Taschenbuch der Telekom Praxis 1994 3794905687

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XVI

taschenbuch der telekom praxis 1994 31. Jahrgang

Herausgeber:

Dipl.-Ing. Bernd Seiler

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Herausgeber: Dipl.-Ing. Bernd Seiler, Eschenweg 6, 64397 Modautal, 062542958 Verantwortlich für die Redaktion: Dipl.-Ing. Bernd Seiler und Dipl.-Ing. Jörg Heydel Für die sachliche Richtigkeit der Beiträge sind die namentlich genannten Autoren verantwortlich, die auch spezielle Fragen nach Möglichkeit beantworten. Die Beiträge aus dem Bereich der DBP Telekom müssen nicht mit deren Ansichten übereinstimmen. Mitarbeiter des „taschenbuch der telekom praxis“ 1994 Dipl.-Ing. Wolfgang Bambach, Fockenhalde 22, 71720 Oberstenfeld Dipl.-Ing. Dirk Eberling, Plehmpfad 29, 12557 Berlin Dipl.-Ing. Helmut Feilhauer, August-Lämmle-Str. 17, 73660 Urbach Dipl.-Ing. Eckart Flor, Zeilharder Str. 15, 64354 Reinheim Dipl.-Ing. Manfred Frödrich, Lea-Grundig-Str. 30, 12679 Berlin Dr. Roland Fuest, Kastanienweg 17, 76297 Stutensee Dipl.-Ing. Karlheinz Grotz, Wilhelmstr. 25, 70737 Fellbach Dipl.-Ing. Matthias Hedrich, Leonberger Str. 32, 71686 Remseck Dr. Harald Herrmann, Erlenweg 3, 33102 Paderborn Dipl.-Ing. Wolf-Rüdiger Henkel, Marxstr. 7, 15827 Dahlewitz Dr. Bernhard Kaspar, Von-Eppstein-Str. 2, 64646 Heppenheim Dipl.-Ing. Gerhard Koch, Ludwigstr. 41, 64584 Biebesheim Dipl.-Ing. Michael Kölling, Grellstr. 32, 10409 Berlin Dipl.-Ing. Klaus Krull, Kantstr. 3, 71554 Weissach Dr.-Ing. Bernd Lochschmidt, Heidelberger Sır. 23, 64395 Brensbach Dipl.-Phys. Ines Marlow, Rosenthaler Str. 40-4lc, 10178 Berlin Dr.-Ing. Jürgen Matt, Schumannsir. 6, 71686 Remseck Dipl.-Ing. Wolfgang Sachs, Fichtelbergstr.2, 12685 Berlin Dr.-Ing. Gerhard Schünemann, Greifswalder Str. 118, 10409 Berlin Dr.-Ing. Jürgen Seidenberg, Schönauer Friede, 52072 Aachen Dipl.-Ing. Wolfgang Schmid, Im Sonnenwinkel 32, 73733 Esslingen Dipl.-Phys. Wilfried Schulz, Kölpiner Str. 18, 12689 Berlin Dipl.-Ing. Bernhard Spindler, Barkhausstr. 63, 64289 Darmstadt Dipl.-Ing. Ulrich Steigenberger, Im Langen Hau, 70565 Stuttgart Dipl.-Ing. Andreas Templin, Wallstr. 4, 10179 Berlin Dipl.-Ing. Norbert Vogt, Raiffeisenstr. 10c, 64331 Weiterstadt Dipl.-Ing. Thomas Wächter, Hauptstr. 25a, 69488 Birkenau Dipl.-Ing. Markus Wiederspahn,

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Dipl.-Ing. Hans Gerd Zielinski, Hauptstr. 76, 71576 Burgstetten Für die in diesem Buch enthaltenen Angaben wird keine Gewähr hinsichtlich der Freiheit von gewerblichen Schutzrechten (Patente, Gebrauchsmuster, Warenzeichen) übernommen. Auch in diesem Buch wiedergegebene Gebrauchsnamen, Handelsnamen und Warenbezeichnungen dürfen nicht als frei zur allgemeinen Benutzung im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung betrachtet werden. Die Verletzung dieser Rechte im Rahmen der geltenden Gesetze ist stralbar und verpflichtet zu Schadenersatz. ISBN 3 7949 05687 ISSN 0082-1764 © 1994 Fachverlag Schiele & Schön GmbH Markgrafenstraße 11, D-10969 Berlin-Kreuzberg Tel.-Sa.-Nr. 030/251 60 29, Telefax 030/251 72.48 Druck: Kutschbach Druck, Berlin Printed in Germany

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Vorwort

Vorwort zum 31. Jahrgang Mit der Übernahme der Verantwortung für dieses nunmehr seit über 30 Jahren

erscheinende, erfolgreiche Standardwerk stellt sich, bei aller Kontinuität, den-

noch die Frage nach dessen zukünftiger Standortbestimmung. Dabei geht es

keinesfalls darum, den eingeschlagenen Weg unbedingt verlassen zu wollen und damit die bisherige Konzeption in Zweifel zu ziehen. Gemeint ist vielmehr der stete Zwang zur Anpassung an sich allgemein und immer schneller

verändernde Randbedingungen.

Allein die gewaltige Dynamik, mit der die Telekommunikation, die kommerzi-

individuelle Informationsverarbeitung und die klassische Unterhaltungselektronik sich derzeit entwickeln und sich dabei gegenseitig immer stär-

elle und

ker durchdringen, erfordert neue Gestaltungsgrundsätze und größere Transparenz. Gerade angesichts eines stetig wachsenden Themenspektrums müssen

präzis aufeinander abgestimmte Beiträge die aktuelle und umfassende Information des Lesers garantieren. Ohne gleichzeitig auf die vom „taschenbuch der telekom praxis“ erwartete In-

formationstiefe verzichten zu müssen, bietet sich die Bildung von Themen-

schwerpunkten an. In dieser Kombination sieht die Redaktion eine der entscheidenen Stärken dieses Jahrbuchs der Kommunikationstechnik als Bindeglied zwischen einschlägigen Zeitschriften und Publikationen mit Lehrbuchcharakter.

In diesem Sinne haben wir in diesem Jahrgang die optische Übertragungstech-

nik im Teilnehmeranschlußbereich und die Voraussetzungen für neue Dienste-

anwendungen in den Vordergrund gerückt. Gerade diese für die gesamte Volkswirtschaft so aussichtsreich erscheinenden Bereiche sind zur ErschlieBung eines gewaltigen Anwendungs- und Marktpotentials auf die Zusammen-

arbeit vieler Guppen angewiesen und stehen daher im Mittelpunkt des Interesses. Das große Engagement der Telekom in diesem Feld findet derzeit weltweite Beachtung

und könnte angesichts der bevorstehenden

Liberalisierung

der Telekommunikationsmärkte zur existenzieller Bedeutung avancieren. Eine zu weitgehende Thematisierung der Beiträge dieses Taschenbuchs

darf

andererseits nicht dazu führen, daß noch Spektakuläres oder das, was dafür ge-

5

Vorwort

halten wird, im Vordergrund steht. Wir werden uns daher auch in Zukunft ernsthaft darum bemühen, dem über den gesamten Telekommunikationsbereich gefächerten Interesse unserer Leserschaft nachzukommen. Für Anregungen, aber selbstverständlich auch für konstruktive Kritik, steht Ihnen die Redaktion jederzeit zur Verfügung.

Modautal im November

1993

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis Grundgedanken zur Einführung optischer Anschlußleitungsnetze bei der Deutschen Bundespost Telekom (Eckart Flor).........ssneessessssnsenennnnsensnnenennsnnsnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnannnennnnnnü

13-17

Gestaltung und Planung von Glasfaseranschlußnetzen

(Dirk Eberling, Wolf-Rüdiger Henkel, Michael Kölling,

Gerhard Schünemann und Norbert Vogt) ............nnnnnn Zielstellung für die Einführung optischer Anschlußleitungen .. un Lösungsweg..........nnansessssnsennsenssnnennnennnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnenaennennnnnnnnnnnnnnnnnn Vor- und Nachteile optischer Anschlußleitungsnetze...... nn. Kostenregressionen als Mittel für die Bewertung netztechnischer Lösungen.. Funktions- und Kostenanalyse von Teilnehmeranschlußnetzen can...

23

Trendanalyse der Gesamtkosten eines Ortsnetzes mit metallischen und optischen Anschlußleitungen.........

un

Planungsgrundsätze für optische Anschlußleitungsnetze......nnnn. Schlußfolgerungen und Ausblick auf künftige Versorgungserfordernisse.........

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen... ann

Technische Gestaltung von OPAL-Netzen (Manfred Frödrich, Ines Marlow, Wolfgang Sachs, Winfried Schulz und Andreas Templin)... Einführung ................. nenn

Übertragungs- und Netzarchitektur ..............

18-39 18 19 19 20 32

35 37 38

u un

Übertragungssystem für Interaktive Dienste... FR Glasfaser-Leitung.................nnnnnnnn un Gestelle und Gehäuse . STTOMVETSOTBUNB ........2eennennennennnennennnnnnnnannnnenannnnnnennnnennnnenannannnnnnnnnnnnnnn . Betriebsführungssystem .......ananananannnnennnnnnnnnnn “ Verwendete Abkürzungen ....nnnessnnssennnenanunnnnnnnnsennnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnn

40-105 40 42

47 68 77 82 84 104

Untersuchungen zur Realisierung eines europaweiten integrierten Breitband-

Kommunikationsnetzes innerhalb von RACE-ACCESS und RACE-FIRST (Jürgen Seidenberg) ............unennessneneeneennennnnenannennnnennnennnnnnnnnnnnnnnnnnnn Einleitung.................ensssssenssnsensennsennenennennnnnnnnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnnnnnnnnnnnn R1030: ACCESS - Advanced Customer Connections,

an Evolutionary System Strategy, Abschnitt

1. nn

R1030: ACCESS - Advanced Customer Connections, an Evolutionary System Strategy, Abschnitt 2. . . nn RACE R2014: FIRST - Fiber to the Residential Subcriber Terminal ............. Technische Probleme bei FTTH-Systemen mit optischen Verstärkern, die im Rahmen von RACE ACCESS/FIRST untersucht wurden oder werden .ü1....... Zukünftige Untersuchungen innerhalb RACE-FIRST

ana.

Schrifttum .......unaennesenssnssssssensenssnsenennnnnnnnennennnannnssnnnnennnnnsenennnnaennnenaennennnnnnn

8

106-123 106 108

ı1l 113 115 122

123

SIEMENS Ob synchron oder plesiochron: Der K 4302 analysiert in beiden UÜbertragungssystemen

Der K 4302 analysiert deshalb sowohl in den neuen synchronen Hierarchien wie auch im herkömmlichen 2-140 Mbit/sBereich. Die Vielseitigkeit ist sein besonderes Merkmal.

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Seine technische Ausstattung: OD] STM1-Generator und Analysator D Multiplexer und Demultiplexer für 140, 155 und 622 Mbit/s DO Jittergenerator und Durchgangsmodulator DO In-Service-Monitor OD PDH-Bitfehlermesser und Analysator von 2-140 Mbit/s DO Eingebauter Drucker, automatische, ereignisabhängige Protokollierung

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Die Entwicklung ist klar: Weg von plesiochronen, hin zu synchronen, digitalen Hierarchien. Und damit zu immer höheren Bitraten. Aber nicht nur Netzbetreiber, auch Entwickler, Inbetriebsetzer und Servicetechniker müssen sich in der Umstellungsphase auf umfassende und zuverlässige Meßtechnik verlassen

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Inhaltsverzeichnis OPTOPORT

DS - Ein Glasfaser-Übertragungssystem für TV-Signale

mit kaskadierten optischen Verstärkern

(Wolfgang Schmid und Ulrich Steigenberger)...

..

124-149

.. u

150-171 150

(Harald Herrmann)............cueeaeneseseaeennnenennnnannunnnannnnnennnnnennnnnamnennnennanennanenn

172-198

Bauelemente .......ueeeaseensensensennsseenenesnneennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnennenenennneanee

177

Einführung ...................ennnnennae un Systembeschreibung.. un Systemkomponenten...........uuuesnssessnsenenensnnnnennnennunnuenenannnuenenennnananannn Bu Systemkennwerte...eessensnenesnseesenesnsensnnnnnnnnnnnnnannennnnnnnanannannnannnnnennnee Br Planung des optischen Dämpfungsbudgets. u. SYSLEMETWEILETUNE aeneeeenenennennenennnnensnennnnnnnnenennnnnnnnnnnnnnnnnnanonannnnannnnnnnnnnenennnenennnnnen Schlußbemerkungen DIAMANT - Ein modulares, digitales Glasfaser-Anschlußsystem für distributive und interaktive Dienste (Wolfgang Bambach, Helmut Feilhauer, Karlheinz Grotz, Klaus Krull und Gerd Zielinski)..............eeeeenne . Einleitung...

Das bestehende Fernsehverteilsystem ..... u DIAMANT, die Lösung für die Zukunft... u Zukunftsaspekte .............cccesssssensssssnsesenunnnnnnnenennnnnnenansnnnnenannnnnnnnnnennnnenn Bu Zusammenfassung........unneseseenesesnssnnnnnnnennennnnnnonsnnnenenensnnnnnnnnnennnenennnnenennnnnanenn

124 125 131 141 141 145 149

152 154 167 170

Integriert-optische Schaltkreise in LiNbO; für die optische Nachrichtenübertragung Einleitung........uesessssennsnnenesnnensnennnenssennnennanenennnnnnnennunnnnnnnnnenennnnnnnennnennennennennn Grundstrukturen integriert-akustooptischer Schaltkreise..............u.nunenn.

Akustooptische Schaltkreise und deren Anwendungen .. u Zusammenfassung und Ausblick... u Schrifttum ..........neeessensesesnsesennsennsnnnnnesnnsennnennnennnennnnsnnnannnannnnennannnennanannenennnnennnnnnne

172 174 188 197 198

Steckverbinder für den Einsatz in optischen Kommunikationsnetzen (Matthias Hedrich) .........................0ueessensennsnsennenenenenenenennnennnenannnnnnenennnnnn Einleitung.........nemenssnsnenneenenennsesnnesenennneonnnn FR Anforderungen an lösbare Steckverbindungen.................... u Präzises Fügen von Lichtwellenleitern .................ennnn.. u High Return Loss-Stecker........nnccnc.. . Der LWL-Steckverbinder nach DIN 47256...

199-221 199 200 202 208 210

Schrifttum .............ucnssenssssssesneennsennnnnnnenannnnnenenennnennnennnnnnennunnnnenennnennennaennannnannaennn

221

Der Steckverbinder E-2000

216

Integriert-optische Verzweiger für passive optische Teilnehmernetze (Roland Fuest und Markus Wiederspahn)...........uaennneeneneenenenennnenenn Einleitung................cesesesesennenenessnennuensnonennnsennnnnnanenenenenenenenasnnnnnnnsenmannnnennaennennan

222-240 222

Andere Technologien zur Realisierung von passiven optischen Leistungsteilern..........u.ucensseeensensesesnesnnnnneanunnennnnnnennnnen Eigenschaften integriert-optischer Wellenleiterkomponenten in Glas Spezifikation integriert-optischer Breitbandverzweiger ................... u Zusammenfassung und Ausblick .......ueenesaeesseesesenesenssnsesennnnnennnenennuennennnennnnnnn Schrifttum ..............essesnnssenentensensnsnennensanennnennnnsnenenenennnnenenennanennnannannunnennnnnen

229 23] 237 239 239

Herstellung integriert-optischer Wellenleiterkomponenten in Glas .................

