POF-Handbuch: Optische Kurzstrecken-Übertragungssysteme

900 Pages·2007·33.52 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Olaf Ziemann

OlafZiemann·JürgenKrauser·PeterE.Zamzow·WernerDaum
POF-Handbuch
Olaf Ziemann · Jürgen Krauser
Peter E. Zamzow · Werner Daum
POF-Handbuch
Optische Kurzstrecken-Übertragungssysteme
2.,bearbeitete undergänzte Auflage
Mit1071farbigenAbbildungenund112Tabellen
123
ProfessorDr.-Ing.OlafZiemann ProfessorDr.JürgenKrauser
Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule DeutscheTelekomLeipzig
Nürnberg FBOptischeNachrichtentechnik
Wassertorstr.10 Gustav-Freytag-Str.43–45
90489Nürnberg,Germany 04277Leipzig,Germany
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Dipl.-Ing.PeterE.Zamzow ProfessorDr.-Ing.WernerDaum
R&DCableSystems BundesanstaltfürMaterialforschung
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ISBN978-3-540-49093-7 SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-41501-7 1.Aufl.SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Geleitwort
In nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens sind in den letzten Jahrzehnten die
Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur dramatisch gestiegen. Ganz
gleich ob in öffentlichen oder privaten Netzen, im industriellen Bereich oder im
Automobil – der Bedarf hinsichtlich der zu übertragenden Datenmenge wird
weiter steigen. Die Anforderungen an die Bandbreite der Kommunikationsverbin-
dungen nehmen damit weiter zu, da neben Telefon- und Datenverbindungen auch
immer mehr Videodatenströme in hoher Bildqualität (IP-TV) übertragen werden.
Weitere Datenströme entstehen durch die Anbindung einer steigenden Anzahl von
Funk-Hot-Spots mit hohen Kapazitäten. Alle diese Dienste erfordern eine Basis-
Infrastruktur mit Kapazitäten, wie sie nur optische Technologien bieten. Der
Ausbau des DSL-Netzes bringt die Glasfaser noch näher zum Endkunden und
erzeugt bei diesem die Nachfrage nach einfach installierbaren, leistungsfähigen
und kostengünstigen Verkabelungslösungen im Gebäude. Hierfür bietet sich die
Polymerfaser (POF – Polymer Optical Fiber) als Alternative an.
Nachdem die POF im industriellen Einsatz und im Automobilbau ihre Lei-
stungsfähigkeit unter Beweis gestellt hat, steht dem Einsatz dieser optischen
Lösungen innerhalb von Gebäuden nichts mehr im Wege. Der Einsatz von preis-
werten sichtbaren LED, einfachen Steckern und unempfindlichen Kabeln und Lei-
tungen erlaubt kostengünstige Systeme, die jeder Privatanwender bei Bedarf auch
selbst installieren kann. Im Gegensatz zu Funk oder Powerline ist dabei die POF
störsicher und bietet jederzeit eine garantierte hohe Kapazität in Punkt-zu-Punkt-
Verbindungen. In Kombination mit neuen elektronischen Lösungen und Codier-
verfahren ist es heute möglich, unter Verwendung der Standard-Stufenindex POF
Entfernungen von über 100 m bei einer Datenrate von 100 Mbit/s zu überbrücken.
Damit ist die systemtechnische Grundlage für den großflächigen Einsatz in der
Gebäudeverkabelung gelegt. Es bleibt nun die Aufgabe der Komponentenher-
steller diese Systeme als wirtschaftliche Alternative dem Markt zur Verfügung zu
stellen.
Die Schwerpunkte der Polymerfaseranwendungen zur Datenübertragung liegen
in Japan sowie in Deutschland, Spanien und in Italien. Deutschland spielt bei
vielen dieser Anwendungen eine Vorreiterrolle.
Das Polymerfaser-Anwendungszentrum (POF-AC) an der Fachhochschule
Nürnberg hat sich in den letzten Jahren als europäisches Kompetenzzentrum für
die POF entwickelt. Zwischen dem POF-AC und Leoni besteht seit Jahren eine
enge und erfolgreiche Zusammenarbeit.
VI Geleitwort
Die Leoni AG ist seit vielen Jahren einer der führenden Hersteller von POF-
sowie Glasfaserkabeln, für den Einsatz in mobilen Netzwerken (Auto, Zug, Flug-
zeuge), in der Automatisierungstechnik und in der Sensorik.
In jüngster Zeit hat sich LEONI aber auch der Herstellung von Glasfasern und
der dazu notwendigen Vorformen angenommen. Dabei liegt ein besonderer
Schwerpunkt in der Herstellung von Multimode- und Spezialfasern, wie Sie im
vorliegenden Buch beschrieben werden.
