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Matthias Haupt | [email protected] | Hochschule Harz 1

Von der Idee zur Realisierung, ein Demultiplexer für WDM über POF

VII. ITG-Workshop Photonische Aufbau- und Verbindungstechnik

Hochschule Harz, Wernigerode

Matthias Haupt, HS Harz


Hochschule Harz (Harz University of Applied Studies and Research)

•  Gegründet 1991

•  Ca. 3500 Studierende

•  Fachbereich für Automatisierung und Informatik

Labor für Kommunikationstechnik

•  Phot. Aufbau und Verbindungstechnik

•  Kunststoffwellenleiter (POF)

Adresse:

Hochschule Harz

Friedrichstraße 57-59

D-38855 Wernigerode

Tel: 03943 659 368


Übersicht

•  Eigenschaften der Polymer Optischen Faser (POF) •  Einsatzgebiete der POF •  Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) über POF •  Prismenspektrometer als DEMUX-Element •  Verifizierung der Ergebnisse •  Gitterspektrometer als MUX/DEMUX-Element


Mechanische Eigenschaften der POF

Quelle: POFAC

•  PMMA (Plexiglas)

•  Kerndurchmesser: 980µm

•  Manteldicke: 10µm

•  Glastemperatur: 85°C


Optische Eigenschaften der POF

•  Brechungsindex n=1,492

•  Numerische Apertur NA=0,5

•  Übertragungsfenster im sichtbaren Wellenlängenbereich

•  Aktuelle Datenübertragung laut POF-ALL Projekt:

•  100MBit/s über 300m

•  1GBit/s über 100m


POF-Typen

Stufenindex-POF / Low-NA-POF

Gradientenindex-POF

Mehrstufenindex-POF

Quelle: POFAC


POF im Automobilsektor


MOST Bus im Automobil

+  EMV Unempfindlichkeit +  Geringes Gewicht -  Nur in Fahrerkabine


„Triple Play“: VoIP – IPTV – Internet

In-Haus Kommunikation

Datenraten:

•  Angestrebt zum Haus 10GBit/s

•  Im Haus 100MBit/s – 1GBit/s


Motivation für VIS-WDM über POF (I)

•  Standard POF Übertragungssystem:

Eine Wellenlänge überträgt die Daten Beschränkung der Bandbreite Problem!

•  Neue Technologie: VIS-WDM über POF

Mehrere Wellenlängen übertragen die Informationen Multiple Bandbreitenerhöhung möglich

Multiplexer and Demultiplexer werden benötigt


Motivation für VIS-WDM über POF (II)

WDM Bandbreite eines Übertragungssystems (T) hängt ab von: •  Bit Rate pro Kanal (C) •  Optische Bandbreite (B) •  Kanaldichte (D)


DEMUX in Prismenspektrometerform

nicht maßstabsgetreu

Grundaufbau patentiert: DE102005050739A1


Quellenmodell

•  Modell einer SI-POF

•  Gesamtöffnungswinkel der POF 60°

•  Vereinfachte Annahme: Zusammenführung der kompletten Strahlenkeulen in einer Punktquelle


Linse

•  Funktion: Fokussierung des Lichtes auf Bildebene •  Zur Minimierung von sphärischen Bildfehlern

2 plan konvexe Linsen

Linse “best form”

Asphärische, beinah plankonvexe Linse

Einfache bikonvexe Linse

Aufteilung der Brechkraft auf 2 Linsen

Beispiel: Höhenabhängige bildseitige Schnittweite s‘(h)


Prisma

•  Prisma teilt die monochromatischen Anteile des Lichtes •  Separation der Farben durch hoch dispersives Medium

(niedrige Abbe Zahl V)

λ (nd) = 587,6nm λ (nF) = 486,1nm λ (nC) = 656,3nm

Gesamtablenkungswinkel:


OpTaliX

•  Sequentielles und nicht-sequentielles Raytracing

•  Umfassende geometrische und Beugungsanalyse

•  Benutzerdefinierte Grafiken

Vergleichbarer Funktionsumfang zu ZEMAX / OSLO


Simulation des DEMUXs (I)

58mm

38mm


Spotdiagramm (I)

•  Spotdiagramm: Analysiert die transversalen Bildfehler in der Bildebene

•  Sphärische und chromatische Aberrationen verhindern die Trennung der Farben


Simulation des DEMUXs (II)

113mm

75mm


Spotdiagramm (II)

•  Aberrationsminimierung Alle Farben sind getrennt

•  Abstand der Farben ist ausreichend zur Detektion mit Photodioden

•  Nebensprechen unter 30dB


Verifizierung der Ergebnisse (I)

Simulation des Prismenspektrometeraufbaus mit erhältlichen Standardkomponenten

195mm

138mm


Verifizierung der Ergebnisse (II)

•  Trennung der Farben möglich •  Verhinderung besserer Ergebnisse durch: Fertigungstoleranzen,

Justageungenauigkeiten, Beugung des Lichtes

Bildebene mit Faserarray


Verifizierung der Ergebnisse (III)

Betrachtung der Bildebene


Leistungsdaten Laboraufbau

•  3 Kanäle: •  470nm •  527nm •  637nm

•  Kanalabstand: •  57nm •  110nm

•  Gesamtdämpfung: •  19,3dB (bei 470nm) •  12,1dB (bei 527nm) •  14,0dB (bei 637nm)

•  X-Talk: •  -16,1dB (470nm-527nm) •  -26,8dB (527nm-637nm)

Zu hohe Dämpfung für Datenübertragung mit mehreren Kanälen


MUX/DEMUX Elemente

Alter Aufbau

Neue Realisierung


Rowlandspektrometer

•  Durchmesser des Rowlandkreises gleich Radius des Hohlspiegels

Quelle und Bildpunkte liegen auf Rowlandkreis und sind damit fokussiert


Vergleich

alt neu Dispersionseinheit Prisma Gitter

Größe -- (5x9cm2) + (1x3cm2)

Bauteile 3 1 Opt. aktive Medien 2 1 Spritzgußfähigkeit - o

AVT -- + Patent erteilt erteilt


Simulation des Gitterspektrometers

50mm

37mm


Entwicklung des Gitterspektrometers

•  Aufprägung eines linearen Gitters auf ellipsoiden Spiegel

•  Vergleich mit sphärischen Hohlspiegel •  einfachere Herstellung

•  Optimierung der Hohlspiegelstruktur


Ellipsoider Spiegel

Matthias Haupt | Hochschule Harz

300Linien/mm 600Linien/mm 1200Linien/mm


Sphärischer Spiegel

Matthias Haupt | Hochschule Harz



Optimierte Asphäre



Verbessertes Quellenmodell (I)


Verbessertes Quellenmodell (II)


Nächste Schritte

•  Optimierung des Gitters •  Gitterkonstante •  Form (geblazed) •  Ordnung


Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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