Faseroptische Schalter: Schnell, flexibel und haltbar

Optische Fasern finden einen immer breiteren Einsatz in der optischen Messtechnik, da sie es problemlos ermöglichen, die Messsignale von weit entfernten und teilweise schwer zugänglichen Messorten zur Auswerteeinheit zu transportieren. Zur sequentiellen Abfrage mehrerer Messstellen werden immer häufiger faseroptische Schalter eingesetzt. Der weltweit agierenden Kabelsystemspezialist Leoni bietet in seinem Geschäftsbereich Fiber Optics auf der Basis unterschiedlicher technischer Konzepte ein breites Spektrum derartiger Faserschalter an, die den gesamten in der Faseroptik üblichen Wellenlängenbereich abdecken. Während für Singlemode-Faserschalter ein patentiertes Konzept mit transmittiven optischen Präzisionsbauteilen zur Anwendung kommt, werden bei Multimode-Faserschaltern die Fasern selbst bewegt. Einige Einsatzfälle faseroptischer Schalter im Bereich Automatisierungstechnik und Fertigungsmesstechnik sind nachfolgend exemplarisch aufgezeigt. Schnell und kompakt In der Fertigung optoelektronischer Bauelemente wie z.B. Transponder für optische Übertragungs- und Datennetze oder Fotodiodenchips auf dem Wafer müssen die Bauteile mit hohem Durchsatz bezüglich ihrer wichtigsten Parameter vermessen werden. Ein solcher Parameter kann z.B. der Fotodiodenstrom in Abhängigkeit von Lichtleistung und Wellenlänge sein. Hier werden die faseroptischen Schalter eingesetzt, um einerseits die Messwellenlängen schnell durchzuschalten und andererseits das Messlicht in kürzester Zeit zu vielen Messstellen zu bringen. Dabei kommt ein wesentlicher Vorteil der Leoni-Produkte zum Tragen: Schalter mit hoher Kanalzahl in sehr kompakter Form zu realisieren. Bild 1 zeigt einen 12-fach 1×2 Schalter, wie er in der automatisierten Transpondervermessung zusammen mit 1×12 Schaltern kaskadiert eingesetzt wird. Alle 12 Schalter werden über eine einzige Elektronikplatine angesteuert. Die breite Palette von unterschiedlichen elektronischen Schnittstellen wie RS232, TTL, Parallel, I2C oder Ethernet, die in den Schaltern zur Verfügung steht, erleichtert dem Anwender die Ansteuerung. Der Vorteil wird umso deutlicher, je mehr Schalter in komplexen Messsystemen angesteuert werden müssen. Bauwerke überwacht Bei der Überwachung von komplexen Bauwerken oder sensiblen Industrieanlagen werden zunehmend faseroptische Sensoren unterschiedlichster Art eingesetzt. Bei diesen Anwendungen dienen die faseroptischen Schalter zur Abfrage teilweise extrem vieler Messstellen in möglichst kurzer Zeit. Dabei werden mehrere Faserstränge in das zu überwachende Objekt verlegt; bei Brücken, Staudämmen, oder Tunneln erfolgt die Verlegung direkt in den Beton. Jeder Strang besitzt eine Vielzahl von Messstellen, dennoch wird mitunter eine große Anzahl von Strängen verlegt. Das Abfragen der unterschiedlichen Stränge erfolgt dann mithilfe eines faseroptischen Schalters. Die Zahl der Kanäle erreicht dabei nicht selten einen dreistelligen Wert. Bild 3 zeigt einen 400-kanaligen Schalter für eine Gradienten-Multimodefaser, der in einem komplexen interferometrisch arbeitenden Überwachungssystem von Rohrleitungen in einem japanischen Kraftwerk eingesetzt wird. Der Schalter erlaubt es, 400 Messstellen innerhalb von etwa 10 Sekunden abzufragen. 1.250 Kanäle in zwei Sekunden Im Auftrag des japanischen Kunden hat Leoni inzwischen eine faseroptische Lösung mit etwa 10-facher Schaltgeschwindigkeit entwickelt. Auf der Basis dieses neuen Konzeptes wird noch 2009 ein Schalter mit 1.250 Kanälen gefertigt, der imstande ist, alle Kanäle in nur zwei bis drei Sekunden durchzuschalten. Dadurch ist es möglich, sich anbahnende Havarien frühzeitig zu erkennen und rechtzeitig gegenzusteuern. Bild 4 zeigt einen 48-kanaligen Schalter mit Singlemodefaser für Sensoren auf der Basis von sogenannten Faser-Bragg-Gittern, d.h. in Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Interferenzfilter. Diese reflektieren Wellenlängen, die innerhalb einer bestimmten Filterbandbreite liegen. Somit lassen sich etwa Temperaturänderungen und Dehnungen erfassen. Der abgebildete Schalter wird zur Überwachung von Brücken mittels derartiger Fasersensoren in China verwendet. Eignung für umfangreichen Spektralbereich Neben dem Infrarotbereich werden optische Fasern zunehmend auch im sichtbaren Spektralbereich genutzt. In Verbindung mit kohärenten Laser-Lichtquellen kommen in der Regel Singlemode-Fasern zum Einsatz, deren Kern, also der lichtführende Bereich, nur 3-4µm dick ist. Für derartige Fasern bietet Leoni als eine von wenigen Firmen weltweit Faserschalter an, die für den gesamten sichtbaren Spektralbereich einsetzbar sind. Bild 5 zeigt einen 7-kanaligen Schalter für den visuellen Bereich, mit dem vier verschiedene Laserquellen im Bereich 400-650nm zum Messort, etwa einem Laser-Scanningmikroskop bzw. Konfokalmikroskop, transportiert werden. Das Umschalten kann wahlweise manuell oder rechnergesteuert erfolgen. Mithilfe dieses Schalters wird eine automatisierte Probenvermessung ohne langwieriges Faser-Handling ermöglicht. Die Beispiele zeigen, dass faseroptische Schalter heute über breite Wellenlängenbereiche und für die verschiedensten Fasertypen verfügbar sind. Vielerlei Einsatzmöglichkeiten im medizinischen und industriellen Bereich tun sich auf. Die sehr kurzen Schaltzeiten optischer Systeme gepaart mit kompaktem Design, hoher Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sind ausschlaggebend dafür, dass sie die herkömmlichen elektrischen Leiter zur Datenübertragung bei vielen Anwendungen zunehmend ablösen.