Transkript

1 1 Einleitung 1 1 Einleitung Licht it Leben. Licht faziniert chon immer die Menchheit. Ohne die Sonne al natürliche Licht- und Wärmequelle enttände kein Leben auf der Erde und e könnte auch kein Leben exitieren. Schon in der Bibel wird Licht al Metapher für Gott und da Gute geehen: Ich bin al Licht in die Welt gekommen, damit jeder, der mir vertraut, nicht im Dunkeln bleibt. (Joh 12,46) Im Laufe der Jahrhunderte entdecken die Menchen, welche Potential im Licht teckt. E wird heute in vielen Bereichen der Technik und de täglichen Leben eingeetzt. Ohne die Herauforderung da Licht zu ergründen, wären die heutigen Erkenntnie der Phyik und peziell der Quantenphyik nicht vortellbar. Die führt bei David Bohm 1 zu folgendem Zitat: Licht it Energie und ebeno Information - Inhalt, Form und Struktur. E bildet da Potential für alle. 1.1 Hitorie de Lichte Die Modelle über Form und Struktur de Lichte verändern ich im Laufe der letzten Jahrhunderte erheblich. Die Lehre vom Licht und die Wechelwirkung zwichen ihm und der Materie begründet daher auch einen eigenen Zweig der Phyik, die Optik. Sie bechäftigt ich mit den Ercheinungen, die durch uner Sinneorgan Auge wahrgenommen werden können. Allerding wien chon die Griechen, da Licht und die Geetzmäÿigkeiten de Lichte zu nutzen. So oll e Archimede 2 chon im 3. Jahrhundert vor Chritu gelungen ein, mithilfe de Sonnenlichte und einer Reihe von kleineren Spiegeln eine ganze Flotte von römichen Schien in Brand zu etzen. 1 US-amerikanicher Quantenphyiker, Griechicher Univeralgelehrter, 287 v. Chr v. Chr.

2 2 1 Einleitung Sytematich wird eit Ende de 17. Jahrhundert da Phänomen Licht unterucht. Sir Iaac Newton 3 it der erte, der 1672 ein phyikaliche Modell vortellt. Er nennt e Korpukulartheorie, da nach ihm eine Lichtquelle kleine Teilchen, ogenannte Korpukeln, auendet. Diee bewegen ich mit groÿer Gechwindigkeit geradlinig durch den Raum, bi ie direkt oder indirekt, beipielweie durch Reexionen, in da menchliche Auge gelangen und dort Sinnereize aulöen. Die Reexion an Gegentänden kann mit der klaichen Mechanik erklärt werden. E handelt ich dabei um einen elatichen Stoÿ. Mit dieer Theorie it e möglich, die Reexion und auch eingechränkt die Beugung von Licht zu erklären. Nur ech Jahre päter, im Jahr 1678, bechreibt Chritiaan Huygen 4 da Licht al Welle. In einer Undulationtheorie geht er davon au, da jeder Punkt einer Wellenfront al Augangpunkt einer neuen Welle, der o genannten Elementarwelle, betrachtet werden kann. Die neue Lage der Wellenfront ergibt ich durch Überlagerung (Superpoition) ämtlicher Elementarwellen. Die ich weiter aubreitende Wellenfront ergibt ich al die äuÿere Einhüllende der Elementarwellen. Mit dieem Anatz it e möglich, weitere Phänomene de Lichte zu deuten, darunter zählen die Beugung und die Interferenz. Diee Theorie wird in den folgenden Jahrzehnten ergänzt und erweitert, inbeondere Thoma Young 5 erweitert die Undulationtheorie erheblich. Bi Anfang de 19. Jahrhundert wird Licht al elatiche Longitudinalwelle vertanden, da ich in einem da Weltall erfüllenden Äther aubreitet. Ert Augutin Jean Frenel 6 kann nach der Entdeckung der Polariierbarkeit de Lichte beweien, da e ich bei Licht um eine tranverale Welle handelt. Jame Clerk Maxwell 7 erkennt 1865, da e ich bei Licht um elektromagnetiche Tranveralwellen handelt. Die nach ihm benannten Maxwellchen Gleichungen haben elektromagnetiche Wellen al Löungen, die ich mit Lichtgechwindigkeit im Vakuum aubreiten. Mit dieen Formulierungen it e möglich, die Geetze der Optik au den Grundgleichungen der Elektrodynamik herzuleiten, o da die Optik ein Teilgebiet der Elektrodynamik wird. Zum Übergang in da 20. Jahrhundert wird die bi dahin etablierte Wellentheorie de Lichte durch verchiedene Experimente al unzureichend erkannt. Vor allem kann die Wellentheorie olche Phänomene nicht erklären, die auftreten, wenn Licht und Materie in Wechelwirkung treten. Die gechieht beipielweie bei der Aborption und Emiion de Lichte. Eine Er- 3 Englicher Phyiker und Mathematiker, Niederländicher Mathematiker und Phyiker, Englicher Augenarzt und Phyiker, Franzöicher Phyiker und Ingenieur, Schotticher Phyiker,

