Optische Polymerfasertechnologie

Folie 1 Öff. Vortrag FH WF 5-2008

Prof. Dr. Fischer-Hirchert (HS-Harz)

Optische Polymerfasertechnologie als zukunftsweisende Alternative

für Datennetze im Auto, in der Sensorik und im Inhaus-LAN

Prof. Dr. U. Fischer-Hirchert [email protected]



Forschung und Lehre Kommunikationstechnik mit Schwerpunkt optischer Nachrichtentechnik

Lehrgebiete (seit 2001) Elektr. und opt. Kommunikationsnetze Nachrichtenmesstechnik Opt. Aufbautechnik Opt. Übertragungstechnik

Forschung Opt. Übertragungstechnik Polymerfasertechnik El. und opt. Messtechnik Aufbautechnik

Adresse: Hochschule Harz Friedrichstraße 57-59 D-38855 Wernigerode Tel.: 03943 659 340 [email protected]



Breitband zum Teilnehmer



15 Jahre WWW! 1993-2008

Quelle: Lightwave 5/97

Exponentielles Wachstum des Datenverkehrs durch Verbreitung des Internet !



Netzebenen mit Beispieltopologie

Weit- verkehrs- Netze (Core)

Regionale Netze (Metro) Zugangs- Netze (Access)

WDM, SDH WDM, SDH

32 x 40 Gb/s λ

WDM, IP, ATM, SDH 128 x 10 Gb/s λ

Business Ring 16 x 2.5 G λ

LANs

10 Gb/s to the company

100 Mb/s to the home

2.5 Gb/s to the office

Quelle: Nortel 99



Passive Optische Netze (PON) im Zugangsbereich

Terminal

FTTT

Home

FTTHBuilding

RadioBaseStation

Switch Node

FTTB

Curb

FTTC

FibreCopper

ONU (ONT)Coupler

FTTR

OLT



Optische Zugangsarten

Quelle: Uni Hannover



VDSL

Unterschiede von VDSL1 und VDSL2 Eigenschaft VDSL1 VDSL2 Spektrale Bandbreite 12 MHz 30 MHz Bandbreite 500Mbit 100Mbit Reichweite bis 1 km bis 3 km ADSL-Kompatibilität nein ja Downstream-Leistung 14,5 dBm max. 20 dBm

DSLAM



Bandbreiten von DSL und LWL

JS. Allen , Lucent NOC 2004



Bauteile in Photonischen Netzen



Bauteile einer optischen Nachrichtenverbindung

Quelle Senke

a)

a) E / O Wander b) Opt. MUX c) Glasfaser d) Opt. Verstärker e) Opt. Koppler

f) Opt. Schaltmatrix g) Opt. Regenerator h) Opt. DEMUX i) O / E Wandler

b) c) d) e) g) i) f) h)

Coder Modulator Decoder

E / O O / E



Lichtwellenleiter

Beste Übertragungstechnik für Langstreckensysteme



Totalreflexion

Snellius



Lichtführung in einem LWL

sin θ = √(n12 – n2

2 ) = NA

Numerische Apertur



Dämpfungseigenschaften der Glasfasern [Grau/Freude92]



Glasfasern bis zum Haus 160 mµ

2.7 mm

35 mm

0.2 mm

Single Mode Fibre

Fibre ribbon

Ribbon bundle

Fibre cable(5120 Fibres)



POF-Technik



Optische Polymerfasern (POFs)

Funktionsprinzip Polymer-Kern, umgeben von dünnem Mantel mit kleinerer

Brechzahl Totalreflexion sorgt dafür, dass Licht den Kern nicht verlassen

kann Leistungsmerkmale Übertragung mit 155MBit/s auf einer Länge von bis zu 100m

(digital) bzw. mit 65MHz auf einer Länge von 50m (analog) maximale Einsatztemperatur zwischen +75°C und +85ºC



Profilarten Stufenindex-POF / Low-NA-POF

Gradientenindex-POF

Mehrstufenindex-POF

Quelle: Werner Daum, Jürgen Krause „POF-Optische Polymerfasern für die Datenkommunikation“, Springer-Verlag



