Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter

Die optische Datenübertragung über Lichtwellenleiter (LWL) bietet zahlreiche Vorteile. Sie lässt hohe Datenraten bis 40 GBit/s über Strecken von vielen Kilometern zu, beeinflusst parallel verlegte Leitungen nicht und ist gleichzeitig unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen. Die unterschiedlichen Faserarten (POF, PCF, GOF) und Faserkategorien OM1 bis OM5 sowie OS2 ermöglichen auf spezifische Anforderungen zugeschnittene Verkabelungskonzepte.

Prinzip der optischen Datenübertragung

Prinzip der optischen Datenübertragung

Vorteile der LWL-Übertragung

Lichtwellenleiter (Englisch: Fiber Optics (FO)) übertragen Daten in Form von Licht über weite Strecken. Dazu werden die elektrischen Signale am Sender in optische Signale umgewandelt und über Kunststoff- oder Glasfasern zum Empfänger geschickt. Dort werden die übertragenen Lichtsignale wieder in elektrische Signale umgewandelt, ausgewertet und weiterverarbeitet. Die Kabel und Leitungen sind bis zu 90 % leichter und dünner als Kupferkabel und erlauben dennoch größere Übertragungsstrecken und Datenraten bis zu 40 GBit/s oder mehr. Gleichzeitig sind keine aufwändigen Schirmkonzepte notwendig, da aufgrund der metallfreien Übertragung eine absolute Unempfindlichkeit gegenüber EMV- und ESD-Störeinflüsse besteht. Der Materialeinsatz und die damit verbundenen Kosten für die passive Verkabelung sind meist geringer gegenüber einer Kupferverkabelung. Außerdem geben große Übertragungsbandbreiten mit hoher Signaldichte die Möglichkeit, über den gleichen Lichtwellenleiter mehrere Signale in unterschiedlichen Wellenlängen zu übertragen (Multiplexing).

Datenübertragung im Rechenzentrum

Glasfaserverkabelung optimiert die Datenübertragung im Rechenzentrum

Lichtwellenleiter in der Anwendung

Ganz gleich ob über kurze, mittlere oder lange Distanzen, mit Geschwindigkeiten von weniger als 100 MBit/s oder bis zu 40 GBit/s oder innerhalb von Bus- oder Ethernet-Strukturen: Für praktisch jede Anforderung in der industriellen und semi-industriellen Automatisierung gibt es ein passendes Kabel für die Datenübertragung per Faser. Selbst im Einsatz unter rauen Bedingungen, wie z. B. in Windparks, erfüllen die Lichtwellenleiter zuverlässig ihre Aufgabe.
Die Einsatzbereite reichen daher von dem Einsatz in der Fahrzeugtechnik und der Industrieverkabelung über Local Area Networks (LAN) in Datenzentren bis hin zu Weitverkehrsnetzen. Entscheidend für die Verkabelung ist die Wahl der richtigen Faserart und -kategorie.

Faserkern- und Manteldurchmesser bei Lichtwellenleitern

Vergleich der unterschiedlichen Faserkern- und Manteldurchmesser

Für jeden Einsatz die passende Faser

Jede Faserart steht für einen eigenen Anwendungsbereich. Umso kleiner der Außendurchmesser der Faser ist, desto filigraner verhält sich die Faser bei der Konfektion. Physikalisch bedingt erreicht man mit geringeren Faserkerndurchmessern höhere Datenraten und Entfernungen.

  • POF (Polymer Optical Fiber): Bei POF-Kabeln bestehen sowohl der Kern als auch der Mantel (Cladding) aus Kunststoff. Der typische Kerndurchmesser liegt bei 980 µm und der Manteldurchmesser bei 1.000 µm. Mit kurzen Übertragungsstrecken bis zu 70 m und Datenraten bis maximal 100 MBit/s, je nach Aktivkomponente, werden POF-Kabel für die Verkabelung in der Fahrzeugtechnik oder für die Industrieverkabelung verwendet. Durch die Robustheit und Größe der Faser ist diese im Feld leicht zu konfektionieren. Aufgrund der hohen Dämpfung und Dispersion ist dieser Fasertyp nicht für große Datenraten und Entfernungen geeignet.

