Fiberoptik

Fiberoptik

Den optiska dataöverföringen via fiberoptik erbjuder många olika fördelar. Den tillåter höga datahastigheter på upp till 40 GBit/s över sträckor på flera kilometer, påverkar inte parallellt dragna ledningar och är samtidigt okänslig för elektromagnetisk påverkan. De olika fibertyperna (POF, PCF, GOF) och fiberkategorierna OM1 till OM5 samt OS2 möjliggör kabeldragning som är skräddarsydda för specifika krav.

Princip för den optiska dataöverföringen

Princip för den optiska dataöverföringen

Fördelar med fiberoptisk överföring

Fiberoptik (på engelska: Fiber Optics (FO)) överför data över långa sträckor i form av ljus. För detta omvandlas elektriska signaler till optiska signaler i sändaren och skickas till mottagaren via plast- eller glasfiber. Där omvandlas de överförda ljussignalerna till elektriska signaler igen, utvärderas och bearbetas vidare. Kablarna och ledningarna är upp till 90 % lättare och tunnare än kopparkablar och möjliggör ändå längre överföringssträckor och datahastigheter på upp till 40 GBit/s eller mer. Samtidigt är inte några dyra skärmkoncept nödvändiga eftersom den metallfria överföringen är helt okänslig mot störningar på grund av elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och elektrostatisk urladdning (ESD). Materialanvändningen och de kostnader som hänger samman med detta för det passiva kablaget är för det mesta lägre jämfört med ett kopparkablage. Dessutom ger stora överföringsbandbredder med hög signaltäthet en möjlighet att överföra flera signaler med olika våglängd (multiplexing) genom samma fiberoptik.

Dataöverföring i datacentralen

Glasfiberkabling optimerar dataöverföringen i datacentraler

Fiberoptik i tillämpningen

Det spelar ingen roll om det är korta, medellånga eller långa distanser, om det är med hastigheter under 100 Mbit/s eller upp till 40 Gbit/s eller om det är inom buss- eller Ethernet-strukturer: För praktiskt taget varje krav inom industriell och semiindustriell automatisering finns det en lämplig kabel för dataöverföring genom fiber. Till och med vid användning i hårda förhållanden, t.ex. i vindkraftparker, utför fiberoptiken sin uppgift på ett tillförlitligt sätt.
Användningsbredden sträcker sig därför från användning inom fordonsteknik och industrikablage över Local Area Networks (LAN) i datacentraler till fjärrkabelnät. Avgörande för kablaget är valet av rätt fibertyp och fiberkategori.

Fiberkärndiametrar och manteldiametrar för fiberoptik

Jämförelse av olika fiberkärndiametrar och manteldiametrar

Rätt fiber för varje användning

Varje fibertyp står för ett eget användningsområde. Ju mindre fiberns ytterdiameter är desto mer filigrant förhåller sig fibern vid konfektionen. Fysikaliskt betingat uppnår man högra datahastigheter och längre avstånd med lägre fiberkärndiametrar.

  • POF (Polymer Optical Fiber): Vid POF-kablar består både kärnan och manteln (cladding) av plast. Den typiska kärndiametern ligger på 980 µm och manteldiametern på 1 000 µm. Med korta överföringssträckor på upp till 70 m och datahastigheter på maximalt 100 Mbit/s används POF-kablar för kabling inom fordonsteknik eller för industriellt kablage beroende på aktiva komponenter. Tack vare fibrernas robusthet och storlek är det enkelt att konfektionera dessa på fältet. På grund av den höga dämpningen och dispersionen är denna fibertyp inte lämplig för höga datahastigheter och långa avstånd.

  • PCF (Polymer Clad Fiber): Vid PCF handlar det om plastbelagd fiberoptik av glas. De kablar som är kända under olika beteckningar som PCS (Polymer Clad Silica), HCS (Hard-clad silica) och HPCF (Hard Polymer Clad Fiber) är robusta och är enkla att konfektionera. PCF-fibrer med en typisk kärndiameter på 200 µm och manteldiameter på 230 µm förekommer ofta inom industrikablage med medellånga längder upp till 300 m och datahastigheter på mestadels ≤100 Mbit/s. Fler användningsområden är fordons-, sensor- och medicinteknik.

  • GOF-Multimode (Glass Optical Fiber): Glasfiber har en kärna av kvartsglas som omges av ett täckande skikt av reflekterande glas. Vid Multimode-kablar uppgår kärndiametern till 50 µm resp. 62,5 µm. Den större diametern möjliggör inkoppling av mer ljusenergi i början av fibern men samtidigt uppstår det en högre dämpning över fibrernas längd. Multimode-fibrer används därför huvudsakligen i Local Area Networks (LANs) och i datacentraler där de kan uppnå överföringssträckor på upp till 550 m med 10 Gbit/s.

