Glasfaser in rauen Umgebungen

Das Wachstum der Datenübertragung nimmt aufgrund der verstärkten Nutzung von Bild- und Videodaten, des zunehmenden Einsatzes von KI-Anwendungen und Cloud-Diensten sowie der fortschreitenden Digitalisierung allgemein weiter rasant Fahrt auf. Eine maßgebliche Kennzahl für die Entwicklung des internationalen Datenaustausches liefert die jährliche Statistik des deutschen Internetknotens DE-CIX mit seinen weltweit verteilten Datenaustauschpunkten. Dieser verzeichnete 2024 einen globalen Datenverkehr von 68 Exabyte, das ist ein Zuwachs von 15 Prozent gegenüber 2023 (59 Exabyte). Beim Tagesrekord gab es einen Anstieg von 22,36 auf 24,92 Terabit pro Sekunde, ein Plus von 11,4 Prozent.

Dieses enorme Wachstum ist nur möglich durch die zunehmende Nutzung von Glasfaser-Verbindungen, die hohe Bandbreiten bei niedriger Latenz zur Verfügung stellen. Fortschritte bei Übertragungsstandards und Steckverbindern ermöglichen zudem eine effizientere Nutzung der einzelnen Fasern sowie eine einfachere Bündelung bei begrenztem Platzbedarf.

Glasfaser-Empfindlichkeiten

Kollimationslinse zur Verbreiterung des Lichtstrahls und Reduzierung von Partikeleffekten. © Rosenberger

In Rechenzentren ist Glasfaser bereits Standard, und auch die Erschließung von Haushalten und Unternehmensstandorten wird zunehmend von Kupfer auf Lichtwellenleiter (LWL) umgestellt. Es gibt jedoch nach wie vor Bereiche, in denen sich die leichte und schnelle Verbindungstechnik noch nicht etablieren konnte, denn sie gilt in manchen Situationen als schwer zu handhaben: So ist der Übergang von einer Faser zur nächsten empfindlich gegenüber Verschmutzungen und Feuchtigkeit. Ebenso können mechanische Belastungen und Vibrationen die Datenübertragung beeinträchtigen oder sogar unterbrechen. Auch hohe Temperaturen und häufige Steckzyklen galten bislang als Argumente gegen den Einsatz von Lichtwellenleitern. Daher setzen Anwender in rauen Umgebungen häufig auf die etablierte Kupferverkabelung.

Das Prinzip der Strahlaufweitung

Traditionell erfolgt die Signalübertragung von einer Glasfaser zur nächsten mittels physischem Kontakt (Physical Contact, PC). Die beiden Fasern müssen dabei genau ausgerichtet sein, das heißt mittig und in einer gemeinsamen Achse. Zudem muss die Kontaktfläche extrem sauber sein, denn Staub und Schmutz würden die Signalübertragung stark beeinträchtigen. Zudem besteht die Gefahr, dass die Glasfaser-Enden verkratzen, was die optischen Eigenschaften beeinträchtigen würde. Solche Verbindungen sind außerdem empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen und Vibrationen.

EBO-Technologie für zuverlässige Mehrfaser-Performance. © Rosenberger

Mittels Strahlaufweitung (Expanded Beam) konnten Verbindungen geschaffen werden, die weniger empfindlich auf Verschmutzung reagieren. Taillierte Kugellinsen am Ende der Glasfasern weiten den gebündelten Lichtstrahl auf eine größere Fläche auf und fokussieren ihn auf der anderen Seite wieder. Statt eines direkten Kontaktes der Glasfasern wird das Licht über eine Freifeldzone zwischen den Linsen übertragen. Dies erfolgt allerdings immer noch parallel zur Ausrichtung der Glasfaser, so dass nach wie vor die Gefahr besteht, dass das Signal geschwächt wird, wenn die Zentrierung oder der Ausrichtwinkel nicht exakt eingehalten werden.

Das EBO-Steckkonzept (Expanded Beam Optical, eine von 3M entwickelte und patentierte Technologie) bietet einen entscheidenden Fortschritt. Die Expanded Beam-Verbindung weitet beim Übergang von einer Faser auf die andere den Lichtstrahl ebenfalls auf und fokussiert ihn dann wieder – jedoch nicht in der Achse der Glasfaser, sondern über Linsen mit einem elliptischen Schliff, die wie ein Kollimations-Umlenkspiegel wirken und dadurch den Toleranzbereich vergrößern. So werden die Lichtstrahlen immer korrekt ausgerichtet, auch wenn die Glasfasern aufgrund von Vibrationen oder mechanischen Belastungen nicht immer exakt ausgerichtet sind. Zugleich wird die Störung durch Partikel minimiert, da Pollen oder eingedrungener Schmutz nur einen kleinen Teil der vergrößerten Lichtfläche blockieren. Der Lichtstrahl wird so nicht mehr vollständig oder weitgehend blockiert, sondern lediglich geringfügig abgeschwächt. Damit bleibt die Fähigkeit zur Datenübertragung vollständig erhalten.

Der nächste Entwicklungsschritt sind robuste Steckverbindersysteme der EBM-Serie (Expaned Beam Multifiber). Die nach gängigen Industrienormen entwickelten Steckverbinder ‚S-RMC‘ sowie ‚MIL13‘ sind eine ‚Ruggedized‘-Steckverbinder-Eigenentwicklung von Rosenberger Hochfrequenztechnik. Sie vereinen die robuste Signalübertragung EBO mit unempfindlichen und stabilen Gehäusen. Im Inneren befinden sich Ferrulen, die je nach Bedarf zwischen zwei und 16 Singlemode- oder Multimode-Fasern aufnehmen können.

Herausforderung Produzierende Industrie

In der Produktion sind Netzwerkkomponenten unterschiedlichen Herausforderungen ausgesetzt, beispielsweise extremen oder stark schwankenden Temperaturen, Staub und Schmutz, Flüssigkeiten und Chemikalien, dazu Vibrationen und mechanischen Belastungen. Zugleich gibt es hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit.

Das Plug-and-Play-Design der EBM-Steckverbinder in kompakten Formfaktoren (S-RMC, MIL13) vereinfacht die Installation und minimiert die Wartung. Beengten Verhältnissen im Schaltschrank und auf Schalttafeln trägt die Konzeption mit zwei bis 16 Single- oder Multimode-Fasern in einem einzigen Stecker Rechnung.

Harry Jacob ist freier Journalist aus Augsburg. © privat

Eine weitere Herausforderung ist der steigende Bandbreitenhunger in Fabriken. Die zunehmende Digitalisierung bedeutet, dass mehr Sensoren und Aktoren angebunden werden müssen, und auch der Einsatz von Bild- und Video-Aufnahmen im Produktionsprozess steigt rapide an. Das heißt, es müssen zunehmend größere Datenmengen, teils in Echtzeit, übertragen und verarbeitet werden. Damit einher geht eine wachsende Automatisierung bis hin zu (teil-)autonomen Systemen, die wiederum zusätzliche Anstrengungen zur Wahrung von Safety und Security nach sich ziehen. Die daraus resultierenden Datenmengen lassen sich am besten mit LWL übertragen, die zudem einen Vorteil bei der Minimierung der Latenzzeiten bieten.