Konzeption eines optischen Übertragungssystems mit Wellenlängenmultiplex-Technologie und polymeren Lichtwellenleitern als Lehr- und Laborsystem

Zusammenfassung: Die Bedeutung der optischen Technologien für die Zukunft des Wirtschaftsstandorts Deutschland wächst zusehends. Eine fundierte Vermittlung von optischem Fachwissen durch Universitäten, Fachhochschulen und berufsbildende Einrichtungen ist nur durch den Einsatz optischer Versuchs- und Experimentiersysteme möglich, mit denen Studierende und Auszubildende die theoretischen Inhalte in der Praxis nachvollziehen können. Dieses Paper stellt Aufbau und Funktionsweise eines solchen Systems dar, welches im Verlauf der letzten beiden Jahre an der Hochschule Harz entwickelt wurde, und gibt einen Ausblick auf künftige Entwicklungsperspektiven.

1 Einführung

Optische Technologien gehören zu den zukünftigen Schlüsseltechnologien in einer Vielzahl produzierender Branchen – und haben damit eine enorme Bedeutung für die weitere Entwicklung des Wirtschaftsstandorts Deutschland. Schon heute sind mehr als 15% aller Arbeitsplätze im verarbeitenden Gewerbe direkt im Bereich der optischen Technologien angesiedelt oder werden von diesen beeinflusst. Licht ist damit eines der wichtigsten Werkzeuge der nahen und mittleren Zukunft: es ist universell und äußerst flexibel einsetzbar, kosteneffizient, umweltschonend sowie gesundheitsneutral – und beinahe monatlich eröffnen sich neue Perspektiven in der technischen und industriellen Anwendung [1].

Der durch diese Entwicklung bedingte hohe Innovationsdruck hat insbesondere auf dem Infotainment-Markt zu stark gestiegenen Ansprüchen an den maximalen Datendurchsatz von optischen Übertragungssystemen geführt. Der aktuelle Markt fordert schnelle Sende- und Empfangskomponenten, mit denen sich der Transport von Informationen mit Übertragungsgeschwindigkeiten im Tbit/s-Bereich technisch realisieren lässt [2].

Solche fortschrittlichen Systeme basieren zumeist auf optoelektronischen Verfahren wie dem Multiplexing, wobei sich insbesondere das Zeitmultiplexing (TDM, Time Division Multiplex) und das Wellenlängenmultiplexing (WDM, Wavelength Division Multiplex) als zukunftsträchtige Übertragungsmethoden herauskristallisiert haben [3]. Als Medium für die Übertragung der optischen Signale kommen dabei neben Glasfasern auch immer häufiger optische Polymerfasern (POF, Polymer Optical Fibre) zum Einsatz, die aufgrund ihres einfachen Handlings und ihrer kostengünstigen Herstellung zunehmend an Bedeutung gewinnen und mittlerweile als zukünftiger Quasi-Standard im Inhouse- und im Automotive Bereich  gelten [4].

Die Vermittlung sowohl von theoretischen als auch praktischen Kenntnissen an der WDM-POF-Kombination wird daher eine der zukünftigen Schwerpunktaufgaben von Universitäten, Fachhochschulen und berufsbildenden Einrichtungen mit Lehrangeboten im Bereich der optischen Nachrichtentechnik sein. Für die zukunftsorientierte und praxisnahe Ausbildung der Technikergeneration von morgen werden insbesondere Versuchs- und Experimentiersysteme benötigt, mit denen die in den Vorlesungen vermittelten theoretischen Inhalte in der praktischen Ausführung nachvollzogen werden können. Das vorliegende Paper stellt ein solches optisches Lehrsystem – „OPTOTEACH“ – vor, welches im Verlauf der letzten beiden Jahre im Fachbereich Automatisierung und Informatik der Hochschule Harz entwickelt wurde und mittlerweile auch anderen Bildungseinrichtungen zur Verfügung steht.