10

223

Grenzenlose

Mobilkommunikation

setzt sich durch

der Entwicklung von Funkrufdiensien 1991 nahm in Deutschland das wie Cityruf sowie des zentralen ZeiDI-Neız der DBP Telekom den Öffentlich . i chengabesysterns nach CCITT Nr. 7 entiche Betrieb auf - das erste einer Varmittlungstechnik zurückgreifen. aus einer Hand Reihe von Mobilfunknetzen in Wesentlicher Bestandteil der InfrastrukEuropa, die ein digitales zellulares tur von GSM-Mobilfunknetzen isı das Mobilfunknetz nach dem europäischen von uns gefertigte digitale VermittGSM Standard bilden. Als Mitglied lungssystem EWSD. Dieses des Konsortiums DMCS System übernimmi alle 900 (Bosch-Gruppe und R Steuerungs- und VermittUENSEATIONS Philips Kommunikations mobln lungsfunktionen innerhalb des digitalen Industrie AG) sind wir am Aufbau der Mobilfunknetzes, zum Festnetz der PostNetze beteiligt - von den grundlegenden gesellschalten, zu weiteren privaten Beratungen zur Standardisierung über Neiızen (z.B. Daten- und Mobilfunkdie Systementwicklung bis hin zu Aufneize) und zu den Betriebszentren der bau und Inbetriebnahme der MobilBetreiber. funknetze in Deutschland und weiteren Bosch Telecom Ollenilsche Vermittlungstechnik Gmb Ländern. $o erhielt DMCS 900 von Kotner Siralle $ D-65760 Fschhosn am Taunus anderen MoU-Staaten wie Belgien, Teleton (061961 97-96 10, Ichelan un Yan 2.4613 &

GSmHm

ANGSH ALLIANCL

Finnland, Frankreich,

Telex au?2 588 hioy

Portugal und

Kamerun Aufträge für den Aufbau von GSM -Neizen. Bei der Arbeit am GSM-System konnten wir auf langjährige Erfahrungen

in

BOSCH

Bosch Telecom

Inhaltsverzeichnis Anatomie moderner Weitverkehrsnetze (Gerhard Koch und Bernhard Spindler)..........ucusnaneneneneeeennennnnnn

241-262

Kommunikationswelt im Wandel ........uncancannc..

241

Frame Relay, ein einfaches Datenübertragungsprotokoll....................... Hochgeschwindigkeitsvernetzung über Metropolitan Area Networks .. un ATM-Vermittlung: Die Datenübertragung von morgen... un Anwendungsorientierte Systemauswahl.....uunanennnnnn un Verwendete Abkürzungen .....uuensnsasnessssesssesnnnanannnnnnennnnnnannnenanennennenennnenennnn

243 248 252 257 262

Natürliche Kommunikation durch Breitband-Kommunikation: Freisprechen, Bildfernsprechen, Videokonferenz und Multimedia-Kommunikation (Hans J. Matt)...............nnnnnnnnnnenenesnannennnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnesnenanennnannnnnnanenanenen

263-293

Einleitung.............eesesessssssssesnnenaesnnannunnnenannnnannnnnnnnnnnnnnnnnenennnnnnnnnnnnnnnnnnenanennnn

263

Warum eine natürliche Kommunikation?...........n.nneneennnnnnnn Tondarstellung.....................uesssnnaenssssenannneeenennnnnenennennanenennnnnennenenennnn Bilddarstellung.............uesssesnensnsennennanennnnnennnnennnnnnnnennnnennnennnannnnnnnn Videokonferenz .............neessenssannnnnnnenennnnenenenennnnnnenennenenennnnennnennennn Breitband-Kommunikation über Breitband-Netze..............naennnn Multimedia- und Hypermedia-Kommunikation............n..eenennnnn.

265 267 275 280 284 288

Anwendungen

und Ausblick .............ueenaessnsesennnnnnenenanennnnnnenennnn nennen

291

Schrifttum ......nnanenennensensenensesensnnenennnnnnnannnnnnnannnnannennnnnnsenenennnennanuennensnnnnennnnnn

292

Sprachverarbeitung - Möglichkeiten und Perspektiven (Bernd Lochschmidt und Bernhard Kaspar)

294-305

Einleitung.................u.essesesessnsssssenennansnannsnnnnsnnunenenennonnnnnenennnannnnnnnennnnenenenennn Sprachverarbeitung: Sprachliche Interaktion zwischen Mensch und Maschine ........sennnensnnenennnennnennenaannnnnnnn Anwendungsfelder und -möglichkeiten ............nneennnnenennnnn „State of Art“ ......nnnnnesnensnenssnsnsnnnnsuennunnnanennnnnuennunnnensnnennnnnennnnnnnnnnnnnnennnnenenenenn Faktoren für eine erfolgreiche Implementation...

294 295 297 298 303

Perspektiven Schrifttum ........uneenesnnssnenensenensnnsnnnununnunenannenannnnnnnnnnnnnnnnnnnneannnnnnnnennnnennenensenenannen

304 305

Digitaler Hörrundfunk: Programmzuführung und -Multiplex (Thomas Wächter) .................2usesnssssesesensnennununnnenenennnennennannnennnenennnnnnnnnnnnne Einleitung..........essseseenesnsenesssnenssunannnenennnennnennnenenennnnnannnnnn .

306-316 306

Der DAB-Programm-Multiplex .............u... nenn u Die Programmzuführung und -verteilung Zusammenfassung................22uu2usussssnsansuenassssenenennenensnnnnnnenenennennunnnnnnnnnennnnnnnnnenennn Schrifttum ........uneessessnssssscenennsnnnnnnennnennenenennsnnunnnnnnonnennennunnunannennnnnnenenennenen

308 3ll 315 316

Bezugsquellennachweis der Nachrichtentechnik ..................n.nnnn.

317

Firmenverzeichnis zum Anzeigenteil ..........u.nnannenenmnenenennnnnnnnnnnenanenananennnnnnnnn

337

Die Übertragungskette..........nannnnnnnnnnnnn.

12

m

307

Glasfaseranschlußnetze/OPAL-Einführung

Grundgedanken zur Einführung optischer Anschlußleitungsnetze bei der Deutschen Bundespost Telekom Von Eckart Flor, Darmstadt

Dipl.-Ing. Eckart H. Flor, Jahrgang 1942, ist Leiter der Projektabteilung „Synchrone Netze und Glasfasereinsatz im Teilnehmeranschlußbereich“ im FTZ.

Mit der Einführung der Glasfaser steht den Netzbetreibern ein neues Übertragungsmedium zur Verfügung, dessen Leistungsfähigkeit im Bereich der Telekommunikation einen gewaltigen Innovationsschub auslösen und letztendlich überhaupt die Grundlage der Digitalisierung der Netze mit allen daraus abgeleiteten Möglichkeiten bildet. Die im Vergleich zum Kupfer nahezu unbe-

grenzte Bandbreite in Verbindung mit der geringen Dämpfung der Faser ermöglicht die Konzeption von Übertragungsnetzen, deren Kapazität mit den heute existierenden Schmalbandanwendungen einfach nicht mehr auszuschöpfen ist. Ausgerüstet mit modernen Übertragungssystemen der Bitraten 620 Mbit/s und 2,5 Gbit/s, bildet die Glasfaser heute das Standardübertragungsmedium der oberen und mittleren Netzebenen. Für die Installation neuer breitbandiger Dienste ist der Teilnehmerzugang je-

doch das entscheidende Problem. Der Bereich mittlung (TVSt) ist weiterhin eine Domäne des Jahrhundert gewachsen und auf die Belange der sprechens optimiert, stellt diese Netzebene den

unterhalb der TeilnehmerverKupfers. Seit mehr als einem Kupfertechnik und des Ferngrößten Anteil des Investiti-

onsvolumens.

Schon frühzeitig kam der Wunsch auf, auch im Bereich der Anschlußleitung mit dem Einsatz von Glasfaserübertragungstechnik einen universellen Netzzugang zu schaffen und so das sprunghafte Ansteigen der Übertragungskapazität in der oberen Netzebene für neue Dienste zu nutzen. Als Anwendungen

13

Fachbeiträge dachte man vor allem an schnelle Datenübertragung und Videokonferenz im

geschäftlichen Bereich, aber auch für den privaten Teilnehmer sah man eine Reihe

von

interessanten

Anwendungen,

wie

Videotelefon,

und

vor

allem

„neue“ Ansätze, wie „Video on Demand“, „Pay per View“ usw. bei den Breitbandverteildiensten.

So wurde

auch

schon

frühzeitig über

kombinierte

An-

schlußtechniken für interaktive Dienste (Interactive Services, IS) und Breitbandverteildienste (Distribution Services, DS) nachgedacht. An einer Weiterentwicklung des Teilnehmeranschlusses sind alle Beteiligten sehr interessiert: Die Kunden hoffen auf neue breitbandige Dienste zu akzeptablen Tarifen, die Telekom möchte sich durch das Angebot einer breitbandigen Infrastruktur neue Einnahmequellen

erschließen, und die Diensteanbie-

ter können hier im geschäftlichen und auch vor allem im privaten Bereich auf einen größeren Absatzmarkt hoffen. Nicht zuletzt hat auch die Fernmeldeindustrie ein großes Interesse daran, die durch den geringen Bedarf in den obe-

ren Netzebenen stagnierenden Umsatzzahlen durch die Eröffnung dieses sicher größten Marktpotentiales der Übertragungstechnik neu zu beleben. Trotzdem tritt man weltweit bei diesen Bemühungen auf der Stelle. Der Grund

liegt nicht in der Bereitstellung technischer Möglichkeiten. Hier

hat jeder „progressive“ Netzbetreiber und jeder größere Hersteller in Form von Pilotprojekten oder zumindest bei Messen bzw. durch Vorträge und Ver-

öffentlichungen die technische Realisierbarkeit nachgewiesen. Das Problem liegt vielmehr im wirtschaftlichen Bereich. Ein ganzes Land innerhalb einer relativ geringen Zeit mit einer neuen Infrastruktur in der unteren Netzebene zu versorgen, erfordert ein gewaltiges Investitionsvolumen. Es ist unumstritten, daß bei der Existenz eines solchen Breitbandnetzes sich sofort entspre-

chende Dienste etablieren würden, die über die erzielbaren Einnahmen die Finanzierung der Aufwendungen sicherstellen würden. Ein weiteres Problem ergibt sich aber auch durch die Übergangszeit, die, bedenkt man auch, daß diese neue Infrastruktur in jeder Straße und vor jedem Haus mit Tiefbauarbei-

ten verbunden ist, eher in Jahrzehnten als in Jahren zu messen ist. Kein Diensteanbieter kreiert und produziert für einen neuen kostspieligen Breitbanddienst, wenn er nicht über ein entsprechendes Netz verfügen kann, das es ihm erlaubt, seine Produkte gewinnbringend an den Mann

zu bringen,

und kein Kunde ist bereit, z. B. für einen Videoanschluß höhere Gebühren zu entrichten, wenn alle seine Kommunikationspartner noch nicht über einen solchen Anschluß verfügen. Es ist erkennbar, daß bei diesem Geschäft eine der Parteien in Vorleistung ge14

Glasfaseranschlußnetze/OPAL-Einführung hen muß, und dieser „Schwarze Peter“ liegt automatisch beim Netzbetreiber, bei der Telekom. Bedenkt man, daß zum einen bei der Implementierung einer solchen Infrastruktur immense Geldmittel notwendig sind, zum anderen der

Rückfluß des Geldes durch Einnahmen aus neuen Diensten mit einer Reihe von zusätzlichen Unsicherheiten versehen ist und die Telekom diese Aufwendungen

nur aus den Einnahmen

aus den heutigen

Schmalbanddiensten

ab-

decken kann, so ergibt sich der logische Schluß, daß diese Netzumstellung nur aus den normalen Geldmitteln finanziert werden kann, wie sie für den Erhalt und die Erweiterung

dieser Netzebene

vorgesehen

sind. Das

heißt, die

zweifelsohne bei weitern leistungsfähigere Glasfaserübertragungstechnik muß sich an der seit Jahrzehnten eingeführten und optimierten Kupfertechnik im Anschlußbereich orientieren und finanziell messen lassen. Nur so ist einerseits ein heute nicht sicher abschätzbarer Zeitraum bis zur Erschließung von Finanzquellen durch neue Dienste überbrückbar. Andererseits garantiert eine solche Vorgehensweise optimale Bedingungen für die Entwicklung neuer Anwendungen, da diese ohne Vorbelastung durch die Infrastruktur von Anfang

an zu attraktiven Preisen angeboten werden können. Diese Vorgehensweise ist nach einer kurzen Phase der Euphorie in den 80er Jahren heute akzeptiert, eine Lösung aber offensichtlich noch nicht existent. Bisher zeigten alle Pilotprojekte, die bei der Telekom mit BIGFON schon in den frühen 80er Jahren begannen und mit OPAL (Optische Anschlußleitung) bis heute weitergeführt wurden, daß technische Lösungen existieren oder zumindest darstellbar sind, daß eine breit angelegte wirtschaftliche Implemen-

tierung auf der Basis eines Vergleiches mit Kupfer aber noch nicht in Sicht ist. Mit der Wiedervereinigung wurde dieses Thema

für die Telekom

plötzlich

wieder hochaktuell. Es zeigte sich, daß das Telekommunikationsnetz im östli-

chen Teil Deutschlands den Anforderungen einer modernen Kommunikationsgesellschaft nicht gewachsen war. Die logische und auch kostspielige Entscheidung, in diesen Bundesländern ein komplett neues Netz auf der Basis der heute verfügbaren Technologien zu konzipieren und zu bauen, stellte eine besonders reizvolle Aufgabe für die Ingenieure der Telekom dar. Basierend auf der digitalen Vermittlungstechnik der 3. Generation und unter Einbeziehung der synchronen Übertragungstechnik mit den Möglichkeiten, auch die breitbandige Bitströme von zentraler Stelle aus flexibel handhaben zu können, besteht hier die Möglichkeit, das modernste Übertragungsnetz der Welt

zu konzipieren. Die volle Nutzbarkeit dieses Netzes ist aber wiederum von der Gestaltung des Teilnehmerzugangs abhängig.

15

Fachbeiträge Deshalb wurde erneut und diesmal ganz besonders konsequent versucht, die Probleme des Glasfaseranschlusses zu lösen. Durch Beschluß des Vorstandes wurde ein Programm zeitlicher wie auch in wirtschaftlicher Konkurrenz 1993 ca. 200 000 Wohneinheiten (WE) und in den 1995 jeweils ca. 500 000 WE über Glas anschließbar

OPAL gestartet, das in zum Kupferausbau in Folgejahren 1994 und machen soll.

