Glasfasertechnologie – Störungsfreie Datennetze auch in schwierigem Terrain

Neue Operationstechnologien der Mediziner, der Ausbau vollautomatisierter Produktionsstraßen, komplexe Testmethoden in der Elektronik-Fertigung oder taktische Operationen des Militärs erfordern die zuverlässige Übertragung großer Datenmengen auch im rauen Terrain. Dabei waren Glasfaserkabel mit optischen Steckern bisher hauptsächlich in der Telekommunikation gefragt: in kleinen und mittleren Büroumgebungen bis hin zu riesigen Rechenzentren. Zum Zuge kamen dabei meist standardisierte Schnittstellen wie LC-, SC oder FC-Steckverbinder. Mit dem 5G-Ausbau und neuer Automatisierungsformate übers IoT (Internet of Things) zeigt sich nun ein Trend zu rasant steigenden Datenmengen auch außerhalb der Rechenzentren.

Die Anforderungen rauer Umgebungen

Neben der störungsfreien Übertragung in Echtzeit ist vor allem höchste Zuverlässigkeit auch in rauen Umgebungen und bei starken Schwankungen der Temperatur gefragt. Hinzu kommen Forderungen nach Dichtigkeit und leichter Reinigung, vielen möglichen Steckzyklen, optimaler Funktion auch über größere Distanzen und eine modulare Kombinierbarkeit mit anderen Medien. Nicht zuletzt soll die störungsfreie Übertragung auch im Umfeld magnetischer Felder möglich sein. Diese Anforderungen stellen die Entwickler neuer Anwendungen in Medizintechnik, Mess- und Prüftechnik sowie Industrie und Militär und fordern damit auch die Hersteller von Steckverbindern heraus.

Ein Anbieter solcher Steckverbinderlösungen ist ODU aus dem bayerischen Mühldorf – 1942 gegründet durch Otto Dunkel – der nun seine 80-jährige Erfahrung in die Entwicklung neuer Fiber-Optic-Systemlösungen eingebracht hat. Die Entscheidung für die Neuentwicklung fußte in einer wachsenden Zahl Kundenanfragen zu neuen Glasfaserlösungen für den rauen Einsatz. Ein Blick in die Praxis der unterschiedlichen Märkte machte schnell die komplexen Anforderungen deutlich, denen sich die Steckverbinder-Entwickler gegenüber sahen.

In der Industrie etwa sind neben hohen Datenraten auch robuste Werkstoffe gefragt, die sowohl Ölkontakt und als auch größere Temperaturunterschiede verkraften. Ein Beispiel sind große Teststationen, bei denen verschiedene Signale, Strom, Spannung, Daten und Messpunkte eines Produkts in einem Vorgang auf einmal abgeprüft werden sollen. Dies ist etwa bei Platinentests in der Elektronikfertigung gefragt. Dazu kommen sensible Verbindungspunkte vollautomatisierter Industrieanlagen mit integrierter Datenverarbeitung in den Bereichen Montage, Abfüllung und Verpackung. Auch Anzeigetafeln auf Bahnhöfen und Sensorik-Anbindungen in Windkraftanlagen haben die Ingenieure als mögliche Einsatzbereiche definiert.

Glasfasertechnologie: Der lange Arm der Mediziner

Ein entscheidender Baustein ist die neue Glasfasertechnologie auch für die Weiterentwicklung der Medizintechnik: Beispielsweise helfen heute computerunterstützte Robotersysteme bei Operationen, wobei die Mediziner den Eingriff am Patienten mitunter über Kontinente hinweg verteilt durchführen. Der dabei notwendige Datenaustausch erfordert höchste Übertragungsraten bei minimaler Latenz – ohne Glasfaser-Verbindungen nicht denkbar. Zudem wird damit Zuverlässigkeit buchstäblich lebensentscheiend.

Große Datenmengen fallen auch bei der Endoskopie mit abgesetzten Kameraköpfen an, die hochauflösende Bilder in 8K-Qualität liefern.

Fiber Optic bietet zudem im Unterschied zu herkömmlichen Kabeln erhebliche Einsparungen beim Gewicht und besticht durch nichtmagnetische Eigenschaften. Dies ist gerade beim kombinierten Einsatz in der Magnetresonanztomographie (MRT) ein entscheidender Pluspunkt. Zudem fordern die Mediziner nicht zuletzt der Hygiene geschuldet hohe Steckzyklenzahlen, leichte Reinigung und hohe Temperaturbeständigkeit.

Glasfasertechnologie: Zuverlässig auf die lange Distanz

Nicht minder lebensentscheidend wirken können sehr robuste und reinigungsfreundliche Steckverbinder auf Basis der Glasfasertechnologie in Anwendungen im Militär und dem Sicherheitssektor. Hier werden etwa Verteilstationen im Feld mit einem ‚tactical interface‘ bestückt, das an ein mehrere Kilometer langes Kabelnetz angeschlossen wird. Über Kupferkabel sind Datenraten mit 10 GBit/s dabei lediglich bis zu 100 Metern störungsfrei realisierbar. Mit Fiber Optic hingegen lassen sich Distanzen bis zu 40 Kilometern mit dieser Performanz überbrücken.