2 Wissenschaftliche Grundlagen

2.1 Wellenlängenmultiplex-Verfahren

Beim Wellenlängenmultiplex-Verfahren oder WDM handelt es sich um ein optoelektronisches Frequenzmultiplexverfahren, welches bei der Übertragung von Daten über Lichtwellenleiter (Glasfasern oder POF) zum Einsatz kommen kann. Dabei wird für jeden Übertragungskanal, d.h. für jedes zu übertragende Einzelsignal, Licht einer anderen Wellenlänge eingesetzt – jeder dieser einzelnen Kanäle kann also separat mit einem Sendersignal moduliert werden. Eine Übersicht der verwendeten Frequenzbereiche bei Glas- und Polymerfasern findet sich in Abb. 1. Deutlich ist zu erkennen, dass die Dämpfung in den beiden Lichtwellenleitern deutliche Unterschiede aufweist und daher auch jeweils ein anderes Wellenlängenspektrum zur Übertragung genutzt werden sollte.



Die auf diese Weise modulierten Signale werden anschließend über ein geeignetes Koppelelement – den optischen Multiplexer (MUX) – zusammengeführt und können so parallel auf einem einzigen Lichtwellenleiter übertragen werden. Am Ende der Übertragungsstrecke werden die einzelnen Signale mit Hilfe eines optischen Demultiplexers (DEMUX) wieder voneinander separiert [5].

Für spezielle Anwendungen im WDM-Bereich existieren zudem zwei Sonderlösungen:


2.2 Optische Polymerfasern

Optische Polymerfasern bestehen aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat (PMMA, auch als Plexiglas oder Acrylglas bekannt) umgeben von einem dünneren Mantel mit geringerer Brechzahl. Wird Licht in die POF gestrahlt, kommt es aufgrund des Brechzahlunterschieds zur sogenannten Totalreflexion, d.h. das Licht wird beim Auftreffen auf die Innenseite des Mantels nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert. Zur Totalreflexion kommt es immer dann, wenn Licht aus einem optisch dichteren Stoff (in diesem Falle das PMMA) kommend auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Stoff (in diesem Falle die Mantelinnenseite) trifft, solange der Grenzwinkel nicht größer als der Eintrittswinkel ausfällt. Die Größe der Differenz zwischen den beiden Brechzahlen wirkt sich dabei direkt auf den maximalen Austrittswinkel des Lichts aus.

Die Dämpfung, d.h. die Verringerung der Amplitudenhöhe und damit der Signalverlust über die Streckenlänge, ist beim Einsatz von POF bei 450nm (blau), 520nm (grün) und 560nm (gelb) am geringsten, so dass sich insbesondere diese Farben aus dem sichtbaren Spektralbereich (450nm bis 700nm) für die Datenübertragung eignen, wobei der OPTOTEACH-Sender aus wirtschaftlichen Gründen auch eine rote LED (660nm) enthält (siehe 3.2). Die maximale Länge der Übertragung wird durch die Dämpfung auf 100-120m beschränkt, die maximale Einsatztemperatur der Fasern liegt bei etwa 75˚C.

3 Technisches Konzept

3.1 Aufbau des Systems

Die aktuellen OPTOTEACH-Systeme der ersten Generation bestehen aus zwei Sendern für die Videoübertragung, einer LED und einem Laser die im cw-Betrieb arbeiten sowie zwei Empfängern. Das System ist in der Lage, zwei analoge FBAS-Videosignale oder entsprechende Testsignale (siehe 3.2) mit einer maximalen Bandbreite von 10MHz zu übertragen. Als Sender dienen LEDs im sichtbaren Wellenlängenbereich, deren Einsatz die preiswerte Fertigung des Systems gestattet und das Verständnis der WDM-Technologie fördert, da der WDM-Effekt (siehe 2.1) visuell direkt nachvollzogen werden kann. Das Licht der beiden Sender wird durch einen konventionellen Y-Koppler der Firma Ratioplast Optoelectronics GmbH  zusammengefasst, die Aufteilung am Ende der Übertragungsstrecke erfolgt mittels eines Ratioplast-Splitters sowie roter und blauer Farbfilter. Die Signale werden über von Versuch zu Versuch variierende Steckenlängen von 5m bis 50m POF übertragen, wobei die Strecke durch einen μm-Verschiebetisch unterbrochen werden kann, mit dem sich Koppelverluste an geschnittenen oder polierten Faserflächen sowie lateraler, longitudinaler und Winkelversatz analysieren und vermessen lassen. Die einzelnen hier genannten Systemkomponenten werden in den nachfolgenden Abschnitten im Detail dargestellt. Der generelle Aufbau des Systems kann Abb. 2 entnommen werden.



