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Lichtwellenleiter für die industrielle Kommunikation

??? | Ratioplast-Optoelectronics GmbH
Paul-Martin Kamprath | pk components GmbH

 

Einleitung

1960 wurde erstmalig, in einem amerikanischen Labor, ein Laserstrahl aus einem Rubinkristall vorgestellt. Als Transportmedium für diesen Laserstrahl diente Luft. In der Luft war der Laserstrahl aber richtungs- gebunden. Die Erkenntnis, dass Licht als Kommunikationsträger sehr hohe Datentransporte ermöglicht, war der Anlass Glas als Übertragungsmedium zu nutzen. Somit wurde ein Transportmedium entwickelt in dem Licht, richtungsunabhängig und mit wesentlichen Vorteilen gegenüber Kupfer, transportiert werden kann. Glasfasern werden heute in sehr hoher Reinheit industriell hergestellt. Sie sind in weiten Bereichen der Industrie und der Telekommunikation im Einsatz. Sie sind heute in vielen Anwendungen Stand der Technik, bedingt durch die technischen wie auch wirtschaftlichen Vorteile gegenüber anderen Übertragungsmedien. Auch Kunststoff-Fasern sind heute in vielen industriellen Anwendungen im Einsatz. Die Qualität bei industrieller Produktion ist heute sehr gut und bietet dem Anwender eine breite Produktpalette. Multicore-Fasern mit sehr gutem Dämpfungsverhalten, UL-gelistete Fasern, aber auch Fasern die Brandschutzvorschriften entsprechen sind existent. Mit den heute verfügbaren Fasern und der Möglichkeit der Herstellung können alle Anwendungsfälle abgedeckt werden.

Die Lichtwellenleitertechnik (LWL) erfährt mit dem Breitbandausbau und der direkten Verlegung von Glasfaseranschlüssen in die Häuser auch eine zunehmende Präsenz beim Verbraucher und scheint nicht nur den "Datenautobahnen" vorbehalten zu sein. Die Vernetzung und die Datenraten nehmen in der Industrie und Automation weiterhin zu und die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Feldbusse (Profibus, SERCOS, ProfiNet, ......) steigt. In vielen Fällen ist eine drahtgebundene Übertragung hoher Datenraten einer drahtlosen Übertragung aufgrund der besseren Stabilität vorzuziehen. Viele Bereiche sind elektromagnetische "verseucht". Hier kann die LWL-Technik ihre positiven Eigenschaften besonders ausspielen.

Die wesentlichen Vorteile für den Einsatz der LWL-Technik sind:

  • Hohe Übertragungskapazität
  • Absolute galvanischeTrennung
  • Störsicherheit gegenüber EMV-Einflüssen
  • keinÜbersprechen
  • Ex-Schutz
  • Gewichtsreduzierung

In der industriellen Kommunikation werden heute Lichtwellenleiter aus Kunststoff (POF, Polymer optische Faser) vorrangig verwendet. Diese finden für Leitungslängen zu einigen 100 Metern Anwendung und sind kostengünstiger als Glasfaser.

Aufbau des Lichtwellenleiters

In der Kommunikation dient der Lichtwellenleiter (LWL) als Übertragungsmedium für Informationen die als Lichtsignale übertragen werden. Die Übertragung von Licht erfolgt in Form von elektromagnetischen Wellen in den Wellenlängenbereichen von 600 -1750 nm. Als eigentliches Licht wird aber nur der Wellenlängenbereich von 380 -780 nm bezeichnet. Der Bereich der längeren Wellenlängen ist der Infrarotbereich auch Ultrarotbereich genannt.In der Kommunikation dient der LWL als Übertragungsmedium für Informationen die als Lichtsignale übertragen werden. Die Übertragung von Licht erfolgt in Form von elektro-magnetischen Wellen in den Wellenlängenbereichen von 600 -1750 nm. Als eigentliches Licht wird aber nur der Wellenlängenbereich von 380 -780 nm bezeichnet. Der Bereich der längeren Wellenlängen ist der Infrarotbereich auch Ultrarotbereich genannt. Die kürzeren Wellenlängen sind dem Bereich Ultraviolett zugeordnet. Die Lichtausbreitung (Fortpflanzung) im LWL erfolgt nach dem Prinzip der Totalreflexion.

