Glasfaserverbindung und die LED als Signalquelle

| Autor / Redakteur: James Jose * / Hendrik Härter

Vorteile der Glas­fasertechnik: Optische Komponenten kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Bei allen kommt es auf eine zuverlässige Datenübertragung und Langlebigkeit an.
Vorteile der Glas­fasertechnik: Optische Komponenten kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Bei allen kommt es auf eine zuverlässige Datenübertragung und Langlebigkeit an. (Bild: OMC)

Eine High-Speed-Glasfaser für die Industrie muss robust und langlebig sein. Sie ist gerade für kritische Anwendungen besser geeignet als eine Kupferleitung. Der Beitrag listet die Vorteile einer Glasfaser auf und verrät, ob Laser oder LED als Signalquelle besser geeignet sind.

Daten mit einer Glasfaserverbindung zu übertragen bieten hohe Geschwindigkeiten und Reichweiten. Doch auch die Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen und hochfrequenten Störern sind ein Vorteil einer Glasfaserverbindung. Eine Glasfaser besteht aus einem hochbrechenden Kern, der von einer Umhüllung mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist.

Der Kern einer Monomode-Faser misst einen Durchmesser von <9 µm und bei Multimode-Fasern typischerweise >50 µm. Bei Monomode-Fasern wird in der Regel eine Laserlichtquelle mit schmalem Emissionsspektrum verwendet und das Signal legt einen geraden Weg entlang der Faser zurück (Monomode-Signalausbreitung). Damit sind Signalübertragungsgeschwindigkeiten im GHz-Bereich und eventuell noch höher möglich.

Multimode-Glasfasern kommen dort zum Einsatz, wo keine ultraschnellen Datenraten erforderlich sind. Anstelle von Lasern können schnelle LEDs als Sender verwendet werden, damit sind Datenraten bis etwa 150 MHz möglich. Im Vergleich zu einer elektrischen Verbindung sind beide Fasertypen – Gradientenindex und Stufenindex – zuverlässiger, günstiger in der Beschaffung und das Schaltungsdesign ist weniger komplex. Glasfaser-Datenübertragungsverbindungen verwenden LED-Lichtquellen, halbleiterbasierte Empfänger und entweder Glas- oder Kunststofffaser.

Design-Kriterien einer Glasfaserverbindung

Optische Verbindungen konsistent zu spezifizieren, zu entwerfen und zu fertigen ist nicht unproblematisch. Viele Glasfaserkomponenten sind für Endanwender oder die Netzwerktechnik entwickelt und nicht für die Industrie ausgelegt. Für optische Glasfaserverbindungen kommt es auf die optische Leistung an: vom Tag der Installation bis zum Ende der Lebensdauer, basierend auf den günstigsten und ungünstigsten Paarungen von Sender, Kabel und Empfänger. Die Leistung sollte von Verbindung zu Verbindung konsistent sein, unabhängig davon, wie die Sender, Kabel und Empfänger bei der Installation miteinander kombiniert sind. Eine Glasfaserverbindung muss auch dann noch bis zum Ende ihrer Lebensdauer funktionieren, wenn der Sender mit der niedrigsten Ausgangsleistung mit dem Empfänger mit der geringsten Empfindlichkeit über das längste Kabel in der Anlage verbunden ist.

Eine notwendige Voraussetzung für fehlerfreie und zuverlässige Datenverbindungen ist, dass die Daten zuverlässig und unverfälscht ankommen, und zwar auch noch in 20, 30 oder sogar 40 Jahren, und das über jede einzelne Verbindung innerhalb eines Systems. Viele industrielle Systeme sind für jahrzehntelange Nutzung konzipiert.

Glasfaser-Datalinks und ihre Vorteile

Bremssysteme an Zügen: Teilweise werden Züge durch Elektromotoren angetrieben, die große Ströme aufnehmen und entsprechend starke elektrische Störsignale produzieren. Datensignale über Kupfer werden schnell gestört, was wiederum bei sicherheitskritischen Signalen wie der Bremssteuerung fatale Folgen haben kann. Da eine Glasfaser nicht leitfähig ist, ist sie unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen.