Angestrebt wurde dabei, daß jedes Haus im Ausbaugebiet einen Glasfaseran-

schluß erhält (Fiber to the building, FTTB), so daß später eine Hochrüstung auf neue Breitbanddienste nur durch gerätetechnische Änderung und eine Änderung der Hausverkabelung möglich ist. Die Variante „Fiber to the home“ (FTTH), bei der jeder Teilnehmer über seinen eigenen Anschluß in der

Wohnung verfügt, wurde als vorläufig nicht erforderlich und zu teuer eingeschätzt. Die Version „Fiber to the curb“ (FTTC), bei der die Glasfaser in KVz-ähnlichen Gehäusen auf dem Gehweg abgeschlossen und von dort der Teilnehmeranschluß über Kupfer erfolgt, wurde als nicht erwünschter Kompromiß zurückgestellt. Die Situation erlaubte eine Neukonzeption aus einer „Grünen Wiese“-Situati-

on heraus und war damit einmalig günstig. Es wurde deshalb ein Lösungsansatz gewählt, der nicht einen Ersatz des Kupfers durch

Glas anstrebte, son-

dern von vornherein eine Gesamtoptimierung der unteren Netzebene unter Einbeziehung aller Komponenten, also auch der Vermittlungstechnik, voraussetzte. Dieser Ansatz war erfolgreich.

zeigten, mindest te durch aus dem

Die Ergebnisse

der Ausschreibungen

daß für die 500 000 Wohneinheiten des Programms OPAL 94 zueine Kostengleichheit erreicht wurde, obwohl die verfügbaren Gebiedie zeitliche Konkurrenz mit dem Kupferausbau schon weitgehend ländlicheren Bereich stammten.

Zwar gibt es noch eine Reihe von technischen Problemen zu lösen, vor allem im Bereich der Installation und der Stromversorgung. Dabei ist auch eine neue

Modellierung

der etablierten

Dienste

mit zu betrachten.

Die Abwen-

dung von der für Kupfer standardisierten analogen und die Hinwendung zu einer digitalen Schnittstelle, bei der auch das Problem der Stromversorgung einschließlich der Batteriepufferung zum Teilnehmer verlagert wird, würde einen ganz wesentlichen Schritt zur wirtschaftlichen Realisierung darstellen.

Mit dem Programm OPAL 94 ist der Durchbruch der Glasfaseranschlußtechnik erfolgt. Sie ist heute schon erkennbar kostengünstiger, wenn man die Möglichkeit hat, eine Gesamtoptimierung durchzuführen, also überall dort, wo neue Netze gebaut werden.

16

Glasfaseranschlußnetze/OPAL-Einführung Aber auch für Länder, die heute schon über eine gut ausgebaute Kupferinfrastruktur verfügen, verstärkt sich der Druck des Übergangs auf Glas. In den Zeiten der Deregulierung und der Abwanderung der traditionellen Fernsprechdienste zur mobilen Kommunikation muß sich jeder Netzbetreiber überlegen, wie er seine bleibende Domäne der „Festnetze“ und vor allem das Anschlußleitungsnetz gewinnbringend einsetzen kann. Die Schaffung von breitbandigen Zugängen zum Teilnehmer kann für die großen Netzbetreiber eine Frage des Überlebens werden. Die Chancen sind vorhanden, es muß aber frühzeitig und konsequent dieser Weg verfolgt werden. Die Telekom hat mit einem großen Schritt begonnen; sie ist bereit, weiterzugehen.

17

Fachbeiträge

Gestaltung und Planung von Glasfaseranschlußleitungsnetzen Von Dirk Eberling, Wolf-Dieter Henkel, Michael Kölling, Gerhard Schünemann, Berlin, und Norbert Vogt, Darmstadt

Das Autorenteam ist im Bereich Netzplanung des Forschungs- und Technologiezentrum (FTZ) der Telekom tätig

1 Zielstellung für die Einführung optischer Anschlußleitungen Die Versorgungsanforderungen entsprechend den „Allgemeinen Geschäftsbe-

dingungen“ der Telekom und die künftig zu erwartende Nachfrage nach neuen Diensten und Leistungsmerkmalen erfordern eine ständige Suche nach neuen technischen Mitteln und Technologien, die eine Realisierung dieser Bedingungen mit einem Minimum an einmaligen und laufenden Kosten gestatten. Nach dem gegenwärtigen Erkenntnisstand ist die Glasfasertechnik hierfür gut geeignet. Sie ist in den vergangenen Jahren in den Verbindungsleitungsnetzen

als Regelbauweise eingeführt worden und hat sich bewährt. In den Anschlußleitungsnetzen gibt es gegenwärtig - abgesehen von einigen wenigen Pilotprojekten - keinen Einsatz der Glasfasertechnik. Die Gründe hierfür sind: -

Die Masse der Kundenwünsche kann noch mit metallischen Anschlußlei-

tungen erfüllt werden, -

_esgibt noch keine standardisierte, für den Regelausbau geeignete Glasfaseranschlußleitungstechnik,

-

aufgrund der physikalisch bedingten technischen Erfordernisse sind die

Kosten einer optischen Anschlußleitung wesentlich höher als die einer Kupfer-Anschlußleitung, 18

Glasfasernetze, Gestaltung und Planung -

es besteht keine Bereitschaft zur Bezahlung von Vorleistungen, deren Nutzen nicht abschätzbar ist.

Während es die Aufgabe der Entwickler ist, die erforderliche technische Basis zu schaffen, besteht die Aufgabe der Netzgestaltung darin, unter Beachtung des Bedarfs, der technischen Möglichkeiten und der zu erwartenden Kosten

Netzstrukturen zu optimieren. Ferner ist auf die netztechnische Beschaffenheit technischer Mittel einzuwirken, sind Mengengerüste für künftige Einsätze zu ermitteln und Strategien zu entwerfen. 2 Lösungsweg

Aufgrund der physikalischen Eigenschaften optischer Übertragungswege und der damit verbundenen technischen Aufwendungen

werden auch in Zukunft

die Kosten für eine optische Anschlußleitung immer höher sein als die einer Kupfer-Anschlußleitung. Aus diesem Grunde kann die erforderliche Kostenreduzierung nicht im technischen Bereich erwartet werden. Vielmehr versucht werden, diese mit netzgestalterischen Mitteln zu erreichen.

muß

Hierzu ist es notwendig, zunächst die Vor- und Nachteile optischer und metallischer Anschlußleitungen zu untersuchen, die Funktionen von Telekommunikationssystemen zu analysieren und Trendkosten für unterschiedlich ge-

staltete Ortsnetze zu ermitteln. Um den Rechenaufwand zu minimieren, ist es in der Netzgestaltung sinnvoll, nach gesetzmäßigen Zusammenhängen bei Kosten von fernmeldetechnischen Mitteln zu suchen, die verallgemeinernde Berechnungen ermöglichen.

Anhand der Ergebnisse der Netzuntersuchungen sind Entwicklungsrichtungen zu präzisieren und Planungsgrundsätze zu formulieren.

3 Vor- und Nachteile optischer Anschlußleitungsnetze Die Vor- und Nachteile können wie folgt zusammengefaßt werden:

Vorteile: -

-

Realisierung hoher Übertragungsgeschwindigkeiten; damit sind alle gegenwärtigen und künftig zu erwartenden Dienste über den gleichen Über-

tragungsweg möglich. Ein durchgängiges Netz mit einem einheitlichen Medium ist möglich, da die Glasfasertechnik im Fernnetz und in den Ortsverbindungsleitungsnetzen schon vorhanden ist. 19

Fachbeiträge -

Keine Reichweitenbegrenzung durch Schleifenwiderstand;

-

minimale Anschlußleitungsdämpfung;

-

kleiner Anstiegswinkel der Glasfaserkabelkosten mit zunehmender Baulänge gegenüber Kabeln mit Kupferleitern.

-

Bei Zwischenschaltung von Transportsystemen in PDH- oder SDH-Bauweise können sehr lange Anschlußleitungen realisiert werden.

-

Geringere Anforderungen an Rohranlagenbau, Aufwendungen für Kabel, Erdarbeiten;

-

freie Standortwahl von Teilnehmervermittlungsstellen;

-

Möglichkeiten für ein einheitliches Network-Management.

Nachteile:

-

Hohe längenunabhängige Kosten für übertragungstechnische Einrichtungen,

-

zusätzliche Stromversorgungseinrichtungen in Teilnehmernähe.

Die Aufgabe der Netzgestaltung besteht darin, die Vorteile der Glasfasertechnik maximal auszunutzen und deren Nachteile möglichst zu vermeiden.

4 Kostenregressionen als Mittel für die Bewertung netztechnischer Lösungen Stellt man die Kosten fernmeldetechnischer Anlagen und Abhängigkeit von ihrer Kapazität dar, so ergibt sich bei technischen Mittel ein linearer Zusammenhang. Hierdurch ner Berechnung der entsprechenden Geradengleichungen möglich,

eine

komplette

Anlagenfamilie

kostenmäßig

Einrichtungen in der Mehrzahl der ist es mit Hilfe eimit zwei Größen

zu beschreiben.

Ent-

sprechende Beispiele sind in Bild I schematisch dargestellt. Diese Arbeitsweise gestattet auch die Quantifizierung der Einsparungen, die zum

Beispiel erzielt werden

können,

wenn

die Anzahl

von

Teilnehmerver-

mittlungsstellen reduziert wird, oder wenn niedrigpaarige Kabel zu hochpaarigen Kabeln zusammengefaßt werden können.

20

Glasfasernetze, Gestaltung und Planung

D_

K

m. yıZ, ®l..... K=x+ B. PARTEREIL BEE

sol

0), Konstanten

AO N

tt

nn

VO

nn

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0 0

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I

100 20

T

I

300

400

I

nn TI

I

500 600

700

Bild la: Kosten für symmetrische Cu-Kabel (0,4 mm Durchmesser)

nn T

T

800

00

I

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Paarigkeit

54ı.... 0

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0

10

Ü

T

T

I

'

2

3

40

50

6

Bild 1b: Kosten für Glasfaserkabel je km

Anzahl der Fasern im Kabel

Bild 1: Kosten für Netzelemente

21

Fachbeiträge

K

K=x+

150

0

y2,

z,

Anzahl der Züge

%,,y,

Konstanten

f

I

2

T

4

6

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I

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1

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2

4»

T

T

ı

5% 83 2 Anzahl der Züge

Bild Ic: Sachmittel-Einheitenkosten der Rohranlagen in Abhängigkeit von der Anzahl der Züge (PVDDN 100) K 7000

=

600 sw

4...

wi

100 3000

-i

2000

=

1000

r 1000

T 2000

T 3000

T 4000

T 5000

T 6000

T 7000

] 8000

BE Bild Id: Investitions-Gesamtkosten von Teilnehmervermittlungsstellen in Abhängigkeit von der BE-Anzahl

22

Glasfasernetze, Gestaltung und Planung

30.

25

-

Kernen

ren

K=ı1,+ 20

yz,

.......eggerenneoeeeenenennensnen

154.

sense

Tr

5000

T

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T

15000

20000

ernsten

T

T

25000

30000

em

T

35000

oa (Anzahl Bild le: APE-Gesamtkosten in Abhängigkeit von der Anzahl

1

40000 BE)

der BE

5 Funktions- und Kostenanalyse von Teilnehmeranschlußleitungsnetzen 5.1

Beschreibung des Lösungsweges

In die Betrachtungen

müssen

die Einrichtungen

und Anlagen

einbezogen

werden, die

-

der Realisierung von Diensten entsprechend den Allgemeinen Geschäftsbedingungen dienen und

-

durch

flächendeckenden

Netzausbau

infrastrukturelle Voraussetzungen

für Massendienste schaffen. Für vergleichende Kostenbetrachtungen ist es notwendig, den Betrachtungsspielraum so abzugrenzen, daß von vergleichbaren Leistungsmerkmalen ausgegangen werden kann. In die Kostenanalyse sind alle Komponenten einzube-

ziehen, die die Vergleichbarkeit von Kosten und Leistungen ermöglichen. Das bedeutet, daß -

nicht nur die augenscheinlich zur Teilnehmeranschlußleitung gehörigen

Komponenten, sondern auch diejenigen in die Betrachtungen einbezogen werden müssen, die in irgendeiner Art die Kosten der Anschlußleitung beeinflussen bzw. deren Kosten von ihr beeinflußt werden und

23

Fachbeiträge -

beierforderlichen Overlaystrukturen für Dienste, die wegen z. B. benötigter höherer Bitströme nicht über das für Massendienste flächendeckend ausgebaute Netz zu realisieren sind, die dafür notwendigen Netze zu berücksichtigen sind.

Über die flächendeckend

mit hoher Dichte ausgebildete technische Infra-

struktur des öffentlichen Fernsprechnetzes können -

Dienste, die über Bitströme von 64 kbit/s realisierbar sind, und

-

über ISDN-BaAs darstellbare Dienste

angeboten werden. Dienste mit darüber hinausgehenden Bitraten, die z.B. über Glasfaseranschlußleitungssysteme realisiert werden können, erfordern bei herkömmlichen Kupfernetzen eine zusätzliche Infrastruktur in Form von

Overlay-Netzen. Sie wurden bisher aus wirtschaftlichen und Akzeptanzgründen nicht flächendeckend und nicht mit gleich hoher Dichte angeboten. Aus diesem

Grunde

kann auch kein direkter Kostenvergleich

unter Berück-

sichtigung der hohen Leistungsfähigkeit von OPAL-Anschlußleitungssystemen durchgeführt werden. Das bedeutet, daß gegenwärtig bestehende Overlay-Netze bei der vergleichenden Kostenanalyse zunächst nicht berücksichtigt werden, aber einer zusätzlichen Bewertung bedürfen. Dieses Herangehen entspricht der Zielsetzung, die neue OPAL-Technik flächendeckend für einen Massendienst wirtschaftlich einzuführen und den damit verbundenen Ausbau einer leistungsfähigen Infrastruktur für andere, bisher nicht massenweise in Anspruch genommene Dienste als zusätzlichen Effekt wohlwollend zu akzeptieren.

5.2

5.2.1

Beschreibung der Teilnehmeranschlußleitung

Abgrenzung der Betrachtungsbreite für Kostenvergleiche

Um die verschiedenen technischen Ausbildungsvarianten der Teilnehmeranschlußleitung wirtschaftlich vergleichbar zu machen, sind die Einrichtungen

bzw. Teile davon in die Betrachtungen einzubeziehen, die vergleichbare, kostenwirksame Funktionen in bezug auf die Anschlußleitung ausüben. Diesem Ziel entspricht die in Bild 2 vorgenommene Modellierung. Als teilnehmerseitige Begrenzung der Anschlußleitung wird allgemein die Anschaltemöglichkeit für das Endgerät (Netzabschluß, hier NT - Network Termination) betrachtet. Daran schließt sich der im herkömmlichen Sinne als

Anschlußleitung bezeichnete Transportweg an. 24

Glasfasernetze, Gestaltung und Planung

(6.703)

Koppelteld

LTa

i #— |

aib

alb

Mbit/s

Schnittstellen:

Dıv

i

(04kbit/e.

(04kbit/s,

I8DNBaAs)

I6DNBaAs)

i

Ansch

|

NT (TAE)

ı

'

MD ;

Anschlußleitungssysiem

———— — —#

'

Bild 2: Betrachtungsfeld für Kostenanalysen von Teilnehmeranschlußleitungssystemen (Beispiel: Vermittlungssystem EWSD)

Vermittlungsseitig müssen die Einrichtungen, die die Funktionalität der Teilnehmeranschlußleitung

sichern, in die Betrachtung einbezogen werden.

