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Seit Anfang der 1970er Jahre hat die Nachfrage nach höherem Kommunikations- und Informationsverkehr zu einem rasanten Wachstum des Glasfasernetzes geführt. Tatsächlich macht das moderne Glasfasernetz einen großen Teil des Internet-Backbones aus. Dazu gehören Fernkommunikationskabel mit Glasfasern, die unter dem Meer und durch unterirdische Leitungen verlaufen – Glasfasern, die Rechenzentren weltweit miteinander verbinden und Glasfaser bis ins Büro (FTTO) und bis ins Haus (FTTH) bringen.
In den letzten Jahren hat die Glasfaserindustrie ein noch rasanteres Wachstum erlebt. Die Glasfasertechnologie wird zunehmend für Kurzstreckenverbindungen zwischen Geräten wie Computernetzwerken, HD-Fernsehern sowie Motherboards und Komponenten in Computern eingesetzt. Optische Glasfasern, deren Struktur für Multimode und Singlemode hochentwickelt ist, haben sich weiterentwickelt – ebenso wie die meisten Kunststoff-Lichtwellenleiter für die Kommunikation über sehr kurze Distanzen. Viele Unternehmen haben zur Verbreitung der Glasfaseranwendungen und -formen beigetragen, darunter (um nur einige zu nennen) Alcatel, AT&T, Ciena, Cisco, Corning, Finisar, JDS Uniphase, Lucent Technologies und Tyco.
Die Herstellung von Glasfaserkabeln für die enorme Vielfalt des Glasfasernetzes ist eine milliardenschwere Industrie. Glasfaserkabel – sowohl Patchkabel als auch Interlinks für den Außen- und Innenbereich – müssen in einer Vielzahl von kundenspezifischen Formfaktoren erhältlich sein, um alle erforderlichen Verbindungsarten zu ermöglichen. Ein typisches Glasfaser-Patchkabel ist eine Glasfaser, die an beiden Enden mit Steckverbindern (wie SC, LC und MT) abgeschlossen ist. Diese ermöglichen den schnellen und zuverlässigen Anschluss des Patchkabels an andere Funktionsgeräte wie optische Schalter, Optokoppler, Verstärker und WDMs. Die Technologie des Glasfaserabschlusses umfasst spezielle Epoxidharze, Hochglanzpolieren, Inspektion und Prüfung auf Durchgang und Leistung.
Die Entwicklung von Polymerwellenleitern als alternative Lösung
Anfang der 1980er Jahre erkannten Ingenieure bei DuPont den Bedarf an einer einfacher herzustellenden, maßgeschneiderten Glasfaserbaugruppe. 1985 demonstrierten sie einen Wellenleiter, der in einem Polymerfilm fotoabgebildet war. Zwischen 1985 und 1998 entwickelte DuPont eine Technologie – und gründete später das Unternehmen Optical InterLinks (OIL) – zur Herstellung leistungsstarker, kostengünstiger und produktionsfähiger optischer Datengeräte.
Die Technologie nutzt einen Polymerwellenleiter: einen flexiblen, selbsttragenden Polymerfilm, der in einem Fotobildverfahren entwickelt wird und eine schnelle Vervielfältigung ermöglicht. Mögliche Funktionen sind Splitter/Kombinierer, abgestufte oder gestufte Indexprofile und optische Shuffles. 90-Grad-Verbindungen mit I/O-Spiegeln, Spiegel-/Oberflächenreflektoren und anderen optischen Oberflächen lassen sich leicht integrieren. Diese Technologie ermöglicht hochkompakte, kundenspezifische optische Sonden und Sensoren. Durch den Einsatz von Matrixverfahren können auch optische Sensoren hergestellt werden, bei denen zwei sich kreuzende Fasern optische Leistung übertragen, wenn Druck ihre Wellenleiterpfade verzerrt und so eine „Übersprechfunktion“ erzeugt. Kostengünstige Sensoren im Matrixformat könnten in Massenproduktion hergestellt werden und Druckpunkte problemlos messen, analog dazu, wie eine Hand ein Glas mit Handfläche und Fingerkuppen hält.