POF-Fasertypen und Bandbreiten

Quelle: FH Nürnberg; Ziemann



Werkstoffe für POF

PMMA bis 85°C, n = 1,492 Hochtemp.- POF

• Polycarbonat bis 145°C, n = 1,51

• Teflon als Mantel Deuterierte Polymere Fluorierte Polymere

Kerndotierungen

VPAc, Vinyl-Phenylacetat, n = 1,567

VB, Vinyl-Benzoat, n = 1,576

PhMA, Phenyl-Methacrylat n = 1,570

BzMA, Benzyl-Methacrylat n = 1,562

BB, Bromobenzen n = 1,560

BBP, Benzyl-n-Butyl-Phtalat n = 1,54

DPS, Diphenyl-Sulfid n = 1,49



Kunststoffeigenschaften



Optische Polymerfasern (POFs)




Biegeverluste gering bei Verlegung



POF-Herstellung aus Vorform Prozess zur F&E-Entwicklung ideal geeignet Turm soll im Landesprojekt in Verbindung HS-Harz und neuem

POF-NEMO-Netzwerk realisiert werden • Vorteile:

• Leichte Herstellung der Vorform • Komplizierte Vorformen möglich für spezielle Anwendungen

• Nachteile • Keine Polymerisierung direkt vor Ziehprozess möglich • Unsauberere Materialwerte • Höhere Dämpfung




Ziehturms für POF an der HS Harz



POF-Herstellung per Extrusion Prozess in Halberstadt am Technikum der tti GmbH etabliert

• Vorteile • Polymerisation direkt vor Ziehprozess • Geringste Dämpfungen möglich • Unendliche lange Stränge ziehbar • Massenfertigungstauglich

• Nachteile • Nur einfache Strukturen möglich





Systemanwendungen



Anwendungnen heutiger POF




Vorteile gegenüber herkömmlichen Kabeln

1) Praktische Aspekte • Sehr preiswert, einfach zu bearbeiten • Wenig Gewicht, sehr kleiner Durchmesser : 1/10 von

Kupferkabeln • Flexibler und günstiger als Glasfaserkabel • Einfaches Handling • EMV-Unempfindlichkeit

2) Sicherheitsaspekte • Bessere Isolierbarkeit • Abhörsicherheit • Kurzschlusssicherheit, brummschleifenfrei

3) Technische Aspekte • Sehr hohe Datenrate übertragbar • Mehrere Signale auf einer Faser übertragbar • Kein Stahlangriff beim Einschmelzen



Einleitung : Vernetzung im Auto

http://www.oasis.de/

http://www.oasis.de/



Automobil Automobil: für Multimedia, Musik, DVD Keine Störungen durch Lichtmaschine,

Zündung, etc. Gewichtsreduktion Massefrei



Beispiel: Vernetzung im Audi



Beispiel: Infotainment

http://lau.lineas.de/



Einleitung : Bussysteme im Auto

auto & elektronik 4-5/2003



Einleitung : MOST - Cooperation

http://www.mostnet.de/cooperation/scope/index.php



Einleitung : MOST-Merkmale

Flexibilität Netzwerkprotokolle wie TCP, Streaming-Formate,

Plug&Play Standards Plug&Play mit bis zu 64 Knoten

Ring-, Stern- und Ketten-Topologien Einsatz von POF (geringe Herstellungskosten)

hohe Bandbreite



Einleitung : MOST-Merkmale

„Bussysteme im Automobil CAN, FlexRay und MOST“ Thomas Dohmke, Technische Universität Berlin 2002



MOST - Übertragungstrecke

SP2 • λ = 630...658 nm • P = -10...-1,5 dBm

SP3 • P = -24...-2dBm

POF, Olaf Ziemann



MOST - Hardware

http://www.infineon.com



MOST - Hardware

http://www.infineon.com/cgi/ecrm.dll/ecrm/scripts/sol_ov.jsp?oid=47667



Ausblick

MOST 150 • Hauptfokus auf Kostensenkung und Integration von

• Hersteller fordern leichtere Integrierbarkeit • höhere Bandbreite nicht erforderlich • neues Codierungsverfahren (gleiche Taktfrequenz aber doppelter Datendurchsatz)