3.2 Der Sender

Zur Umwandlung der elektrischen Ausgangssignale in optische Signale werden zwei verschiedenfarbige LEDs verwendet (blau bei 470nm und rot bei 660nm). Obwohl die Dämpfung bei 660nm vergleichsweise groß ist (siehe Abb. 1), lohnt sich der Einsatz der roten LEDs, da diese für CD- und DVD-Player in großen Mengen von der Industrie hergestellt werden und demzufolge zu niedrigen Stückpreisen eingekauft werden können.

Das eingehende elektrische Signal wird zunächst durch eine hochohmige Operationsverstärkerschaltung angepasst. Die Spannungsverstärkung ist direkt regelbar, um einerseits eine Anpassung der verschiedenen Eingangssignale an die nachfolgende Schaltung zu gewährleisten und andererseits den Lernenden die Möglichkeit zu geben, die Auswirkungen verschieden starker Spannungsverstärkungen in einer gegebenen Situation auf die Qualität der Übertragung experimentell zu untersuchen. Zur Einstellung der Spannungsverstärkung dient ein in das Sendergehäuse integriertes hochauflösendes Potentiometer. Im Anschluss an die Signalverstärkung wird dem Signal ein Gleichspannungs-anteil aufgeprägt, der ebenfalls direkt manipuliert werden kann. Auch die Modulationstiefe ist mittels eines weiteren Potentiometers stufenlos regelbar.

Die Treiberschaltung wurde speziell für die Übertragung von Videosignalen konzipiert, wobei das Eingangssignal sowohl direkt von einer Videokamera eingespeist als auch von einem Testbildgenerator erzeugt werden kann. Die übertragenen Signale können auf einem Videomonitor angezeigt und qualitativ beurteilt werden. Möglich ist auch die Übertragung anderer Signalarten, beispielsweise eines Sinussignals, welches durch einen Funktionsgenerator erzeugt und auf einem Oszilloskop dargestellt werden kann. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise der Einfluss der Faserlänge (bei POF maximal bis etwa 120m, siehe Abschnitt 2.2) auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) darstellen.

Die Bandbreite der Sender liegt bei 40MHz auf einer Strecke von 20m und bei 35MHz auf einer Strecke von 50m. Die Begrenzung der Bandbreite ist auf die Bandbreite der verwendeten Operationsverstärker zurückzuführen.

3.3 Optischer Multiplexer

Die Zusammenführung der optischen Signale erfolgt mittels eines einfachen Y-Kopplers, in dem die beiden Fasern zusammengeführt und die übertragenen Signale direkt auf eine dritte Faser geleitet werden. Diese Lösung ist insofern technisch ineffizient, als dass lediglich zwei Signale ohne großen Koppelverlust zusammengeführt werden können – bei drei oder mehr Signalen können die Koppler zwar auch kaskadiert werden, hierbei kommt es jedoch zu exponentiell steigenden Signalverlusten.

Für zukünftige Serien des Lehrsystems ist darum der Austausch des Kopplers gegen einen an der Hochschule Harz selbstentwickelten optischen Multiplexer geplant, welcher sich zur Zeit noch in der Patentierung [6] befindet, und mit dem sich drei bis sechs Signale effizient zusammenführen lassen werden.

