Lichtgeleiderkabel

Lichtgeleiderkabel

De optische dataoverdracht via lichtgeleiderkabels (LWL) biedt talloze voordelen. Deze laat hoge transmissiesnelheden van maximaal 40 Gbit/s over trajecten van vele kilometers toe, oefent geen invloed uit op parallel gelegde kabels en is tegelijkertijd ongevoelig voor elektromagnetische invloeden. De verschillende vezelsoorten (POF, PCF, GOF) en vezelcategorieën OM1 tot OM5 alsmede OS2 maken bekabelingsconcepten mogelijk, die op specifieke vereisten zijn toegespitst.

Principe van de optische dataoverdracht

Principe van de optische dataoverdracht

Voordelen van de overdracht via lichtgeleiderkabels

Lichtgeleiderkabels (Engels: Fiber Optics (FO)) dragen gegevens over grote trajecten met de snelheid van het licht over. Daarvoor worden de elektrische signalen aan de zender omgezet in optische signalen en via kunststof- of glasvezels naar de ontvanger gestuurd. Daar aangekomen worden de overgedragen lichtsignalen weer omgezet in elektrische signalen. Ze worden geanalyseerd en verder verwerkt. De kabels en leiding zijn max. 90 % lichter en dunner dan koperen kabels en maken toch nog grotere overdrachtstrajecten en transmissiesnelheden mogelijk van maximaal 40 Gbit/s of meer. Tegelijkertijd zijn er geen uitgebreide afschermingsconcepten nodig, omdat, vanwege de metaalvrije overdracht, een absolute ongevoeligheid bestaat voor EMC- en ESD-storingsinvloeden. Het materiaalgebruik en de daaraan verbonden kosten voor passieve bekabeling zijn meestal lager dan bij een koperen bekabeling. Bovendien bieden grote overdrachtsbandbreedtes met hoge signaaldichtheden de mogelijkheid om via dezelfde lichtgeleiderkabel meerdere signalen in verschillende golflengtes over te dragen (multiplexing).

Dataoverdracht in het datacentrum

Glasvezelbekabeling optimaliseert de datatransmissie in het datacentrum

Lichtgeleiderkabel in de praktijk

Ongeacht of het over korte, middellange of lange afstanden gaat, met snelheden van minder dan 100 Mbit/s of tot en met 40 Gbit/s of binnen bus- of Ethernet-structuren: voor vrijwel iedere vereiste in de industriële en semi-industriële automatisering bestaat er een passende kabel voor de gegevenstransmissie via vezel. Zelfs bij gebruik onder ruwe omstandigheden, zoals in windparken, vervullen de lichtgeleiderkabels hun taak op betrouwbare wijze.
Daarom strekken de toepassingen zich uit van het gebruik in de voertuigtechniek en de industriebekabeling, via Local Area Networks (LAN) in datacentra tot en met nationale verkeersnetwerken. Voor de bekabeling is de keuze van de juiste vezelsoort en -categorie cruciaal.

Vezelkern- en manteldoorsneden bij lichtgeleiderkabels

Vergelijking van de verschillende vezelkern- en manteldoorsneden

Voor elke toepassing de juiste vezel

Voor iedere vezelsoort geldt een eigen toepassingsgebied. Hoe kleiner de buitendoorsnede van de vezel is, des te verfijnder functioneert de vezel bij de confectie. Volgens de natuurkunde worden er bij kleinere vezelkerndoorsneden hogere transmissiesnelheden en afstanden bereikt.

  • POF (Polymer Optical Fiber): bij POF-kabels bestaan zowel de kern als de mantel (cladding) uit kunststof. De kenmerkende kerndoorsnede is 980 µm en de manteldoorsnede is 1.000 µm. Met korte overdrachtstrajecten tot en met 70 m en transmissiesnelheden van maximaal 100 Mbit/s, afhankelijk van de actieve componenten, worden POF-kabels gebruikt voor de bekabeling in de voertuigtechniek of in de industriële bekabeling. Dankzij de robuustheid en het formaat van de vezel kan deze in het veld gemakkelijk worden geconfectioneerd. Door de hoge demping en dispersie is dit vezeltype niet geschikt voor hoge transmissiesnelheden en lange afstanden.