Mit

der angestrebten Ausnutzung großer Reichweiten für die Minimierung der Gesamtaufwendungen für das Netz werden Funktionen dieser Einrichtungen aus der Vermittlungsstelle ausgelagert, die Aufwendungen für die Realisierung dieser Funktionen werden nicht mehr der Vermittlungseinrichtung (VE)

zugeordnet. Im

Vermittlungssystem

EWSD

sind

das vor allem

Funktionen,

die

in der

DLU-Baugruppe realisiert werden. Diese Baugruppe ist vermittlungsseitig durch eine 2-Mbit/s-Schnittstelle nach CCITT G.703 abgegrenzt und kann über ein Transportsystem nahezu beliebig weit in Richtung Teilnehmer verla-

gert werden. Sie kann sowohl für die Anschaltung von „Abgesetzten Peripheren Einheiten“ (APE) als auch von OPAL-Systemen verwendet werden. Aus diesem Grunde wird sie als vermittlungsseitige Begrenzung für Funktions-

und Kostenuntersuchungen

der Teilnehmeranschlußleitung betrachtet. Die

Gesamtheit der technischen Einrichtungen zwischen dem teilnehmerseitigen Netzabschluß und dieser vermittlungsseitigen Schnittstelle wird als Anschluß-

leitungssystem bezeichnet. 5.2.2 Allgemeine Funktionsbeschreibung Das Anschlußleitungssystem kann im allgemeinsten Sinne als verzweigtes Transportsystem betrachtet werden, das sich je nach Art der eingesetzten 25

Fachbeiträge

Technik durch seine Reichweite, die gleichzeitig übertragbare Informationsmenge

(Bitrate) und die Anzahl

der anschaltbaren Teilnehmer auszeichnet.

Neben der allgemeinen Übertragungsfunktion sind noch betriebstechnisch notwendige Steuer- und Überwachungsfunktionen auszuüben. Um einen Teilnehmeranschluß von einer Teilnehmervermittlungsstelle (TVSt) aus zu betreiben, müssen folgende Funktionen realisiert werden: -

Übertragung

der Informationen eines Teilnehmers über das vermittelte

Netz zu einem anderen Teilnehmer durch Bereitstellung eines Übertragungsweges mit einer anforderungsgerechten Durchlaßfähigkeit und mit an die End- und Vermittlungseinrichtungen angepaßten standardisierten Schnittstellen. -

Sichern der betriebsnotwendigen Kommunikation zwischen Teilnehmer und Vermittlungseinrichtung. Hierzu gehören die

« Signalisierung des Wunsches nach einem Verbindungsaufbau, « Signalisierung des Wunsches, eine Verbindung abzubrechen,

° Übertragung der Wahlinformation, ° Übertragung von Wähl-, Ruf- und Besetztzeichen und die * Übertragung der Rufspannung. -

Überwachung der Betriebsfähigkeit der Anschlußleitung und der techni-

schen Einrichtungen sowohl teilnehmerseitig (Teilnehmerschleife) als auch vermittlungsseitig (Teilnehmersätze der DLU) und Weiterleitung der Zustandsmeldungen.

-

Übertragung verschiedener Informationen im Rahmen viceleistungen, wie Gebührenanzeige, Anklopfen u. a.

erweiterter Ser-

Speisung der Endgeräte des Teilnehmers, sofern dies endgerätespezifisch notwendig ist.

5.3 Realisierungsmöglichkeiten von langen Teilnehmeranschlußleitungen 5.3.1

Einsatz von Abgesetzten Peripheren Einrichtungen (APE)

Diese

Variante

ist dadurch

gekennzeichnet,

daß

der Teil

der VE,

der die

Schnittstelle zur Teilnehmeranschlußleitung realisiert (im Falle des Vermittlungssystems EWSD die DLU-Baugruppe), über ein Transportsystem von der Vermittlungseinrichtung abgesetzt betrieben wird. Dieses Transportsystem basiert in der Regel auf einem Glasfasereinsatz zwischen dem Standort der VE, die für die APE die Muttervermittlungsstelle (MVSt) bildet, und dem

26

Glasfasernetze, Gestaltung und Planung Standort der APE. Die Entfernung zwischen APE-Standort und MVST kann beliebig groß sein. Die Begrenzung der Kupferanschlußleitungslänge durch

Dämpfungs- und Widerstandsreichweite wirkt erst ab Standort der APE. Da die APE über kein eigenes Koppelfeld verfügt, ist sie wie ein Leitungskonzentrator zu betrachten. Sie gestattet den Anschluß von 64-kbit/s- und ISDNBaAs-Endgeräten, unterstützt jedoch nicht PMxAs und OPAL-Systeme. 5,3.2 GlasfaseranschlußBleitung (OPAL)

Da bei Glasfaseranschlußleitungen grundsätzlich FTTB-Realisierung angestrebt wird, ist die Kupferleitungslänge zwischen dem teilnehmerseitigen Glasfaserabschluß (ONU) und NT relativ gering und wird in den Kostenan-

sätzen vernachlässigt. Längere Kupferleitungen spielen allerdings in der zu er-

wartenden Übergangszeit bei der Einführung von Glasfaseranschlußtechnik in bereits gut ausgebauten Kupfernetzen - aus den verschiedensten Gründen

- über einen langen Zeitraum hinweg eine wesentliche Rolle. Für diesen Fall sowie für Ausnahmeregelungen im Rahmen des allgemeinen FTTB-Netzausbaus wurden auch Lösungen für den Anschluß von Kupferleitungen mit 750 bzw. 1 200 Q Widerstandsreichweite vorgesehen. OPAL-Systeme

nutzen die gleiche Schnittstelle zur VE wie die APE. Das be-

deutet, daß sie bezüglich des Betreibens der Anschlußleitung mindestens die gleichen Funktionen erfüllen wie die APE, daß aber aufgrund der durchgängigen Nutzung und der physikalischen Eigenschaften des leistungsfähigen

Übertragungsmediums Glas -

aufder Anschlußleitung bis zum Teilnehmer eine hochentwickelte Über-

-

eine andere örtliche Zuordnung der Funktionen

tragungstechnik betrieben werden muß und

(z.B. Speisung, Ruf-

stromerzeugung) als in herkömmlicher Technik notwendig ist.

Dies führt zu neuen Kostenstrukturen und -verteilungen im Anschlußleitungsnetz, die im folgenden anhand von Referenzmodellen näher beschrieben werden.

5.3.3

Wertung anderer Realisierungsmöglichkeiten

Neben den oben beschriebenen Möglichkeiten existieren noch verschiedene andere technische Systeme, die fast ausnahmslos dafür entwickelt wurden,

kurzfristig ohne zeit- und kostenintensive Tiefbaumaßnahmen zusätzliche Ka-

27

Fachbeiträge

pazitäten im Anschlußleitungsnetz zu schaffen. Hierzu gehören u. a. verschiedene Anschlußleitungsmultiplexer-Systeme, die die Reichweite der herkömmlichen Kupferanschlußleitung ebenfalls wesentlich übertreffen. Sie weisen gegenüber den bereits diskutierten Möglichkeiten von APE- und OPAL-Einsatz eine Reihe von Eigenschaften auf, die sie für die Berücksichti-

jedoch

gung im Rahmen einer Netzentwicklungsplanung als nicht geeignet erscheinen lassen: -

Kostengünstiger Einsatz nur auf vorhandenen Kabeln,

-

Anschaltung an die VE über a/b-Schnittstellen (keine Verlagerung von Funktionen, sondern Dopplung in der teilnehmernahen Geräteeinheit),

-

geringere Reichweiten sowohl des Systems als auch der anzuschaltenden Kupferanschlußleitung,

-

verhältnismäßig kleine Systemkapazitäten und geringe Flexibilität der

Ausbaumöglichkeiten, -

fehlende Möglichkeit für die Einbeziehung in ein zentrales Network-Ma-

nagement.

5.4 Referenzmodelle für Kostenvergleiche 5.4.1

Kostenrelevante Komponenten der Teilnehmeranschlußleitung

Kostenrechnungen müssen immer die tatsächlich anfallenden Kosten zur Grundlage haben. Das sind alle einmaligen und laufenden Aufwendungen für

die Errichtung und den Betrieb der betrachteten Einrichtungen. Da mit dem unterschiedlichen Betriebsaufwand der betrachteten Systeme auch unterschiedlich hohe Betriebskosten zu erwarten sind, sollte ein Kostenvergleich diese Komponente einbeziehen. Gegenwärtig ist jedoch aufgrund dafür nicht

konzipierter Kostenerfassungen und fehlender Einsatzerfahrungen für die be-

trachteten Systeme keine eindeutige Zuordnung von Betriebskosten möglich.

In die Kostenbetrachtung anhand der nachfolgend zu beschreibenden Referenzmodelle sind alle zur Gewährleistung der Funktionen notwendigen Kostenbestandteile einzubeziehen. Das bezieht sich sowohl auf die unmittelbar betrachteten technischen Komponenten, wie etwa eine Kupferdoppelader oder eine Glasfaser,

als auch

auf die anteilig notwendigen

Tiefbaumaßnah-

men zur Realisierung der Linie, über die die Anschlußleitungen geführt werden. Diese Komponenten müssen, bezogen auf eine Anzahl anzuschließender Teilnehmer, je nach eingesetzten Systemen mit unterschiedlichen anteiligen 28

Glasfasernetze, Gestaltung und Planung Zubiye

.,,e Diefinien, de

nicht Ober die VE getan werden

=-< 73011200 Ohm

Tranupertsystom

—

L

L „ beiledie

_—

84 kbive Bahn

!

Transpartuyuiom

1

ı

L = beilobig

1

4

N ]

08 von Diensten >2uba/s

BKsige

>

Lyo< 20km

m HR

l, -< the

-
200 >200 >200

10 km|20 km |\32 | >32 |16 | 216 | > 8

Dämpfungsbudget/dB zwischen S und R

A B cC 10 km 20 km 20 km |14,5...28,0|20,5...34,0|16,5...30,5 |14,5...28,0|20,5...34,0|16,5...30,5 111,0...25,0|16,5...30,5[13,0...26,5

darf nicht angewendet werden

*) 2 ms unter der Voraussetzung, daß der NTBA in die ONU integriert ist Bild 12: Anforderungen an das Übertragungssystem in Abhängigkeit vom Übertragungsverfahren

Im OLT erfolgt auch die teilweise oder vollständige Umsetzung des V5-Proto-

kolls in ein firmenindividuelles Protokoll. Darauf soll im Abschnitt 3.6 näher eingegangen werden. An die Übertragungstechnik wird die Forderung der fle-

xiblen Kanalzuordnung gestellt, d. h., jeder Zeitschlitz einer OLT-Eingangsschnittstelle soll blockierungsfrei auf jedes PON verteilt werden können. Innerhalb

eines

PON

müssen

die

Kanäle

ohne

Einschränkung

jeder

ONU

zugeordnet werden können. Diese Anforderungen verlangen im OLT eine Cross-Connect-Funktion auf der 64-kbit/s-Ebene, die allerdings nicht zwingend mit einem herkömmlichen m x m-Cross-Connector gelöst werden muß. Häufig werden die auf einen Bus geschalteten Kanäle der Eingangsschnittstellen über einen Time Slot Interchanger (TSI) an die Bittransportmaster weiter53

Fachbeiträge geleitet.

Diese BTS-Master

sind den

einzelnen

PON

direkt zugeordnet.

Sie

übernehmen die Funktion des Multiplexens in den TDM/TDMA-Rahmen. Ihre Aufgabe ist es weiterhin, den Rangingprozeß „ihres“ PON zu überwachen und zu steuern. In TDM/TDMA-Rahmen werden auch sämtliche Nachrichten zur Überwachung und Steuerung der ONUs

7, OS-OPAL).

übertragen (s. Abschnitt

Im LT (Line Termination) erfolgen die elektrisch-optische bzw. optisch-elektrische Wandlung der Signale und die Einkopplung in die Faser. Für die interaktiven Dienste ist der Wellenlängenbereich von 1 270 bis 1 350 nm spezifiziert. Bei Anwendung von Wellenlängenmultiplex erfolgt die Übertragung downstream zwischen 1 490 und 1 570 nm. Diese relativ breiten Wellenlän-

genfenster sind aus zwei Gründen erforderlich. Da die optischen Sender im OLT und in den ONU

eingesetzt werden, sind sie in hohen Stückzahlen erfor-

derlich und stellen einen nicht zu vernachlässigenden Anteil an den Gesamtkosten dar. Bei in Massenfertigung erzeugten Lasern schwankt die Nominalwellenlänge

in einem

gewissen

Bereich.

Eine

Kostenreduzierung

einen dadurch erreicht, daß die Laser unabhängig von ihrer wellenlänge bei 20 °C verwendet werden können. Außerdem Laser in der ONU erweiterte Klimaforderungen im Bereich +55°C. Bei einem Verzicht auf Laserkühlung bzw. Heizung Wellenlängendrift von 0,4 nm/grd gerechnet werden.

wird

zum

Transmissionsgelten für die von -25°C bis muß mit einer

Mit den für OPAL 94 auf dem Weltmarkt verfügbaren Sender- und Empfängerbauelementen ist, abhängig vom angewendeten Übertragungsverfahren für das Passive Optische Netz, ein Dämpfungsbudget von maximal 26 bis 34 dB verfügbar (Bild 12). Dieses Budget wird im wesentlichen von den beiden Komponenten Glasfaser und Koppler aufgebraucht. Bei einer maximalen Entfernung von 10 km zwischen OLT und ONU läßt sich so in der Regel ein Kopplerverhältnis von 1:32 erreichen. Bei einer Erhöhung der Reichweite muß zwangsläufig die Anzahl der an ein PON anschaltbaren ONUs zurückgehen. Um diesem Umstand gerecht werden zu können, wurden in der Spezifikation die drei Systemklassen A, B und C eingeführt. Da für eine Einfaserlösung im Vergleich zur Zweifaserlösung eine Faser weniger benötigt wird und damit auch der für diesen Faserstern erforderliche Koppler entfällt, erhält die Einfaserlösung einen Bonus bei Kopplerverhältnis und Nutzkanalzahl pro PON. Um auch bei einer Systemreichweite von 20 km und mehr das maximale Kopplerverhältnis von 1:32 erreichen zu können (Klasse C), werden i. a. ein digitales Zubringersystem und der Einsatz eines von der Vermittlungsstelle abgesetzten OLT erforderlich sein.

54

Glasfaseranschlußleitungsnetze/OPAL-Technik

LT

|

°

—

Kemübentragungssystem |

PON

\

Su

DA

= I-

== ' ab

Au II A

|

ui

| Or

ı

|

JE

DEZ mm

|

hai

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2° lH

Sm

|| | zz] L 1Hi

eo

|

eaumversorgung

-

e mm I un

|

=.