3.4 Optischer Demultiplexer

Die Aufspaltung des kombinierten optischen Signals in die Ausgangsfarben Rot und Blau erfolgt durch den Demultiplexer, bestehend aus einem optischen Splitter und zwei Farbfiltern. Das eingehende Licht wird zunächst durch einen optischen Splitter in zwei Kanäle aufgeteilt, die Zerlegung in die beiden Farbkanäle erfolgt dann durch Farbfilter, die im Empfängermodul unmittelbar vor den Fotodioden angebracht sind.

Auch hier ist für zukünftige Serien des Lehrsystems der Austausch dieser zwei Komponenten durch einen selbstentwickelten optischen Demultiplexer geplant, für den zur Zeit ebenfalls ein Patentierungsverfahren angestrengt wird [7]. Anstelle von Farbfiltern kommen in diesem Funktionsbauteil ein Prisma und mehrere Linsen zum Einsatz, durch die auch mehr als zwei Kanäle separiert werden können [8]. Durch diesen Demultiplexer ergeben sich für die Zukunft Erweiterungsmöglichkeiten für das OPTOTEACH-System (siehe 4).

3.5 Der Empfänger

Die Umwandlung der durch den Demultiplexer wiederhergestellten einzelnen optischen Signale in elektrische Signale findet im Empfänger statt. Die Zerlegung der beiden Kanäle (siehe 3.4) erfolgt dabei unmittelbar vor zwei Si-PIN-Fotodioden, die aus einer p-dotierten, einer n-dotierten und einer intrinsischen Schicht bestehen. Diese Fotodioden wandeln die optischen Signale in einen elektrischen Strom um. Dieser Strom bewegt sich lediglich im Bereich von einigen Milliampere, daher wird das Ausgangssignal erst über eine nachfolgende zweistufige Verstärkerschaltung wiederhergestellt.

Bei der ersten Stufe dieser Verstärkerschaltung handelt es sich um einen Transimpedanzverstärker, welcher den von der Fotodiode emittierten Strom unmittelbar in eine Spannung verwandelt, die zweite Stufe besteht aus einem invertierenden Verstärker, mit dessen Hilfe Offset und Signalverstärkung manipuliert werden können. Dies ermöglicht es den Lernenden, die Ausgangssignale bis zu einem gewissen Grad zu manipulieren, wobei der Offset sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann.

Abb. 3 zeigt ein vollständig aufgebautes OPTOTEACH-System aus der Aufsicht und zeigt, wie die beschriebenen Funktionsbauteile und Elemente angeordnet sind.



3.6 Lehr- und Lerninhalte

Die nachfolgende Auflistung zeigt die wesentlichen Messungen und Versuche, die sich mit dem Lehrsystem durchführen lassen:

• Bestimmung des Einflusses elektromagnetischer Felder
• Bestimmung der PI-Kurven verschiedener Sendeelemente
• Bestimmung von Übertragungsbandbreite und S-Parameter
• Bestimmung der Modulationscharakteristik (AM, ASK, PCM)
• Messung der Dämpfung bei unterschiedlichen Faser- und Wellenlängen
• Analyse des Einflusses von Fehlausrichtungen und Stoßstellen (μm-Tisch)
• Analyse des Einflusses von Offset sowie sender-/empfängerseitiger Verstärkung

Liegt ein Bitfehlerratenmessgerät (BERT, Bit Error Rate Tester) vor, kann zudem die Bitfehlerrate der Übertragung unter veränderbaren Umständen gemessen werden.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Die enorme Bedeutung der optischen Technologien für Gegenwart und Zukunft des Wirtschaftsstandorts Deutschland verlangt nach einer umfassenden und erstklassigen theoretischen und praktischen Ausbildung junger Technikerinnen und Techniker an optischen Systemen und Strecken. Insbesondere die Kombination des WDM-Verfahrens mit POF als Lichtwellenleiter wird zukünftig an Bedeutung zunehmen, darum ist neben einer fundierten theoretischen Einführung auch das praxisorientierte Experimentieren an solchen Technologien Bestandteil einer erfolgreichen Wissensvermittlung. Das in diesem Paper vorgestellte optische Lehrsystem OPTOTEACH ermöglicht eine Vielzahl praxisrelevanter Versuche sowohl zur WDM-Übertragung als auch zum POF-Einsatz sowie zur Kombination der beiden Technologien und kann daher besagte Wissensvermittlung optimal unterstützen.

