LWL-Steckverbinder Licht zuverlässig übertragen

Ausgehend von den Weitverkehrsnetzen in der Telekommunikation haben Lichtwellenleiter ihren Siegeszug in vielen Anwendungsbereichen der Datenübertragung angetreten. Auch im Industriebereich kommen sie seit vielen Jahren erfolgreich zum Einsatz. Worauf ist jedoch zu achten, damit trotz LWL-Steckkontakten eine Kommunikation per Glasfaser zuverlässig arbeitet?

von Bernd Horrmeyer, Fachreferent für Standardisierung bei Phoenix Contact.

Damit die Datenübertragung mit Lichtwellenleitern zuverlässig funktioniert, lohnt sich die Betrachtung der technischen Zusammenhänge (Bild 1). Denn beim Transport der Lichtsignale durch die Leitung ist einiges zu beachten. Einzelne Lichtstrahlen – auch Moden genannt – werden mittels einer Lichtquelle wie Leuchtdioden oder Laser in die Faser eingekoppelt. Dort breiten sich diese längs der Faser aus. Je nach Fasertyp wird bei einer Singlemode-Faser nur eine Mode transportiert – alle anderen Fasertypen leiten eine Vielzahl von Moden weiter. Die Moden verlaufen nicht parallel zur optischen Achse und werden so am Mantel der Faser reflektiert und in einer anderen Richtung weitergeleitet.

Bei einer Steckverbindung stehen sich zwei Faserenden gegenüber. Das aus der ersten Faser austretende Licht dringt in die zweite Faser ein und wird dort weitertransportiert. Hierbei treten jedoch einige störende Effekte auf. So stößt die Faser nie auf ganzer Fläche aufeinander, sodass sich zwischen den Faserenden eine kleine Luftschicht befindet, die aufgrund ihres andersartigen Brechungsindex einen geänderten Strahlengang verursacht. Hier können Moden so abgelenkt werden, dass sie nicht mehr in der zweiten Faser weiter transportiert werden – die Lichtleistung verringert sich. Außerdem lassen sich Moden an der Fasergrenzfläche reflektieren, sodass einzelne Moden wieder in die Faser zurückgeführt werden. Auch diese Moden stehen nicht mehr für den Weitertransport zum Signalempfänger zur Verfügung, zudem können sie bei einer Lasereinkopplung den Laser stören.

Sind die Fasern radial zueinander versetzt, treffen aus der ersten Faser austretende Moden auf Bereiche der zweiten Faser, die nicht für den Weitertransport der Moden geeignet sind. Auch hier entstehen Dämpfungsverluste. Aufgrund der problematischen Berührung der Faserendflächen besteht die Gefahr, dass Staub und andere Fremdkörper sowie Feuchtigkeit – zum Beispiel durch eine Betauung – zwischen die Faserendflächen dringt. Die Moden können dann unterbrochen werden. Oder der Strahlengang wird durch einen ungeeigneten Brechungsindex so abgelenkt, dass die Moden wieder
in die erste Faser zurückgeleitet werden.

Strahlengang und Brechungsindex

Hersteller von Steckverbindungen für Lichtwellenleiter und konfektionierten Leitungen bemühen sich, ihre Produkte so präzise und sauber zu gestalten, dass die oben genannten Effekte nicht auftreten. Auch die Monteure vor Ort sind geschult, um eine Installation fachgerecht auszuführen. Mit einer Abnahmemessung nach der Installation wird üblicherweise die Qualität der Produkte und deren Installation nachgewiesen.

Geht eine Anlage in Betrieb, wird sie den realen Umweltbedingungen ausgesetzt. Die bei den Abnahmemessungen noch nicht herrschenden realen Umweltbedingungen können die Qualität der Datenübertragung erheblich beeinträchtigen, indem sie bei den Steckverbindungen an den Faserendflächen die erläuterten Effekte verursachen. So können mechanische Belastungen wie Schock und Vibration für einen temporär erhöhten axialen und radialen Versatz der Faserendflächen verantwortlich sein. Feuchte Wärme und Temperaturwechsel ermöglichen genauso wie das direkte Applizieren von Flüssigkeiten einen Feuchtigkeitsfilm zwischen den Faserendflächen. Die Dämpfung der optischen Übertragungsstrecke steigt dadurch – im Extremfall wird die Datenübertragung unterbrochen.

Darüber hinaus können aggressive Stoffe, Gase und UV-Bestrahlungen das Gehäusematerial beschädigen. Dies wiederum gefährdet die mechanische Stabilität, Flüssigkeiten und Fremdkörper können so leichter eindringen.