Welche neuen Möglichkeiten die optische Datenübertragung bietet

Auch Mobilfunk-Provider müssen immer leistungsfähigere Dienste für Internet und Telefonie in einem schnell wachsenden, aber auch hart umkämpften Markt bereitstellen. Im Zeitalter von Industrie 4.0, dem Industrial Internet of Things (IIoT) und nicht zuletzt dem notwendigen technologischen Fortschritt für den Auf- und Ausbau einer 5G-Infrastruktur sind diese Anforderungen aktueller denn je.

Was ist optische Datenübertragung?

Die High-End-Systemplattform stellt einen Netzwerkknoten (Hub) dar, welcher die verschiedenen Signale eines DWDM-Netzwerks aufnimmt und verteilt. Heitec

Seit cirka 30 Jahren hält die optische Datenübertragung nicht nur im Kommunikationssektor Einzug. Während diese Technologie anfangs überwiegend auf globaler Ebene zur Vernetzung von Kontinenten (Seekabel) eingesetzt wurde, macht sie mittlerweile auch vor urbanen Gebieten wie Haushalten und deren direkter Anbindung an das Glasfasernetz nicht halt.

Das Basis-Prinzip für eine optische Datenübertragung hat sich seit der ersten Patentierung in den 60er Jahren nicht geändert und besteht im Grunde aus drei Einheiten: einem Sender, einer Übertragungseinheit und einem Empfänger beziehungsweise Verstärker. Vereinfacht gesagt werden dabei die digitalen Informationen in ein moduliertes Lichtsignal umgewandelt und mittels eines Lichtwellenleiters zum Empfänger übertragen, welcher die empfangenen Lichtimpulse wieder in digitale Informationen zurückkonvertiert.

Als Sender werden bei Entfernungen von wenigen hundert Metern und geringeren Datenraten überwiegend LEDs eingesetzt, stoßen jedoch hinsichtlich der entstehenden Dispersion schnell an Ihre Grenzen. Die Dispersion sorgt dafür, dass ein in eine Glasfaser eingespeister Impuls über seinen Weg der Ausbreitung zeitlich immer breiter wird. Dies kann zu Überlappungen mit nachfolgenden Impulsen führen und Übertragungsfehler verursachen.

Für größere Übertragungsstrecken und vor allem bei hohen Bandbreiten (>1 Gb/s), damit einhergehend sehr hohen Schaltfrequenzen und der bauartbedingten Trägheit herkömmlicher LEDs kommen dann Laser-Dioden zum Einsatz. Laserdioden erzeugen Impulse von wenigen Nanometern Breite und minimieren die Auswirkungen des genannten Effekts bei hohen Bandbreiten. Der Kern eines Lichtwellenleiters kann aus drei verschiedenen Grundstoffen, nämlich Glas, Quarz und Kunststoff bestehen. Dieser Kern ist von einem Mantel umgeben, welcher sich im Brechungsindex vom Kernmaterial unterscheidet. Dadurch wird sichergestellt, dass das Licht im Leiter reflektiert wird und sich längs der Glasfaser nahezu ideal ausbreiten kann.

Lichtwellenleiter-Kabel können sowohl als Multimode- oder Singlemode-Faser ausgeführt sein. Diese unterscheiden sich deutlich in ihrem Kerndurchmesser und sind charakterisiert durch ihre jeweilige Fähigkeit, mehrere oder nur ein Grundmode des eingespeisten Lichts zu „leiten“ – im Kern einer Singlemode-Faser kann sich das Licht fast ausschließlich längs der Achse fortbewegen und wird nahezu nicht reflektiert.

In der Multimode-Faser (mit dickerem Kern) wird der Lichtstrahl häufiger reflektiert. Wird nun dazu nicht-kohärentes Licht über eine LED eingespeist, werden die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen auch unterschiedlich gebrochen und breiten sich verschieden schnell aus. Dies hat zur Folge, dass die Qualität des Lichtsignals mit der Entfernung abnimmt. Aus diesem Grund kommen Singlemode-Fasern bei großen und Multimode-Fasern bei kürzeren Entfernungen zum Einsatz. Als Empfänger werden Foto-Dioden verwendet. Diese wandeln die Lichtimpulse wieder in digitale Signale um.

Auf der nächsten Seite werden die Vor- und Nachteile der optischen Datenübertragung näher beleuchtet

Die optische Datenübertragung bietet viele Vorteile – nicht zuletzt deswegen hat sie sich erfolgreich in vielen Märkten etabliert. Bedingt durch die Datenübermittlung mittels Lichtimpulsen garantiert diese Art der Datenübertragung eine vollständige galvanische Trennung zwischen Sender und Empfänger. Dies hatte sich vor vielen Jahren bereits die Audio- und Hi-Fi-Industrie zunutze gemacht, um Störgeräusche – teils hervorgerufen durch Masseschleifen – zu eliminieren.