Dieser automatisierte Prozess könnte Massenanwendungen für die Kurzstreckenkommunikation, wie beispielsweise den Fahrzeug-Datenbus, ermöglichen. Da Autos immer komplexer werden, ist der Einsatz von hoch reproduzierbaren Glasfaser-Bussystemen aus Kunststoff, die sich kostengünstig in Stückzahlen von Tausenden (oder Hunderttausenden) reproduzieren lassen, von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen meiner Recherchen zu diesem Thema kontaktierte ich unter anderem Wayne Kachmar über sein Unternehmen Technical Horsepower Consulting und bat ihn um Beratung zur Polymer-Wellenleitertechnologie Optical InterLinks (OIL). Herrn Kachmars Erfahrung – über 38 Jahre in der Entwicklung, Prüfung, Spezifikationserstellung und Installation von Glasfaserkabeln – gab mir zusätzliche Einblicke in übergreifende Branchentrends und spezifische Möglichkeiten dieser Technologie. Laut dem Glasfaserkabelexperten Wayne Kachmar könnten Polymer-Wellenleiter aus den oben genannten Gründen eine konkurrierende Technologie in der Automobilindustrie darstellen.
Bedenken Sie, dass Polymerwellenleiter keine neue Technologie sind. Zwischen 1993 und 1997 unterstützte die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ein Projekt, in dem Optical InterLinks das flexible Polymerwellenleiter-Array zwischen PD/VCSELs und ihrer Parallel Optical Link Organization bereitstellte. Es folgte ein weiteres Projekt mit der DARPA, einer Behörde des US-Verteidigungsministeriums. Zahlreiche Veröffentlichungen, Prototypen und die Werbung für DARPA-Projekte weckten das Marktbewusstsein und das Interesse an Polymerwellenleitern. In 30 Jahren Arbeit mit dieser Technologie hat Optical InterLinks viele Feinheiten der Photochemie dieses Systems verstanden und die Leistung der hergestellten optischen Geräte weiter verbessert.
Warum hat sich diese Technologie in der Glasfaserindustrie nicht durchgesetzt?
Polymerwellenleiter haben großes Interesse geweckt, und einige Unternehmen beobachten diese Entwicklung schon seit längerem. Jede Technologie, die auf den Markt kommt, muss eine Nische finden und ein Problem lösen. In welchen Bereichen könnte diese Technologie Probleme lösen? Wayne Kachmars Beratung mit mir umfasste einige der vielversprechendsten Anwendungen und Möglichkeiten, die hier aufgelistet sind:
Computer-Motherboard-Anwendungen für Hochgeschwindigkeits-Computing
Die Möglichkeit, flexible OLED-Geräte (organische LEDs) optisch zu steuern – Bei „tragbaren Schildern“ würde ein Bildschirm auf Ihrem Hemd Daten empfangen und übertragen.
Automobil-Netzwerksysteme – Die durchschnittliche Kommunikationslast in Automobilen folgt eng dem Mooreschen Gesetz (die Rechenleistung verdoppelt sich alle 2 Jahre).
Was verhindert eine breite Einführung von Polymerwellenleitern in der Glasfaserindustrie?
In meinen Beratungen mit den Ingenieuren von Optical InterLinks und Branchenexperten wie Wayne Kachmar bin ich zu dem Schluss gekommen, dass es vier Hauptgründe dafür gibt, warum die Polymerwellenleitertechnologie noch nicht vollständig in unsere Branche integriert wurde:
Obwohl die Polymerwellenleitertechnologie von Optical InterLinks 30 Jahre alt ist, ist sie immer noch einzigartig. In mancher Hinsicht ist diese Technologie ihrer Zeit voraus. Sensortechnologie, Datenbusse in der Automobilindustrie und optische Backplanes für Computer entwickeln sich zwar schnell weiter, erfordern aber noch nicht die Geschwindigkeit und Einfachheit dieser Technologie. (Metallische Leitsysteme wie Kupferbussysteme haben die Erwartungen der Experten deutlich übertroffen, auch wenn wir möglicherweise an die Grenzen von Kupfer stoßen.) Die Erstellung einer Fotoabbildungsvorlage erfordert eine Bibliothek photonischer Elemente und Regeln für Abstände, Mindestkrümmungsradien, modale Füllung usw. Optical InterLinks hat viele dieser Komponenten für seine Polymerwellenleitertechnologie entwickelt, sie haben sich in der Glasfaserindustrie jedoch noch nicht etabliert.