12

BEE

|

Testunit

Ukooder&

|

===>"

i

2 Mbit/s

Festverbindungen Ba kbiys / Daten 64 kbit/s

|

Bild 13: Funktionsmodell der ONU

Der abgesetzte OLT soll sich nicht nur in einem Fernmeldedienstgebäude, sondern

auch in einem KVz-ähnlichen

Gehäuse

im Freien unterbringen

las-

sen. Über das digitale Zubringersystem werden die vermittlungsseitigen 2Mbit/s-Schnittstellen vom Standort der DIVO zum abgesetzten OLT übertragen. Das Zubringersystem wird in der Regel ein SDH-System sein, das als

Terminal Multiplexer betrieben wird. Zukunftsweisende

Entwicklungen

er-

möglichen den wahlweisen Ersatz der 2-Mbit/s-TUs durch ein bis zwei STM-

l-Schnittstellen. Damit kann der Zubringer in den OLT integriert werden. Neben diesen rein übertragungstechnischen Elementen verfügt der OLT noch über Baugruppen für die Stromversorgung und den Takt. Der Betriebstakt soll aus einer der V5.-Schnittstellen des OLT abgeleitet werden. 3.4 Optical Network Unit Der gesamte vom OLT gesendete und über ein PON übertragene Rahmen wird von den ONUs empfangen und im LT optisch-elektrisch gewandelt (Bild 13). Daraus

werden

im Kernsystem

der ONU

die für diese ONU

be-

stimmten Daten-, Signalisierungs-, und Überwachungskanäle entnommen, verarbeitet und auf einen Teilnehmerschnittstellenbus gegeben. In umgekehrter Richtung werden im ONU-Kernsystem

die Teilnehmerdaten

in Richtung

OLT zusammengestellt, im LT elektrisch-optisch gewandelt und zu dem im Rangingprozeß festgelegten Zeitpunkt gesendet. 55

Fachbeiträge

Das Übertragungsverfahren auf dem PON ist so flexibel gestaltet, daß jeder ONU wahlweise 1 bis 64x64-kbit/s-Kanäle zugewiesen werden können. Das ist zugleich auch die Mindestgröße für den Teilnehmerschnittstellenbus, auf den

die Teilnehmerschnittstellenkarten

(Service

Units,

SU)

Zugriff haben.

Die Service Units sind so gestaltet, daß jeder SU-Steckplatz eine Service Unit, unabhängig von ihrer Dienstart, aufnehmen

kann. Nur für 2-Mbit/s-Dienste

ist eine Einschränkung auf bestimmte Steckplätze erlaubt. Diese Steckplätze müssen

aber

ohne

Einschränkung

auch

mit jeder

anderen

SU

bestückbar

sein. Damit ist an jeder ONU ein beliebiger Dienstemix möglich, der lediglich durch die Kapazität von 64 x 64 kbit/s oder durch die Anzahl verfügbarer SUSteckplätze begrenzt ist. Die Service Units sind, wie alle anderen ONU- und OLT-Baugruppen,

als Steckkartenmodule ausgelegt, so daß beim Wunsch

ei-

nes Teilnehmers nach einem weiteren Übertragungskanal oder einem anderen Dienst nur die SU ergänzt bzw. ausgetauscht werden muß. Jegliche Änderungen einer Service Unit dürfen den Betrieb anderer Service Units nicht beeinträchtigen. Schnittstellenkarten werden nicht bereits durch Stecken, sondern erst durch das Management-System konfiguriert. Wenn mehrere Teilnehmerschnittstellen auf einer Service Unit untergebracht sind, dann müssen

diese einzeln konfigurierbar sein. Damit wird erreicht, daß unbeschaltete Schnittstellen keine Kanäle belegen, die für andere Dienste oder andere ONUs an diesem PON genutzt werden können. So kann die Kapazität der an einen PON bestückten Service Units größer sein als die gesamte PON-Kapazität. Das erlaubt es auch, einem Teilnehmer zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Dienste anzubieten, die nur über das Managementsystem konfiguriert werden belegen.

müssen

und nur die gerade benötigte Kapazität auf dem

PON

So wie es möglich ist, Schnittstellen neu zu konfigurieren, können an ein PON auch neue ONUs angeschaltet und durch das Managementsystem konfiguriert werden, ohne den Betrieb anderer ONUs dieses PON zu stören. Beim Bruch einer Glasfaser dürfen auch nur die ONUs gestört sein, die unmittelbar

über diese Glasfaser betrieben werden.

Von der Deutschen Bundespost Telekom wurde eine Familie von fünf verschiedenen ONU-Typen spezifiziert, die sich mit ihrer Größe der Anzahl der zu versorgenden Teilnehmer pro Gebäude oder Curb bzw. der Zahl der Dienste für Geschäftskunden anpassen. Die LT- und Kernfunktionen sind für alle ONUs

gleich. Auch in der Kapazität des Teilnehmerschnittstellenbusses gibt

es keine Unterschiede.

Sie unterscheiden sich lediglich in der Anzahl von

Steckplätzen für die Service Units. Es sind die

56

Glasfaseranschlußleitungsnetze/OPAL-Technik -

ONU, Typ II,

für bis zu 12 Teilnehmeranschlüsse,

-

ONU, Typ III,

für bis zu 30 Teilnehmeranschlüsse und

-

ONU, Typ IV,

für bis zu 60 Teilnehmeranschlüsse

spezifiziert. Neben Wohneinheiten

diesen für den Einsatz in Gebäuden

und im Curb vorgesehenen ONUs

mit mehr als drei

mit flexibel bestückbaren

Service Units wird es auch kleinere, kompakte ONUs

mit integrierten Teil-

nehmerschnittstellen geben. Die

-

ONU, Typ la,

mit 4 analogen Hauptanschlüssen und

-

ONU, Tpy Ib,

mit 2 ISDN-Basisanschlüssen

sind für Ein- bis Dreifamilienhäuser vorgesehen. Bei veränderten Dienstewün-

schen der Teilnehmer werden sie komplett getauscht. Damit wurde versucht, eine ONU zu schaffen, die in ihrer Form und Größe auch von Teilnehmern mit Einfamilienhäusern akzeptiert werden kann. Da bei einem konsequenten Einsatz von Fiber To The Building ONUs

insbesondere für Ein- und Zweifa-

milienhäuser in großen Stückzahlen benötigt werden, ist es notwendig, auch eine preiswertere, integrierte Lösung zur Verfügung zu haben. 3.5 3.5.1

Schnittstellen des OLT zu den bestehenden Netzen Schnittstelle zwischen OLT und DIVO für die vermittelten Dienste

Bei den im Zeitraum 1990/91 von der DBP Telekom realisierten Pilotprojekten OPAL 1-7 erfolgte die Anschaltung des OLT an die VSt über die „normalen“ Teilnehmerschnittstellen am HVt (a/b-Schnittstelle für analoge Telefon-

anschlüsse, Ux,-Schnittstelle für ISDN-Basisanschlüsse). Als „Zwischenglied“ diente eine sogenannte Channelbank (Bild 14), die die Anpassung der Teilnehmerschnittstellen an die Eingangsschnittstellen des OLT (2-Mbit/s-

Schnittstellen gemäß CCITT-Empfehlung G.703/704) realisierte. Diese Art der Anschaltung führte insbesondere bei den analogen Telefonanschlüssen zu einem hohen technischen Aufwand für die mehrfache A/D- bzw. D/A-Wandlung und die Umsetzung der Schleifensignalisierung von und zum

Teilnehmer sowie zu zusätzlichen Rückkopplungskreisen und Signallaufzeiten. Für die angestrebte

wirtschaftliche

Lösung

erwies

sich dieser Weg

als

nicht erfolgversprechend. Die im Netz der DBP Telekom eingesetzte Vermittlungstechnik zeigte mit den systemspezifischen digitalen Schnittstellen, die ursprünglich für den Anschluß sogenannter APE

(Abgesetzte Periphere Einheit) entwickelt wurden,

57

Fachbeiträge

DS 2.vt

Hve |

i VSt

Channel | ||

ab

Bonk

|

I

une |

64 kbit/s | PCM3O | ı

Uko PCM2 64 kbit/s

ı | FA

- ab Us

l

!

l

|

|

l

|l

ONU

64 kbit/s

l

ONU

ı

— ab Yo

|

Bild 14: Realisierung von analogen Einzelanschlüssen und ISDN-Basisanschlüssen über sogenannte Channelbanks. (Pilotprojekte OPAL 1-7)

hier die Richtung für eine wirtschaftlichere Alternative. Durch

die Anschal-

tung dieser APE an eine größere, zentrale Mutter-VSt können kleine, unwirtschaftliche Vermittlungsstellen abgelöst werden. Bei diesen Schnittstellen handelt es sich im weitesten Sinne um systeminterne, d. h. „innere“ Schnittst-

ellen zwischen den dezentral in einer APE untergebrachten Teilnehmermodulen und den übrigen zentralen technischen Einrichtungen einer digitalen VSt.

Sie arbeiten mit einer systemindividuellen Zentralkanal-Zeichengabe und haben eine Konzentratorfunktion, d. h., es werden mehr Teilnehmer über diese Schnittstelle angeschlossen als gleichzeitig aktiv sein können. Durch die Anwendung von PCM-Übertragungstechnik kann diese „innere“ Schnittstelle in

ihrer Reichweite nahezu beliebig weit verlängert werden, was zu einer Herauslagerung vermittlungstechnischer

Funktionen

aus dem

Gebäude

der VSt in

die Nähe des Teilnehmers (Peripherie) führt. Da es sich bei den APE ebenfalls um recht teuere technische Einrichtungen handelt, die in entsprechenden Räumen oder Gebäuden untergebracht werden müssen, bietet der Ersatz von geplanten APE durch entsprechende OPAL-Systeme vergleichbarer Reichweite eine kostengünstigere Alternative.

Die Zulassung der systemindividuellen Schnittstellen als Eingangsschnittstelle eines OPAL-Systems

hätte den Herstellerfirmen

der Vermittlungstechnik

auch im OPAL-Wettbewerb eine wesentlich bessere Ausgangsposition verschafft. Daher übernahm die DBP Telekom im Rahmen der internationalen Standardisierungsorganisationen,

insbesondere

in ETSI,

eine Vorreiterrolle

bei der internationalen Standardisierung von digitalen Schnittstellen an DIVO zum Anschluß von Teilnehmernetzen (AN - Access Network). Diese 58

Glasfaseranschlußleitungsnetze/OPAL-Technik Schnittstellenfamilie wird allgemein als V5.x-Schnittstelle bezeichnet und besteht derzeit (Stand 03/93) aus der V5.1- und der V5.2-Schnittstelle.

Bei der V5.1-Schnittstelle handelt es sich um eine 2-Mbit/s-Schnittstelle ohne Konzentratorfunktion für die Anschaltung von analogen Telefonanschlüssen und ISDN-Basisanschlüssen in gemischter Beschaltung. Für diese Schnittstelle wurden die Standardisierungsarbeiten im Frühjahr 1993 im wesentlichen abgeschlossen. Sie soll ab Frühjahr 1994 in die Vermittlungstechnik implementiert werden und steht somit für die Anschaltung von OPAL-Systemen ab 1994 zu Verfügung.

Etwa seit Mitte 1992 laufen die Arbeiten zur Standardisierung der V5.2Schnittstelle auf Hochtouren. Diese Schnittstelle hat eine Konzentratorfunktion und besteht aus (Stand 03.93) bis zu 16 2-Mbit/s-Schnittstellen. Neben den von der V5.1-Schnittstelle unterstützten Anschlußarten können über die V5.2-Schnittstelle auch ISDN-Primärmultiplexanschlüsse betrieben werden. Die

Implementierung

dieser Schnittstelle in der Vermittlungstechnik

ist ab

1996 vorgesehen. Bereits bei Beginn der Standardisierung der V5.1-Schnittstelle wurde auf eine spätere Aufwärtskompatibilität zur V5.2-Schnittstelle geachtet, so daß auch die Vermittlungstechnik der Jahre 1994 und 1995 auf diese Schnittstelle aufgerüstet werden kann. Mit der konsequenten Einführung der V5.1-/2-Schnittstelle als Schnittstelle zwischen der DIVO und dem OPAL-System werden erstmalig die Voraussetzungen für einen weltoffenen, gleichberechtigten Wettbewerb zwischen den Anbietern von OPAL-Technik geschaffen. Damit wird der DBP Telekom

langfristig die Erzielung von kostengünstigen Einkaufspreisen ermöglicht, ob-

wohl gegenwärtig mit der V5.1-Schnittstelle, im Vergleich zu den firmenindividuellen Schnittstellen, aufgrund der fehlenden Konzentratorfunktion ein höherer Hardwareaufwand betrieben werden muß. Den OPAL-Herstellern werden durch diese international einheitliche Schnittstelle aufwendige Entwicklungen und Anpassungen an die verschiedenen landes- bzw. firmenspezifischen Schnittstellen erspart. 3,5.2 Schnittstellen zwischen OLT und den Netzen für Datendienste und

Monopolübertragungswege Bei der Einführung der OPAL-Technik geht die DBP Telekom davon aus, daß an den zukünftigen OPAL-Standorten auch synchrone Orisnetzringe (VISYON

- Variables Intelligentes Synchrones

Ortsnetz) installiert werden.

Daher sind auch die Eingangsschnittstellen des OLT für diese Dienste aus59

Fachbeiträge

Channel

Bank

DS 2.vt

x

am

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2M

TU




Du

—

> XD x)

XL

90

Bild 2: Einige wichtige integriert-akustooptische Schaltkreise

beiden Eingängen ankommende Informationskanäle (bei verschiedenen Wellenlängen A,) in beliebiger Form auf die Ausgänge verschaltet werden.

Die in den akustooptischen Modenkonvertern konvertierte Strahlung gelangt zum Kreuz-Ausgang der Matrix, die unkonvertierte zum Geradeaus-Ausgang.

Die 2x2-Matrix ist somit der Grundbaustein für komplexe Vermittlungsknoten. Darüber hinaus kann dieser Schaltkreis als polarisationsunabhängiges, einstufiges Wellenlängenfilter oder als (De-JMultiplexer zum Einfügen bzw. Auslesen von Informationskanälen verwendet werden. In diesem Abschnitt wurde nur eine kleine Auswahl von interessanten integriert-akustooptischen

Schaltkreisen

angesprochen.

Darüber

hinaus

gibt es

weitere, die ebenfalls attraktive Anwendungsmöglichkeiten bieten. Unter anderem sind darunter z.B. Schaltkreise für Heterodyn-Interferometer oder Schaltkreise für Selbstheterodyn-Übertragungssysteme (Abschnitt 4.3).

176

Akustooptische Schaltkreise 3

Bauelemente

In diesem Abschnitt sollen die einzelnen Bauelemente, die für die integriertoptischen Schaltkreise benötigt werden, als separate Komponenten diskutiert werden. Damit ein Funktionieren der komplexen Schaltkreise überhaupt möglich wird, ist eine Optimierung der einzelnen Bauelemente unerläßlich. Deshalb war in den letzten Jahren die Entwicklung und Verbesserung dieser

Bauelemente auch immer ein Schwerpunkt laufender Forschungsaktivitäten. 3.1

Optische Wellenleiter

Heute

ist die Titan-Eindiffusion

eine Standardtechnologie

zur Herstellung

von optischen Streifenwellenleitern in LiINbO,. Dabei wird ein photolithogra-

phisch strukturierter Ti-Streifen in das Material eindiffundiert. Als Substratmaterial verwendet man X-Schnitt-Lithiumniobat mit Y-Ausbreitung, d.h., die kristallographische X-Achse steht senkrecht auf der Substratoberfläche, und die Wellenleiterachse zeigt in Richtung der kristallographischen Y-Achse. Die Dimensionierung der Streifenwellenleiter ergibt sich aus den jeweiligen Anforderungen. Wir benötigen für unsere Bauelemente Streifenwellenleiter, die optisch einmodig in beiden Polarisationen (TE und TM) im Wellenlängenbereich um X = 1,5 um sind. Entsprechende Wellenleiter erhält

man durch Eindiffusion von 7 um breiten, etwa 1000 Ä dicken Ti-Streifen; die 9stündige Diffusion erfolgt bei 1030 °C. Die Dämpfung in den Streifenwellenleitern beträgt für beide Polarisationen typischerweise etwa 0,1 dB/cm. Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Inten-

sitätsprofile der Wellenleitermoden. Diese sollten möglichst gut mit den Profilen von einmodigen Lichtleitfasern übereinstimmen, damit die integriert-optischen Schaltkreise mit möglichst geringen Verlusten in Glasfaserstrecken eingefügt werden können. Im Gegensatz zu integriert-optischen Komponenten in III-V-Halbleitern ist dieses sehr gut bei LiNbO,-Wellenleitern erfüllt; die Einfügeverluste

für einen

Glasfaser-Wellenleiter-Übergang

können

typi-

scherweise unter | dB gehalten werden. 3.2

Akustische Wellenleiter und Richtkoppler

Das Funktionsprinzip des akustooptischen Modenkonverters beruht auf der Wechselwirkung

der optischen

Felder

mit

akustischen

Oberflächenwellen.