LWL aus Kunststoff haben einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Sie sind äußerst flexibel und empfindlich. Der Faserkern ist der zentrale Bereich eines Lichtwellenleiters, der zur Wellenführung des Lichts dient. Der Kern besteht aus einem Material mit einem höheren Brechungsindex als der darrüberliegende Mantel. An den Wänden im Innern des Lichtwellenleiters findet eine Reflexion statt, so dass der Lichtstrahl nahezu verlustfrei um jede Ecke geleitet wird. Das Mantelglas ist das optisch transparente Material eines Lichtwellenleiters an dem die Reflexion stattfindet.
 

Aufbau eines Lichtwellenleiters mit Polymeroptischer Faser
 

Der Mantel oder auch Cladding genannt ist ein dielektrisches Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern. Das dielektrische Material ist nichtmetallisch und nichtleitend. Es enthält also keine metallischen Anteile.

Das Coating ist die Kunststoffbeschichtung, die als mechanischen Schutz auf der Oberfläche des Mantelglases aufgebracht ist. Buffering nennt man das Schutzmaterial, das auf dem Coating aufextrudiert ist. Es schützt das Kabel vor Umwelteinflüssen. Buffering gibt es auch als Röhrchen, dass die Faser vor Stress im Kabel isoliert, wenn das Kabel bewegt wird.

Die Lichteinkopplung in den Lichtwellenleiter

Der eigentliche Lichttransport erfolgt im Kern des LWL. Dieser wird somit auch als aktiver Teil des LWL bezeichnet. Trifft ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel, auf die Stirnfläche eines Faserkerns, dann wird er beim Übertritt in die Faser in seiner Richtung gebrochen. Um Lichtstrahlen in den LWL einzukoppeln, müssen diese unter Einhaltung von definierten Winkelverhältnissen auf die Stirnfläche des LWL auftreffen. Diesen Winkel nennt man Akzeptanzwinkel. Der Sinus des maximalen Akzeptanzwinkels wird als Numerische Apertur (NA) bezeichnet. Eine hohe NA hat den Vorteil, dass die Einkoppelungseffektivität hoch ist. Zum anderen sind die Biegeverluste der Faser niedrig.

Die ausbreitungsfähigen Lichtstrahlen im LWL werden mit Moden bezeichnet. Ausbreitungsfähig sind nur die Lichtstrahlen (Moden) welche die Interferenz-Bedingungen des Faserkerns erfüllen. D. h. Lichtwellen können je nach Verlauf gleichphasig oder gegenphasig sein. Je nach Phasenlage erfolgt somit eine Verstärkung, eine Abschwächung oder eine Auslöschung.

Bilder?

Dämpfungseigenschaften des Lichtwellenleiters

Ein weiteres Mass für die Qualität des LWL ist die Dämpfung. Die Angabe erfolgt in: Dezibel/Kilometer (db/km). LWL werden nach verschiedenen Verfahren, sowie aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Die Dämpfungswerte sind abhängig von der elektromagnetischen Wellenlänge, und von den Materialien der unterschiedlichen LWL. Im wesentlichen werden sie von den Materialverunreinigungen verursacht.

Die jeweils niedrigen Dämpfungswerte auf der Faser werden als optische Fenster bezeichnet und für die Anwendung der LWL-Übertragung genutzt. In der praktischen Anwendung liegen diese optischen Fenster heute:

  • 650-660nm für die Kunststoff-Faser
  • 850nm, 1300nm und 1550nm für die Glasfaser

Für Anwendungen in der Telekommunikation gibt es heute Systeme mit Wellenlängenmultiplex-Verfahren. Damit werden gleichzeitig Signale verschiedener Wellenlängen auf dem LWL gesendet, die dann über optische Filter getrennt empfangen werden.Somit ist eine hohe wirtschaftliche Nutzung der LWL gegeben.

Bilder?

