Valokuitukaapelit

Valokuitukaapelit

Optinen tiedonsiirto valokuitukaapelin kautta tuo lukuisia etuja. Se mahdollistaa suuret tiedonsiirtonopeudet, jopa 40 Gbps, useiden kilometrien matkalla, ei haittaa rinnan asennettuja johtoja ja kestää samanaikaisesti sähkömagneettisia vaikutuksia. Eri kuitutyypit (POF, PCF, GOF) ja kuituluokat OM1 - OM5 sekä OS2 mahdollistavat erityisvaatimuksiin räätälöidyt kaapelointikonseptit.

Optisen tiedonsiirron periaate

Optisen tiedonsiirron periaate

Valokuidun kautta tapahtuvan tiedonsiirron edut

Valokuitukaapelit (englanniksi: fiber optics, FO) siirtävät valon muodossa olevaa tietoa pitkiä matkoja. Sitä varten sähköiset signaalit muutetaan lähettäjällä optisiksi signaaleiksi ja lähetetään muovi- tai kuitukaapelin kautta vastaanottajalle. Siinä siirretyt valosignaalit muunnetaan jälleen sähköisiksi signaaleiksi, arvioidaan ja käsitellään edelleen. Kaapelit ja johtimet ovat jopa 90 % kevyempiä ja ohuempia kuin kuparikaapelit ja mahdollistavat kuitenkin pidemmät siirtomatkat ja suuremmat tiedonsiirtonopeudet, jopa 40 Gbps tai enemmän. Myöskään kalliita suojausratkaisuja ei tarvita, sillä metallittoman siirron ansiosta valokuitu kestää erinomaisesti EMC- ja ESD-häiriöitä. Materiaalin käyttö ja siihen liittyvät kustannukset passiivisesta kaapeloinnista ovat useimmiten vähäisemmät kuparikaapeleihin verrattuna. Lisäksi suurten siirtokaistanleveyksien, joiden signaalitiheys on suuri, ansiosta on mahdollista siirtää saman valokuitukaapelin kautta useita signaaleja eri aallonpituuksilla (multipleksointi).

Tiedonsiirto tietokonekeskuksessa

Kuitukaapelointi optimoi tiedonsiirron tietokonekeskuksessa

Valokuitukaapelit käyttökohteessa

Lyhyet, keskipitkät tai pitkät siirtoetäisyydet, alle 100 Mbps tai jopa 40 Gbps nopeudet tai väylä- tai Ethernet-rakenteiden sisällä: käytännössä kaikkiin teollisen ja puoliteollisen automaation vaatimuksiin on olemassa sopiva kaapeli kuidun kautta tapahtuvaan tiedonsiirtoon. Jopa haastavissa olosuhteissa, kuten esimerkiksi tuulipuistoissa, valokuitukaapelit täyttävät tehtävänsä luotettavasti.
Käyttöalueet ulottuvat siksi ajoneuvotekniikasta ja teollisuuden kaapeloinnista ja tietokeskusten LAN-lähiverkoista (Local Area Networks) suuralueverkkoihin. Kaapeloinnin kannalta ratkaisevaa on oikean kuitutyypin ja -luokan valinta.

Kuidun ytimen ja kuoren halkaisija valokuitukaapeleissa

Kuidun ytimen ja kuoren halkaisijoiden vertailu

Jokaiseen käyttökohteeseen sopiva kuitu

Jokaiselle kuitutyypille on oma käyttöalue. Mitä pienempi kuidun ulkohalkaisija on, sitä hienorakenteisemmin kuitu käyttäytyy kalustettaessa. Fyysisesti saavutetaan pienemmillä kuidun halkaisijoilla suurempia tiedonsiirtonopeuksia ja etäisyyksiä.

  • POF (Polymer Optical Fiber): POF-kaapeleissa sekä ydin että kuori (engl. cladding) ovat muovia. Tavallinen ytimen halkaisija on noin 980 µm, ja kuoren halkaisija noin 1 000 µm. Kun siirtomatkat ovat enintään 70 m ja tiedonsiirtonopeudet enintään 100 Mb/s, aktiivisesta komponentista riippuen, käytetään POF-kaapeleita ajoneuvotekniikan kaapelointiin tai teollisuuskaapelointiin. Kuitujen lujuus ja koko tekevät niistä helposti kalustettavia kentällä. Suuren vaimennuksen ja hajonnan vuoksi tämä kuitutyyppi ei sovellu suurille tiedonsiirtonopeuksille ja etäisyyksille.