Bei akustischen Oberflächenwellen handelt es sich um Ultraschallwellen, die nahe der Oberfläche lokalisiert sind. Im allgemeinen sind Oberflächenwellen 177

EITEFTTTTTTTTTTTTT EITTIIEITITTITETTITT

IITTT

CITI III TI EI ITTITELT I 5 TI III CIE TI TI EITLIITITTII

IITTTI

DT

Entwicklungstendenzen

Y

Z

Bild 3: Perspektivische Darstellung des räumlichen Verzerrungszustandes einer SAW bei XSchnitt-Lithiumniobat mit Y-Ausbreitung. Die Auslenkungen sind stark übertrieben dargestellt.

weder reine Transversal- noch reine Longitudinalwellen, sondern haben eine komplexe Struktur mit Auslenkungen in allen drei Raumrichtungen. Bei

Kenntnis der elastischen (und piezoelektrischen) Eigenschaften des Materials lassen sich die SAW jedoch berechnen. Exemplarisch ist in Bild 3 der räumliche Verzerrungszustand durch eine SAW in X-Schnitt-LiNbO, bei YAusbreitung

dargestellt.

Die

räumlichen

Ausdehnungen

sind dabei

extrem

übertrieben wiedergegeben. Die Amplituden der Auslenkungen sind im allgemeinen kleiner als | nm bei typischen akustischen Leistungsdichten. Die Ein-

dringtiefe der akustischen Wellen in das Substrat liegt im Bereich einer akustischen

Wellenlänge;

170 MHz etwa 20 um.

diese

beträgt

bei

SAW

im

Frequenzbereich

um

Damit die Wechselwirkung im akustooptischen Modenkonverter effizient ablaufen kann, sollten die akustischen Wellen in einem engen Bereich nahe dem optischen Wellenleiter lokalisiert bleiben. Sollen ferner mehrere Modenkonverter auf einem Substrat integriert werden, so muß sichergestellt sein, daß

ein Übersprechen der akustischen Wellen verhindert wird; auch hierfür ist eine Lokalisierung der akustischen Wellen zwingend erforderlich. Solch eine Lokalisierung läßt sich erreichen, wenn die akustischen Wellen in akustischen Wellenleitern geführt werden.

Akustische Streifenwellenleiter können in LiNbO, durch Ti-Eindiffusion hergestellt werden. Dabei wird ausgenutzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit

für akustische Oberflächenwellen in Ti-diffundiertem LiNbO, größer ist als in undotiertem LiNbO,. In Bild 4 (links) ist ein akustooptischer Modenkonver-

178

Akustooptische Schaltkreise

Transducerelektroden

Berandungsbereich des akustischen Wellenleiters

akustischer Absorber

\

opt.

Ti:LiNbO3

Wellenleiter

Bild 4: Akustooptischer Modenkonverter mit kombiniert akustisch-optischem Wellenleiter (links: Aufbau; rechts: gemessenes Intensitätsprofil der SAW im akustischen Wellenleiter)

ter mit einem akustischen Wellenleiter dargestellt. Die Wellenführung der SAW wird durch Ti-Eindiffusion in die Berandungsbereiche des akustischen Wellenleiters erreicht. Die Breite des undotierten Bereiches zwischen den Tidiffundierten Rändern beträgt etwa 100 um. In dem akustischen Wellenleiter wird mittels interdigitaler Transducerelektroden, an die eine HF-Spannung (f, = 170 MHz) angelegt wird, eine akustische Oberflächenwelle angeregt. Die Wellenausbreitung im akustischen Wellenlei-

ter kann mit Hilfe einer Laserbeugungssonde untersucht werden. Dabei wird ein Laserstrahl auf die Substratoberfläche fokussiert. Die periodische Verformung der Oberfläche durch die SAW wirkt als Beugungsgitter für die optische Welle. Detektiert wird die in die erste Beugungsordnung gekoppelte optische Leistung, die proportional zur Leistung der akustischen Welle ist. Rastert man mit diesem Verfahren die Oberfläche ab, so erhält man eine zweidimensionale Intensitätsverteilung der SAW im akustischen Wellenleiter. Das Ergebnis einer solchen Messung ist in Bild 4 (rechts) dargestellt. Man er-

kennt eine einmodige Wellenführung der SAW im akustischen Wellenleiter. Die Dämpfungen typischer akustischer Wellenleiter liegen bei etwa 0,3 bis 1,0 dB/cm. Neben

einfachen akustischen Streifenwellenleitern können

auch komplizier-

tere „integriert-akustische“ Komponenten hergestellt werden. Wie später gezeigt wird, sind akustische Richtkoppler von besonderem Interesse. Sie bestehen aus zwei eng benachbarten akustischen Wellenleitern, die nur durch einen schmalen (oder auch gar keinen) Ti-diffundierten Steg getrennt sind. In

179

Entwicklungstendenzen

Ti:LiNbOg opt.

Wellenleiter

I41

4

1100 153 1001

no

600um

Bild 5: Akustooptischer Modenkonverter mit akustischen Richtkoppler (links: Aufbau; rechts: gemessenes Intensitätsprofil der SAW im akustischen Richtkoppler)

Bild 5 (links) ist solch ein akustischer Richtkoppler dargestellt. Die beiden akustischen Wellenleiter werden am Beginn der Struktur zusammengeführt; dabei

verjüngt

sich

der

Steg

zwischen

den

beiden

Wellenleitern

und

ver-

schwindet im mittleren Teil vollständig. Am Ende werden die beiden Wellenleiter wieder auseinandergeführt. In einem der beiden Wellenleiter wird die akustische Oberflächenwelle angeregt. Anhand des mit der Laserbeugungssonde gemessenen Intensitätsprofils (Bild 5 (rechts)) erkennt man, daß die

akustische Welle in den Nachbarwellenleiter und wieder zurückkoppelt. Typische Werte der Koppellänge (das ist die Länge, die zum vollständigen Überkoppeln in den Nachbarwellenleiter benötigt wird) liegen im Bereich um 10 mm. Das Koppelverhalten wird maßgeblich durch die Dimensionierung

des Stegbereiches bestimmt.

3.3 Akustooptischer Modenkonverter Beim akustooptischen Modenkonverter wird ein optischer Wellenleiter in einen akustischen Wellenleiter eingebettet (Bild 4). Über die elastooptischen und die elektrooptischen Eigenschaften von LiNbO, ergibt sich eine Wechsel-

wirkung zwischen der SAW und den optischen Feldern, die eine Polarisationskonversion bewirkt. Das heißt, TE-polarisierte Strahlung kann in TM-polarisierte Strahlung konvertiert werden und umgekehrt. Damit dieser Konversionsprozeß effizient ablaufen kann, muß die sogenannte Phasenanpaßbedingung erfüllt sein. Dieses bedeutet, daß die Differenz der optischen Wellenzahlen der TE- und der TM-polarisierten Moden gleich dem Betrag der

Wellenzahi der SAW ist, d.h. |Bru - Brel = IB,|. Für den Wellenlängenbe180

Akustooptische Schaltkreise TM

TM

IM TE

9LLMHz

Prm

/

%

|

fo tet

1

to te

N TE

\

TE oO v1

lau]

—e

b

TMTE

| |

0

=

l

0

1

JR

lau]

forfo

2

—

forte

—e

Bild 6: Im akustooptischen Modenkonverter nicht konvertierte Leistung als Funktion der Wurzel aus der elektrischen Steuerleistung. Die Insets zeigen Frequenzspektren bei verschiedenen Konversionswirkungsgraden.

reich um A = 1,55 um

ist diese Phasenanpaßbedingung mit akustischen Wel-

len im Frequenzbereich um

anpassung

bewirkt

die

170 MHz

möglich. Die Forderung nach Phasen-

Wellenlängenselektivität

des

akustooptischen

Modenkonverters. Im

n =

Falle

phasenangepaßter

Modenkonversion

ist

der

Wirkungsgrad

sin? (vr 1) Dabei ist P, die Leistung der akustischen Welle und 1 die

Wechselwirkungslänge,

die

mit

einem

akustischen

Absorber

(elastischer

Klebstoff oder Klebestreifen) abgeschlossen wird. Der Faktor y wird durch Materialkonstanten von LiNbO, sowie durch die Überlappung der optischen Felder mit der akustischen Welle bestimmt. Je besser die akustische Welle auf den Bereich um den optischen Wellenleiter lokalisiert ist, desto besser ist die Überlappung und damit der Wirkungsgrad. Hier wird noch einmal deutlich, daß unter Verwendung von akustischen Wellenleitern die Effizienz im Vergleich zur Modenkonversion mit ungeführten Oberflächenwellen deutlich gesteigert werden kann. Ferner verbessert sich der Wirkungsgrad mit wachsender Wechselwirkungslänge und mit zunehmender akustischer Leistung.

Gemessen werden kann die Effizienz des Konversionsprozesses, indem man Licht mit definiertem Polarisationszustand (z. B. TM) in den Modenkonverter einkoppelt und den konvertierten bzw. den unkonvertierten Anteil als 181

Entwicklungstendenzen Funktion der elektrischen Steuerleistung bestimmt. Das Ergebnis einer solchen Messung ist in Bild 6 dargestellt. Hier ist die nicht konvertierte Leistung

als Funktion der Wurzel aus der elektrischen Steuerleistung aufgetragen. Man erkennt klar den theoretisch erwarteten sin’-förmigen Verlauf. Das heißt, es

ist möglich, das Licht vollständig zu konvertieren und bei weiterer Erhöhung der Steuerleistung wieder eine Rückkonversion in den Ausgangspolarisationszustand zu erzielen. Vollständige Konversion erreicht man mit elektrischen Steuerleistungen im Bereich von einigen zehn Milliwatt bei Wechselwirkungs-

strecken von typischerweise 10 bis 20 mm. Mit

der

akustooptischen

Modenkonversion

ist ein

Frequenzversatz

ver-

knüpft. Das heißt, die Frequenz der konvertierten Strahlung ist gegenüber der

der einfallenden Strahlung um die Frequenz der akustischen Welle verschoben. Die Richtung des Frequenzversatzes hängt von der Konversionsrichtung (d. h. TE>TM oder TE>TM) sowie von der Ausbreitungsrichtung der aku-

stischen Welle relativ zu denen der optischen Wellen ab. So erhält man beispielsweise einen positiven Frequenzversatz bei TE>TM-Konversion und kodirektionaler

Propagation.

Die

Insets

in

Bild6

veranschaulichen

den

Frequenzversatz. Hier wurde das Spektrum der Strahlung hinter dem Modenkonverter mit einem optischen Spektrumanalysator, dessen freier Spektralbereich 944 MHz beträgt, gemessen; als Lichtquelle diente ein longitudinal einmodiger He-Ne-Laser (A = 1,52 um). Im Spektrum sieht man bei etwa 50 % Konversionswirkungsgrad neben der TM-polarisierten (unkonvertierten) Welle bei der Grundfrequenz f, die um die akustische Frequenz f, verschobene TE-polarisierte Welle. Ohne Konversion bzw. bei vollständiger Konversion erhält man entsprechend nur den Beitrag in TM- bzw. den frequenzverschobenen Beitrag in TE-Polarisation. Variiert man die akustische Frequenz und strahlt mit fester optischer Wellenlänge in den Modenkonverter ein oder variiert die optische Wellenlänge bei fester akustischer Frequenz, so erhält man die Konversionscharakteristik des Bauelements. In Bild 7 ist solch eine gemessene Charakteristik dargestellt. Hier wurde die konvertierte Leistung als Funktion der SAW-Frequenz gemes-

sen.

Man erkennt eine - wie theoretisch erwartet - (ay' -ähnliche Struktur der Konversionskurve.

Die

Halbwertsbreite

der Kurve

beträgt

180 kHz;

dieses

entspricht einer Halbwertsbreite von etwa 0,9 nm, wenn die optische Wellenlänge bei fester SAW-Frequenz variiert wird.

182

Akustooptische Schaltkreise

1.0F

f —

05H

Ss,n

ii

3

|

-

120

kHz

(0.9

nm)

— _

0

|

174

| 175

f [MHz] —>

Bild 7: Gemessene, im Modenkonverter konvertierte Leistung als Funktion der Frequenz der SAW bei fester optischer Wellenlänge

Neben

dem

Hauptmaximum

der Konversionscharakteristik

treten

Seiten-

maxima auf. Der Pegel der dominanten Nebenmaxima sollte theoretisch etwa

10 dB unterhalb des Pegels des Hauptmaximums liegen. Tatsächlich findet man jedoch sehr häufig deutlich ausgeprägtere Nebenmaxima. Diese beruhen auf einer lokalen

ierenden

Variation

Vermeidung

dieser störenden

von

vari-

längs der Wechselwirkungsstrecke.

Zur

der Phasenanpaßbedingung

Wellenleiterdimensionen

Effekte muß

aufgrund

die Herstellungstechnologie

hin-

sichtlich möglichst geringer Inhomogenitäten optimiert werden.

Selbst bei einer idealen Konversionscharakteristik sind die Nebenmaxima für viele Anwendungen noch störend. Die Nebenmaxima werden durch das abrupte Ein- und Ausschalten der akustooptischen Wechselwirkung am Beginn bzw. am Ende der Wechselwirkungsstrecke verursacht. Die Konversionscharakteristik ist näherungsweise das Betragsquadrat der Fouriertransformierten

der Wechselwirkungsstärke. Läßt man diese Wechselwirkungsstärke langsam ansteigen und dann wieder abfallen, so erhält man eine Konversionscharakteristik mit deutlich reduzierten Nebenmaxima. Dieses ist unter Verwendung der im letzten Abschnitt diskutierten akustischen Richtkoppler möglich. Legt man den optischen Wellenleiter in einen der beiden akustischen Wellenleiter eines Richtkopplers und regt die akustische Welle in dem anderen Wellenleiter an (vgl. Bild 5), so koppelt die akustische Leistung längs der Richtkopplerstruktur in die Wechselwirkungsstrecke über und wieder zurück. Das heißt, man erhält - je nach Dimensionierung des akustischen Richtkopplers - näherungsweise eine sin?-förmige Variation der akustischen Leistungsdichte. In 183

Entwicklungstendenzen 1.0

t

—

3

|

—

330 kHz

05H

s,

n.

.—

(2.5

—

nm)

_ 0

_

171

172

f [MHz] —»

Bild 8: Gemessene koppler

173

Konversionscharakteristik eines Modenkonverters

mit akustischem

Richt-

Bild 8 ist die gemessene Konversionscharakteristik solch eines Modenkonver-

ters dargestellt. In Vergleich mit Bild 7 erkennt man die deutlich reduzierten Nebenmaxima. Lediglich auf der rechten Seite ergibt sich ein noch gut erkennbares Nebenmaximum; dieses ist aber im wesentlichen auf Inhomogeni-

täten zurückzuführen. Theoretische Analysen haben gezeigt, daß bei geeigneter Dimensionierung des akustischen Richtkopplers eine Unterdrückung der

Nebenmaxima von weit mehr als 20 dB möglich sein sollte.