Mögliche Vorteile der Lichtwellenleiter-Übertragungstechnik

Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen

Magnetische oder elektromagnetische Felder haben keine Einwirkung auf LWL-Kabel, z.B. durch schlecht abgeschirmte elektrische Geräte und Verbraucher (Kraftfahrzeuge, elektrischen Generatoren, Frequenzumrichter, Elektromotoren, ... ). Es gibt kein Übersprechen und Einkoppelungen von magnetischen Feldern auf LWL, d.h. LWL kann problemlos parallel zu Stark­stromleitungen, durch Trafostationen und in direkter Nähe zu anderen starken elektromagnetischen Quellen verlegt werden (Funksender, MR-Tomograph, ... ).

Hohe Übertragungskapazität

  • Schneller Datenaustausch von LWL-Sender und Empfänger
  • Durch Multiplexen können gleichzeitig mehrere Signale parallel über eine Glasfaser übertragen werden
  • Höhere Reichweiten als mit Kupferkabeln bei gleicher Datenrate möglich.

Eine absolute galvanische Trennung

Mit LWL gibt es keine leitende elektrische Verbindung zwischen den Teilnehmern und somit ein gemeinsames Massenpotential. Glas- und Kunststoff-LWL sind elektrische Isolatoren. keine Masseschleifen, die durch Ausgleichströme Meßgeräte und elektrische Systeme zerstören könnten. LWL bieten ebenso einen Blitzschutz: Blitzeinschläge in Gebäuden oder Systemen können durch die Ausbreitung der elektromagnetische Schockwelle in einer Kupferverdrahtung alle nah und fern angeschlossenen Bus­teilnehmer sowie Daten zerstören.

Ex-Schutz

Bei Trennung eines LWL-Steckverbindersystemes entstehen keine elektrischen Abreißfunken, die z.B. explosive Gase entzünden könnten.

Gewichtsreduzierung

Das übertragungstechnische Akquivalent von Glas und Kupfer verhält sich wie 1:1000, d.h. mit 1 kg Glas als Faser können dieselben Ergebnisse erreicht werden wie mit 1000 kg Kupfer in Form einer Koaxialleitung. Fazit: kleinere Kabelabmessungen und leichtere Kabel. Bei der Nachinstallationen von LWL können meist vorhandene Installationssysteme genutzt und bei eine Neuinstallationen Systeme mit geringeren Baumaßen eingesetzt werden. Der Planer braucht keine Rücksicht auf elektrische Netze zu nehmen, was eine schnellere Planung und deren Aufwand bedeuten kann.

Hohe Bandbreite

der Übertragungsbreich von LWL beträgt 0 Hz – 100 Gigahertz, d.h. die Bandbreite von einem einfachen Dauersignal bis zu mehreren Milliarden Bits sind mit LWL realisierbar.

Hohe Datenabhörsicherheit

Die Daten können nur mit sehr hohem technischen und finanziellen Aufwand erfasst und abgetastet werden. Damit ist die Datenübertragung sicherer als mit Kupferleitungen.

Die unterschiedlichen LWL-Fasertypen

Polymer Optische Faser

Polymere optische Fasern (kurz POF, engl. für polymeric optical fiber oder auch plastic optical fibre) sind Lichtwellenleiter aus Kunststoff, die für die Datenübertragung eingesetzt werden. Insbesondere in der Kurzstrecken-Datenübertragung gelten POF als Alternative zur Glasfaser – dem derzeit technisch bedeutsamsten Lichtwellenleiter.

Querschnitte Lichtwellenleiter Fasertypen

Hard Clad Silica Fiber

Hard Clad Silica Optical Fiber (kurz HCS-Fiber), bezeichnet einen Lichtwellenleiter mit einem optischen Kern aus Quarzglas und einem optischen Mantel aus Kunststoff. HCS-Fasern eignen sich aufgrund ihrer mittleren Bandbreite und Übertragungsrate von <100 MBit/s für mittlere Reichweiten bis 2 Kilometer, z. B. in lokalen Netzen von Gebäuden oder in der Industrie. Hierbei gilt im Allgemeinen: Je höher die Dämpfung, desto niedriger die Reichweite.