Deren Einsatzgebiet reicht von Gebäudenetzen über medizintechnische Anwen-
dungen bis hin zum Einsatz in spektrometrischen Systemen. Darüber hinaus prä-
sentierten Entwickler von LEONI neue Lösungen für optische druckempfindliche
Sensoren auf der Basis spezieller Kunststofffasern bei führenden Konferenzen der
letzten Jahre.
Bei allen genannten Aktivitäten hat sich LEONI als Ziel gesetzt, die Erfahrun-
gen mit Lichtwellenleitern aus dem Telekommunikationsbereich mit dem Wissen
und den Lösungen aus dem Markt der Spezial- und POF-Fasern zu verbinden und
somit neue praxisgerechte Lösungen dem Anwender in den unterschiedlichsten
Branchen zur Verfügung zu stellen.
Andreas Weinert, heute mit seinen Mitarbeitern bei Leoni Fiber Optics tätig,
veröffentlichte 1997 eines der ersten umfassenden POF-Bücher.
Das 2001 veröffentlichte Buch „POF - Optische Polymerfasern für die Daten-
kommunikation“ war als Übersicht über die POF-Technologien erschienen und ist
inzwischen vergriffen. Die hier vorliegende neue Auflage ist jetzt ein Handbuch,
welches neben der POF auch Dickkern-Glasfasern beschreibt, die ebenfalls für die
Kurzstreckenkommunikation genutzt werden.
Das vorliegende Fachbuch soll Anwendern und Entwicklern helfen sich schnell
und umfassend über den aktuellen Stand der Entwicklung von POF-Fasern zu
informieren und deren Leistungsfähigkeit kennen zu lernen. Es vermittelt zusam-
mengefasst neben neuen Entwicklungstrends eine Vielzahl von Untersuchungs-
ergebnissen und ist wertvoller Ratgeber für Entwickler von POF-Systemen. Neben
praktischen Anwendungen werden die physikalischen Grundlagen in einfacher
und verständlicher Form dargestellt.

Nürnberg im Mai 2007
Dr. Klaus Probst
Vorstand der Leoni AG
Vorwort des Editors
In den letzten Jahren haben sich die Optischen Polymerfasern (POF) und ihre
Anwendungen rasant weiterentwickelt. Dies gab den Ausschlag, im Jahr 2005 die
Entscheidung zu treffen, das 2001 (in deutsch) und 2002 (in englisch) erschienene
Buch „POF - Optische Polymerfasern für die Datenkommunikation“ komplett neu
zu überarbeiten. Ihnen liegt nach zwei Jahren Arbeit das Ergebnis nun in fast
doppeltem Umfang vor.
Eine wesentliche Grundlage für die Neufassung sind die vielfältigen Ergeb-
nisse, die im Polymerfaser-Anwendungszentrum der Fachhochschule Nürnberg
(POF-AC) seit seinem Start im Jahr 2001 erzielt wurden. Der wissenschaftliche
Leiter des POF-AC hat den weit überwiegenden Teil der hinzugefügten Abschnit-
te dieses Buches verfaßt. Dr. Christian-Alexander Bunge von der Technischen
Universität Berlin steuerte zwei Abschnitte (Mikrostrukturierte Polymerfasern und
Simulation optischer Fasern) bei.
Der Gliederung und Gestaltung des neuen Buches liegen einige wesentliche
Gedanken zugrunde:
(cid:190) Alle Teile der ersten Auflage wurden übernommen, um den vielen Neuein-
steigern auf diesem Gebiet die Möglichkeit zu geben, den Inhalt komplett zu
erfassen, ohne sich den (vergriffenen) ersten Band extra kaufen zu müssen).
(cid:190) Neben der Optischen Polymerfaser wurden viele Details zu anderen Dick-
kernfasern (z.B. Glasfaserbündel und kunststoffbeschichtete Glasfasern) hin-
zugefügt. Viele dieser Fasern haben nicht nur die gleichen Anwendungen,
sondern auch ähnliche Eigenschaften und Anforderungen an die Meßtechnik.
(cid:190) Während in der ersten Auflage überwiegend Ergebnisse aus der Literatur zu-
sammengetragen wurden, sind jetzt zu praktisch allen Fasern eigene Meßer-
gebnisse des POF-AC hinzugefügt worden. Somit stellt dieses neue Buch
auch eine Dokumentation der ersten 5 Jahre der Arbeit unseres Institutes dar.
(cid:190) Die einzelnen Kapitel entsprechen den Themen der ersten Auflage. Reihen-
folge und Gliederung wurden aber den veränderten Schwerpunkten angepaßt.