Eine besonders attraktive Eigenschaft des akustooptischen Modenkonverters ist die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere optische Wellen bei unterschiedli-

chen

Wellenlängen

zu konvertieren.

Diese

simultane

Konversion

kann

er-

reicht werden, wenn nicht nur eine akustische Oberflächenwelle im Modenkonverter angeregt wird, sondern gleichzeitig mehrere Wellen bei

verschiedenen

Frequenzen.

Phasenanpassung

ist dann entsprechend

für ver-

schiedene optische Wellenlängen erfüllt, die simultan konvertiert werden. In

Bild 9 sind experimentelle

Ergebnisse

zum

simultanen

Konvertieren

darge-

stellt. Hier wurde das Licht einer breitbandigen LED in einen Modenkonverter (mit akustischem Richtkoppler) eingekoppelt und das konvertierte Licht

gemessen.

Die oberen

Diagramme

zeigen die Konversionscharakteristik

für

zwei verschiedene akustische Frequenzen, wenn jeweils nur eine SAW im Konverter erzeugt wird. Werden die beiden SAW simultan angeregt, so ergibt sich die im unteren Teil des Diagramms gezeigte Charakteristik. Man erkennt, daß die Konversion simultan bei zwei optischen Wellenlängen, die in

diesem speziellen Fall 6 nm getrennt voneinander sind, abläuft. Diese Eigen-

184

Akustooptische Schaltkreise 10 rF

T

T

T

T

T

r

zn

T

10F

T

T

T

T

f=172.58 MHz

T

-

f=173.35 MHz

3

S 05 &

ag

0.0

1

L

1540

L

1

L

1550

L

l

1560

ı

1540

A [nm] T

5

R

L

1

L

1560

A [nm] T

T

T

T

107

3

L

1550

0

T

f1=172.58 MHz f3=173.35 MHz

5

u

0.0

ı

1540

L

L

1550

L

L

1560

A [nm] Bild 9: Simultanes Konvertieren bei zwei optischen Wellenlängen (oben: Konversionscharakteristiken mit jeweils nur einer SAW; unten: Konversionscharakteristik bei Anregung mit zwei akustischen Wellen)

schaft des akustooptischen Modenkonverters eröffnet die Möglichkeit für eine Reihe von sehr interessanten Anwendungen, die im einzelnen später erläutert werden sollen.

3.4

Polarisationsteiler

Der Polarisationsteiler hat die Aufgabe, die einfallende Strahlung in ihre Polarisationsanteile aufzuspalten und beide Komponenten zu separaten Ausgängen

zu lenken.

Betreibt man

das Bauelement

in umgekehrter

Richtung,

so

können zwei orthogonal zueinander polarisierte Wellen in einen Wellenleiter zusammengeführt werden. Zur Realisierung von integriert-optischen Polarisationsteilern bieten sich verschiedene Formen von Richtkopplern an. Bei ei185

Entwicklungstendenzen

Ti: LINbOz L/

Bild 10: Integriert-optischer Polarisationsteiler

nem Richtkoppler laufen zwei optische Wellenleiter sehr dicht nebeneinander, so daß die optischen Wellen in den jeweils benachbarten Wellenleiter überkoppeln können. Das heißt, die optische Leistung oszilliert längs der Ausbreitungsrichtung periodisch zwischen den beiden Wellenleitern. Die Pe-

riodizität ist dabei unter anderem vom Abstand der beiden Wellenleiter sowie von der Polarisation der optischen Wellen abhängig. Dimensioniert man nun

den Richtkoppler so, daß nach dem Durchlaufen der Struktur TM-polarisierte Wellen vollständig in einen der beiden Wellenleiter gekoppelt sind und TEpolarisierte Wellen in den anderen, so wirkt das Bauelement als Polarisationsteiler.

In Bild 10 ist schematisch die Struktur eines Polarisationsteilers dargestellt. Zwei Wellenleiter nähern sich einander im Zuführungsbereich und verschmelzen dann im Stammbereich zu einen einzigen breiten Wellenleiter, be-

vor sie wieder auseinandergeführt werden. Bei geeigneter Wahl des Öffnungswinkels d sowie der Länge L des Stammbereiches kann solch ein Bauelement

als Polarisationsteiler wirken. Wir haben unsere Polarisationsteiler so dimensioniert, daß TE-polarisierte Strahlung dreimal zwischen den Wellenleitern koppelt und am Ende der Struktur in den Kreuz-Ausgang (cross-state) gelenkt wird, während eine TM-polarisierte Welle nur zweimal koppelt und zum Geradeaus-Ausgang (bar-state) geleitet wird. Mit diesem Konzept konnten Polarisationsteiler mit mehr als 20 dB Teilungsverhältnis für beide Polarisationen

hergestellt werden.

Neben der soeben beschriebenen Polarisationsteilerstruktur sind auch andere Konzepte möglich und bereits experimentell demonstriert worden. Diese ba-

sieren beispielsweise auf asymmetrischen

Richtkopplerstrukturen

oder nut-

zen die polarisationsabhängige Brechungsindexänderung durch Protonenaus-

tausch in LiNbO, aus.

186

Akustooptische Schaltkreise 3.5

Polarisatoren

Zwei Typen von Polarisatoren werden für die integriert-optischen Schaltkreise benötigt: TE-pass- und TM-pass-Polarisatoren. Beim TE-pass-Polarisator wird TM-polarisiertes Licht absorbiert, während im Idealfall TE-polarisiertes Licht ohne Zusatzdämpfung durchgelassen wird. Der TM-pass-Polarisator wirkt umgekehrt auf die Polarisationskomponenten.

TE-pass-Polarisatoren können in LiNbO, hergestellt werden, wenn auf die Substratoberfläche über dem optischen Wellenleiter ein Schichtpaket aufgedampft wird. Es besteht aus einer dielektrischen Schicht, gefolgt von einer Metallschicht. Solch ein TE-pass-Polarisator ist schematisch in Bild 11 dargestellt. Bei geeigneter Dimensionierung des Schichtpaketes wird TM-polarisiertes Licht durch Anregung von Oberflächenplasmawellen absorbiert, während TE-polarisierte Strahlung nur unwesentlich beeinflußt wird. Kritisch bei dem Bauelement sind vor allem die Dicke und der optische Brechungsindex der dielektrischen Schicht. Beste Ergebnisse wurde bei uns mit einer 170 Ä dikken Yttriumoxidschicht (Y,0;), gefolgt von einer etwa 500 Ä dicken Aluminiumschicht, erzielt. Hier können bei 1,5 mm langen Strukturen Auslöschun-

gen von mehr als 20 dB für TM-polarisiertes Licht bei Zusatzdämpfungen von weniger als 0,5 dB für TE-polarisiertes Licht erzielt werden.

Bei der Realisierung von TM-pass-Polarisatoren wird die anisotrope Änderung der Brechungsindizes durch Protonenaustausch

in LiNbO,

ausgenutzt.

Beim Protonenaustausch werden lokal Lithium-Ionen des Substratmaterials durch Protonen substituiert. Dazu muß das Substrat lithographisch strukturiert werden, um die Bereiche mit einer Schutzmaske zu versehen, die nicht

ausgetauscht werden (normalerweise

sollen. Der Protonenaustausch

Benzoesäure)

bei Temperaturen

um

findet in einer Säure

typischerweise

300 °C

statt. Die Tiefe des protonenausgetauschten Bereiches liegt - je nach Aus-

Ti:LiNbO, Y203/Al

Bild 11: Integriert-optischer TE-pass-Polarisator

187

Entwicklungstendenzen

tauschtemperatur und -zeit - im Bereich von einigen um. Anschließend wer-

den die Proben für einige Stunden bei Temperaturen um 300 °C in einer Sau-

erstoffatmosphäre getempert.

Im

Bereich

des Protonenaustausches

ist der außerordentliche

Brechungsin-

dex um etwa 0,08 (A =1,5 um) gegenüber dem von reinem LiNbO, erhöht, der ordentliche Brechungsindex ist dagegen geringfügig abgesenkt. In Bild 12 ist schematisch die Struktur eines TM-pass-Polarisators dargestellt. Neben dem

Ti-diffundierten

optischen

Wellenleiter

befinden

sich

protonenausge-

tauschte Bereiche. TE-polarisiertes Licht koppelt wegen des erhöhten Brechungsindexes in die ausgetauschten Bereiche; TM-polarisiertes Licht ver-

bleibt dagegen im Ti-diffundierten Wellenleiter. Es hat sich als notwendig erwiesen, die äußere Berandung der protonenausgetauschten Bereiche in Form einer Zick-Zack-Linie zu gestalten. Sonst kann das aus dem optischen

Wellenleiter ausgekoppelte Licht an der äußeren Berandung reflektiert und anschließend wieder in den Wellenleiter eingefangen werden. Mit solchen

Strukturen gelang es, TM-pass-Polarisatoren mit mehr als 30 dB Extinktionsverhältnis bei einer Zusatzdämpfung von weniger als 0,5 dB für TM-polari-

siertes Licht herzustellen.

PE:LiNbO,

Ti:LiNbO,

Bild 12: Integriert-optischer TM-pass-Polarisator (Aufsicht)

4 Akustooptische Schaltkreise und deren Anwendungen Im Verlauf der letzten Jahre wurden bereits eine ganze Reihe von integriertoptischen Schaltkreisen realisiert und untersucht. Die wichtigsten dieser Schaltkreise und ihre Eigenschaften sollen in diesem Kapitel vorgestellt wer-

den. Darüber hinaus werden deren Anwendungsmöglichkeiten diskutiert. 4.1

Abstimmbare Wellenlängenfilter

Einer der ersten integriert-akustooptischen Schaltkreise, der realisiert wurde, war das einstufige Wellenlängenfilter, das in Bild 13 dargestellt ist. Es besteht 188

Akustooptische Schaltkreise 1.0

Konverter

TE-pass

1520

1530

A [nm] Bild 13: Polarisationsabhängiges, einstufiges Wellenlängenfilter und dessen Filtercharakteristik

aus einem Modenkonverter, gefolgt von einem Polarisator. Die einfallende Strahlung muß TM-polarisiert sein, wenn der Schaltkreis als Bandpaßfilter wirken und nur den konvertierten Anteil der Strahlung transmittieren soll. In Bild 13 ist ferner die gemessene

Filtercharakteristik dieses Wellenlängenfil-

ters dargestellt. Hier wurde bei fester SAW-Frequenz die optische Wellenlänge der einfallenden TM-polarisierten Strahlung variiert und die transmittierte

Leistung gemessen. Die Filterkurve hat eine Halbwertsbreite von 2,8 nm. Der Abstimmbereich des Filters betrug mehr als 120 nm; dazu mußte die SAWFrequenz um etwa 16 MHz durchgestimmt werden. Das Filter war auf beiden Seiten mit polarisationserhaltenden Fasern versehen. Der Einfügeverlust des

kompletten etwa5 dB.

Schaltkreises

inklusive

Faser-Wellenleiter-Kopplungen

betrug

In Bild 14 ist ein polarisationsabhängiges, zweistufiges Wellenlängenfilter dargestellt. Es besteht aus zwei Modenkonvertern, die durch einen TM-passPolarisator getrennt sind. Am Anfang und am Ende des Filters befinden sich TE-pass-Polarisatoren. Ein einziger Transducer ist ausreichend zur Anregung der SAW für beide Konverter. Neben dem dargestellten TE-pass-Filter gibt es das TM-pass-Filter; dieses hat eine zum TE-pass-Filter komplementäre Anordnung der Polarisatoren, d. h. ein TE-pass-Filter in der Mitte und TM-pass-Polarisatoren am Ein- und am Ausgang. In Bild 14 ist ferner die gemessene Filtercharakteristik eines TE-pass-Filters dargestellt.

Hier

wurde

mit

einer

optischen

Welle

fester

Wellenlänge

(A = 1556 nm) in das Filter eingekoppelt und die transmittierte Leistung als Funktion der SAW-Frequenz gemessen. Gegenüber dem einstufigen Filter erkennt man deutliche Verbesserungen der Filtercharakteristik. Die Seitenmaxi-

ma sind fast vollständig unterdrückt (< -15 dB), und die Bandbreite der Kurve ist reduziert. Darüber hinaus ergibt sich ein weiterer, für einige 189

Entwicklungstendenzen

1.

Konverter

2.

Konverter

TE-pass

P [a.u.]

GAGE—

0.0

173

1 174

ı

f [MHz] Bild 14: Polarisationsabhängiges, zweistufiges TE-pass-Filter und dessen Filtercharakteristik

Anwendungen wichtiger Aspekt: Da die Welle zweimal in akustooptischen Modenkonvertern konvertiert wird, hat das transmittierte Licht keinen Frequenzversatz. Der Frequenzversatz, der in der ersten Stufe erzeugt wird, wird durch die Konversion in der zweiten Stufe gerade wieder kompensiert. Solche

zweistufigen Wellenlängenfilter wurden mit Standard-Einmodenfasern versehen. Der Gesamtverlust des Filters inklusive Faserkopplungen

bis auf 5,3 dB reduziert werden.

konnte dabei

Für die meisten praktischen Anwendungen ist ein polarisationsunabhängiger

Betrieb des Filters erforderlich. Die Erweiterung des vorher diskutierten zwei-

stufigen Filters hin zu einem polarisationsunabhängigen Filter ist Ziel laufen-

der Forschungsaktivitäten. Erste Prototypen konnten bereits realisiert werden. In Bild 15 ist solch ein zweistufiges, polarisationsunabhängiges Wellenlängenfilter dargestellt. Über einen Polarisationsteiler am Eingang

wird das einfallende Licht in seine Polarisationskomponenten aufgespalten. Diese durchlaufen dann polarisationsabhängige TE-pass- bzw. TM-pass-Filter (ohne Polarisatoren am Ein- und Ausgang), bevor mit einem weiteren Polarisationsteiler die beiden Arme wieder zusammengeführt werden. Beide Arme

befinden sich in einem gemeinsamen akustischen Wellenleiter, so daß für die Anregung der SAW ein einziger Transducer ausreichend ist. Die Filtercharakteristik des ersten

Prototyps

ist in Bild 15 gezeigt. Die Halbwertsbreite

des

Filters beträgt 1,2 nm, die Unterdrückung der Nebenmaxima etwa 11 dB. Der Einfügeverlust des mit Einmodenfasern versehenen Schaltkreises ist mit 9,2 dB

noch relativ hoch; 3,5 dB verbessert werden.

Für

abstimmbare

ebenso

Wellenlängenfilter

muß

die

besteht

Polarisationsabhängigkeit

von

ein breites Anwendungsspek-

trum, insbesondere in der optischen Meßtechnik und der optischen Übertra-

gungstechnik. Einige dieser Anwendungen sollen hier kurz diskutiert werden.