Multimode Glasfaser

Die am weitesten verbreiteten Multimode-Glasfasern im Telekommunikationsbereich sind dabei 50-µm- bzw. 62,5-µm-Gradienten-indexfasern. Multimodefasern (auch Gradienten- oder Mehrmodenfaser genannt) können durch ihren großen Kerndurchmesser und verschiedener Materialschichten mehrere Modi übertragen. Dadurch erhöht sich die Bandbreite. Multimodefasern können Stufenindexfasern oder Gradientenindexfasern sein.

Singlemode Glasfaser

Durch Singlemodefasern werden die Lichtwellen gerade hindurchgeleitet. Sie werden für weite Strecken eingesetzt. Der Kerndurchmesser einer Singlemodefaser ist gegenüber der Wellenlänge des Lichts so klein, dass sich nur ein Modus (Moden) ausbreiten kann. Singlemode-Fasern sind für Stadt- und Zugangsnetze optimiert. Hohe Übertragungsgeschwindigkeiten bei hoher Reichweite.

Technische Übersicht zu den unterschiedlichen Fasertypen

 Polymer Optische Faser

Hard Clad Silica Fiber

Glas optische Faser

Glas optische Faser

Glas optische Faser

Mode

Multimode

Multimode

Singlemode

Multimode

Multimode

FasertypStufenindex

Stufenindex

Stufenindex

Gradientenindex

Stufenindex

Ø Kern/Mantel µm

980/1.000200/2309/12550/12562,5/125

Ø 1. Schutzhülle µm

2.200500250250250
Numerische Apertur0,470,37-0,20,275
Typische Wellenlängen in nm6606601.300850 & 1.300850 & 1.300

Dämpfungskoeffizent dB/km

     
Bei 650nm18010---
Bei 850nm2.0008-≤3,0

≤3,5

Bei 1300nm--≤0,4≤0,7

≤0,8

Anwendungsbereiche für Polymer optische Faser (POF)

  • Audiotechnik und digitale Audioübertragung: Standard SPDIF
  • Automotive, Fahrerinformationssysteme (Radio, Navigation, Telefon): MOST
  • Automatisierung Maschinen- und Anlagensteuerung: Profibus, Interbus, SERCOS
  • Bahntechnik Umrichteransteuerung: Lokomotiven, Straßenbahnen, O-Busse
  • Fördertechnik, Schleppkettenanwendungen: hohe Biegezyklen
  • Medizintechnik MR und CT-Tomographen: EMV-Beständigkeit, galvinische Trennung
  • Messtechnik Labor- und Prüftechnik: EMV-Beständigkeit, galvanische Trennung
  • Netzwerktechnik Industrienetze, Heimnetze: einfache Verarbeitung
  • Schweißtechnik mit extremen Störumfeld: EMV-Beständigkeit, galvanische Trennung
  • Sensorik: Lichtschranken, Farbsensoren, Feuchtesensoren, Biegesensoren
  • Lichttechnik: Lichtverteilung und Lichteffekte

Steckverbinder für die Lichwellenleitertechnik

Steckverbinder F-SMA und F-ST

Der LWL-Steckverbinder Bauform F-SMA ist speziell optimiert für Anwendungen mit Standard 1 mm Kunststofflichtwellenleiter, die eine schnelle und einfache Konfektionierung bei sehr guten optischen und mech-anischen Eigenschaften fordern. Aufgrund der guten optischen Eigenschaften und der einfachen Anschlusstechnik des Lichtwellenleiters, finden die Steckverbinder F-SMA und F-ST eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten:

  • Optische Netzwerke
  • Industrieelektronik
  • Leistungselektronik
  • Consumer-Elektronik

(Wo ist der Unterschied zwischen F-SMA und F-ST?) 

F-SMA und F-ST Steckverbinder (bessere Bilder?)

