100.000 Steckzyklen, da das Berühren und somit Verkratzen der Faser-Endflächen verhindert wird.

Expanded Beam Performance ist ein Fiber-Optic-Linsenkontaktsystem mit einer Einfügedämpfung von weniger als 0,15 dB, einer Rückflussdämpfung von mehr als 60 dB und einem kompakten Aufbau mit 12 Linsen auf Basis der Expanded Beam-Technik – die, ebenso wie Expanded Beam, keine Reinigung erfordern und extrem hohe Steckzyklen ermöglichen.

Bisher musste der Anwender sich zwischen häufigem Reinigen und begrenzten Steckzyklen oder mit hohen Dämpfungswerten entscheiden. Mit der Einführung von Expanded Beam Performance wurden nicht nur diese Einschränkungen beseitigt, auch die Leistung übertrifft bisherige Produkte.

Da auch bei dieser Signalübertragung innerhalb des Steckverbinders kein direkter Kontakt zwischen den Kontaktenden besteht, sind zudem Expanded-Beam-Performance-Verbindungen unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Somit kann eine zuverlässige Übertragung gewährleistet werden, bei der keine Beschädigungen beziehungsweise Einbußen bis zu 50.000 Steckzyklen entstehen (Bild 6).

Dank der robusten und sehr kompakten Bauform zählt beispielsweise der ODU MINI-SNAP der Serie K in Größe 2 mit einem Außendurchmesser von rund 16 mm zu den kleinsten 12-Kanal-Linsensteckverbindern.

Umfangreiche Tests für geprüfte Qualität

Im Zuge der Produktentwicklung wurden umfangreiche Simulationen und Tests durchgeführt. Zu den Testverfahren zählen Umwelttests wie Salzwasser, extreme Hitze und Kälte, Dichtigkeitsprüfungen, Vibrationstests, Steckzyklentests sowie Verschmutzungstests (Bild 7).

Die Prüfungen decken verschiedene Aspekte ab, wie Funktion, Leistung, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kompatibilität. Zuverlässigkeitstests werden im Labor in Mühldorf am Inn beispielsweise durchgeführt, um die Lebensdauer und Stabilität des Produkts zu bestimmen. Dies beinhaltet die Simulation von Langzeiteinsätzen, Belastungstests und Umwelttests (Bild 8).

Darüber hinaus können auch branchenspezifische Tests oder Zertifizierungen erforderlich sein (Tabelle 2). Der Expanded-Beam-Performance-Einsatz ist getestet auf 50.000 Steckzyklen, einen Temperaturbereich von –65 bis 105°C und Luftfeuchtigkeit gemäß TIA455-5 7A für –10/65°C 100%. Der Einsatz hält Staub und Schmutz (Dreck und Feuchte sowie Arizona-Staub) stand (offene Schnittstelle) und ist für Vibrationen nach MIL Std 202-204H von 30g sowie Salz-Sprühnebel nach MIL-STD-810H Method 509.7 getestet.

Fazit: Überall dort, wo Kupferleitungen aufgrund der Übertragungseigenschaften an ihre physikalischen Grenzen stoßen, bietet Fiber Optic zahlreiche Vorteile. Dazu zählen beispielsweise Übertragungsreichweite, Gewichtsreduzierung sowie Skalierbarkeit.

Als Spezialist für Steckverbinder hat ODU bereits ein umfangreiches Fiber Optic Portfolio für unterschiedliche Anforderungen etabliert. Die neu entwickelte Expanded-Beam-Performance-Technik erzielt High-End-Übertragungseigenschaften mit extrem niedrigen Dämpfungswerten über viele Steckzyklen hinweg – selbst bei mechanischer Belastung und unter rauen Umgebungsbedingungen.

(kr)

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