Stromverteilungsnetze: Übertragen Kupferkabel Steuersignale aus Hochspannungsanlagen zurück zu Niederspannungssteuergeräten besteht die Gefahr, dass sich Lichtbögen von der Hochspannungsseite zu den Kupferkabeln bilden. Eine Glasfaser überträgt ausschließlich Licht und das Risiko eines Lichtbogens ist nicht gegeben.

Petrochemische Anwendungen: Eine Glasfaser ist aktuell in industriellen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Bei einer Tankstelle beispielsweise sind die Pumpen mit der Anzeige an der Kasse verbunden. Bei einem Kupferkabel könnte ein elektrischer Fehler irgendwo im Kabel einen Funken erzeugen – und das in Anwesenheit flüchtiger Chemikalien. Auch hier eliminiert Glasfaser das Risiko.

Medizin: Werden Daten innerhalb eines Geräts übertragen, in dem auch Hochspannungen fließen (MRT-Scanner oder einem Röntgengerät), sind Kupferkabel schwierig, die Hochspannungs- und Niederspannungseinheiten voneinander zu trennen – Glasfaser löst dieses Problem.

Sicherheitsanwendungen: Im Gegensatz zum Kupferkabel lässt sich eine Glasfaser kaum anzapfen, ohne dass die Manipulation entdeckt wird. Es wäre höchstens ein erfahrener Experte für Glasfasertechnik dazu in der Lage. Ein Kupferkabel hingegen kann jeder halbwegs geschickte Bastler anzapfen, ohne dass es bemerkt wird.

Die LED oder Laser als Signalquelle

Bild 1: Die verschiedenen Arten von Glasfasertechniken und die entsprechende Lichtausbreitung im Vergleich.
Bild 1: Die verschiedenen Arten von Glasfasertechniken und die entsprechende Lichtausbreitung im Vergleich. (Bild: OMC)

Ein High-Speed-Glasfasernetzwerk wie Gigabit-Ethernet verwendet Laserquellen. Die Systeme sind in der Regel so konzipiert, dass sie Schwankungen der Signalqualität von Kabel zu Kabel tolerieren. In Datalinks kommt es nicht so sehr auf größtmögliche Übertragungsgeschwindigkeit an, sondern mehr auf lange Lebensdauer und Ausfallfreiheit. Deshalb kommen LEDs als Signalquelle zum Einsatz, die bei geeigneter Ansteuerung zuverlässig arbeiten. Allerdings sind LEDs weniger leistungsstark als ein Laser. Hier muss bei der Entwicklung eines Sendemoduls auf eine zuverlässige Lichtkopplung zwischen der LED und der Faser geachtet werden. Somit ist garantiert, dass auch am Ende der Lebensdauer des Systems noch genügend Licht beim Empfänger ankommt.

Hersteller von Glasfaser-Anwendungen müssen außerdem sicherstellen, dass die LED am Tag der Inbetriebnahme nicht zu hell ist, dass sie den Empfänger übersteuert. Hinzu kommen weitere Anforderungen, wie sie für industrielle Anwendungen typisch sind: lange Übertragungsstrecken oder die Anforderung, dass jede Verbindung unabhängig davon, welche Komponenten bei der Installation miteinander kombiniert werden und gleichbleibend zuverlässig funktioniert. Außerdem sind Umwelteinflüsse wie Vibrationen und Temperaturschwankungen zu berücksichtigen.

Ein High-Speed-Glasfasernetzwerk wie Gigabit-Ethernet verwendet Laserquellen. Für eine lange Lebensdauer verwenden die Hersteller allerdings LEDs als Signalquelle.
Ein High-Speed-Glasfasernetzwerk wie Gigabit-Ethernet verwendet Laserquellen. Für eine lange Lebensdauer verwenden die Hersteller allerdings LEDs als Signalquelle. (Bild: OMC)

Sende-LED wird optimal ausgerichtet

Wenn der LED-Chip auf dem Leadframe platziert wird kann es wegen den mechanischen Toleranzen zu einer inkonsistenten Ankopplung an die Glasfaser kommen. Das ist vor allem dann der Fall, wenn man sich auf einen korrekten Sitz der LED im Sendergehäuse verlässt. So kann es passieren, dass die Lichtmenge innerhalb des Aufnahmekegels der Faser von Einheit zu Einheit variiert. Diese Inkonsistenzen können dazu führen, dass ein System gerade bei anspruchsvollen Anwendungen vieler Datenkommunikationsanwendungen nicht gerecht wird. Dazu hat OMC die Active-Component-Alignment-Technik (ACA) entwickelt.