• bis 150Mbit/s Nutzung des physikal. Layer aus MOST1 • oberhalb 150Mbit/s Übertragung mit POF schwer

• Zeitpunkt in 2008



Automobiltypen mit POF 2006

Infineon, POF2006 Quelle: FH Nürnberg; Ziemann



Anforderungen im LAN für POF

B i t r a t e n ü b e r 0,1-1 G b i t / s R e i c h w e i t e n b i s 3 0 0 m K o m p a t i b i l i t ä t z u G l a s f a s e r s y -s t e m e n e i n f a c h s t e I n s t a l l a t i o n u n d V e r l e g u n g



Hausnetze • InHausnetze

• VOIP • Vernetzungsalternative zu Coax • Nachvernetzung von alten Wohnhäusern wegen

geringem Platzbedarf • Zukunftsfähig wegen hoher Bandbreite • Vergleichbar mit Glasfaser, aber nur 1/5 des Preises • Integration mit Koaxvernetzung nach dibcom-

Vorgaben • TRx bis 100MBit/s vorhanden • Innovativer Gebäudeserver als Streamingquelle für

Triple Play möglich • Kombination mit neuen Zusatzdiensten



Industriekommunikation • Industrial Ethernet

• Robuste Kabelalternative

• Vernetzungsalternative zu CAT

• Alternative auch zu Glasfasern, bei Längen unter 100m

• Keine EMV-Probleme

• SFP-TRx bis 100mB/s im Konsortium vorhanden

• ...



Automatisierung • Ethernet-Bus

• Robuste Kabelalternative • Vernetzungsalternative zu CAT • Alternative zu Glasfasern, da Längen unter 10m • Keine EMV-Probleme • SFP-TRx bis 100mB/s im Konsortium vorhanden

• SPS • Kurze Längen in Maschinen • EMV-Frei • analoge oder andere Datentypen bis 50MHz leicht

realisierbar



POF-Schlüssel-Funktionselemente



Strukturierte Gebäudeverkabelung



Gebäudenetz



Hochhausvernetzung Korea

Quelle: Korea, Optimedia, Park



LAN-Anwendungen

Quelle: POFAC

Ethernet mit IP-TV in Ein- und Mehrfamilienhäusern Ersatz für analoge SAT-Koaxkabel LAN-PC-Netzwerke im Wohnbereich und in EMV-gestörten Umgebungen (Fabrik, Maschinen)

Quelle: Diemount



Raumverkabelung mit POF



Ethernet-Links 100Mbit



Anwendungsbeispiele



• Spektrale Sensorik

• Medizintechnik

• Berührungslose Sensorik

• Explosive Umgebungen

• Galvanisch getrennte Sensoren

• Drucksensoren

Weitere Applikationen



Medizintechnik • Datenübertragung

• Alternative zu Glasfasern,

• Keine EMV-Probleme

• Kunststofftechnik hautfreundlich

• Galvanisch getrennte Verbindungen

• ...

• Sensorik • Alternative Endoskopie

• Messung von Blut- oder Atemanteilen durch spektroskopische Elemente

• ...



Aufprallsensor VDO



... optische Tasten und Schalter ...

Sitzplatzerkennung im Auto ...

... Fußgängerschutz-Sensoren ...

... Einklemmschutz-

Sensoren ...

... und, und, und!

Weitere Applikationen



Beleuchtungstechnik

Seitenlichtfasern • Gebäudetechnik • Sicherheitstechnik • Automobilbeleuchtung Innenraum, Einstieg, etc. • Aviation ....