So bilden jetzt z.B. die Wellenleiter ein eigenes Kapitel. Zum überwiegenden
Teil neu sind die Kapitel über Fasern (Nr. 2) und über Systeme (Nr. 6). Zu-
sammen bilden diese beiden Teile den inhaltlichen Kern des Buches und do-
kumentieren die Fortschritte der Technologie. Leider werden aber auch diese
Teile nach Erscheinen des Buches wieder am schnellsten veraltet sein, da
auch in den nächsten Jahren mit vielen neuen Lösungen zu rechnen ist.
Zum Zeitpunkt des Erscheinens der ersten Auflage des Buches waren die POF-
Anwendungen noch sehr exotisch. Nur in der Automatisierung und in der
VIII Vorwort des Editors
Beleuchtungstechnik hatte sich dieses Medium schon etabliert. Inzwischen fahren
in Europa viele Millionen Fahrzeuge mit Polymerfaser-Bordnetzen und die näch-
sten Generationen stehen vor der Tür. Viele Telekom-Gesellschaften arbeiten an
Lösungen, ihre immer höher werdenden Bitraten über POF innerhalb der Woh-
nungen weiter zu transportieren. Die Deutsche Telekom bietet beispielsweise
ihren Kunden ein Komplettset für Fast-Ethernet an. Weitere Massenanwendungen
für den Einsatz von POF in Multimedia-Anwendungen stehen unmittelbar vor der
Markteinführung.
Die Autoren sind deswegen sehr optimistisch, daß dieses Buch die Entwicklung
der Polymerfaser von einer Nischentechnologie zu einer bedeutenden Basis der
Daten- und Kommunikationstechnik begleiten wird. Neben dem Einsatz in der
Telekommunikation versprechen vor allem die Sensorik und die multiparallelen
Datenverbindungen breite und interessante Einsatzfelder. Beiden Bereichen wurde
im Kapitel 8 jeweils ein Abschnitt gewidmet. Dabei tritt die POF nicht zwangs-
läufig als Konkurrent zu den etablierten Techniken, wie der Datenübertragung auf
symmetrischen Leitungen oder dem Funk auf. An verschiedenen Stellen wird
gezeigt, wie die verschiedenen Techniken optimal kombiniert werden können, um
technisch und ökonomisch optimale Lösungen zu erreichen.
Wir haben uns bemüht, die wissenschaftlichen Ergebnisse und am Markt ver-
fügbaren Produkte möglichst neutral und vollständig wiederzugeben. Dennoch ist
uns bewußt, daß dieses Ziel immer nur näherungsweise erreicht werden kann.
Sollte sich also ein Hersteller oder ein Institut im Buch nicht hinreichend repräsen-
tiert sehen - dies war nicht beabsichtigt. Gerne bietet das POF-AC allen Interes-
senten an, beim Zugang zur wachsenden „POF-Gemeinde“ behilflich zu sein.
Dazu bietet das POF-AC sowohl wissenschaftliche Aktionen, wie die Arbeit der
ITG-Fachgruppe 5.4.1 „Optische Polymerfasern“, als auch technische Informa-
tionen, wie den „POF-Atlas“ als deutschen POF-Produktkatalog.
Als Editor der zweiten Auflage möchte ich mich bei allen Mitarbeitern des
POF-AC Nürnberg, bei der Fachhochschule Nürnberg und nicht zuletzt bei meiner
Familie für die Unterstützung während der letzten zwei Jahre und den Verzicht auf
die vielen Stunden Zeit, die ich ihnen eigentlich hätte widmen müssen, bedanken.
Ich wünsche allen Lesern viel Freude beim Studium des Buches. Absicht und
Ziel des Buches ist es, Ihnen bei Ihrer Arbeit Hilfestellungen, Informationen und
Denkanstöße zu geben. Bitte entschuldigen Sie die unvermeidlichen Fehler und
Irrtümer und haben Sie keine Bedenken, Ihre Kritiken und Anregungen an uns
weiterzugeben.

