Licht als Medium zur Informationsübertragung

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1 Universität Dortmund Licht als Medium zur Informationsübertragung Andreas Neyer Universität Dortmund Fakultät für Elektrotechnik Arbeitsgebiet Mikrostrukturtechnik 1

2 Übersicht Einleitung: Wo finden wir optische Medien im Alltag? Motivation: Was macht Licht für die Übertragungstechnik so interessant? Grundlagen: Glasfasern und Laser Anwendungen: In der Telekommunikation Anwendungen: In der Computertechnik Entwicklungen am AG MST

3 Optische Medien im Alltag Compact Disc (CD) für Musik und Daten Digital Video Disc (DVD) für Video Einleitung Vorteile: - Berührungsloses Abtasten der Information - Große Packungsdichte der Information Optische Verbindungen bei Heimelektronik Optische Bussysteme in Autos Glasfasersysteme in der Telekommunkation 1,5 µm

4 Was macht Licht für die moderne Übertragunsgtechnik so interessant? Vergleich: Kupfer-Koaxleitung - Glasfaserleitung maximal überbrückbare Länge bei 1Gbit/sec: ca. 1 km Motivation maximal überbrückbare Länge bei 10Gbit/sec: ca. 100 km Vorteile der Glasfaserleitung: - geringere Dämpfung - größere Datenrate - geringere Störanfälligkeit

5 Wie funktioniert optische Übertragung von Information? Photodiode Analog-Digital- Wandler Laser Glasfaser Digital-Analog- Wandler Motivation Elektrisch Elektrisch / Optisch / Elektrisch Elektrisch (8 bit = 1 byte)

6 Beispiel: Telefonübertragung Abtastung eines Telefonsignals mal / sec Jeder Wert wird in 8 bits gewandelt. Gesamtbitrate: bits/sec (ISDN) Gesamtbitrate von Gesprächen: bits/sec bzw. 6.4 Gbit/s Motivation Aktueller Entwicklungstrend in der Übertragungskapazität von Glasfasersystemen: 2.5 Gbit/s (Stand der Technik) 10 Gbit/s (In der Einführung) 40 Gbit/s (In der Entwicklung)

7 Das Übertragungsmedium: Die Glasfaser Glasfasern und Laser Prinzipieller Aufbau - Funktion Mantel (Quarz) Brechzahl: n m Kern (Quarz dotiert) Brechzahl: n k Prinzip der verlustfreien Lichtausbreitung: Totalreflexion Bedingung für Totalreflexion: n k > n m Erste Entwicklungen bei Corning 1970

8 Glasfasertypen und Eigenschaften Glasfasern und Laser Mehrmodenfaser Gradientenfaser Einmodenfaser Standardfaser für Telekommunikation BL ca 100 MHz. km BL ca 1000 MHz. km BL ca MHz. km

9 Vergleich: Single-Mode Glasfaser / menschliches Haar Glasfasern und Laser menschliches Haar angeätzte SM-Faser 125 µm Kern 9 µm

10 Glasfasern und Laser 8xFaserkabel

11 Lichtsender: Laser Glasfasern und Laser Erfindung des Lasers: 1969 Eigenschaften des Lasers: erzeugt gebündeltes, intensives Licht einer Wellenlänge und definierter Phasenlage Laserdiode

12 Licht Schalteigenschaften der Laserdiode Glasfasern und Laser Laserdiode läßt sich mit Strompulsen bis zu 40 Milliarden mal pro Sekunde ein- und ausschalten Stromschwelle Strom < 1 milliardstel Sekunde

13 Anwendungen in der Telekommunikation Zugangsnetze FTTC Curb Schema und Anschlüsse für Glasfaser- Basisstation Vermittlungsstelle FTTH = Fibre-To- -To-The-Home FTTC = Fibre-To- -To-The-Curb FTTB Gebäude FTTH Heim

14 Anwendungen in der Telekommunikation Untersee - Glasfaserverbindungen

15 Anwendungen in der Telekommunikation Weitere Erhöhung der Übertragungskapazität durch Wellenlängenmultiplex Wellenlängenmultiplex: Übertragung mit Lichtsignalen unterschiedlicher Farben in einer Faser ohne gegenseitige Störungen Wellenlängen-Multiplexer 1 Faser Wellenlängen-Demultiplexer Resultierende Datenrate in einer Faser: z.b. 25 x 40 Gbit/s = 1000 Gbit/s = 1 Terabit/s Entspricht dem Datenaufkommen von etwa 10 Millionen Gesprächen

16 Anwendungen in der Telekommunikation Steigerung der Datenübertragungsraten durch Wellenlängenmultiplex (WDM) 2000

17 Arbeiten am AG MST zur Thematik Anwendungen in der Computertechnik Optische Prozessorverbindungen Opt. Senderarray Prozessor-Chip Polymer-Optische Fasern (POF) Elektrische Leitungen Empfängerarray Prozessor-Chip Optische Prozessorverbindung mit 2D-Polymerfaserbündeln Prozessor-Chip Opt. Sender Optische Leitung (Polymer-Lichtwellenleiter) Elektrische Opt. Empfänger Leitungen Optische Prozessorverbindung mit integrierten Polymerwellenleitern Platine Prozessor-Chip Multilayer Platine

18 2D-Optische Verbindung Anwendungen in der Computertechnik mit 128 Polymerfasern Gesamter Datendurchsatz: 320 Gbit/s

19 Platine mit optischer Anwendungen in der Computertechnik Prozessorverbindung 128 Plasikfasern

20 Optische Prozessorverbindungen Anwendungen in der Computertechnik mit Polymerwellenleitern Prozessor-Chip Opt. Sender Optische Leitung (Polymer-Lichtwellenleiter) Elektrische Opt. Empfänger Leitungen Massiv parallele optische Verbindungen mit integrierten Polymerwellenleitern (BMBF-SNI) Prozessor-Chip Multilayer Platine

21 Anwendungen in der Computertechnik Herstellung von Polymerwellenleitern mit integrierten Mikrospiegeln Metallstempel Füllen der Wellenleitergräben mit lichtleitendem Kleber; Aushärten; Verschließen mit Deckel Abgeformtes Kunststoffteil mit metallisierten Spiegeln

22 In Platine integrierter Anwendungen in der Computertechnik Polymerlichtwellenleiter