Definition Was ist ein Lichtwellenleiter und ein Lichtleitersensor?

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Lichtwellenleiter haben aufgrund ihrer hohen Übertragungsgeschwindigkeiten und Bandbreiten die Datenverarbeitung revolutioniert. Was genau sind Lichtwellenleiter und wie sind sie aufgebaut? Welche Vorteile bieten z. B. Lichtleitersensoren für die Industriepraxis?

Ein Lichtwellenleiter (LWL) überträgt optische Signale in Form von Licht, wodurch eine schnelle und verlustarme Signal- und Datenübertragung selbst über große Entfernungen möglich wird. LWL unterscheiden sich generell durch die verwendeten Fasern für die Übertragung von Licht. Glasfaserlichtleiter bestehen aus einem Bündel an ultradünnen Glasfasern aus Quarzglas und Kunststofffaser-LWL (engl. Fiber Optics, auch als polymeric optical fiber (POF) bezeichnet) aus extrem dünnen Kunststofffasern aus hochtransparenten Polymeren als Kern. Der Durchmesser von Kunststofffasern ist im Vergleich zu Glasfasern in der Regel wesentlich kleiner.

Wie setzt sich ein LWL zusammen und wie funktioniert die Datenübertragung?

Der typische Querschnitt eines LWL besteht aus fünf Schichten: dem Faserkern oder Kernglas (Core), dem Mantelglas (Cladding), einer Beschichtung des Mantels (Coating), einer Kunststoffummantelung (Buffer) und der äußeren Hülle des Kabels (Jacket).

LWL leiten Licht durch den Kern des Lichtleiters, wobei das Mantelglas den Lichtstrahl nach dem Prinzip der Totalreflexion immer wieder reflektiert. Hierdurch wird das Licht nahezu verlustfrei durch das gesamte Glas- oder Kunstofffaserkabel und somit auch durch sämtliche Biegungen des Kabels bis zum Ende der Fasern geleitet.

Wie werden LWL / Glasfaser-LWL hergestellt?

Die Herstellung von LWL erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst wird aus Quarzglas ein Glasstab (Preform) hergestellt, der dann in einem Ziehverfahren zu dünnen Fasern gezogen wird. Wie bereits oben beschrieben, bestehen die Fasern aus einem Kern und einem Mantel. Der Kern leitet das Licht, während der Mantel die Reflexion des Lichts am Übergang zwischen Kern und Mantel ermöglicht. Abschließend werden die Fasern zu Kabeln gebündelt und mit Schutzschichten versehen. Obwohl die Fertigung je nach Anwendung und den Anforderungen an eine Glasfaser variieren, folgt die Herstellung von Glasfaser-LWL im Wesentlichen diesem Prozess.

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Welche Vorteile bieten LWL?

LWL werden bevorzugt in der Telekommunikation eingesetzt, weil sie im Vergleich zu Kupferleitungen, die elektrische Signale übertragen, Lichtimpulse zur Informationsübertragung nutzen und über eine sehr geringe Dämpfung verfügen. LWL können somit Daten mit deutlich höheren Geschwindigkeiten übertragen und haben eine hundertmal höhere Bandbreite als herkömmliche elektrische Systeme mit Kupferleitungen. Da die Datenübertragung sprichwörtlich in Lichtgeschwindigkeit stattfindet, sind LWL bevorzugte Lösungen, wenn ein gleichermaßen schneller wie zuverlässiger Daten- sowie Signaltransfer erforderlich ist.

Die maximale Übertragungsgeschwindigkeit von LWL ist immer abhängig von der Art des verlegten Kabels und der Länge des Kabels. Je nach Kabel und Anschlusstechnik erreichen z. B. Glasfaser-LWL Übertragungsraten von 1 Gigabit/s bis 10 Gigabit/s. Bei optimalen Bedingungen können derzeit bis zu 100 Gigabit/s erreicht werden.

