Free Space, SMA 905, FC: Faseranschlüsse in der Spektroskopie

Mit Hilfe von Spektrometern können die verschiedensten Arten von Proben geprüft und bestimmt werden. Elektromagnetische Strahlung, d.h. sichtbares Licht, aber auch UV- oder NIR-Strahlung, wird auf das Objekt des Interesses gerichtet, und einige der ausgesendeten Wellenlagen interagieren mit dessen Materie. Die Energie genau dieser Photonen hat dann beispielsweise ein Molekül in Schwingung versetzt. Genau diese Energie wird dann in der Strahlung fehlen, die ein Spektrometer danach erfasst.

Die fehlenden spektralen Anteile sind nicht zufällig, sondern ganz charakteristisch für bestimmte Stoffe. Dadurch kann man nicht nur feststellen, was für ein Material man da vor sich hat, sondern häufig auch, wie viel von welchem Stoff in der Probe vorhanden ist.

Für gute Messerergebnisse bedarf es einer guten Signalqualität: Möglichst viel Strahlung muss zum Spektrometer gelangen, und möglichst wenige Störungen dürfen dabei das Signal verfälschen. Natürlich spielt hier auch die Güte des Spektrometers selbst eine wesentliche Rolle: Auch bei der Umwandlung des analogen Strahlungssignals in digital verwertbare Daten ist ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich.

Aber das Spektrometer kann häufig nicht direkt am Ort des Geschehens platziert werden. Dafür kann es viele Gründe geben. Vielleicht ist zu wenig Platz am Messpunkt, oder es geht, gerade bei industrieller Produktion, zu rau zu: zu starke Vibrationen, zu hohe Temperaturen usw.

In diesen Fällen wird das Signal dann häufig mit einer Optik eingefangen, die es dann über eine Glasfaser zum Spektrometer transportiert. An jedem Übergang in dieser Kette wird es zu Signal-Verlusten kommen. Wenn Präzision gefragt ist, dann lohnt sich deshalb ein näherer Blick auf diese Glieder der Signalverarbeitungskette - und insbesondere auf ihre Verbindungspunkte.

Kopplungsverluste - ein unvermeidbares Problem?

Ein ganz wesentlicher Faktor dafür ist die praktisch nie perfekte Ausrichtung der Fasern zueinander. Ein Faserquerschnitt von 600 µm gehört in der Spektrometrie ja schon zu den Schwergewichten, 400 µm oder auch 200 µm sind nicht unüblich. Selbst eine Abweichung von 0,05 mm hätte hier also bereits erhebliche Auswirkungen.

Hinzu kommen noch optische Faktoren: Es findet ein Materialübergang von Faser zu Luft und wieder zu Faser statt, und hier kommt es zu Brechung und ggf. gar Reflexion, die Teile des Signals ablenken können. Und in der Praxis werden auch die Oberflächen der Faserenden selbst nicht perfekt sein. Einmal, weil die Produktion selbst irgendwann an praktische Grenzen stößt. Außerdem kann es in der Praxis immer dann zu Kratzern kommen, wenn die Fasern per Stecker miteinander verbunden werden.

Insgesamt kann jeder dieser Übergänge je nach Faser und Stecker zu Verlusten von über 1 dB, also rund 30 % des Eingangssignals führen.

Free Space: Kopplung ganz ohne Stecker

Der beste Stecker ist deshalb der eingesparte Stecker. In der sogenannten Free-Space-Verbindung verzichtet man gänzlich auf Faser und Stecker. Stattdessen wird die Strahlung mit optischen Komponenten wie etwa Linsen zum Eingang des Spektrometers geleitet. Auf dem Weg durchqueren die Strahlen nur Luft, oder in seltenen Spezialfällen gar ein Vakuum.

Eine Free-Space-Verbindung bietet unangefochten die potentiell höchste Kopplungseffizienz. Dieses Potenzial erkauf man sich jedoch mit der Notwendigkeit einer sorgfältigen Ausrichtung des Strahls, und damit einer entsprechend präzisen Mechanik. Free-Space-Verbindungen sind deshalb auch grundsätzlich anfälliger gegenüber Vibrationen und anderen mechanischen Erschütterungen. Darüber hinaus kann dieser Aufbau empfindlicher gegenüber Fremdlichteinflüssen aus der Umgebung sein, weil der Strahl eben nicht innerhalb einer Faser geführt wird, und damit auch deren Mantel fehlt.