Steckverbinder HFBR

Für Anwendungen in der Industrie mit Bauelementen der Versatile Link Serie gibt es Steckverbinder in Kunststoffausführung. Die Bauformen ermöglichen sowohl Simplex- als auch Duplexlösungen mit POF von 2,2 - 2,3mm. Die Konfektionierung erfolgt durch Crimpung des Fasermantels. Anwendungsmöglichkeiten:

  • Fabrik-Automation
  • Medizinische Geräte
  • Telekommunikations-Systeme
  • Leiterplatten

Steckverbinder HFBR (rechts: Bauform R-453-x)

Der LWL-Steckverbinder Bauform R-453x ist speziell optimiert für Anwendungen eine schnelle und einfache Konfektionierung bei sehr guten optischen und mechanischen Eigenschaften fordern. Der große Vorteil des hier abgebildeten Klemmsteckverbinders ist die einfache Konfektionierung ohne teures Spezialwerkzeug. Zur Konfektionierung des Steckverbinders mit 1/2.2 mm POF-Kabel wird folgendes Werkzeug empfohlen:

  • Abisolierer
  • Polierscheibe, Simplex
  • Polierscheibe, Duplex
  • Polierbogen, Körnung 1000
  • Polierbogen, Körnung 4000

Die LWL-Übertragungsstrecke

Jede LWL-Übertragungsstrecke besteht in der Grundform aus einem:

  • Sender = Transmitter = Elektrooptischer Wandler
  • Empfänger = Receiver = OptoelektrischerWandler
  • LWL-Kabel als Übertragungsmedium, und einem
  • Steckverbinder als Verbindungselement.

Optische Übertragungsstrecke

Serielle Datenübertragung

Die optische Datenübertragung erfolgt seriell. Vorhandene parallele Daten werden über Multiplexverfahrenseriell aufbereitet und am Ende einer optischen Übertragungsstrecke wieder parallel zur Verfügung gestellt. Das geschieht im Zeitmultiplexverfahren über Multiplexer bzw. Demultiplexer (Mux/ Dmux). Da die Daten als digitale Signale übertragen werden, spricht man auch von bitserieller Datenübertragung. Analoge Signale werden über AD bzw. DA Wandler in digitale Signale gewandelt, da die digitale Übertragung über LWL vorteilhafter ist.

 

Elektrooptische Wandler und optische Sender

Elektrooptische Wandler sind optische Sender und existieren in den Ausführungen Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) und LED (Light Emitting Diode). Diese wandeln die elektrischen Signale in optische Signale. LED’ssind inkoheränteLichtquellen für Wellenlängen 660 nm, 850 nm, 1300 nm Laser sind kohärente Lichtquellen für Wellenlängen 660 nm, 1300 nm, 1500 nm. Kohärent steht für ein zusammenhängendes Lichtbündel gleicher Wellenlänge.

Den Einsatz dieser Sender als Laser oder LED bestimmen die Anwendungsparameter:

  • Datenübertragungsraten
  • Datenübertragungslängen
  • Wirtschaftlichkeit
  • Zuverlässigkeit (Lebensdauer)

Laserdioden kommen in Kommunikationssystemen wie bei der Telekom und in der Fernwirktechnik für Bahnsignale und in der Stromerzeugung wegen der hohen Datenraten und großen Reichweiten zum Einsatz. Die Wellenlängen liegen hier typisch bei 1310 nm bis 1600 nm. In der Industrie-Elektronik und in Lokalen Netzwerken = LAN, werden heute LEDs verwendet, da sie durch einfachen Schaltungsaufwand, höherer Lebensdauer und vorteilhafterem Preis wirtschaftlicher gegenüber Laser sind. LEDs gibt es für 650 nm (rotes Licht) und 850 nm (Infrarot) Wellenlängen. Wellenlängen 520 nm (blau) und 570 nm (grün) existieren am Markt sind aber heute noch nicht sehr verbreitet im Einsatz.