Bei einem ACA-Prozess wird jeder Sender während der Produktion mit Strom versorgt und die LED so justiert, dass die in den Aufnahmekegel der Faser fallende Lichtmenge innerhalb des genau definierten Fensters liegt, das durch die Anforderungen der jeweiligen Anwendung vorgegeben ist. Nach der Ermittlung der optimalen Position wird die LED in dieser Lage fixiert. Auch der Empfänger lässt sich ausrichten, womit garantiert wird, dass der Sender bzw. Empfänger innerhalb des vorgegebenen Fensters liegt. Dank der ACA-Technik lässt sich die Lichtkopplung wesentlich genauer kontrollieren und es sind engere Toleranzen möglich. Somit ist die Performance jedes einzelnen Elements der Verbindung garantiert.

Da OMC seine Sender- und Empfängermodule selbst entwickelt ist man in der Lage, auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. OMC hat beispielsweise Mehrkanal-Sender und -Empfänger mit hoher Packungsdichte entwickelt. Das erleichtert nicht nur die Arbeit der Entwickler, sondern kann auch Entwicklungskosten einsparen. Finden beispielsweise doppelt so viele Kanäle auf einer Steckkarte Platz finden, werden nur halb so viele Karten benötigt, und die Kommunikationsgeräte beanspruchen nur halb so viel Platz. Bei großen Installationen mit Zehntausenden von Verbindungen kann dies Einsparungen in Millionenhöhe bedeuten.

Die Elemente einer Glasfaser-Datenverbindung

Element Materialien Beschreibung/Kriterien
Senderdiode LED Der Sender muss über die gesamte Lebens­dauer des Systems hinweg genügend Leis­tung liefern, sodass der
Emp­fän­ger ein verarbeitbares Eingangs­signal erhält (Defi­niertes Perfor­mance-Fenster)

Die Schaltzeiten des Senders müssen der geforderten Bandbreite adäquat sein.
Empfängerdiode Detektor auf der Basis
einer Photodiode
Der Emp­fän­ger muss hinreichend empfindlich sein, um auch noch am Ende der Lebens­dauer
das (dann schwächere) empfangene Signal korrekt verarbeiten zu können. Außerdem muss er die in der Anfangszeit des Systembetriebs höheren Eingangs­signal­pegel
verarbeiten können, ohne übersteuert zu werden.

Die Ansprechzeit muss der erfor­der­lichen Band­breite adäquat sein.

Der Emp­fän­ger muss über die in der jewei­ligen Anwen­dung erfor­der­lichen Signal­verar­beitungs­funk­tionen verfügen.
Bauteilgehäuse Metall Gehäuse für den Sender bzw. Emp­fän­ger

Der Typ ist von der jeweiligen Anwendung und den geforderten mechanischen Eigenschaften abhängig.
Steckverbindersystem Kunststoff/Metall Das Steckverbinder­system ist von der jeweiligen Anwendung abhängig, beispielsweise gefedert für
einfacheres Stecken/Lösen und Sicherungsmutter.
Kabel Polymer (Kunststoff)
oder Glas (Silika)
Simplex-Kabel, Duplex-Kabel oder Bündel mit mehreren Kernen; polierte Endflächen, mit Steckver­bindern abgeschlossen

Durchmesser, Mantel und Robustheitsanforderungen müssen spezifiziert werden

(Quelle: OMC UK)

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2019 (Download PDF)

* James Jose arbeitet als Factory Manager bei OMC im Geschäftsbereich Faseroptik.

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