3 1.1 Hitorie de Lichte 3 gänzung wird von Albert Eintein eingeführt, die Lichtquantenhypothee. Für diee Arbeit, e it eine Doktorarbeit, erhält er 1921 den Nobelprei für Phyik. Diee Thee beagt, da Licht au Quanten, alo Energiepaketen, beteht. Diee Pakete werden päter Photonen genannt. Licht kann omit nur gequantelt Energie abgeben. Da Licht wird alo al Teilchentrom oder al elektromagnetiche Welle angeehen. Diee Doppeldeutigkeit wird al Welle-Teilchen-Dualimu bezeichnet. Ert in der Quantenoptik bzw. Quantenelektrodynamik wird eine theoretiche Bechreibung gefunden, die beide Apekte vereinigt Hitorie der optichen Nachrichtentechnik In der Moderne it die Gechichte der optichen Nachrichtentechnik weentlich kürzer, da entprechende optiche Bauteile, beipielweie Laer, ert experimentell von Maiman um 1960 entwickelt werden und omit ert ab Mitte de 20. Jahrhundert zur Verfügung tehen. Auch Glafaern al Übertragungmedium ind noch eine relativ neue Entwicklung, erte einetzbare Typen, unter 20 db Dämpfung, werden Anfang der 70er Jahre de letzten km Jahrhundert entwickelt. Allerding exitiert die Nachrichtenübertragung über optiche Hilfmittel chon weentlich länger. Schon im antiken Griechenland gibt e erte Syteme zur Übermittlung von Daten, die mithilfe von Leuchtfackeln funktionieren. Ein andere Beipiel au früheren Jahrhunderten it die Übertragung von optichen Signalen per Rauchzeichen, die die Ureinwohner de amerikanichen Kontinent zur Kommunikation verwenden. Ab dem 18. Jahrhundert werden komplexere, optiche Signale übertragen, die gechieht beipielweie mithilfe de Morealphabet oder auch in der Schifahrt. Hier wird ein Code au verchiedenen Fahnenpoitionen verwendet, um Informationen auzutauchen. Zu dieer Zeit kommen auch die erten optichen Telegraphen zum Einatz. Die erte Strecke wird in Deutchland 1813 eingerichtet. E werden Fahnentelegraphen benutzt, dabei handelt e ich um chwenkbare Arme an einer Stange, die auf einem Turm befetigt ind. Da Verfahren wird zuert in Frankreich während der franzöichen Revolution eingeetzt und it von Claude Chappe 9 entwickelt. Mitte de 19. Jahrhundert exitiert bereit eine optiche Kommunikationtrecke von Berlin über Magdeburg und Köln bi nach Koblenz mit einer Geamtlänge von 550 km. Erte geführte Lichtignale werden Ende de 19. Jahrhundert in einer Patentchrift von W. Wheeler dargetellt. 8 Deutcher Phyiker, Franzöicher Techniker,