Opto-elektronische Wandler und optische Empfänger

Die optoelektronischen Wandler werden zur Rückwandlung der optischen Signale in elektrische Signale verwendet. Als Bauelemente werden hier Fotodioden eingesetzt. Diese gibt es im wesentlichen als

  • Fotodioden ohne eingebautem Verstärker (Pin-Dioden)
  • Fotodioden mit eingebautem Verstärker (Avalanche-Dioden)

Auch bei Fotodioden erfolgt der Einsatz abhängig von:

  • Datenübertragungsraten
  • Datenübertragungslängen
  • Wirtschaftlichkeit
  • Zuverlässigkeit (Lebensdauer)

Empfangsdioden sind in der Wellenlänge nicht so eng toleriert wie die Sendedioden, somit eignen sie sich für POF und Glasfaser, da der Wellenlängenbereich von etwa 500 nm bis 900 nm reicht. In der Telekom und Datenübertragung mit Reichweiten die auch weit über 5 km hinaus gehen werden Fotodioden höherer Wellenlängen benötigt. Der mechanische Aufbau der Sende-bzw. Empfangsdioden erfolgt als Topfdioden und als Sidelooker. Diese Bauelemente werden in Gehäuse (Receptacles) verbaut, die unterschiedlichen Steckverbinder-Anschluss haben, nach Norm aber auch kundenspezifisch. Die elektrischen Anschlüsse sind zum Einlöten in Leiterkarten. Zum Anschluss der optischen Seite werden Steckverbinder die an LWL Kabel konfektioniert werden verwendet. Optische Klemmen für POF werden steckerlos angeschlossen. Mit diesen Bauelementen stehen heute dem Anwender von LWL-Technik ausreichend Bauelemente zur Realisierung von sehr vielen Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung.

LWL-Interfaces

In der Praxis existieren genormte Schnittstellen, um diese in Installationen und Anwendungen mit Störpotentialen über Lichtwellenleiter zu betreiben,gibt es den Schnittstellen angepasste LWL-Geräte, sogenannte Interfaces auch als Konverter oder Modems benannt. Diese Interfaces habenu nterschiedliche Steckverbinder für den elektrischen, wie auch den optischen Anschluss und können direkt auf die Standardschnittstellen adaptiert werden, da sie nach Normen oder kunden spezifischen Angaben gefertigt werden.

Bilder?

Werkzeuge für Lichtwellenleiter

Die zur Konfektionierung von Steckverbindern und Spleissverbindungen notwendigen Werkzeugen stehen sowohl für feste, wie auch wiederlösbare Verbindungen zur Verfügung. Die Werkzeuge sind sowohl einzeln, wie auch als Komplettsätze in Werkzeugkoffern, jeweils auf die zu konfektionierenden Kabel und Steckverbindertypen abgestimmt. Für die Spleissverbindungen, also Schweissverbindungen, existieren manuelle wie auch mit automatischer Justage versehene Spleissgeräte, um Fasern direkt miteinanderzuverschweißen. Halbautomaten zum Schleifen und Polieren von Steckverbindern mit Lichtwellenleiter existieren am Markt inangepassten Ausführungen.

Messgeräte für die Lichtwellenleitertechnik

Anlagen und Geräte mit LWL-Technik machen Messungen erforderderlich. Die einfachsten Form ist mit Pegel sendern und Pegelmessern die Dämpfung zumessen. Mit dem Sender wird eine definierte Leistung in die Strecke eingekoppelt die mit dem Pegelmesser an allen Verbindungsstellen gemessen werden kann. Da die Leistungswerte einer LWL-Strecke definiert sind, lassen sich Rückschlüsse auf Qualität und somit falls nötig auf Massnahmen zur Fehlerbeseitigung ziehen. Diese Massnahmen können folgende sein:

  • Austauschen von Sende-oderEmpfangsmodulen
  • Bei Kabelbruch zusätzliche Verbindungen
  • Erneuerung von Steckverbindern wegen zu hoher Dämpfung
  • Kabelaustausch bei defekten Kabeln

Die Pegelsender und Pegelmesser sind je nach Ausführung auch geeIgnet über eine USB-Schnittstelle Protokollierungen vorzunehmen. Die Funktionsbeschreibungen sind beigelegt. Um LWL Kabel aufgrosser Distanz und in verlegtem Zustand auf Kabelbruch oder Dämpfungswerte zu vermessen existieren Reflexionsmessgeräte sog.OTDR-Geräte = Optical Time Domaine Reflectometer. Diese Geräte zeigen in Form eines Pegeldiagramms über den gesamten Streckenverlauf die Kabeldämpfung auf, die Werte können falls nötig auch protokolliert werden.

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