  • PCF (Polymer Clad Fiber): Bei PCF handelt es sich um kunststoffbeschichtete Lichtwellenleiter aus Glas. Die Kabel, die unter verschiedenen Bezeichnungen wie PCS (Polymer Clad Silica), HCS (Hard-clad silica) und HPCF (Hard Polymer Clad Fiber) bekannt sind, sind robust und lassen sich einfach konfektionieren. PCF-Fasern mit einem typischen Kerndurchmesser von 200 µm und Manteldurchmesser von 230 µm sind häufig in der Industrieverkabelung bei mittleren Längen bis 300 m und Datenraten zumeist ≤100 MBit/s anzutreffen. Weitere Einsatzgebiete sind Automotive, Sensorik und Medizintechnik.

  • GOF-Multimode (Glass Optical Fiber): Die Glasfaser hat einen Kern aus Quarzglas umgeben von einer verkleidenden Schicht aus reflektierendem Glas. Bei Mulimode-Kabeln beträgt der Kerndurchmesser 50 µm bzw. 62,5 µm. Der größere Durchmesser erlaubt die Einkopplung von mehr Lichtenergie am Anfang der Faser, gleichzeitig entsteht aber eine höhere Dämpfung über die Länge der Faser. Multimode-Fasern kommen daher hauptsächlich in Local Area Networks (LANs) und Rechenzentren zum Einsatz, wo sie Übertragungsstrecken bis zu 550 m mit 10 GBit/s erreichen können.

  • GOF-Singlemode: Die Singlemode-Fasern haben einen deutlich kleineren Kerndurchmesser von ca. 8 µm. Bei der Singlemodefaser wird zwischen den Begriffen Kerndurchmesser und Modenfelddurchmesser unterschieden. Der Modenfelddurchmesser ist abhängig von der Wellenlänge. Je größer die Wellenlänge ist, desto größer ist der Modenfelddurchmesser. Da in der Faser nur eine Lichtmode übertragen wird, kann sehr viel Leistung in die Faser eingespeist und übertragen werden. Der Dämpfungskoeffizient der Faser ist im Übertragungsbereich sehr gering. Die geringe Dämpfung und die geringe Dispersion bilden die idealen Voraussetzungen, um Singlemode-Fasern für Distanzen von bis zu 50 km und Datenraten von z. B. 40 GBit/s einzusetzen.

Die Faserkategorien OM1, OM2, OM3, OM4 für Multimodefasern und OS1 und OS2 für Singlemode-Fasern sind nach ISO/IEC 11801 international festgelegt. Sie geben an, welche Übertragungsbandbreiten und Dämpfungswerte eine Faser aufweist. Durch die immer weiter steigenden Übertragungsbandbreiten wächst auch die Anzahl zukünftiger Kategorien, wie z. B. OM5 für Übertragungsraten bis zu 400 GBit/s.

Dämpfung bei Lichtwellenleitern

Mögliche Ursachen, die zur Dämpfung bei Lichtwellenleitern führen

Verluste bei Lichtwellenleitern

Bei der Dämpfung handelt es sich um einen Verlust von Lichtleistung, der beim Transport des Lichts vom Sender zum Empfänger auftritt. Ziel ist es, die Lichtenergie möglichst dämpfungsarm zum Empfänger zu transportieren. Unterschieden wird zwischen der Dämpfung, die konkret an einem Ort auftritt, und der Dämpfung auf die Länge bezogen, dem Dämpfungskoeffizienten. Der Dämpfungskoeffizient bezieht sich für Lichtwellenleiter auf eine Länge von 1 km.