Die Vorteile von LWL im Vergleich zu Kupferkabeln:

• Hohe Übertragungsraten und große Bandbreiten

• Geringe Signaldämpfung und somit Datenübertragung über relativ große Distanzen ohne Verstärkung

• Keine Erzeugung elektromagnetischer Störstrahlung

• Unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen im Vergleich zu Kupferkabeln und somit eine höhere Zuverlässigkeit und Langlebigkeit

• Einsatz in explosionsgefährdeten Zonen und Bereichen ohne besondere Vorkehrungen möglich

• Geringe Störanfälligkeit, da unempfindlich gegenüber magnetischen Feldern (z. B. Hochspannungsanlagen oder Schweißanlagen)

• Verwendung unterschiedlicher Lichtwellenlängen als Trägerwellen innerhalb einer Faser möglich

• Kosten- und Platzersparnis, weil LWL im Vergleich zu Kupferkabeln wesentlich dünner sind und durch ihre lange Haltbarkeit einen geringeren Wartungsaufwand verursachen

Insgesamt bieten LWL somit eine sehr effiziente, zuverlässige Alternative zu Kupferkabeln für die Datenübertragung über große Distanzen. Aber LWL können auch einige Nachteile mit sich bringen.

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Nachteile von LWL im Vergleich zu Kupferkabeln:

• Anfällig gegenüber Beschädigungen. Vor allem Glasfaser-LWL können bei extremer Beanspruchung (abknicken, quetschen) leicht brechen

• Einhaltung genauer Biegeradien z. B. in bewegten oder statischen Anwendungen, wobei bei Kunststoff-LWL die Biegeradien zumeist kleiner sein können als bei Glasfaser-LWL

• Höhere Anschaffungskosten: Obwohl die Preise für LWL in den letzten Jahren gesunken sind, sind sie zumeist in der Anschaffung immer noch teurer als Kupferkabel

• Begrenzte Reichweite bei extrem großen Entfernungen. Um das Signal zu verstärken, sind im Gegensatz zu Kupferkabel bei LWL Repeater notwendig

• Empfindlich gegenüber Schmutz und Staub z. B. am Lichtaustritt, wodurch die Leistung von LWL beeinträchtigt werden kann

• Aufwändigere Montage und Installation gegenüber Kupferkabel, da LWL sehr empfindlich sind

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Was bedeutet Singlemode und Multimode bei Glasfaser-LWL?

Singlemode-Fasern (auch Monomode-Fasern) haben im Gegensatz zu Multimode-Fasern einen sehr kleinen Durchmesser des Faserkerns. Im größeren Faserkern von Multimode-Kabeln kann sich das Licht somit anders ausbreiten als in einer Singlemode-Faser.

Bei sogenannten Moden handelt es sich um verschiedene Ausbreitungsarten des Lichtes innerhalb einer Glasfaser. Multimode-Fasern unterstützen demnach viele Ausbreitungsarten, eine Monomode-Faser indes nur eine einzige.

Ohne näher auf die weiteren technischen Merkmale von Single- und Multimode-Fasern eingehen zu wollen, führt die entsprechende Auslegung eines LWL zu spezifischen Vor- aber auch Nachteilen.

Vorteile von Singlemode-Fasern:

• geringe Signaldämpfung

• große Distanzen überbrückbar

• hohe Bandbreiten

Nachteile von Singlemode-Fasern:

• teure Laser zur Lichteinspeisung erforderlich

• höherer Aufwand bei der Herstellung der Glasfasern durch den sehr kleinen Faserkern

• hohe Präzision beim Verbinden der Glasfasern durch Stecker oder Spleißen notwendig

Vorteile von Multimode-Fasern:

• geringerer Aufwand in der Herstellung

• einfachere Verbindungstechnik durch den größeren Kerndurchmesser

Nachteile von Multimode-Fasern:

• größere Signaldämpfung

• geringere maximale Bandbreiten

• nur kürzere Distanzen überbrückbar

• bei größeren Distanzen Verstärker oder Signalaufbereiter erforderlich

Aufgrund der entscheidenden Nachteile (größere Dämpfung, geringere Bandbreiten und nur auf kurze Distanzen einsetzbar) gilt die Multimode-Technologie gegenüber Singlemode-Fasern heutzutage im Allgemeinen als veraltet.

Wo werden LWL eingesetzt?

Die Einsatzbereiche von LWL sind sehr breitgefächert. Die häufigsten Anwendungsbereiche gibt es wohl in der Netzwerktechnik, IT und Telekommunikation zur schnellen Datenübertragung. Darüber hinaus sind LWL u.a. aufgrund ihrer geringen Dämpfung bevorzugte Lösungen in der Lasertechnik, Optik sowie Luft- und Raumfahrt. In der Medizintechnik werden LWL z. B. für den Transport von Laserstrahlung und im Bereich der Endoskopie für die Bildübertragung eingesetzt. In der Messtechnik finden sich LWL, konkreter faseroptische Sensoren, u. a. in Spektrometern und anderen optischen Messgeräten. In der Automatisierung wiederum dienen LWL generell zur schnellen Übertragung sowohl von Daten als auch Signalen, etwa in der Robotik für Pick-and-Place- oder Bin-Picking-Lösungen mit ultraschnellen Bildverarbeitungssystemen.

