Kunststoff-Lichtleitfaser

Kunststoff-Lichtwellenleiter ( POF ) oder Polymer-Lichtwellenleiter sind optische Fasern aus Polymer . Ähnlich wie Glasfasern übertragen POF Licht (zur Beleuchtung oder Datenübertragung) durch ihren Kern. Ihr Hauptvorteil gegenüber Glasfasern liegt – bei sonst gleichen Eigenschaften – in ihrer Robustheit gegenüber Biegung und Dehnung.

DuPont entwickelte 1968 den ersten Polymer-Polymerfaserschaum (POF) mit einem PMMA- Kern. Darauf folgte Toray Industries , die 1972 einen POF mit einem Polystyrolkern (PS) entwickelte. ^{[ 1 ]}

Aufgrund der im Vergleich zu Glasfasern relativ hohen Dämpfung von POF wurden in der Folge Forschungsarbeiten von Universitäten und Unternehmen, darunter die Keio-Universität und Asahi Chemical, durchgeführt , die sich auf die Reduzierung der Dämpfung konzentrierten. Diese Bemühungen führten zur Entwicklung von POF mit PMMA-Kern und Dämpfungswerten unter 150 dB/km bei einer Wellenlänge von 650 nm. ^{[ 1 ]}

Giok Djan Khoe von der Technischen Universität Eindhoven und Yasuhiro Koike, Polymerwissenschaftler an der Keio-Universität, leisteten Pionierarbeit auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitsübertragung über Gradientenindex-Polymer-Lichtwellenleiter (GIPOF) und stellten 1999 einen Weltrekord von 2,5 Gbit/s auf. ^{[ 2 ]} Im Jahr 2001 demonstrierten sie, dass Gigabit-Übertragung sowie Übertragung mit Wellenlängenmultiplex möglich sind . ^{[ 3 ]} Die Übertragung über Singlemode-Quarzglasfasern ist für lange Distanzen überlegen, GIPOF ist jedoch aufgrund des deutlich größeren Durchmessers und der Flexibilität des Materials für kürzere Distanzen attraktiv, da es wesentlich einfacher zu handhaben ist.

Seit 2014 ist eine vollständige Familie von PHY- Transceivern auf dem Markt erhältlich, die die Entwicklung und Herstellung von Heimnetzwerkgeräten ermöglicht, welche Gigabit-Geschwindigkeiten ins Haus bringen.

Traditionell besteht der Kern von Polymer-Lichtwellenleitern aus PMMA (Acryl), das 96 % des Querschnitts einer Faser mit 1 mm Durchmesser ausmacht, während fluorierte Polymere als Mantelmaterial dienen . Seit Ende der 1990er-Jahre sind deutlich leistungsfähigere Gradientenindexfasern (GI-POF) auf Basis von amorphem Fluorpolymer (Poly(perfluorbutenylvinylether), CYTOP ^{[ 4 ]} ) auf dem Markt erschienen. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Während Glasfasern ausschließlich durch Ziehen hergestellt werden, können Polymer-Lichtwellenleiter auch durch Extrusion gefertigt werden. ^{[ 7 ]}

• Als Kernmaterial wird PMMA mit einem Brechungsindex von 1,49 verwendet.
• Im Allgemeinen besteht die Faserummantelung aus fluorierten Polymeren (Brechungsindex <1,40).
• Zwischen Kern und Mantel wird ein hoher Brechungsindexunterschied aufrechterhalten.
• Hohe numerische Apertur .
• Sie weisen eine hohe mechanische Flexibilität und niedrige Kosten auf.
• Die nach Industriestandard (IEC 60793-2-40 A4a.2) gefertigte Stufenindexfaser hat einen Kerndurchmesser von 1 mm. ^{[ 8 ]}
• Der Dämpfungsverlust beträgt etwa 0,1 dB /m bei 650 nm. ^{[ 8 ]}
• Die Bandbreite beträgt ~5 MHz-km bei 650 nm. ^{[ 8 ]}

POF wird aufgrund der geringen Kosten für Faser, zugehörige optische Verbindungen, Steckverbinder und Installation als „Verbraucher“-Glasfaser bezeichnet. Aufgrund ihrer Dämpfungs- und Verzerrungseigenschaften werden PMMA-Fasern häufig für Anwendungen mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit und kurzen Distanzen (bis zu 100 Meter) in digitalen Haushaltsgeräten, Heimnetzwerken, industriellen Netzwerken ( PROFIBUS , PROFINET , Sercos , EtherCAT ) und Fahrzeugnetzwerken ( MOST ) eingesetzt. Perfluorierte Polymerfasern werden hingegen häufig für deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten verwendet, beispielsweise für die Verkabelung von Rechenzentren und Gebäude -LANs .

Im Hinblick auf die zukünftigen Anforderungen an Hochgeschwindigkeits-Heimnetzwerke besteht ein zunehmendes Interesse an POF als möglicher Option für Gigabit-Verbindungen der nächsten Generation im Heimnetzwerk. [1] Zu diesem Zweck laufen mehrere europäische Forschungsprojekte, wie beispielsweise POF-ALL [2] und POF-PLUS [3] .

