Optische Übertragungstechniken

Digitalisierung via Fiber Optic – auch in rauen Umgebungen

17. Mai 2022, 6:32 Uhr | Rudolf Weidenspointner
Expanded-Beam-Technologie
Steckverbinder mit Expanded-Beam-Technologie, welche sich besonders für harsche Umgebungen anbietet.
© ODU

Hohe Datenraten und eine schnelle, störungsfreie Übertragung sind in immer mehr Anwendungen gefragt. Eine zuverlässige optische Übertragung ist daher auch abseits von Informationstechnik und Telekommunikation stark im Trend.

Von Rudolf Weidenspointner, Produktmanager für Kabelkonfektionierung und Technologien bei ODU

Bisher waren Glasfaserkabel mit optischen Steckern hauptsächlich in der Telekommunikation gefragt, von kleinen und mittleren Büros bis hin zu riesigen Rechenzentren. Zum Einsatz kommen dort meist standardisierte Schnittstellen wie LC-, SC oder FC-Steckverbinder. Im Zuge des 5G-Ausbaus und neuer Automatisierungsformate über IoT/IIoT zeigt sich jedoch ein deutlicher Trend zu rasant steigenden Datenmengen auch außerhalb von Rechenzentren.

Neben der störungsfreien Übertragung in Echtzeit ist vor allem die hohe Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen und bei hohen Temperaturschwankungen gefragt. Dazu kommen Forderungen nach Dichtigkeit und leichter Reinigung, hoher Steckzyklenanzahl und optimaler Funktionalität auch über große Distanzen und im Umfeld magnetischer Felder sowie die Kombinierbarkeit mit anderen Medien (Hybridübertragung).

Diese hohen Anforderungen an die Verbindungstechnik werden zum Beispiel aus den Bereichen Medizintechnik, Mess- und Prüftechnik, Industrie- oder Militärtechnik gestellt. Ein Blick auf die jeweiligen Anwendungen macht schnell deutlich, wie komplex die Anforderungen an die optische Übertragungstechnologie sind.

Hohe Datenraten in rauer Umgebung

In der Industrie etwa sind neben hohen Datenraten auch Werkstoffe gefordert, die ölbeständig und robust sind sowie gleichzeitig größeren Temperaturunterschieden standhalten. Das ist etwa bei großen Teststationen der Fall, bei denen verschiedene Signale, Strom, Spannung, Daten und Messpunkte eines Kundenprodukts auf einmal abgeprüft werden, z. B. bei Platinentests. Dazu kommen sensible Verbindungspunkte vollautomatisierter Industrieanlagen mit integrierter Datenverarbeitung. Dies betrifft unter anderem die Bereiche Montage, Abfüllung oder Verpackung. Auch Anzeigetafeln auf Bahnhöfen sowie Sensorikmessungen bei Windkraftanlagen sind mögliche Applikationen.

Auch die Weiterentwicklung neuer Medizintechnikgeräte stützt den Trend zur Glasfasertechnologie. Nicht nur computergestützte Robotersysteme benötigen eine schnelle und störungsfreie Datenübertragung, sondern z. B. auch Endoskopiegeräte mit aufgesetztem Kamerakopf für hochauflösende Bilder in 8K-Qualität. Fiber Optic bietet im Unterschied zur herkömmlichen Kabeltechnologie erhebliche Einsparungen beim Gewicht sowie nichtmagne­tische Eigenschaften. Dies ist insbesondere auch beim kombinierten Einsatz in der Magnetresonanztomographie (MRT) ein entscheidender Pluspunkt. Weitere Anforderungen im Bereich der Medizintechnik sind eine hohe Steckzyklenanzahl, einfache Reinigung sowie Temperaturbeständigkeit.

Zuverlässig über lange Distanzen

Zudem sind im Militär- und Sicherheitssektor neue Steckverbinder gefragt, die robust und leicht zu reinigen sind. Hier werden etwa Verteilstationen im Feld mit einem »Tactical Interface« benötigt, die über ein mehrere Kilometer langes Kabelnetz angeschlossen werden. Über Kupferkabel sind Datenraten mit 10 GB/s lediglich bis zu 100 Meter realisierbar ohne störungsfreie Abrisse. Mit Fiber Optic lassen sich dagegen auch Distanzen bis zu 40 Kilometer mit Datenraten bis zu 10 GB/s erreichen.

Die genannten Beispiele machen deutlich, dass in Zukunft neben günstigen Standardlösungen vor allem komplexe Fiber-Optic-Systemlösungen auf einem wachsenden, datengetriebenen Markt gefragt sind. Zentrale Bedeutung kommt dabei der störungsfreien Übertragung des Lichts im Fiber-Optic-Steckverbinder zu.

ODU fokussiert sich bei seinen Systemlösungen auf unterschiedliche Technologien für die Lichtübertragung, um unterschiedliche Ansprüche und Einsatzbereiche abdecken zu können.

Physical-Contact-Technologie

Bei der Physical-Contact-Technologie kommt es zu einer direkten Kontaktierung. Bei ihr berühren sich die Stirnflächen der Glasfaserenden, die innerhalb von Ferrulen sitzen, genau zentrisch. Der geringe Durchmesser des Glasfaserkerns – bei Singlemode etwa 9 μm, bei Multimode 50 μm – führt dazu, dass bei diesem System bereits ein kleines Staubpartikel reicht, um das Übertragungssystem empfindlich zu stören. Deshalb muss der Steckverbinder vor jedem Stecken gereinigt werden. Ein Vorteil dieser Lösung ist eine besonders niedrige Einfügedämpfung. Außerdem ist die Technologie für Standardanforderungen ausgelegt und schafft dabei bis zu 1000 Steckzyklen.

Expanded-Beam-Technologie

Für rauere Umgebungen bietet sich die Expanded-Beam-Technologie an, die ohne direkte Kontaktierung auskommt. Bei ihr wird das Lichtsignal durch eine Strahlaufweitung innerhalb des Stecksystems von einem Kontakt zum anderen übertragen. Dies geschieht durch spezielle Linsen. Der Übertragungsbereich des Lichts wird dadurch deutlich vergrößert und ist somit weniger störungsanfällig. Die stete Reinigung entfällt und muss – abhängig von der Umgebung – erst nach 20.000 Steck­zyklen durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil: Die Expanded-Beam-Technik ermöglicht insgesamt eine sehr hohe Zahl von rund 100.000 Steck­zyklen, da das Zerkratzen der Glas­faser-Endflächen verhindert wird.

Polymer Optical Fiber

Lösungen mit speziellen Kunststofffasern (anstelle von Glasfasern) ergänzen das Portfolio. POF (Polymer Optical Fiber) ist vor allem eine kosteneffiziente Lösung, die ursprünglich für den Einsatz in der Fahrzeugtechnik entwickelt wurde. Sie ist durch kurze Datenleitungen und eine begrenzte Performance mit etwas höheren Dämpfungswerten in der Übertragung gekennzeichnet. Dennoch eignet sich die Technologie für kurze Strecken und einfache Anwendungen, z. B. Lichtfarbendetektion. Zudem bieten die Kunststofffasern eine hohe Biegezugfestigkeit. 

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