  • PCF (Polymer Clad Fiber): PCF is een met kunststof gecoate lichtgeleiderkabel van glas. De kabels die onder verschillende benamingen, zoals PCS (Polymer Clad Silica), HCS (Hard-clad silica) en HPCF (Hard Polymer Clad Fiber), bekend staan, zijn robuust en kunnen eenvoudig worden geconfectioneerd. PCF-vezels met een typische kerndoorsnede van 200 µm en manteldoorsnede van 230 µm worden vaak aangetroffen in de industriële bekabeling bij gemiddelde lengten tot 300 m en transmissiesnelheden van meestal ≤100 Mbit/s. Meer toepassingsgebieden zijn in de automobiel- en sensorindustrie en medische hulpmiddelen.

  • GOF-multimode (Glass Optical Fiber): de glasvezel heeft een kern van kwartsglas, ommanteld door een coating van reflecterend glas. Bij multimode-kabels bedraagt de kerndoorsnede 50 µm resp. 62,5 µm. Dankzij de grotere diameter is de inkoppeling van meer lichtenergie aan het begin van de vezel mogelijk. Tegelijkertijd ontstaat echter een grotere demping over de lengte van de vezel. Daarom worden multimode-vezels hoofdzakelijk toegepast in Local Area Networks (LANs) en datacentra. Daar kunnen ze overdrachtstrajecten tot en met 550 m met 10 Gbit/s bereiken.

  • GOF-singlemode: de singlemode-vezels hebben een duidelijk kleinere kerndoorsnede van ca. 8 µm. Bij de singlemode-vezel wordt een onderscheid gemaakt tussen de begrippen Kerndoorsnede en Modusvelddiameter. De modusvelddiameter is afhankelijk van de golflengte. Hoe groter de golflengte is, des te groter is de modusvelddiameter. Aangezien er slechts één lichtmodus wordt overgedragen naar de vezel kan er zeer veel vermogen worden geleid en overgedragen naar de vezel. De dempingscoëfficiënt in het overdrachtsgebied van de vezel is zeer gering. De geringe demping en de geringe dispersie vormen de ideale voorwaarden om singlemode-vezels te gebruiken voor afstanden van max. 50 km en transmissiesnelheden van bijv. 40 Gbit/s.

De vezelcategorieën OM1, OM2, OM3, OM4 voor multimode-vezels en OS1 en OS2 voor singlemode-vezels zijn internationaal vastgelegd volgens ISO/IEC 11801. Deze geven aan welke overdrachtsbandbreedtes en dempingswaarden een vezel heeft. Door de telkens toenemende overdrachtsbandbreedtes groeit ook het aantal toekomstige categorieën, zoals OM5 voor overdrachtssnelheden tot en met 400 Gbit/s.

Demping bij lichtgeleiderkabels

Mogelijke oorzaken die leiden tot de demping bij lichtgeleiderkabels

Verliezen bij lichtgeleiderkabels

Demping betekent hier een verlies van lichtvermogen dat bij het transport van licht van zender naar ontvanger optreedt. Het doel is om de lichtenergie met zo min mogelijk demping naar de ontvanger te transporteren. Er wordt onderscheiden tussen Demping die concreet optreedt op een plaats, en Demping met betrekking tot de lengte, de dempingscoëfficiënten. De dempingscoëfficiënt heeft voor de lichtgeleiderkabel betrekking op een lengte van 1 km.