Polymeroptische Fasern eignen sich aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres hohen Widerstands für die Fernerkundung und das Multiplexing. ^{[ 9 ]}

Es ist möglich, Faser-Bragg-Gitter in ein- und mehrmodigen POF-Fasern zu erzeugen. Dies bietet Vorteile gegenüber Quarzglasfasern, da die POF-Fasern stärker gedehnt werden können, ohne zu brechen. Einige Anwendungen werden auf der PHOSFOS -Projektseite beschrieben.

POFs werden in Beleuchtungsanwendungen sowohl für industrielle als auch für private Zwecke eingesetzt, da sie Vorteile wie geringere Wärmeentwicklung und reduzierten Energieverbrauch sowie erhöhte Sicherheit in elektrisch gefährlichen Umgebungen bieten. ^{[ 10 ]}

Die beiden Haupttypen von POFs (Polyoxidfasern) für die kommerzielle Beleuchtung sind endemulierende POFs (EEPOF) und seitlich emittierende POFs (SEPOF), die Licht vom Faserende bzw. entlang der Faserlänge abgeben. Durch Verdrillen der Faser lässt sich die seitliche Emission verbessern, indem Störungen erzeugt werden, die die Totalreflexion unterbrechen. Dadurch kann Licht entlang der Faserlänge anstatt am Ende austreten. Zudem kann die Flexibilität von Faserbündeln erhöht werden. Dies hängt von Faktoren wie der Anzahl der gebündelten Fasern, ihrem Elastizitätsmodul und dem Verdrillungswinkel ab. ^{[ 11 ]}

Die in der Telekommunikation verwendeten optischen Fasern unterliegen der europäischen Norm EN 60793-2-40-2011.

Mehrere Normungsgremien auf nationaler, europäischer und globaler Ebene entwickeln derzeit Gigabit-Kommunikationsstandards für POF, die für Heimnetzwerkanwendungen vorgesehen sind. Die Veröffentlichung wird Anfang 2012 erwartet. [4]

Seitdem tagte eine IEEE-Studiengruppe und später eine Arbeitsgruppe bis zur Veröffentlichung des IEEE 802.3bv Amendment im Jahr 2017. IEEE 802.3bv definiert eine 1-Gigabit/s-Vollduplex-Übertragung über SI-POF mit roter LED. Dieses Verfahren wird als 1000BASE-RH bezeichnet.

Dieser Gigabit-POF-IEEE-Standard basiert auf Multilevel -PAM-Modulation , einer Rahmenstruktur, Tomlinson-Harashima-Vorcodierung und Multilevel-Coset-Codierung. Die Kombination all dieser Techniken hat sich als effizienter Weg erwiesen, kostengünstige Implementierungen zu realisieren und gleichzeitig die theoretisch maximale Übertragungskapazität des POF nahezu auszuschöpfen.

Weitere Alternativen sind Verfahren wie DMT , PAM-2 NRZ , DFE-Entzerrung oder PAM-4. Der VDE-Standard wurde 2013 veröffentlicht. ^{[ 12 ]} Nach der Veröffentlichung forderte das IEEE den VDE auf, die Spezifikation zurückzuziehen und die gesamte Arbeit dem IEEE zu übertragen. Der VDE zog die Spezifikation zurück, und im März 2014 wurde dem IEEE ein CFI vorgelegt. ^{[ 13 ]}

• CMOkonkwo, E. Tangdiongga, H. Yang, D. Visani, S. Loquai, R. Kruglov, B. Charbonnier, M. Ouzzif, I. Greiss, O. Ziemann, R. Gaudino, AMJ Koonen, „Aktuelle Ergebnisse aus dem EU-Projekt POF-PLUS: Multi-Gigabit-Übertragung über optische Kunststofffasern mit 1 mm Kerndurchmesser“, Journal of Lightwave Technology, Band 29, Nr. 2, S. 186–193, Januar 2011.
• Ziemann, O., Krauser, J., Zamzow, P. E., Daum, W.: POF Handbook – Optical Short Range Transmission Systems. 2. Aufl., 2008, Springer, 884 S., 491 farbige Abb., ISBN 978-3-540-76628-5
• I. Möllers, D. Jäger, R. Gaudino, A. Nocivelli, H. Kragl, O. Ziemann, N. Weber, T. Koonen, C. Lezzi, A. Bluschke, S. Randel, „Kunststoff-Lichtwellenleitertechnologie für zuverlässige Heimnetzwerke – Überblick und Ergebnisse des EU-Projekts POF-ALL“, IEEE Communications Magazine, Optical Communications Series, Band 47, Nr. 8, S. 58–68, August 2009
• R. Pérez de Aranda, O. Ciordia, C. Pardo, „Ein Standard für Gigabit-Ethernet über POF. Produktimplementierung“, Proceedings der POF-Konferenz 2011, Bilbao.
• S. Randel, C. Bunge, „Spektral effiziente Polymer-Lichtwellenleiterübertragung“, Coherent Optical Communications, Subsystems and Systems, Proc. SPIE Vol. 7960
• J. Lee, „Diskrete Multitonmodulation für optische Kurzstreckenkommunikation“, Dissertation, Technische Universität Eindhoven, 2009. Link .

• VDE-Gigabit-POF-Standard
• IEEE GEPOF Studiengruppe
• IEEE GEPOF-Arbeitsgruppe