  • GOF-Singlemode: Singlemode-fibrer har en betydligt mindre kärndiameter på cirka 8 µm. Vid singlemode-fibrer skiljer man mellan begreppen kärndiameter och modfältdiameter. Modfältdiametern beror på våglängden. Ju större våglängden är desto större är modfältdiametern. I och med att endast en ljustyp överförs i fibern går det att mata in och överföra väldigt mycket effekt i fibern. Fibrernas dämpningskoefficient är mycket låg i överföringsområdet. Den låga dämpningen och den låga dispersionen utgör idealiska förutsättningar för att använda Singlemode-fibrer för distanser på upp till 50 km och datahastigheter på t. ex. 40 Gbit/s.

Fiberkategorierna OM1, OM2, OM3, OM4 för Multimode-fibrer och OS1 och OS2 för Singlemode-fibrer har fastställts internationellt enligt ISO/IEC 11801. De anger vilka överföringsbandbredder och dämpningsvärden en fiber har. På grund av de alltmer ökande överföringsbandbredderna ökar även antalet framtida kategorier, t. ex. OM5 för överföringshastigheter på upp till 400 Gbit/s.

Dämpning vid fiberoptik

Möjliga orsaker som leder till dämpning i fiberoptikledare

Förluster vid fiberoptik

Vid dämpning rör det sig om en förlust av ljuseffekt som förekommer vid transporten av ljuset från sändaren till mottagaren. Målet är att transportera ljusenergin till mottagaren med så lite dämpning som möjligt. Man skiljer mellan den dämpning som uppträder konkret på en plats och den dämpning som beror längden, dvs. dämpningskoefficienten. Dämpningskoefficienten avser en längd på 1 km för fiberoptik.

  • Inkopplings- och kopplingsförluster: Dessa kan förekomma vid inkopplingen av ljuset i fibern både från sändaren och vid anslutning med hjälp av kontakt- och skarvanslutningar på sträckan och vid mottagaren. Det finns många olika orsaker till denna typ av förlust. Mycket ofta är det smuts på kontakternas frontytor. Koppling av olika kärndiametrar i en länk leder till förluster. Skarvanslutningar som förverkligas med svetsskarvar har inte mycket dämpning utan ligger under 0,1 dB. Longitudinellt, transversalt och vinkelförskjutna fiberändar kan också leda till dämpningar. Repor och brytningar på frontytor orsakar inte bara en ökning av dämpningen utan kan dessutom generera en skada på den kopplade frontytans motsida. Även monteringsfel, t.ex. ett utvändigt spår på glasfibern under monteringen, kan leda till en dämpning eller till och med till ett senare brott.

  • Böjförluster: För fiberoptik anges minsta tillåtna böjradier i databladen. Om dessa underskrids uppstår det förluster och dämpningen ökar beroende på detta. En del av ljuset från kärnan avviker. För en tid sedan utvecklades GOF-fibrer för multi- och singlemode-området som går att böja mycket snävt. Med dessa fibrer som är mer okänsliga för böjning går det att realisera långvariga böjradier på under 10 mm. Fibrerna är internationellt specificerade i motsvarande standarder för serie IEC 60793-x och ITU-Tx. Fördelen är dragningen vid dåliga installationsförhållanden i byggnader, bostäder och industriella omgivningar.

  • Förluster på grund av tillverkning: Materialet för tillverkning av fiberoptik liksom även tillverkningsprocessen kan vara behäftat/behäftad med dämpning. Orsakerna kan vara materialspecifika eller t. ex. framkallas genom föroreningar. Glasfibrerna tillverkas så att de är optimerade för vissa våglängdsområden. I dessa våglängdsområden är dämpningen så låg som möjligt. De dämpningskoefficienter som gäller för dessa våglängder är angivna i enlighet med detta på databladet. Fiberoptiken ska drivas i dessa områden.

Dispersion vid fiberoptik

Deformation av signalen under funktionstiden från sändaren till mottagaren

Effekter av dispersionen

Datahastigheterna och överföringsbandbredderna för fiberoptik begränsas dessutom av dispersionen. Dispersion är en signals deformation. Signalen förlorar i höjd och flankerna faller alltid bort ytterligare under funktionstiden från sändaren till mottagaren. Om två signaler löper samman efter varandra kan mottagaren inte längre identifiera om det rör sig om en eller två signaler. Detta leder till fel i överföringen. Ju högre överföringsbandbredd och ju längre länklängd, desto viktigare är fokuseringen på den låga dispersionen. Just vid långa singlemode-sträckor är detta en avgörande faktor för en tillförlitlig och felfri överföringskvalitet.

Fiberoptikportfölj från Phoenix Contact

Omfattande produktprogram för fiberoptikkablage

Produkter för fiberoptiskt datakablage

Phoenix Contacts erbjuder en bred produktportfölj för fiberoptiskt kablage. Utöver ett omfattande urval av kablar och lämplig anslutningsteknik rundar apparatanslutningar, patchpaneler, kopplingar och fördelningar för DIN-skenor av programmet.

  • Överföringshastigheter upp till 40 Gbit/s
  • Lösningar med IP20, IP65/67 och IP68
  • För alla vanliga fibertyper
  • För konventionella gränssnitt
  • Maximal säkerhet mot påverkan av elektromagnetisk kompatibilitet och elektrostatisk urladdning