  • PCF (Polymer Clad Fiber): PCF on muovipinnoitteinen valokuitukaapeli. Eri nimillä, kuten PCS (Polymer Clad Silica), HCS (Hard-clad silica) ja HPCF (Hard Polymer Clad Fiber) tunnetut kaapelit ovat kestäviä ja helposti kalustettavia. PCF-kuituja, joiden tavallinen ytimen halkaisija on 200 µm ja kuoren halkaisija 230 µm, käytetään usein teollisuuskaapeloinnissa keskipitkillä etäisyyksillä 300 m:iin saakka ja tavallisesti ≤100 Mb/s:n tiedonsiirtonopeuksilla. Muita käyttökohteita ovat autoteollisuus, anturit ja lääketekniikka.

  • GOF-multimode (Glass Optical Fiber): Kuitujen ydin on kvartsilasia, ja se on verhottu heijastavalla lasikerroksella. Multimode-kaapeleiden ytimen halkaisija on 50 µm tai 62,5 µm. Suuremman läpimitan ansiosta kuidun alkupäähän voidaan kytkeä enemmän valoenergiaa, mutta samanaikaisesti syntyy suurempi vaimennus kuidun pituuden yli. Multimode-kuituja käytetään siksi pääasiassa LAN-verkoissa (Local Area Network) ja tietokonekeskuksissa, missä kuitujen siirtomatkat voivat olla jopa 550 m ja siirtonopeudet 10 Gbps.

  • GOF-singlemode: Singlemode-kuiduilla on huomattavasti pienempi ytimen halkaisija, n. 8 µm. Singlemode-kaapeleissa tehdään ero käsitteiden 'ytimen halkaisija' ja 'muotokentän halkaisija' välillä. Muotokentän halkaisija riippuu aallonpituudesta. Mitä suurempi aallonpituus on, sitä suurempi on muotokentän halkaisija. Koska kuidussa siirretään vain yhtä valomuotoa, kuituun voidaan syöttää ja siirtää erittäin paljon tehoa. Kuidun vaimennuskerroin on siirtoalueella hyvin pieni. Vähäinen vaimennus ja vähäinen hajonta muodostavat ihanteelliset edellytykset singlemode-kuitujen käytölle jopa 50 km etäisyyksiin ja esim.  40 Gbps tiedonsiirtonopeuksiin.

Multimode-kuitujen luokat OM1, OM2, OM3, OM4 ja singlemode-kuitujen luokat OS1 ja OS2 on määritetty kansainvälisesti standardin ISO/IEC 11801 mukaan. Ne ilmoittavat, mitä siirtokaistanleveyksiä ja vaimennusarvoja kuidulla on. Yhä kasvavien siirtokaistanleveyksien myötä kasvaa myös tulevien kuituluokkien määrä, kuten esim.  OM5 siirtonopeuksille 400 Gbps saakka.

Valokuitukaapeleiden vaimennus

Mahdollisia syitä, jotka johtavat valokuitukaapeleiden vaimennukseen

Valokuitukaapeleiden häviöt

Vaimennuksessa on kyse valotehon häviöstä, jota esiintyy valon kulkiessa lähettäjältä vastaanottajalle. Tavoitteena on kuljettaa valoenergia vastaanottajalle mahdollisimman vähäisellä vaimennuksella. Tässä erotetaan vaimennus, joka esiintyy konkreettisesti yhdessä paikassa, ja vaimennus pituuden suhteen, vaimennuskerroin. Vaimennuskerroin liittyy valokuitukaapeleihin 1 km:n pituudelle.