Was sind Lichtleitersensoren?

Im Bereich der industriellen Sensorik werden die besonderen Eigenschaften von LWL u.a. in sogenannten Lichtleitersensoren genutzt. Die Aufgabe solcher Sensoren besteht allerdings primär nicht darin, Daten zu übertragen, sondern Lichtsignale. Hierbei arbeiten die Systeme beispielsweise als Positionsschalter berührungslos und somit absolut verschleißfrei.

Wie werden Lichtleitersensoren eingeteilt?

Wie andere optischen Sensoren, lassen sich Lichtleitersensoren in Einweglichtschranken und Taster einteilen. Einweglichtschranken bestehen aus einem Sender und einem Empfänger, wobei die Unterbrechung des Lichtstrahls durch ein Objekt ausgewertet wird. Bei Tastern wird indes das von einem Objekt reflektierte Licht zur Detektion herangezogen.

Die Glasfaser- und Kunststoff-LWL werden hierzu mit speziellen Lichtleiterenden bzw. Lichtleiterköpfen, auch Frontends genannt, ausgestattet, um für alle erdenklichen Anwendungen einen optimalen Lichtaustritt zu erhalten. So gibt es z. B. Lichtleiterköpfe mit axialem oder radialem Lichtaustritt, und u.a. auch spezielle Lichtleiterenden, mit denen der Lichtaustritt um 90 Grad umgelenkt werden kann.

Frontends von Glasfaser- und Kunststoff-LWL, die als Taster eingesetzt werden, haben einen speziellen Aufbau. So verfügen Frontends von Lichtleitertastern mit Kunststofffasern über zwei Fasern (Monoblock), wobei eine Faser als Sender und die andere als Empfänger fungiert. Kunststoff-Lichttaster können am Frontend aber auch zwei Faserbündel mit koaxialem Aufbau haben. Auch hier dient ein Bündel als Sender und eines als Empfänger.

Glasfaser-LWL setzten sich als Taster hingegen aus einem einzigen Faserbündel zusammen, das in Sender- und Empfängerfasern aufgeteilt ist.

LWL

Lichtwellenleiter richtig anschließen

Welche Vorteile haben Lichtleitersensoren?

Da die Lichtleiterenden besonders kleine Abmessungen haben und die LWL selbst flexibel sind, lassen sich Objektabfragen mit Lichtleitersensoren insbesondere an sehr schwer zugänglichen Stellen sehr einfach lösen. Die Auswertung der Lichtsignale erfolgt in der Regel außerhalb der eigentlichen Abfragestelle an einem Ort mit ausreichend Einbauraum für einen Verstärker. Die Detektion ist hierbei, wie bereits betont, berührungslos und somit verschleißfrei.

Für Glasfaser-LWL wird in der Regel Infrarot-Licht genutzt, während bei Kunststoff-LWL je nach Anwendung auch unterschiedliche Lichtfarben (z. B. sichtbares Rotlicht, grünes oder blaues Licht) einsetzbar sind. Infrarot-Licht hat sehr gute Durchdringungseigenschaften, wodurch eine im Vergleich zu Kunststoff-LWL höhere Verschmutzungskompensation ermöglicht wird. Glasfaser-LWL sind außerdem beständig gegenüber vielen Chemikalien und können je nach Ausführung hohen Umgebungstemperaturen weit über 100 °C widerstehen, Sonderausführungen sogar mehr als 250 °C, wodurch sie auch vergleichsweise rauen Einsatzbedingungen standhalten.

Anbieter von LWL und Lichtleitersensoren

• Aemtec

• Best 4 Automation

• EKS Engel

• Delock

• Helukabel

• ipf electronic

• Keyence

• Mentor

• Netcare

• Panasonic

• Rexel

• Seco

• Sensopart

• Sentronic

• Sick

• Waycon

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen:
Glasfaserkabel.de, Wikipedia, IP Insider, Optral, Wissen.de, Graef Gruppe, Delock, FS, Elektronica, Glasfaserinfo.de, PCC Gruppe, InLine, NetCare, KS Networks

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