Direktkontakt oder Linsen

Die genannten Anforderungen verdeutlichen, dass in Zukunft neben günstigen Standardlösungen vor allem robuste, komplexe Fiber-Optic-Systemlösungen auf einem wachsenden, datengetriebenen Markt erfolgreich sein werden. Zentrale Bedeutung kommt der störungsfreien Übertragung des Lichts im Glasfaser-Steckverbinder zu. Was zunächst einfach klingt ist ein komplexes Unterfangen, weshalb sich die ODU-Entwickler zwei unterschiedlichen Technologien für die Lichtübertragung widmen. Die beiden Technologien decken unterschiedliche Ansprüche sowie Einsatzbereiche ab und ergänzen sich damit.

Die sogenannte Physical-Contact-Technologie stellt den Kontakt der Faserenden direkt her. Deren Stirnflächen, die innerhalb von Ferrulen sitzen, müssen dazu genau zentrisch aufeinander treffen. Der geringe Durchmesser der Glasfaserkerne – bei Singlemode etwa 9 Mikrometer, bei Multimode 50 Mikrometer – führen dazu, dass bei diesem Ansatz bereits ein kleines Staubpartikel reicht, um das Übertragungssystem empfindlich zu stören. Deshalb muss der Steckverbinder vor jedem Stecken akribisch gereinigt werden. Ein Vorteil dieser Lösung ist hingegen eine besonders niedrige Einfügedämpfung. Zudem ist die Technologie für Standardanforderungen ausgelegt und erreicht in diesen bis zu 1.000 Steckzyklen.

Für raue Umgebungen bietet sich die Expanded-Beam-Technologie an, die nicht direkt kontaktiert. Bei ihr wird das Lichtsignal durch eine Strahlaufweitung innerhalb des Stecksystems von einem Kontakt zum anderen übertragen, was die Übertragung robuster macht. Die Aufweitung erledigen spezielle Linsen, was den Übertragungsbereich des Lichts deutlich vergrößert und somit weniger störungsanfällig macht. Die akribische Reinigung entfällt damit und muss – abhängig von der Umgebung – erst nach etwa 20.000 Steckzyklen durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil: Diese Lösung ermöglicht insgesamt eine sehr hohe Zahl von rund 100.000 Steckzyklen, da es das Zerkratzen der Glasfaser-Endflächen wirksam verhindert.

Glasfasertechnologie – Glas oder Kunststoff

Dass Optiken heute nicht mehr unbedingt in Glas ausgeführt sein müssen, zeigt eine Alltagsanwendung anschaulich: Die Brille, die heute meist mit ‚Kunststoff-Gläsern‘ bestellt wird. Analog besteht bei der Faser-Übertragungen die Möglichkeit, Kunststoff- statt Glasfasern zu nutzen. Polymer Optical Fiber (POF) ist kosteneffizient und wurde ursprünglich für die Fahrzeugtechnik entwickelt. Daher erreicht diese Technologie eine in diesem Bereich wichtige, hohe Biegezugfestigkeit. Jedoch ist sie lediglich für kurze Datenleitungen und eine begrenzte Performance mit etwas höheren Dämpfungswerten in der Übertragung geeignet. Damit spielen POF-Lösungen ihre Vorteile in einfachen Anwendungen bei kurzen Übertragungsstrecken wie der Lichtfarbendetektion aus.

Fiber-Optic-Systemlösungen

Entwickelt wurden Fiber-Only- und Hybridverbindungslösungen für Rund- und modulare Steckverbinderserien. Hybride Lösungen kombinieren die verschiedenen Fiber-Optic-Kontaktsysteme mit anderen Übertragungsarten wie zum Beispiel elektrische Signale, Luft, Fluide oder Koax. Diese unterschiedlichen Übertragungstechnologien und die genannten Einsatzbreite der Fiber-Optic-Technologie machen deutlich, dass neue Verbindungslösungen den Ansprüchen der unterschiedlichen Märkte – Medizin, Mess- und Prüftechnik sowie Militär – gerecht werden müssen. Daher werden die Technologien als fertig konfektionierte Fiber-Optic-Systemlösungen passend zur jeweiligen Anwendung konzipiert, um alle Anforderungen abgesichert erfüllen zu können. Auf diese Weise gewährleisten sie eine stets fehlerfreie Verbindung.

Der Autor Rudolf Weidenspointner ist Produktmanager für Kabelkonfektionierung sowie Technologien bei ODU. Er ist verantwortlich für die Neuproduktentwicklung von Systemlösungen.

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