Glasfasern selbst können auf unterschiedliche Weise limitierend für ein Mess-Szenario sein. Ein Beispiel sind sehr starke Lichtquellen, die Intensitäten erreichen, die das Material der Faser selbst schädigen können. Bei einem Free-Space-Aufbau kann mit solchen Intensititäten gearbeitet werden, weil die Faser als limitierender Faktor aus dem Spiel genommen wurde.

Ganz ähnlich sieht es aus, wenn derselbe optische Aufbau ein sehr breites Spektrum von Wellenlängen verarbeiten können soll, etwa von UV bis ins mittlere Infrarot. Die für Glasfasern zur Verfügung stehenden Materialien können nämlich aktuell noch nicht auf all diesen Wellenlängen gleich gut leiten. Fasern, die im kurzwelligen Bereich (z.B. von 200 nm bis 1200 nm) besonders gut leiten, absorbieren bei höheren Wellenlängen zu viel vom Signal. Für den NIR-Bereich gibt es deshalb eigene Faser - die wiederum im kurzwelligen Bereich stark absorbieren. Ist das nicht durch den Einsatz von mehreren Fasern zu lösen, dann bleibt nur die Option der Free-Space-Anbindung.

Die Anfälligkeit für äußere mechanische und Strahlungs-Einflüsse der Free-Space-Verbindung wiegen meist zu schwer für industrielle Prüfszenarien. Im Labor jedoch können sie glänzen, denn hier können diese Umgebungsfaktoren besser kontrolliert werden.

F-SMA: Der Klassiker unter den Glasfaser-Steckern

Wenn das Signal der Probe per Faser und Steckverbinder zum Spektrometer gelangen soll, dann trifft man sofort auf den Klassiker: F-SMA bzw. SMA 905.

SMA (Sub-Miniature Assembly) ist schon stolze sechs Jahrzehnte alt: In den 1960ern wurde er bereits entworfen, zu dem Zeitpunkt jedoch für Koaxial-Kabel, also elektrischen Verbindungen mit Kupferdraht statt Glasfaser.

Ende der 1970er wurde dann von der Firma Amphenol auf der Basis von SMA eine Version für Lichtwellenleiter entwickelt und als F-SMA (Fiber Sub-Miniature Assembly) bezeichnet. Von F-SMA gibt es zwei Varianten für unterschiedliche Faser-Durchmesser, SMA 905 und SMA 906. De facto wird für Spektrometer und andere Sensoren ausschließlich SMA 905 verwendet, weil SMA 906 für breite, kostengünstigere Fasern gedacht ist, und sich in der Spektroskopie aber meist alles um die maximale Güte des Signals dreht.

Bei SMA 905 steckt die Faser fest in einer Ferrule, die dann per Überwurfmutter mit der Buchse verschraubt wird.

SMA ist ein sehr robuster Stecker und hat wohl auch u.a. deshalb so lange in Messtechnik und Spektrometrie durchgehalten, während z.B. im Telekommunikationsbereich längst neue Verbinder Einzug gehalten haben.

Auch heute noch ist SMA 905 in der Spektrometrie der Stecker mit der weitesten Verbreitung. Neben seiner tatsächlichen mechanischen Robustheit und hohen Toleranz gegenüber Vibrationen und Temperaturschwankungen liegt das aber sicher auch daran, dass sich insbesondere die Automatisierungstechnik oft auch recht träge bewegt. An etablierten Verfahrensweisen wird ungern gerüttelt, und einmal integrierte Messgeräte sollen auch viele Jahre den Fertigungsprozess durchhalten können.

Es spricht jedoch auch durchaus etwas für die Suche nach einer alternativen Verbindung von Lichtwellenleiter und Spektrometer: die recht hohe Einfügedämpfung bei der F-SMA-Verbindung, also den Kopplungsverlusten beim Übergang von Stecker zu Buchse.

Das liegt einmal an der Einschränkung, dass normale SMA-Verbindungen nicht verdrehsicher sind. Im Moment der Fixierung kann sich also die Ferrule im Stecker ein wenig drehen und ist damit ggf. zusätzlich nicht ganz passend auf ihrem Gegenstück. Konstruktionsbedingt können sich bei SMA zwar die Ferrulen berühren, ein sauberer physischer Kontakt zwischen den Faserenden kann aber nicht hergestellt werden. Hier gibt es also eine Luftbrücke und damit entsprechende Brechungen am Materialübergang. Die Verdrehbarkeit der Fasern zueinander kann aufgrund von Verunreinigungen beim SMA-Stecker auch schnell dazu führen, dass die Oberflächen der Faser-Enden verkratzen.