4 4 1 Einleitung 1.2 Anwendunggebiete der POF In den letzten Jahren kommt neben der Glafaer (GOF) al Übertragungmedium für die optiche Nachrichtentechnik die Polymer Optiche Faer (POF) zum Einatz [1, 2]. Erte Veröentlichungen zum Thema POF in der optichen Nachrichtentechnik liegen eine Dekade zurück. Auch bei der POF vollzieht ich eine ähnliche Entwicklung wie bei der Glafaer. Um eine optiche Datenübertragung zu realiieren, mu die Dämpfung der Faer verringert werden. Allerding beitzt die POF einen deutlich höheren Dämpfungverlauf, o da ie nur innvoll zur Kurztreckenkommunikation eingeetzt werden kann. Doch auch für dieen Einatzbereich erchlieÿen ich zum Teil neue Anwendunggebiete. Exemplarich wird an dieer Stelle auf zwei typiche Anwendunggebiete der POF näher eingegangen, den Automobilbereich und die Inhau-Vernetzung. Doch mit der POF können nicht nur Daten zu Kommunikationzwecken übertragen werden, ie kann auch al vielfältiger Senor oder zur Beleuchtung verwendet werden. Abbildung 1.1: Einatz der POF al Übertragungmedium im Automobil Im Automobilbau wird die POF in einem eriellen Buytem in Ringtopologie für Multimediaanwendungen eit 2001 eingeetzt. Diee Sytem wird MOST-Bu genannt (Media

5 1.2 Anwendunggebiete der POF 5 Oriented Sytem Tranport). E gibt davon in der Zwichenzeit mehrere Verionen, die allerding alle unterchiedliche Übertragungmedien verwenden. Die MOST25 Spezikation etzt auf POF und überträgt Daten mit bi zu 25 Mbit, die MOST50 auf elektriche Leiter (50 Mbit ) und der zukünftige Standard MOST150 bi zu 150 Mbit 10. Typiche Längen im Auto ind einige Meter bi zu zehn Meter. E handelt ich alo bei dieer Applikation um Kurztreckenkommunikation, daher kann auch die POF trotz hoher Dämpfung gut al Übertragungmedium eingeetzt werden. Am MOST Bu können bi zu 64 Endgeräte angechloen werden, die chematiche Dartellung eine typichen Szenario it in Abbildung 1.1 dargetellt. Da erte Auto, welche den MOST25 Standard nutzt, it die 7er Reihe von BMW au In der Zwichenzeit wird diee Buytem in über 40 meit europäichen Automodellen (ca. 2,5 Mio. Stück (Stand Ende 2008)) eingeetzt. Dabei handelt e ich nicht nur um hochpreiige Modelle, wie den Mercede Maybach oder den Porche Cayenne, ondern auch um Volumenmarktmodelle, wie den 1er von BMW oder den Smart Fourfour. Der Einatz der POF al Übertragungmedium bietet im Automobil einige Vorteile gegenüber der klaichen Verkabelung per Kupferleitung. Die POF bietet ein Höchtmaÿ an EM-Verträglichkeit. Die it inbeondere in PKW wichtig, da e hier viele Störquellen für elektromagnetiche Strahlungen gibt, beipielweie die Zündpule oder die Lichtmachine. Brummchleifen ind mit der neuen Übertragungtechnik aufgrund der kompletten galvanichen Trennung nicht mehr möglich. Darüber hinau tellt der Autauch de Kupferkabelbaum durch die POF eine erhebliche Gewichterparni dar. Die genauen Angaben zur Einparung chwanken dazu, aber eine Reduzierung um 50 % it realitich, wa einer Gewichtminderung von bi zu einigen 10 kg entprechen kann. Der Prei de Kupfer teigt in den letzten Jahren erheblich, im Vergleich dazu bietet die POF eine kotengüntige Alternative. Diee hier genannten Vorteile führen auch zu einem Einatz der POF in der Avionik. Ein anderer Bereich, in dem die POF vermehrt verwendet wird, it die Inhau-Vernetzung. Dort teht ie in direkter Konkurrenz zur Ethernetanbindung über Cat-Verkabelung (Twited Pair Kupferkabel), PLC (Power Line Communication) und WLAN (Wirele Local Area Network). Dabei handelt e ich auch um ein typiche Szenario der Kurztreckenkommunikation, bei dem 100 Mbit (Fat Ethernet) über eine Strecke von 10 m bi zu 100 m übertragen werden. Diee Anforderungen erfüllt die POF problemlo. Meit werden ogenannte Medienkonverter eingeetzt, um die elektrichen Signale, die über da Kupferkabel verendet werden in optiche Signale für die POF umzuwandeln. Solche Produkte ind chon eit einiger Zeit von verchiedenen Anbietern auf dem Markt erhältlich (z.b. Siemen, DieMount, Firecomm). Die POF bietet in dieem Bereich gegenüber jeder anderen einetzbaren Technik Vorteile. Die Verkabelung per Cat-Kabel it weentlich chwieriger, da da Kabel deutlich 10

