Design af fiberoptiske systemer, der bare virker – både ved installationen og i det lange løb – kræver mange overvejelser om de optiske constraints, der er involveret. Det fiberoptiske budget kan være så kritisk, at tolerancerne i standardkomponenter er alt for løse. Industriel fiberoptik bliver fortsat set lidt som ”sortekunst” i elektroniksektoren. I det følgende forklarer en af branchens eksperter inden for optoelektronisk design og produktion om betydningen af optiske budgetter i designet af fiberoptiske systemer til industriel brug – og lang levetid
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 10 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af William Heath, commercial director, OMC
Fiberoptiske datalinks består typisk af en transmitter, der konverterer et elektrisk signal til et optisk, hvorefter et fiberoptisk kabel overfører signalet, mens en receiver i modtagerenden tilbagekonverterer signalet (herunder også med de konnektorer, der sammenkobler og aligner kablingen undervejs). For digitale data skal den optiske effekt altid være kraftig nok til at gøre receiveren i stand til at adskille ”1” og ”0” tydeligt fra hinanden. Hvis et system skal fungere pålideligt på længere sigt, så skal den sikre definition af hver eneste transmitteret bit – i alle systemets led – være på plads gennem hele systemets levetid. For at sikre at det sker, er vi nødt til at opstille et optisk budget – eller hvor megen optisk energi vi sender ud i forbindelsen holdt sammen med det niveau, som receiveren har brug for, hvis modtagelsen skal være helt sikker.
Først skal vi overveje den maksimale transmissionslængde, signalhastigheden og den forventede systemlevetid. De vil medvirke til at afgøre valg af teknologi – som påvirker det optiske budget – og hjælpe til at identificere de nødvendige transmitter/receiver-specifikationer. Datablade fortæller selvfølgelig om en transmitters output og receiverens følsomhed, men med skaleringen af links fra prototype til produktion kan de vinduer, som er opstillet for en standardydelse, i virkeligheden føre til en implementering, der ikke er så pålidelig som forventet.
Mange forbinder fiberoptik med telecom – og dermed glasfiber. Til hurtige signaler eller transmissionsafstande på flere hundrede meter er rent glas at foretrække på grund af en lavere dæmpning og de mindre kernediametre, som hjælper til at minimere den signalforvrængning som spredning (modal dispersion) i tykkere fibre medfører. Til kortere links og/eller moderate signalhastigheder i de typiske industrielle datalinks kan polymere (plast) fibre være et bedre valg, da det er robuste løsninger, der er nemme at installere – og til en overordnet lavere pris for linket.
LED eller laser
Man bruger enten LED eller laser i fiberoptisk transmission. Laserne har en højere båndbredde og giver længere rækkevidde over små fiberdiametre, men i kortere links og ved datahastigheder op til omkring 50MHz er lysdioder ofte en bedre løsning. Det er billigere, lettere at styre, mere robust og med en længere forventet levetid. Men LED’ers ydelse bliver også dårligere med tiden, og ældningen forstærkes fra strøm i driveren og temperaturen, så hvis strømmen kan holdes nede, vil systemets levetid være længere.
Så selv om det er kritisk at transmittere ”nok lys”, til at receiverne kan adskille 0’er og 1-taller ved slutningen af systemets levetid, må man heller ikke overdrive lyseffekten. Ud over en hurtigere forringelse af ydelse kan en overstyring af en LED-chip også oversvømme systemet med lys, så ydelsen bliver upålidelig. En overdrevent kraftig transmitter kan mætte receiveren, så den ikke kan falde til ro, før den næste puls kommer – lidt som at blive blændet af bilers forlygter. En for høj lysmængde kan også løbe frem og tilbage mellem receiver og transmitter, og hvis receiveren er følsom nok, kan den reelt dobbelt-trigge som følge af spejlingerne i linket.
Man skal endvidere tænke på, at ”typiske” specifikationer kan være gavnlige på prototypeniveau, men så heller ikke længere. Store industrielle systemer kan have tusindvis af datalinks. Som følge af produktionstolerancer falder de fleste receivere uden for den ”typiske” følsomhed, ligesom transmittere kan give mindre eller mere effekt på udgangen. Det giver sjældent mening at matche de mest følsomme receivere til transmitterne med den laveste udgangseffekt. Som designer skal man sikre sig, at systemet under ældning fortsat vil have receivere, der kan respondere korrekt til hver enkelt transmitteret puls – også når det laveste output på LED’erne er parret med receivere med den laveste følsomhed. Man skal derfor overveje, om udgangseffekten for hver enkelt transmitter ligger inden for de specificerede grænser for systemets krav, og det afhænger af valget af LED driver-strøm og den præcise fibertype, der vil blive brugt i applikationen.