Üblich sind bei SMA-Verbindungen Einfügedämpfungen von rund 1 dB - pro SMA-Kopplung gehen also knapp 30 % des Signals verloren.

Einfügedämpfung und Rückreflexion - die großen Verlustquellen bei der Faserverbindung

Die zwei wesentlichen Probleme bei der Verbindung von Lichtwellenleitern sind die Einfügedämpfung bzw. der Kopplungsverlust und die Rückreflexion.

Einfügedämpfung

Mit Einfügedämpfung ist der Leistungsverlust gemeint, der bei der Kopplung von einer Faser mit einer anderen auftritt. Strahlen treten aus der ersten Faser aus, aber teilweise gar nicht oder nicht in einem geeigneten Winkel in die zweite Faser ein, so dass sie nicht mehr vom Spektrometer erfasst werden können. Hauptgründe dafür sind eine zu unpräzise Ausrichtung der Faserenden zueinander oder eine nicht mehr ganz plane Oberfläche des Faserendes, was aufgrund von Kratzern durch die alltägliche Nutzung mit der Zeit zwangsläufig passiert. Die Einfügedämpfung wird in dB angegeben, also in einem logarithmischen Maß. Eine Einfügedämpfung von 3 dB bedeutet entsprechend, dass 50 % der Eingangsleistung verloren gehen, bei 1 dB wären es 29 % und bei 0.3 dB rund 7 %.

Rückreflexion

Rückreflexion beschreibt die Situation, dass die Strahlung nicht am Faserende aus- und in die nächste Faser wieder eintritt, sondern stattdessen an der Innenseite des Faserendes reflektiert und wieder zurück zum Ursprung geleitet wird. Das ist meist unerwünscht, denn diese Wellen überlagern nun das eigentliche Signal und führen so zu Interferenzen und Rauschen. Außerdem kommt der reflektierte Anteil nicht mehr am Spektrometer an, das Signal wird also insgesamt schwächer.

FC-Stecker - wie schlägt sich der Ferrule Connector im Vergleich?

Auf den ersten Blick ähneln sich SMA- und FC-Stecker stark. Auch beim Ferrule Connector treffen wir wieder auf eine zylindrische Ferrule, die mit einer Überwurfmutter fixiert wird. Zumindest in der Spektrometrie ist diese Ferrule jedoch häufig aus Keramik statt Edelstahl produziert worden.

Einige kleinere Änderungen führen beim FC-Stecker jedoch zu einer wesentlich geringeren Einfügedämpfung. Zum einen ist nämlich die Ferrule nun federn gelagert. Das hat zur Folge, dass die Passung von Ferrule zu Ferrule nicht mehr vom Feingefühl der fixierenden Person abhängt, sondern die Kraft nicht mehr so direkt wie bei SMA auf das Faserende übertragen wird. Die Kontaktierung der Faserenden wird noch einmal dadurch verbessert, dass der FC-Stecker zusätzlich eine Passfeder besitzt, die die Ferrule vor Verdrehung schützt. Beide Verbesserungen führen in Kombination dazu, dass von einer passgenauen Ausrichtung der Ferrulen zueinander ausgegangen werden kann. Deshalb sind bei FC auch andere Faserendpolituren möglich als die ganz plane Endbearbeitung bei SMA. In der Norm vorgegeben ist eine leicht konvexe Politur, die sicherstellen soll, dass sich die Faserenden tatsächlich physisch berühren. Wenig überraschend heißt diese Variante dann auch Physical Contact (PC).

Neben Physical Contact existieren für noch höhere Signalgüte außerdem noch die Varianten Ultra Physical Contact (UPC) und Angled Physical Contact (APC). Fasern der Güte Ultra Physical Contact sind noch etwas balliger poliert als reguläre PC-Fasern. APC-Fasern sind ebenfalls etwas ballig, zusätzlich jedoch in einem Winkel von 8° gefertigt. Sowohl UPC als auch APC ermöglichen eine noch etwas bessere Signalübertragung als die reguläre PC-Variante. In der Praxis sind diese auch ohne Lupe anhand ihrer Bezeichnungen unterscheidbar. Die Stecker werden meist als FC/PC, FC/UPC und FC/APC beschrieben. APC-Fasern haben häufig auch einen grünen Knickschutz.

Weil der FC-Faseranschluss bei vergleichbarer Robustheit eine deutlich geringere Einfügedämpfung aufweisen kann, wird er voraussichtlich in der Prozess-Spektrometrie den SMA-Anschluss zunehmend verdrängen.