Optische Übertragungsstrecken sind immun gegen magnetische Felder, EMV-Störungen und fungieren auch selbst nicht als Störer – auch mögliche Störeffekte wie Übersprechen entfallen. Dadurch können Lichtwellenleiter direkt bei Versorgungsleitungen verlegt werden. Sie eignen sich damit hervorragend zum Einsatz in der Hochspannungstechnik wie in Umspannwerken zur Ansteuerung von Schaltern oder auch in der Medizintechnik beispielsweise zur Netzwerkanbindung von Geräten im Umfeld von Röntgen- oder MRT-Einrichtungen.

Detailaufnahme der Power Entry Module des hochverfügbaren Systems, die speziell für den Kunden entwickelt wurden. Heitec

Nicht zuletzt punkten Lichtwellenleiter durch eine sehr geringe Dämpfung, was abhängig von der verwendeten Faser- und Dioden-Technologie Entfernungen von mehreren hundert Kilometern ermöglicht – aus diesem Grund werden Lichtwellenleiter seit Anfang der 1990er Jahre bei interkontinentalen Seekabeln verwendet. Im direkten Vergleich zu „herkömmlichen“ Übertragungswegen aus Kupfer ist die Installation aufgrund der aufwendigeren Technik bei Sender und Empfänger teurer.

Hinzu kommt, dass der Materialpreis beim Lichtwellenleiter höher ist und auch meist die Montage aufwendiger ist, da ein höheres Augenmerk auf eine verschmutzungsfreie Umgebung – etwa beim Verbinden (Spleißen) zweier Fasern – gelegt werden muss und in Bezug auf Biegeradien der Kabel Grenzen gesetzt sind, damit die Fasern nicht brechen. Dafür sind LWL-Kabel meist dünner und leichter als vergleichbare Kupferleitungen.

Natürlich bietet die optische Datenübertragung für den Netzausbau von entlegenen Gebieten weitläufiger Länder eine ideale Basis für leistungsfähige Infrastrukturen. Um eine möglichst hohe Bandbreite über große Strecken zu erreichen, wird meist das DWDM-Übertragungsverfahren (Dense Wavelength Division Multiplex) verwendet. Dabei werden mehrere Signale in Form von Laser-gespeistem Licht unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig über eine einzige Faser übertragen. Vereinfacht werden die unterschiedlichen Kanäle in der Faser durch verschiedene Lichtfarben realisiert.

Übertragungsreichweiten bis zu 1000 km

Für eben eine solche Anwendung hat Heitec für den Marktführer von Lasern für Lichtwellenleiter und Telekommunikationslösungen eine High-End-Systemplattform entwickelt. Die Plattform stellt einen Netzwerkknoten (Hub) dar, welcher die verschiedenen Signale eines DWDM-Netzwerks aufnimmt und verteilt. Dabei werden bis zu 96 Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen über Glasfaserpaare übertragen. Mit entsprechenden optischen Verstärkern werden so Übertragungsreichweiten bis zu 1000 km bei Übertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s pro Kanal erreicht.

Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Übertragungsleistung pro Slot, Zuverlässigkeit, Hochverfügbarkeit aber auch an eine einfache Wartung. Bei der Architektur entschied sich der Kunde für den Advanced-TCA-Standard (Advanced Telecommunications Computing Architecture). Dieser Standard ist weit verbreitet, hat sich im Bereich der Telekommunikation voll etabliert und bietet bedingt durch die Standardisierung Zugang zu vielfältigen Technologien mit einer langfristigen und zukunftssicheren Produktverfügbarkeit.

Die Backplane wurde ganz nach den Vorgaben des Kunden entwickelt und bildet die Basis des Netzwerkknotens. Es können bis zu zwölf Schnittstellenkarten, zwei Steuereinheiten und zwei Power-Entry-Module eingesetzt werden. Das vollbestückte System hat eine Gesamtleistung von ungefähr 2350 W. Dies hat eine große Wärmeentwicklung im vergleichsweise kompakten System zur Folge. Mit den Erkenntnissen aus der während der Konzeptphase durchgeführten Thermosimulation designte Heitec drei hot-swap-fähige Lüftereinschübe. Jeder Einschub enthält eine eigens für die Applikation entwickelte Lüftersteuerung, welche die zwei integrierten Radiallüfter temperaturabhängig regelt und den Ausfall eines Lüfters erkennen und an den Host melden kann. Die Einschübe sorgen für die Entwärmung von jeweils vier Slots und sind so konzipiert, dass sie bei Bedarf schnell ausgetauscht werden können. Eine SEEPROM (Serial Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) -Karte für die Speicherung wichtiger Daten wurde ebenso wie die Stromversorgungsmodule (PEM = Power Entry Module) speziell für den Kunden entwickelt.

Die Stromversorgungsmodule sind redundant, das heißt doppelt ausgelegt und sind wie alle anderen Teile der Plattform von vorne zugänglich und einfach austauschbar. Die robuste Gehäusetechnik von Heitec bildet die ideale Basis dafür.

(neu)