Optische Datenübertragung

Lichtwellenleiter geben der Automation neue Perspektiven

| Redakteur: Gerd Kucera

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Immunität gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung, hohe nutzbare Datenraten, große Reichweiten: Das sind essentielle Vorteile von Lichtwellenleitern in der Industriekommunikation.

Das Licht breitet sich in Lichtwellenleitern durch Totalreflexion der Strahlen im Lichtwellenleiterkern aus. Übertragungsverluste sind durch moderne Herstellungsverfahren inzwischen bis zu den physikalisch vorgegebenen Grenzen reduziert worden. Das heißt, nur noch die (unvermeidbare) Mikrostruktur des hochreinen Glases stört die Lichtwelle und bestimmt so die physikalisch mögliche Untergrenze der Dämpfung. Die Dämpfung selbst wird durch verschiedene Faktoren wie Entfernung und Wellenlänge, Absorptions-, Streuungs- und Strahlungsverluste sowie Verbindungselemente und Spleiße hervorgerufen.

Eine schnelle und vor allem sichere Datenübertragung

Lichtwellenleiter bestehen aus einem Kern und einem Mantel, die fest miteinander verbunden sind und sich (je nach Typ) nur durch den Brechungsindex unterscheiden. Der Durchmesser eines Glasfaserkerns kann mit gerade einmal 9 µm zehnmal kleiner sein als der eines menschlichen Haares. Dennoch ist dieses Medium den wesentlich dickeren und auch teureren Kupferkabeln in vieler Hinsicht überlegen. Denn Übertragungsraten von 10 Gigabit pro Sekunde sind mit Lichtwellenleitern ein Kinderspiel, und Entfernungen von bis zu 40 km lassen sich mit ihnen problemlos überbrücken. Zudem wird Licht nicht durch elektrische oder magnetische Störungen beeinflusst. Deshalb können Lichtwellenleiter auch in unmittelbarer Nähe von Energieleitungen oder anderen elektromagnetischen Quellen verlegt werden, was die Kabelführung vereinfacht.

Da alle Arten von Lichtwellenleitern aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen, werden die Daten stets über einen elektrischen Isolator übertagen. Somit treten über Datenleitungen auch keine Potenzialausgleichsströme auf, die gerade bei ausgedehnten Anlagen gefürchtet sind. Selbst bei Blitzeinschlägen besteht kein Zerstörungsrisiko für die angeschlossenen Geräte. Außerdem ist bei Lichtwellenleitern (anders als bei Kupferkabeln) keine Erdung bzw. zusätzliche Abschirmung erforderlich. Auch in punkto Torsion sind Lichtwellenleiter deutlich widerstandsfähiger und damit langlebiger.

Hinsichtlich des Einsatzes in rauer und nasser Umgebung sowie bei großen Temperaturschwankungen unterscheiden sie sich dagegen nicht von Kupferkabeln. Denn die mechanischen Eigenschaften werden durch den Aufbau des Kabels bestimmt und nicht durch die im Innern verlaufenden Glasfasern oder Kupferadern.

Auch hinsichtlich des Preises besteht zwischen Kupferkabeln und Lichtwellenleitern kein nennenswerter Unterschied. Allerdings ist 1 kg dieses Mediums so leistungsfähig wie 1000 kg Kupfer. Schließlich spricht auch die Rohstoffbilanz eine deutliche Sprache. Denn Kupfer ist eigentlich zu schade, um es in Form von Kabeln zu verlegen. Glasfasern bestehen dagegen aus Silikat, das in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung steht. Dies gilt ebenso für die Ausgangsmaterialien von Lichtwellenleitern, die aus Kunststoff hergestellt werden.

POF- und HCS-Fasern sind eine praktische Alternative

Gegen den Einsatz von Lichtwellenleitern wird oft eingewendet, dass diese nicht ganz einfach anzuschließen seien. Das ist mit Blick auf Multimode- und Singlemodefasern sicher richtig, auch wenn die Anschlusstechniken immer komfortabler werden. Da sich Produktionsanlagen jedoch häufig nur über mehrere 100 m erstrecken, können dort auch POF- oder HCS-Fasern eingesetzt werden. POF (Polymere Optical Fiber) ist eine reine Kunststofffaser mit einem Kerndurchmesser von 980 µm, die sich ohne Spezialwerkzeug anschließen lässt (ein scharfes Messer und feinkörniges Schleifpapier reichen aus). HCS (Hard Clad Silica) ist eine Hybridfaser, die aus einem Glaskern von 200 µm und einem Mantelglas mit einem Durchmesser von 230 µm besteht. Der Unterschied zu traditionellen Lichtwellenleitern liegt in dem Material des optischen Mantels, der aus einem wenige µm dünnen, äußerst harten Kunststoff besteht. Bei der Konfektionierung muss lediglich das am Stecker überstehende Faserende abgeschnitten werden, was mit einem sogenannten Cleave Tool problemlos funktioniert.

Die unterschiedlichen Lichtwellenleiter können mit ST-, SC- oder E-2000-Steckern angeschlossen werden. Für Single- und Multimode gibt es zudem SC-Stecker, die die BiDi-Technik (bidirektionelle Kommunikation) unterstützen, mit der über lediglich eine Faser in zwei Richtungen kommuniziert werden kann. Ethernet-Switches und Ethernet-Medienkonverter, die für diese Anschlusstechniken ausgelegt sind, werden von verschiedenen Herstellern angeboten.

Für die Übertragung der Daten stellen diese Netzwerkkomponenten ein Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) zur Verfügung, mit dem die je nach Lichtwellenleiterstrecke erforderliche Dämpfung überbrückt werden kann. Diese nimmt jedoch im Laufe der Zeit oft schleichend zu, etwa durch lockere Verbindungselemente, Staub und Schmutz, Lichteinfall, mechanische Beanspruchung oder Veränderungen der Netzwerktopologie. Das ließ sich bisher nur durch aufwändige Messungen (etwa mittels optischer Reflektometrie, OTDR) herausfinden. Moderne Netzwerkmanagement- und SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) können zwar den Status der aktiven Komponenten anzeigen, jedoch nicht den Zustand der einzelnen Lichtwellenleiterstrecken.

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