Olaf Ziemann
Wissenschaflicher Leiter des POF-AC Nürnberg
Sprecher der ITG-Fachgruppe 5.4.1 „Optische Polymerfasern“
Mitglied der „International Cooperative of Polymer Optical Fibers“
als verantwortlicher Editor der zweiten Auflage
im Mai 2007
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis S. XXI
1. Grundlagen der optischen Datenübertragung S. 1
1.1 Lichtausbreitung in optischen Fasern und Wellenleitern S. 1
1.1.1 Wellen- und Quantennatur des Lichts S. 1
1.1.2 Elektromagnetisches Spektrum S. 1
1.1.3 Brechung und Totalreflexion S. 2
1.1.4 Wellenleiter und optische Fasern S. 3
1.1.5 Ein- und Mehrmodenwellenleiter S. 4
1.1.6 Übersicht optischer Fasern S. 5
1.1.7 Bezeichnungen optischer Fasern S. 7
1.2 Digitale und analoge Datenübertragung S. 8
1.2.1 Digitale optische Signalübertragung S. 10
1.2.1.1 Analoge und digitale Signale S. 10
1.2.1.2 Übertragungsqualität analoger und digitaler Signale S. 13
1.2.1.3 Bitfehlerwahrscheinlichkeit und Fehlerkorrektur S. 15
1.2.1.4 Rauschen in optischen Systemen S. 17
1.2.2 Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation S. 21
1.2.3 Modulation einer Trägerfrequenz S. 22
1.2.4 Spezifische Übertragungsverfahren der opt. Nachrichtentechnik S. 23
1.2.5 Modulation eines Zwischenträgers S. 25
1.3 Netzarchitekturen S. 26
1.3.1 Aktive und passive Netze S. 26
1.3.2 Netzstrukturen S. 27
1.3.3 Vielfachzugriffsverfahren S. 28
1.3.3.1 Zeitmultiplex S. 28
1.3.3.2 Frequenzmultiplex S. 30
1.3.3.3 Kodemultiplex S. 31
1.3.3.4 Wellenlängenmultiplex S. 31
1.3.3.5 Besonderheiten des optischen Multiplex S. 31
1.3.3.6 Bidirektionale Übertragung S. 33

2. Optische Fasern S. 37
2.1 Grundlagen optischer Fasern S. 37
2.1.1 Brechungsindexprofile S. 37
2.1.2 Numerische Apertur S. 39
2.1.3 Strahlverlauf in optischen Fasern S. 40
2.1.4 Moden in optischen Fasern S. 42
X Inhaltsverzeichnis
2.1.4.1 Der Modenbegriff S. 42
2.1.4.2 Modenausbreitung in realen Fasern S. 44
2.1.5 Größen zur Beschreibung von realen Fasern und Wellenleitern S. 45
2.1.5.1 Dämpfung S. 46
2.1.5.2 Modenabhängige Dämpfung S. 47
2.1.5.3 Modenkopplung S. 49
2.1.5.4 Modenkonversion S. 50
2.1.5.5 Modenkoppellängen S. 52
2.1.5.6 Leckwellen S. 55
2.1.5.7 Dispersion in optischen Fasern S. 55
2.1.5.8 Modendispersion S. 58
2.1.5.9 Chromatische Dispersion S. 64
2.2 Indexprofile und Fasertypen S. 65
2.2.1 Stufenindexprofilfasern (SI) S. 65
2.2.2 Die Stufenindexprofilfaser mit verringerter NA (Low-NA) S. 67
2.2.3 Die Doppelstufenindexprofilfaser (DSI) S. 68
2.2.4 Die Vielkern-Stufenindexprofilfaser (MC) S. 70
2.2.5 Die Doppelstufenindexprofil-Vielkernfaser (DSI-MC) S. 73
2.2.6 Die Gradientenindexprofilfaser (GI) S. 74
2.2.7 Die Vielstufenindexprofilfaser (MSI) S. 75
2.2.8 Die Semi-Gradientenindexprofil-Faser (Semi-GI) S. 76
2.2.9 Indexprofile im Überblick S. 77
2.3 Entwicklung der Polymerfasern S. 79
2.3.1 Rückblick S. 79
2.3.2 Stufenindexprofil-Polymerfasern S. 80
2.3.3 Doppelstufenindexprofil-Polymerfasern S. 83
2.3.4 Vielkern-Polymerfasern S. 85
2.3.5 Multistufenindexprofil- und Gradientenindexprofilfasern S. 87
2.4 Glasfasern für die Kurzstrecken-Datenübertragung S. 93
2.4.1 200 µm Glasfasern mit Kunststoffbeschichtung S. 93
2.4.2 Semi-Gradientenindexglasfasern S. 97
2.4.3 Glasfaserbündel S. 98
2.4.3.1 Quarzglasfaserbündel S. 98
2.4.3.2 Glasfaserbündel S. 100
2.5 Bandbreite optischer Fasern S. 103
2.5.1 Definition der Bandbreite S. 103
2.5.2 Experimentelle Bestimmung der Bandbreite S. 104
2.5.3 Experimentelle Bandbreitemessungen S. 107
2.5.3.1 Bandbreite von SI-POF S. 107
2.5.3.2 Bandbreitemessungen an SI-POF S. 112
2.5.3.3 Bandbreitemessungen an MC- und MSI-POF S. 117
2.5.3.4 Bandbreitemessungen an GI-POF S. 120
2.5.3.5 Bandbreitemessungen an MC-GOF und PCS S. 122
2.5.3.6 Vergleich von Bandbreitemessungen und Berechnungen S. 130
2.5.4 Chromatische Dispersion in Polymerfasern S. 133
2.5.5 Methoden zur Bandbreitevergrößerung S. 135