  • Liittämis- ja kytkentähäviöt: Näitä voi esiintyä valon kytkeytyessä kuituun sekä lähettäjältä että yhdistettäessä pisto- ja jatkosliitäntöjen avulla matkalla ja vastaanottajalla. Tämän häviötyypin syyt ovat moninaiset. Hyvin usein ne ovat epäpuhtauksia pistoliittimien etupinnoissa. Erilaisten ytimen halkaisijoiden kytkentä yhteen yhteyteen aiheuttaa häviöitä. Jatkosliitännät, jotka toteutetaan fuusiojatkoksilla, ovat hyvin pienihäviöisiä ja ovat alle 0,1 dB. Kuitujen päiden pituussuuntaiset, poikittaiset ja kulmasiirtymät voivat myös johtaa vaimennuksiin. Naarmut ja säröt etupinnoissa voivat vaimennuksen lisääntymisen lisäksi aiheuttaa vaurioita kytketyllä etupinnan vastasivulla. Myös asennusvirheet, kuten esimerkiksi lovi ulkoa päin kuitukaapelissa asennuksen aikana, voi johtaa vaimennukseen tai jopa myöhempään murtumaan.

  • Taivutushäviöt: Valokuitukaapeleille on datalehdissä ilmoitettu vähimmäistaivutussäteet. Jos ne alittuvat, syntyy häviöitä, ja vaimennus kasvaa vastaavasti. Osa valosta poistuu ytimestä. Jokin aika sitten kehitettiin GOF-kuidut multimode- ja singlemode-alueelle, joita voidaan taivuttaa hyvin pienellä säteellä. Näillä kuiduilla, jotka eivät ole niin herkkiä taivutukselle, voidaan toteuttaa pitkäaikaisia taivutussäteitä, jotka ovat alle 10 mm. Kuidut on määritetty kansainvälisesti vastaavissa IEC 60793-x- ja ITU-Tx-sarjan standardeissa. Etuna on asennusmahdollisuus huonoissa asennusolosuhteissa rakennuksiin, asuntokohteisiin ja teollisuusympäristöihin.

  • Valmistuksesta aiheutuvat häviöt: Valokuitukaapelin valmistukseen käytettävään materiaaliin samoin kuin valmistusprosessiin voi liittyä vaimennusta. Syyt voivat olla materiaalikohtaisia tai esim.  aiheutua epäpuhtauksista. Kuitukaapelit valmistetaan niin, että ne on optimoitu määrätyille aallonpituusalueille. Näillä aallonpituusalueilla vaimennus on mahdollisimman vähäinen. Näitä aallonpituuksia koskevat vaimennuskertoimet on ilmoitettu vastaavasti datalehdissä. Valokuitukaapeleita tulee käyttää näillä alueilla.

Hajonta valokuitukaapeleilla

Signaalin muodonmuutos lähettäjältä vastaanottajalle kulun aikana

Hajonnan vaikutukset

Valokuitukaapeleiden tiedonsiirtonopeuksia ja siirtokaistanleveyksiä rajoittaa lisäksi hajonta. Hajonta on signaalin muodonmuutos. Signaali menettää lähettäjältä vastaanottajalle kulun aikana korkeutta, ja reunat laskevat yhä alemmas. Mikäli kaksi signaalia kulkevat yhdessä peräkkäin, vastaanottaja ei pysty enää tunnistamaan, onko kyse yhdestä vai kahdesta signaalista. Silloin siirrossa esiintyy virheitä. Mitä suurempi siirtokaistanleveys on ja mitä pidempi yhteyspituus on, sitä tärkeämpää on keskittyä vähäiseen hajontaan. Juuri pitkillä singlemode-matkoilla tämä on ratkaiseva tekijä siirtolaadun luotettavuudessa ja virheettömyydessä.

Phoenix Contactin valokuituvalikoima

Kattava tuotevalikoima valokuitukaapelointiin

Tuotteet valokuitupohjaiseen datakaapelointiin

Phoenix Contactilla on laaja tuotevalikoima valokuitukaapelointiin. Kattavan kaapelivalikoiman ja sopivan liitäntätekniikan lisäksi laiteliitännät, patch-paneeli, kytkennät ja jakajat asennuskiskoja varten täydentävät tuotevalikoiman.

  • Siirtonopeudet jopa 40 Gbps
  • Ratkaisut kotelointiluokille IP20, IP65/67 ja IP68
  • Kaikille yleisille kuitutyypeille
  • Yleisiin liitäntöihin
  • Korkein suojaus EMC- ja ESD-häiriöiltä