Aktiv alignment af komponenter
Det førnævnte punkt er væsentligt, for selv om der eksisterer et veldefineret vindue for ydelsen for en given komponent, så sker det kun ved nominel (eller maksimal) strøm – og/eller for en given fibertype. Enhver brug uden for disse grænser sender designeren tilbage til den tvivlsomme sump, hvor man er afhængig af de ”typiske” tal for ydelsen.
For at løse det problem har OMC udviklet sin egen ACA-teknologi (Active Component Alignment), hvor hver enkelt transmitter eller receiver bliver sat under strøm og tilpasset (alignet) til en fiber under produktionen. OMC’s alignment-rigs måler kontinuert komponentydelsen med kundens specificerede driver-strøm og valgte fibertype, så alle parametre bliver optimerede, registrerede og fastlagt inden for det ønskede vindue for ydelsen. Et batchs testdata viser derefter den faktiske ydelse for hver enkelt komponent under de relevante forhold for applikationen. Det sikrer langt strammere ydelsesmæssige tolerancer, som igen fører til en stærkt forbedret pålidelighed i længden, så kunden kan stole på, at hver enkelt komponent overholder det specifikke ydelsesvindue, som er krævet af applikationen.
Beregning af det optiske budget
OMC har udgivet et teknisk whitepaper, ”Industrial Fibre Optic Datalinks: Consider Your Optical Budget”, der i detaljen beskriver betydningen af de omhyggeligt beregnede optiske budgetter i designet af industrielle fiberoptiske datalink-systemer for long-life high-reliability (hi-rel) applikationer – med praktiske eksempler inkluderet.
Dette whitepaper er tiltænkt ingeniører, som designer industrielle fiberoptiske systemer til en række missionskritiske og højpålidelige applikationer – lige fra bremsesystemer i jernbanenetværk til støj-ufølsomme og elektrisk isolerede kommunikationssystemer inden for forsvars- og højspændingssektorerne, og det bliver forklaret, hvorfor det optiske budget for en given applikation er kritisk – og før den egentlige konklusion på, hvordan man opnår dét, vil et praktisk eksempel vejlede brugeren i beregningen.
Support af behovene for både nye optiske links og udskiftninger af komponenter i systemer, som kræver vedligehold er inkluderet i OMC’s brede forståelse af de forskellige komponenter, der findes inden for industriel fiberoptik fra transmittere til receivere over konnektorer og kablinger – bakket op af vertikalt integrerede in-house produktionsfaciliteter, hvilket er enestående i branchen. OMC blev grundlagt for over 40 år siden og bliver betragtet som værende i verdensklasse inden for design og produktion af komplette optiske links, som kan hjælpe ingeniører til pålideligt at anvende fiberoptik i deres industrielle systemdesigns. Servicen spænder fra komponentvalget til beregning af de optiske budgetter og helt ud til en kundespecifik komponentproduktion i virksomhedens faciliteter i Storbritannien.
Mange kommercielt tilgængelige fiberoptiske komponenter har svært ved at overholde standarderne for ydelse, robusthed og konsistens, som er nødvendige faktorer i industrielle applikationer med en forventet lang levetid. Det er derfor, at OMC har designet og udviklet en række af egne komponenter, som kan interface sikkert med industristandarderne med en række forbedrede funktioner. Virksomheden tilbyder også en komponentoptimering, hvor hver transmitter og/eller receiver kan tunes under fremstillingen, for at garantere at de optiske karakteristika ligger inden for det kundespecifikke vindue for ydelsen.
FAKTABOKS:
Flere oplysninger
OMC’s whitepaper kan downloades på: http://www.omc-uk.com/dynamic/omc_optical_budgets_white_paper_bf14601045bb82f7.pdf, og med dét kan ingeniører og designere få bedre indblik i de faktorer og processer, der ligger til grund for de beregninger, de skal udføre for at opnå det bedste optiske budget til deres applikation.
FAKTABOKS SLUT
Billedtekst:
1: OMC’s produktion af kommercielle links med ACA (Active Component Alignment), der medvirker til at give et godt fiberoptisk budget med minimale tab i linket.
2: Eksempler på industrielle fiberoptiske kompositkomponenter til prisbillig, men robust og sejlivet fiberoptisk kommunikation i industrielle miljøer.