6 6 1 Einleitung dicker (RG 58: 5 mm Auÿendurchmeer) und teifer it. Daher kann die POF mit geringerem Platzbedarf verlegt werden. Sie kann ogar ohne äuÿeren mechanichen Schutzmantel verlegt werden, o da elbt eine direkte Aufbringung auf Tapete kaum ichtbar it. Auch die Konfektionierung der POF it gegenüber dem Cat-Kabeldeutlich einfacher. Darüber hinau beteht auch in dieem Anwendunggebiet keine Störanfälligkeit der POF gegenüber elektromagneticher Strahlung. Da Problem de Überprechen wird auf ein Minimum reduziert. Diee Phänomen tritt nicht nur bei Cat-Kabeln auf, ondern vor allem bei der PLC. Dort teilt ich die Technik da Übertragungmedium mit der Stromverorgung. Die führt zu erheblichen Störungen, owohl bei der Datenübertragung al auch bei der Stromanbindung von Endgeräten. Gegenüber WLAN it vor allem die Abhöricherheit und die zugeicherte Bandbreite der Datenübertragung inbeondere für IPTV-Streaming via POF zu nennen. 1.3 WDM über POF Die zwei im vorherigen Kapitel dargetellten Anwendunggebiete: Inhau- und Incarkommunikation werden in Zukunft mehr Bandbreite erfordern. Stand der Technik auf dem Gebiet der POF-Übertragung it die Verwendung eine Kanal, meit im roten Wellenlängenbereich gelegen, da dort güntige Sender und Empfänger zur Verfügung tehen. Allerding it die pektrale Dämpfung dort ehr hoch. Bei der Nutzung eine Kanal kann zur Erhöhung der Bandbreite auch nur die Datenrate erhöht werden. Die führt jedoch zu einer Verchlechterung de Signal-Rauch Verhältnie. Au dieem Grund it die nur bi zu einer betimmten Schwelle möglich. E it alo zwingend erforderlich, alternative Möglichkeiten zur Datenübertragung zu erforchen. Eine weit verbreitete Möglichkeit it da Multiplexverfahren. Bei dieer Methode zur Signal- und Nachrichtenübertragung werden mehrere Signale zum Ziel der Erhöhung der Datenrate zuammengefat und imultan über ein Medium übertragen. E können verchiedene Parameter multiplext werden, beipielweie die Zeit, die Codierung oder die Frequenz/Wellenlänge. Die Methode de Wellenlängenmultiplex (WDM, Englich: Wavelength Diviion Multiplex) it im Bereich der Glafaerübertragung etabliert. E wird daher in dieer Promotion verucht, diee Verfahren für die POF mit ihren anderen phyikalichen Eigenchaften zu adaptieren. Zur Datenübertragung multiplexter Signale werden zwei zuätzliche Funktionbauteile benötigt: ein Multiplexer, der die verchiedenen Signale zuammenfat ein Demultiplexer, der die Signale nach erfolgter Übertragung wieder aufteilt

7 1.3 WDM über POF 7 Abbildung 1.2: Einatz der POF al Übertragungmedium im Inhaubereich Diee beiden Bauteile müen alofür WDM über POF komplett neu entwickelt werden, um eine Erhöhung der Datenrate zu erzielen. E gibt zwar auch von anderen Forchergruppen erte Anätze zur Realiierung von WDM über POF, doch diee Anätze ind für die optiche Nachrichtentechnik im Maenmarkt, zu denen die oben genannten Beipiele gehören, nur bedingt geeignet. Die wird in Kapitel zwei auführlich dargelegt. Allerding ind für ein optiche Netzwerk mit POF noch weitere Funktionbauelemente erforderlich, die it in Abbildung 1.2 verdeutlicht. Dazu zählt, wie zu erkennen, ein opto-opto Wandler, der die über GOF (Glafaer) ankommenden Informationen für die intern verwendete POF überetzt, ein Server, der die externen Informationen für die interne Weiternutzung aufbereitet, ein Splitter, der den Datentrom aufteilt und der chon erwähnte Demultiplexer, auf dem der Foku der Arbeit liegt. In dieem Beipiel wird durch da WDM-Verfahren für jede einzelne Übertragung ein Kanal zur Verfügung getellt und damit die Sicherheit der Datenübertragung erheblich erhöht.