  • Einfüge- und Koppelverluste: Diese können bei der Einkopplung des Lichts in die Faser auftreten, sowohl vom Sender als auch bei der Verbindung mittels Steck- und Spleißverbindungen auf der Strecke und am Empfänger. Die Ursachen dieser Verlustart sind vielfältig. Sehr häufig sind es Verschmutzungen an Stirnoberflächen von Steckverbindern. Die Kopplung unterschiedlicher Kerndurchmesser in einem Link führt zu Verlusten. Spleißverbindungen, die durch Fusionsspleißen realisiert werden, sind sehr dämpfungsarm und liegen unter 0,1 dB. Longitudinale, transversale und Winkelversätze von Faserenden können ebenfalls zu Dämpfungen führen. Kratzer und Ausbrüche an Stirnoberflächen verursachen nicht nur eine Dämpfungserhöhung, sondern können zusätzlich eine Beschädigung auf der gekoppelten Stirnflächengegenseite erzeugen. Auch Montagefehler, wie z. B. eine Kerbung von außen an der Glasfaser während der Montage können zu einer Dämpfung oder sogar zu einem späteren Bruch führen.

  • Biegeverluste: Für Lichtwellenleiter sind in Datenblättern Mindestbiegeradien angegeben. Bei Unterschreitung entstehen Verluste und die Dämpfung steigt entsprechend an. Ein Teil des Lichts aus dem Kern entweicht. Vor geraumer Zeit wurden GOF-Fasern für den Multi- und Singlemode-Bereich entwickelt, die sich sehr eng biegen lassen. Mit diesen biegeunempfindlicheren Fasern lassen sich langfristig Biegeradien unter 10 mm realisieren. Die Fasern sind in den entsprechenden Normen der Reihe IEC 60793-x und ITU-Tx international spezifiziert. Der Vorteil ist die Verlegung bei schlechten Installationsbedingungen in Gebäuden, Wohneinheiten und Industrieumgebungen.

  • Verluste durch Herstellung: Das Material zur Herstellung des Lichtwellenleiters als auch der Herstellungsprozess können dämpfungsbehaftet sein. Die Ursachen können materialspezifisch sein oder z. B. durch Verunreinigungen hervorgerufen werden. Die Glasfasern werden so hergestellt, dass diese für bestimmte Wellenlängenbereiche optimiert sind. In diesen Wellenlängenbereichen ist die Dämpfung möglichst gering. Die Dämpfungskoeffizienten, die für diese Wellenlängen gelten, sind entsprechend in den Datenblättern angegeben. In diesen Bereichen sollen die Lichtwellenleiter betrieben werden.

Dispersion bei Lichtwellenleitern

Verformung des Signals während der Laufzeit vom Sender zum Empfänger

Auswirkungen der Dispersion

Die Datenraten und Übertragungsbandbreiten von Lichtwellenleitern werden zudem durch die Dispersion begrenzt. Eine Dispersion ist die Verformung eines Signals. Das Signal verliert während der Laufzeit vom Sender zum Empfänger an Höhe und die Flanken fallen immer weiter ab. Falls zwei Signale hintereinander zusammenlaufen, kann der Empfänger nicht mehr erkennen, ob es sich um ein oder zwei Signale handelt. Somit kommt es zu Fehlern in der Übertragung. Je höher die Übertragungsbandbreite und je länger die Link-Länge ist, desto wichtiger ist die Fokussierung auf eine geringe Dispersion. Gerade bei langen Singlemode-Strecken ist dies ein entscheidender Faktor für eine zuverlässige und fehlerfreie Übertragungsqualität.

LWL-Portfolio von Phoenix Contact

Umfangreiches Produktprogramm für die LWL-Verkabelung

Produkte für die LWL-basierte Datenverkabelung

Phoenix Contact bietet Ihnen ein breites Produktportfolio für die LWL-Verkabelung. Neben einer umfassenden Kabelauswahl und der passenden Anschlusstechnik runden Geräteanschlüsse, Patch-Panel, Kupplungen und Verteiler für Tragschienen das Programm ab.

  • Übertragungsraten bis zu 40 GBit/s
  • Lösungen von IP20, IP65/67 und IP68
  • Für alle gängigen Faserarten
  • Für die gängigen Schnittstellen
  • Höchste Sicherheit gegen EMV- und ESD-Einflüsse