Regionales Verbundnetzwerk



BMWi-NEMO-Netzwerk POF-LAB Harz seit 1.1.2008

1. IGZ WR Projektleitung 2. Hochschule Harz Simulation und Analyse optischer Eigenschaften der POF 3. HarzOptics in Wernigerode als Systemanwender 4. Resch Elektronik Wernigerode, Systemanwender Inhausnetze 5. DieMount GmbH in Wernigerode als Systemanwender/ Hersteller 6. Teutloff Bildungszentrum Wernigerode 7. tti Magdeburg GmbH, Außenstelle Halberstadt, Kunststoffversuchszentrum im GGZ

Halberstadt zur Herstellung von POF im Extruderverfahren 8. Rundfunk Gernrode als Systemanwender Inhouse-Technologien, Automatisierung 9. Tonfunk Ermsleben als Systemanwender im Bereich Automotive 10. HEYFRA ELECTRONIC GMBH Lutherstadt Eisleben, Automatisierungstechnik 11. IZM FHG Institut für Polymerchemie zur Synthese nutzbarer Polymere 12. NOVOPLAST in Halberstadt zur Herstellung der POF in Extrudertechnik Kooperative Partner • NEXANS AG Kabelhersteller in Bayern, POF-Kabel für Automotive/ Inhouse • TITK in Schwarza für Faserprototypenherstellung • AUTEV AG Brandenburg, Herstellung von POF-LWL zur Beleuchtungstechnik



Entwicklung einer technologischen Systemplattform in der Region (HS Harz)

POF/WDM-Systemplattform

Simulations-werkzeuge

Theoretische Basis

Schlüsselbauteile

NeuartigeKomponenten

Übertragungs-strecke

TechnischeRealisierung

VPISimulation

BPMRaytracing

Mikro-system-technik



Projekt Polymerfasertechnologie Harz

1. Portfolio an zu entwickelnden aktiven und passiven Schlüsselelementen in Mikro-Spritzgusstechnik (Multiplexer, Demultiplexer, Splitter, Koppler und Schalter, Modulatoren)

2. Herstellung Polymerfasern zur Übertragung und Beleuchtung

3. Gemeinsame Entwicklung neuer Anwendungen und Produkte in eigener Wertschöpfungskette

4. Strategische Erschließung neuer Marktbereiche mit der neuen Fasertechnologie

5. systematische Entwicklung eines regional ausgerichteten, aber überregional wirkenden Forschungs- und Ausbildungsprofils mit der Hochschule Harz als wissenschaftliche Keimzelle

Die Realisierung dieser Systemplattform soll mit Hilfe des POF LAB Harz als regionalem „Think Tank“ erreicht

werden. angestrebte Plattform soll dabei im Wesentlichen auf fünf Säulen errichtet werden:



Technikum POF im IGZ WR

Lehrkabinette mit POF-Bauteilen Lehrausbildung Techniker und Ingenieure Vergleich mit Glasfasertechnik und Ethernet/CAT Konfigurierung von Hausnetzen mit Triple Play Seit 1.5 im Aufbau im IGZ WR



Weiterbildungsstrategie POF-Zertifikat

TitleWeiterbildungs-strategie

KoordinationHochschule

Zertifikat"Optik"

CurriculumI

CurriculumII

BerufsschulenUnternehmen

Hochschule

OPTECNETHochschuleHarzOpticsUnternehmen

Hochschule

Koordination POF-LAB

dibcom Fernlehrgang dibcom

Techniker Fachkräfte POF-LAB Unternehmen Techniker Fachkräfte



Ansprechpartner

Hochschule Harz,

• Prof. Fischer-Hirchert [email protected]

• Friedrichstr. 57, 38855 Wernigerode, 03943659351

Netzwerk POF-LAB

• Dipl. Ing. Lösler, [email protected] • IGZ Wernigerode, Dornbergsweg 2,

03943935-658



Ende der Präsentation

Vielen dank für Ihre Aufmerksamkeit

Ihr Ulrich Fischer-Hirchert

Kontakt: Email: [email protected] Web: ufischerhirchert.hs-harz.de

Tel: 03943 659 351

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