  • Invoeg- en koppelingsverliezen: deze kunnen optreden bij de inkoppeling van het licht in de vezel, zowel van de zender als bij de verbinding met steek- en splitsverbindingen op het traject en aan de ontvanger. Er zijn vele oorzaken voor dit soort verlies. Vaak zijn de kopoppervlakken van connectoren verontreinigd. De koppeling van verschillende kerndoorsnedes in één link leidt tot verliezen. Splitsverbindingen die door fusiesplitsen worden gerealiseerd, veroorzaken vrijwel geen demping en liggen onder 0,1 dB. Vezeleinden die in lengte-, transversale of in verstekrichting lopen kunnen ook dempingen veroorzaken. Krassen en barsten aan de kopoppervlakken verhogen niet alleen de demping, maar kunnen bovendien het contrastuk van het kopoppervlak beschadigen. Ook montagefouten, bijv. geen externe kerf aan de glasvezel tijdens montage kunnen leiden tot demping of later zelfs tot een breuk.

  • Buigverliezen: voor lichtgeleiderkabels zijn in de databladen minimale buigradiussen opgegeven. Wanneer deze niet worden bereikt, ontstaan verliezen en stijgt de demping dienovereenkomstig. Uit de kern ontsnapt een deel van het licht. Al geruime tijd geleden werden GOF-vezels voor het multi- en singlemode-gebied ontwikkeld, die zeer nauw konden worden gebogen. Met deze vezels die ongevoelig zijn voor buiging, kunnen langdurig buigradii onder 10 mm worden gerealiseerd. De vezels zijn internationaal gespecificeerd volgens de normen van de reeks IEC 60793-x en ITU-Tx. Hun voordeel bewijst zich, wanneer deze worden gelegd in ongunstige installatieomstandigheden in gebouwen, appartementen en industriële omgevingen.

  • Verliezen door productie: het materiaal voor de productie van lichtgeleiderkabels alsook van het productieproces kan last hebben van demping. De oorzaken zijn mogelijk inherent aan het materiaal of bijv. worden veroorzaakt door verontreinigingen. Glasvezels worden op een wijze geproduceerd dat deze zijn geoptimaliseerd voor bepaalde golflengtes. In dit golflengtebereik is de demping zo klein mogelijk. De dempingscoëfficiënten die gelden voor deze golflengtes, zijn dienovereenkomstig aangegeven in de databladen. Volgens deze gegevens dienen de lichtgeleiderkabels te worden ingezet.

Dispersie bij lichtgeleiderkabels

Vervorming van het signaal tijdens de runtime van zender naar ontvanger

Gevolgen van dispersie

Transmissiesnelheden en overdrachtsbandbreedtes van lichtgeleiderkabels worden bovendien beperkt door dispersie. Dispersie is de vervorming van een signaal. Tijdens de runtime van zender naar ontvanger verliest het signaal hoogte en vallen de flanken steeds meer af. Indien twee signalen achtereenvolgens samenkomen, kan de ontvanger niet meer herkennen of het om één of twee signalen gaat. Daardoor ontstaan fouten in de overdracht. Hoe hoger de transmissiebandbreedte en hoe langer de linklengte is, des te belangrijker is de focussering op een geringe dispersie. Juist bij lange singlemode-trajecten is dit een factor van doorslaggevend belang voor een betrouwbare en foutloze overdrachtskwaliteit.

Productenprogramma van Phoenix Contact voor lichtgeleiderkabels

Uitgebreid productenprogramma voor lichtgeleiderbekabeling

Producten voor de lichtgeleiderkabelgebaseerde databekabeling

Phoenix Contact biedt u een breed productenprogramma voor de lichtgeleiderbekabeling. Naast een uitgebreide keuze uit kabels en de bijbehorende aansluittechniek ronden apparaataansluitingen, patchpanels, koppelingen en verdelers voor montagerails het programma af.

  • Overdrachtssnelheden tot 40 Gbit/s
  • Oplossingen voor IP20, IP65/67 en IP68
  • Voor alle gangbare vezeltypen
  • Voor gangbare interfaces
  • Maximale beveiliging tegen EMC- en ESD-invloeden