Alternative Technologien mit Si und si-basierten Materialien zielen darauf ab, Wellenleiterstrukturen herzustellen, die kleiner, dichter und billiger sind. Methoden zur Integration von Lichtquellen und -verstärkung in siliziumbasierte Lösungen werden von einer Mischung von Unternehmen, darunter Systemhäuser und Hersteller (photonischer) integrierter Schaltkreise, mit einer großen Vielfalt konkurrierender Lösungen untersucht. Unternehmen, die sich für eine tiefere Durchdringung von integriertem Licht in Schaltkreisen einsetzen, bevorzugen es, innovative Technologien selbst zu entwickeln und zu pflegen. Die Tendenz geht dahin, diese geschützten Informationen intern zu behalten, anstatt mit externen Partnern zusammenzuarbeiten. Aufgrund des fehlenden geistigen Eigentums an der Polymerwellenleitertechnologie handelt es sich praktisch um eine Open-Source-Technologie. Das bedeutet aller Wahrscheinlichkeit nach, dass kein einzelnes Unternehmen große Summen in ihre Weiterentwicklung investieren würde. Andererseits bedeutet dies, dass die Tür für jeden offen steht, der die Technologie übernimmt und in seine Anwendung integriert.
Das Aufkommen biegeunempfindlicher Fasern hat das Interesse an der Polymerwellenleitertechnologie von Optical InterLinks für Anwendungen mit hoher Bandbreite stark eingeschränkt. Auch die Schwierigkeiten bei der Konnektierung konventioneller Fasern könnten mit der rasanten Weiterentwicklung und Akzeptanz der additiven Technologie (auch bekannt als 3D-Druck) zur Herstellung (Drucken) von Glasfaserverbindern hinfällig werden. Diese neuen, konkurrierenden Technologien – biegeunempfindliche Fasern und additive Technologie – werden sich voraussichtlich für Anwendungen wie optische Backplanes für Computer durchsetzen. Diese Technologien sind hoch patentierbar und bieten Potenzial für die Massenproduktion. In meinem Gespräch mit Wayne Kachmar äußerte er eine interessante Idee: „In der Automobilwelt könnten zwei Technologien, die zusammenarbeiten – die additive Technologie und die Polymerwellenleitertechnologie von OIL – eine bahnbrechende Lösung für automobile Daten-Backbones sein. Diese Nische bietet potenziell das Volumen, die Nachfrage und die Anforderungen, um Polymerwellenleiter voranzubringen. Diese Anwendung könnte hervorragend zur Polymerwellenleitertechnologie passen.“
Die Terminierung von Polymerwellenleitern ist immer noch ein manueller Prozess und muss stärker automatisiert werden. Da Wellenleiter jedoch immer weiter in elektronische Chips vordringen, wird die Standard-Steckerterminierung mit SC, LC und MT fast wie ein Pigtail außerhalb des Chips fortgeführt. Beim Anschließen des Pigtails an die Chip-Emitter oder -Detektoren könnten sich jedoch andere Methoden der Lichtkopplung, wie etwa die additive Technologie, auf dem Chip durchsetzen. Dies könnte anderen Methoden, einschließlich Polymerwellenleitergeräten, den Einzug in den Inter-Chip-Bereich ermöglichen. Aufgrund vieler technischer Details, wie etwa der Nichtübereinstimmung des Brechungsindex, der Form von flachen und runden Wellenleitern sowie einer Reihe anderer physikalischer Herausforderungen, angefangen mit dem Unterschied in der thermischen Schrumpfung von Polymer und Glas (und somit des Siliziumsubstratmaterials), ist es jedoch unwahrscheinlich, dass sich die Schnittstelle zwischen Chip und Glasfaser der Verbindung dadurch ändern wird.
Abschluss
Die Polymerwellenleitertechnologie von Optical InterLinks hat in der Glasfaserindustrie noch keine Nische gefunden. Zwar haben viele Innovationen im Laufe der Geschichte mehrere Befürworter und folgen mehr oder weniger parallelen Wegen – beispielsweise der „elektrische“ Streit zwischen Nikola Tesla und Thomas Edison oder der „Formatkrieg“ zwischen Betamax und VHS-Kassetten –, doch meist setzt sich eine Technologie durch und führt zu einer Standardisierung der Branche. In einigen Technologien und Branchen, in denen Rechenleistung gerade erst an Bedeutung gewinnt, wie etwa in der Sensorik und Automobiltechnik, könnten Polymerwellenleiter Fuß fassen. Wayne Kachmar brachte es in unserem Gespräch treffend auf den Punkt: „Diese spezielle Technologie bietet Chancen. Polymerwellenleiter sind vielversprechend für die Glasfaserindustrie.“
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