Wenngleich die Nullserie der Systeme bereits in verschiedenen Einrichtungen deutschlandweit für die Lehre eingesetzt wird, ist die Entwicklung und Optimierung der hier beschriebenen Technologie noch nicht endgültig abgeschlossen. Die nächsten Entwicklungsschritte bestehen in der technologischen Aufwertung des Übertragungssystems durch den Einsatz selbstentwickelter Multiplexer und Demultiplexer, sowie der Fertigstellung einer in die Versuchsabläufe integrierten interaktiven Lernsoftware.

Zukünftige Generationen von OPTOTEACH sollen nicht mehr mit Splittern und Farbfiltern, sondern mit den in 3.4 bereits angesprochenen selbstentwickelten Demultiplexern ausgestattet werden, die sich zur Zeit in der Patentierung befinden. Dieser Demultiplexer wird das Auftrennen von drei optischen Signalen ermöglichen und den Lernenden eine weitaus ausgefeiltere Technologie zur Verfügung stellen. Zurzeit existiert dieses Bauteil als Raytracing-Modell (erstellt mit der optischen Simulationssoftware OPTALIX ), die Herstellung des ersten Prototypen ist für Anfang 2007 vorgesehen. Auch die zum Zusammenführen der Lichtsignale eingesetzten Koppler sollen langfristig durch die in 3.3 angeführten selbstentwickelten integriert-optischen Multiplexer ersetzt werden, wodurch nicht nur die Übertragungsstrecke eine technische Optimierung erfährt, sondern auch der didaktische Wert des Lehrsystems gesteigert wird, da es den Lernenden durch Multiplexer und Demultiplexer möglich gemacht wird, mit patentrechtlich geschützter High-End-Technologie zu experimentieren.

Ferner ist die Fertigstellung einer sich bisher im Beta-Stadium befindlichen interaktiven Lernsoftware geplant, die allen ab dem Sommersemester 2007 ausgelieferten Lehrsystemen beiliegen wird. Die Software wird sich vollständig in den Versuchsablauf integrieren lassen und neben Hilfestellungen zu Versuchen auch theoretische Hintergrundinformationen anbieten. Eine solche Kombination aus Lehrsystem und Lernsoftware wird auch als „Augmented Learning“ bezeichnet und kann Lehrende dabei unterstützen, die praxisbezogenen Laborveranstaltungen näher an das Wunschbild eines hohen Grades an Autonomie der Lernenden heranzuführen. Den Lernenden wird es durch die Software ermöglicht, parallel zur Arbeit mit dem Lehrsystem wesentliche theoretische Inhalte schnell nachzuschlagen oder bei Problemen während des Versuchsablaufs ohne die Unterstützung des Lehrenden zu einer Lösung zu gelangen [9].

Die weiteren Entwicklungsaufgaben werden in wesentlichen Teilen von der HarzOptics GmbH  – Institut zur Förderung der optischen Hochtechnologie in der Harzregion – übernommen werden, einem zu diesem Zweck geplanten neuen An-Instituts der Hochschule Harz, welches sich zur Zeit in der Gründungsphase befindet.

Literatur

 
Danksagung

Die Entwicklung des hier dargestellten optischen Lehrsystems wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit /BMWA) sowie den Europäischen Sozialfonds (ESF) finanziell und organisatorisch unterstützt. Ferner danken wir Herrn Dr. Kragl, Geschäftsführer der DieMount GmbH, für seine Unterstützung bei der Beschaffung von Lasermodulen für die Systemprototypen.