190

Akustooptische Schaltkreise 1.0

Pol.-teler

TM-pass

TE-pass

I

T

r

T

Pol.-teiler

3

ost

1.2 om|

a

Modenkonverter

0.0

1

1550

ı

L

1555

A [nm]

Bild 15: Polarisationsunabhängiges, zweistufiges Wellenlängenfilter und dessen Filtercharakteristik

Am Ende einer Übertragungsstrecke mit Wellenlängenmultiplex muß vom Empfänger ein bestimmter Informationskanal selektiert werden. Dazu eignet sich besonders gut ein abstimmbares Filter mit sehr geringem Nebensprechen. Für diese Anwendungen kommen insbesondere die mehrstufigen akustooptischen Filter in Frage. Eine besonders attraktive Anwendung für akustooptische Wellenlängenfilter ist ihr Einsatz hinter optischen Verstärkern in WDM-Systemen, da hier außer dem

simultanen

Filtern von

mehreren optischen Kanälen gleichzeitig eine Regelung des Ausgangspegels (gain equalizing) vorgenommen werden kann.

Dieses ist schematisch in Bild 16 angedeutet. Am Verstärkers

kommen

Informationskanäle

bei

Eingang eines optischen

verschiedenen

Wellenlängen

Os Ars ..., A.) und mit unterschiedlichen Pegeln an. Diese werden in dem Verstärker - typischerweise ein Erbium-Faserverstärker - verstärkt. Hinter dem Verstärker befindet sich das akustooptische Wellenlängenfilter. Dieses Filter wirkt als Kammfilter mit Transmission bei den WDM-Kanälen, wenn das Filter mit mehreren

HF-Signalen

(f,, f,, ..., f,) zur simultanen

Anregung

von

mehreren akustischen Oberflächenwellen angesteuert wird. Dadurch wird die im Verstärker erzeugte Strahlung durch verstärkte spontane Emission in den

un AıA2

—

An

Hs

Aı Ag

|

ATOF

An

nr

- t, P.B Bild 16: Integriert-akustooptisches Wellenlängenfilter (ATOF) zur Pegelanpassung

hinter Faserverstärker (EDFA)

191

Entwicklungstendenzen

ungenutzten Spektralbereichen unterdrückt. Zusätzlich kann über die Einstellung der Leistung der einzelnen akustischen Wellen (P,, P,, .... P,) der Transmissionsgrad jedes Informationskanals individuell eingestellt werden. Damit ist eine Leistungsregelung der einzelnen optischen Kanäle hinter dem Filter

möglich.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist der Einsatz der Wellenlängenfilter als Abstimmelement in Laserresonatoren. Dieses ist bereits mit Erbium-Faserlasern

demonstriert worden.

In Bild 17 ist die Konfiguration

eines solchen

Faser-

ringlasers dargestellt. Die Erbium-dotierte Glasfaser wird mit einem Halbleiterlaser (A = 980 nm oder A = 1480 nm) gepumpt. Das Pumplicht wird über

einen wellenlängenselektiven

Faserkoppler in den Ring eingespeist. Weitere

Komponenten des Ringresonators sind das akustooptische Wellenlängenfilter

und ein optischer Isolator zum Erreichen einer unidirektionalen Laseroszilla-

tion.

Über die HF-Frequenz, die an das Wellenlängenfilter angelegt wird, kann die

Wellenlänge des Lasers abgestimmt werden. Demonstriert wurde bereits ein

Abstimmbereich von 40 nm um A = 1545 nm. Wichtig für diese Anwendung ist, daß das transmittierte Licht im Filter keinen Frequenzversatz erfährt. Das heißt, es kommen für diese Anwendung nur zweistufige Wellenlängenfilter in Frage.

Der Einsatz der Wellenlängenfilter als Abstimmelement ist nicht auf Faserlaser beschränkt. Denkbar ist auch ein Einsatz in Kombination mit einem Halb-

leiterlaser mit externem Resonator (extended cavity laser). Hier liegen jedoch noch keine experimentellen Ergebnisse vor. Darüber hinaus laufen zur Zeit

Entwicklungen, einen abstimmbaren Laser direkt in LiNbO, zu realisieren. Ein Laserbetrieb in LiNbO, konnte bereits erfolgreich demonstriert werden. Dazu wurde Erbium in LiNbO, eindiffundiert; anschließend wurden durch

Ti-Eindiffusion optische Wellenleiter hergestellt und die Stirnflächen mit di-

elektrischen Spiegeln versehen. Gepumpt werden kann der Laser mit einer Pumplaser —

—

Laserausgang Er-dotierte Glasfaser

Bild 17: Faseroptischer Ringlaser mit integriert-akustooptischem Wellenlängenfilter (ATOF)

192

Akustooptische Schaltkreise Pol.-teiler

00.0 —ß

Pol.-teiler

Modenkonverter L

SD

(2) (2) xE(2) C NND.

|

I — L

= f,

KORCHEN KDD...2

f,

Bild 18: Integriert-optische 2x2-Schaltmatrix

Halbleiterlaserdiode bei A = 1480 nm. Ziel laufender Aktivitäten, die im Rahmen des EG-RACE-Forschungsprojekts „EDIOLL“ durchgeführt werden, ist die zusätzliche Integration eines akustooptischen Filters in den Wellenleiterresonator. Damit sollte es möglich sein, die Wellenlänge des Laser im Verstärkungsbereich von etwa 1530 nm bis 1600 nm abzustimmen.

4.2 Abstimmbare Schaltmatrizen und (De-)Multiplexer

Zu einer anderen Kategorie der integriert-akustooptischen Schaltkreise gehören die Schaltmatrizen und (De-)Multiplexer. Ihr Einsatzgebiet ist vor allem in WDM-Netzwerken.

In Bild 18 ist eine integriert-akustooptische 2x2-Matrix dargestellt. Sie besteht aus zwei Polarisationsteilern und aus zwei Modenkonvertern. An den beiden Eingängen kommen jeweils mehrere optische Informationskanäle (bei den Wellenlängen X, ..., A„) an. Die Kanäle können dann in beliebiger Kom-

bination auf die beiden Ausgänge verteilt werden. Dazu werden die Kanäle,

die zum Kreuz-Ausgang gelenkt werden sollen, in den Modenkonvertern kon-

vertiert; die zum Geradeaus-Ausgang geführten Kanäle werden dagegen nicht konvertiert. Im Bild ist als Beispiel das Schalten für den Informationskanal bei der Wellenlänge A, angedeutet. Die akustischen Wellen müssen in den beiden Armen

in entgegengesetzter Richtung laufen, damit der Frequenzver-

satz für beide Polarisationskomponenten das gleiche Vorzeichen hat. Wiederum durch simultanes

Konvertieren

in der Schaltmatrix können

gleichzeitig

mehrere Kanäle geschaltet werden.

Bisher liegen erste experimentelle Ergebnisse zu Schaltmatrizen vor. In Bild 19 ist die Konversionscharakteristik eines ersten Prototyps dargestellt. Hier wurde die am Kreuz-Ausgang bzw. die am Geradeaus-Ausgang transmit-

tierte Leistung als Funktion der akustischen Frequenz gemessen. Die Meßkurve zeigt starke Abweichungen von der theoretisch erwarteten Kurve; diese 193

Entwicklungstendenzen

P [a.u.]

1.0

___ı__

08

I F

0.6

F

I.

T T NINE,

T

Kreuz-Ausgang”

T

A

ı:\ A

T

N

T

J

\v

0.4

4

0.2

_

00

E

170

i

l

171

1 172

1

l

173

ı

l

174

1

>

175

f [MHz] Bild 19: Konversionscharakteristik des ersten Prototyps einer 2x2-Matrix

Abweichungen

sind überwiegend

auf Inhomogenitäten

zurückzuführen.

Zur

Zeit laufen Arbeiten zur Verbesserung der Eigenschaften solcher Schaltmatrizen. Diese Aktivitäten zielen vor allem auf eine Verringerung der Einfügedämpfung sowie eine Reduzierung des Nebensprechens zwischen benachbarten Kanälen hin. Letzteres soll durch den Einsatz von akustischen Richtkopplern erreicht werden, mit denen - wie vorher bereits diskutiert wur-

de - eine signifikante Unterdrückung der Nebenmaxima der Konversionscharakteristik möglich ist. Diese Untersuchungen laufen im Rahmen des EGRACE-Projektes „MWTN“. Die 2x2-Schaltmatrizen sind vor allem für Wellenlängenmultiplex-Netzwerke

interessant. So kann solch ein Schaltkreis beispielsweise als (De-)Multiplexer

eingesetzt werden, um in eine Übertragungsstrecke einen Kanal einzuspeisen

oder auszuwählen. Eine mögliche Architektur eines solchen Netzwerkes ist stark vereinfacht in Bild 20 dargestellt. Das Netzwerk besteht aus einem Ring mit N Teilnehmern. Jeder Teilnehmer sendet auf einer individuellen Wellen-

länge A,. Mit dem Multiplexer muß diese optische Welle in den Ring eingespeist und die zu empfangende Information (bei der Wellenlänge X) aus dem

Ring entnommen werden (add drop multiplexing). Diese Funktion kann, wie

in Bild 20 angedeutet ist, die akustooptische 2x2-Schaltmatrix übernehmen,

wenn sie so angesteuert wird, daß die Kanäle bei A, und X, zum Kreuz-Aus-

gang geleitet werden. Erste Experimente mit solchen Systemen sind bereits bei der Bellcore-Gruppe durchgeführt worden. Darüber hinaus sind komplexere Systeme (Doppelringe usw.) theoretisch analysiert und Grundstrukturen für das Netzwerkmanagement konzipiert worden.

194

Akustooptische Schaltkreise

2x2

Bild 20: Ringnetzwerk mit 2x2-Schaltmatrizen als (De-)Multiplexer („add drop multiplexing“)

Ein breites Anwendungsspektrum für die 2x2-Matrizen bilden Vermittlungsknoten für WDM-Systeme. Die 2x2-Matrix ist dabei das Grundelement auch

für komplexere Knoten. So lassen sich durch Kombination mehrerer 2x2-Ma-

trizen nxn-Matrizen bilden. Als Beispiel ist in Bild 21 die Kombination von sechs 2x2-Matrizen zu einer 4x4-Matrix dargestellt. Experimentelle Untersuchungen hinsichtlich des Einsatzes von 2x2-Matrizen in komplexeren Ver-

mittlungsknoten stehen zur Zeit noch aus, da die Betriebseigenschaften der Matrizen noch verbessert werden müssen. Es ist jedoch geplant, die Einsatz-

möglichkeiten solcher akustooptischer Matrizen detaillierter zu untersuchen und gegebenenfalls Vermittlungsknoten zu installieren. Ein Teil dieser Aktivitäten wird im Rahmen des RACE-Projektes „MWTN“ durchgeführt; ähnliche Bestrebungen laufen in Forschungsprojekten in den USA.

4.3

Kombinierter Frequenzversetzer und Phasenmodulator

für Selbstheterodyn-Übertragungssyteme

Eine andere interessante Anwendung für integriert-akustooptische Schaltkreise bietet sich in sogenannten Selbstheterodyn-Übertragungssystemen. Solche — _—

—

_.-

22

212

212

212

2x2

212

rn m

———ıh—

Bild 21: 4x4-Schaltmatrix, bestehend aus sechs 2x2-Matrizen

195

Entwicklungstendenzen | Übertragungs- | strecke | | | | I | | |

(Informations-) Empfänger

Sendelaser

[a

|

Foserkoppler

—

Empfänger Faserkoppler

|

|

r——

|

J

|

(Informations-) Sender

|

|

I | |

I ! |

I

|

|

—mn

l|_e Mt

| 8—

Pol.

teller

TM

a/o

Frequenzschieber und

Polarisalionskonverter

|

Bild 22: Schematische Darstellung eines Selbstheterodyn-Übertragungssystems

Systeme werden zur Zeit am Forschungs- und Technologiezentrum der Telekom, Außenstelle Berlin, untersucht. Das Grundprinzip ist schematisch in Bild 22 dargestellt. Es handelt sich dabei um ein Heterodyn-Übertragungssy-

stem mit nur einer Laserlichtquelle, die gleichzeitig als Sendelaser und als Lo-

kaloszillator dient. Der Laser befindet sich auf der (Informations-)Empfän-

gerseite. Die Glasfaserstrecke führt einen Teil des Lichtes zum Informationssender. Dort wird die Information durch Phasenmodulation aufgeprägt. Zusätzlich wird die optische Welle um einen definierten Betrag in ihrer Frequenz versetzt, bevor sie wieder in die Übertragungsstrecke zum Empfänger gelangt. Dort wird die zurückkommende Strahlung mit einem Teil des Laserlichtes überlagert und somit die Information mittels Heterodyntechnik detek-

tiert.

Auf der (Informations-)Sendeseite kann ein integriert-akustooptischer Schaltkreis, wie er in Bild 23 dargestellt ist, eingesetzt werden. Die einfallende Wel-

le wird im Polarisationsteiler in ihre Polarisationskomponenten aufgespalten. Der TE-polarisierte Anteil durchläuft einen integriert-optischen Phasenmodulator, in dem die zu übertragende Information auf die Lichtwelle aufgeprägt Pol.-teiler

Modenkonverter

|

Halbkoppler

Spiegel

Phasenmodulator

Bild 23: Integriert-optischer Frequenzversetzer und Phasenmodulator für Selbstheterodyn-Übertragungssysteme

196

Akustooptische Schaltkreise wird. Mit einem Halbkoppler wird die Welle in den Nachbararm zurückgelenkt. Solch ein Halbkoppler ist ein „halber“ Richtkoppler, dessen hintere Stirnfläche mit einem Spiegel versehen ist, so daß die Welle insgesamt eine

„ganze“ Richtkopplerstruktur durchläuft. Der anschließende Modenkonverter dient einerseits zur Polarisationskonversion nach TM, und andererseits wird in ihm der Frequenzversatz aufgeprägt. Nach abermaligem Durchlaufen des Polarisationsteilers wird das Licht zurück in die Glasfaser der Übertragungsstrecke gelenkt. Der am Eingang des Schaltkreises TM-polarisierte Anteil der ankommenden Strahlung durchläuft den Schaltkreis in umgekehrter Richtung. Er erfährt aber den gleichen Frequenzversatz und die gleiche Modulation. Das heißt, der Schaltkreis arbeitet polarisationsunabhängig. Erste Schaltkreise wurden vor kurzem hergestellt. Zur Zeit werden sie am Forschungs- und Technologiezentrum der Telekom in Berlin in einer Ver-

suchsstrecke getestet.

5 Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Beitrag wurden integriert-akustooptische Schaltkreise in LiNbO, vorgestellt und deren Eigenschaften erläutert. Das größte Anwendungspoten-

tial liegt im Bereich der optischen Nachrichtentechnik und hier besonders bei Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystemen. Darüber hinaus ergeben sich aber auch andere interessante Anwendungsmöglichkeiten z.B. im Bereich der optischen Meßtechnik.

Akustooptische Modenkonverter, Polarisationsteiler und Polarisatoren bilden die Grundbauelemente für die integriert-akustooptischen Schaltkreise. Diese Bauelemente wurden erst als separate Komponenten entwickelt und optimiert. Inzwischen

sind sie so weit ausgereift, daß sie in komplexeren

Schalt-

Kreisen integriert werden können.

An fertigen Schaltkreisen für die optische Nachrichtentechnik wurden bisher verschiedene Formen

von abstimmbaren

Wellenlängenfiltern und Schaltma-

trizen sowie Schaltkreise für Selbstheterodyn-Übertragungssysteme entwikkelt. Für die Filter und die Schaltmatrizen ist insbesondere der breite Abstimmbereich des integriert akustooptischen Modenkonverters sowie die Möglichkeit des simultanen Konvertierens von zentraler Bedeutung. Gerade diese Eigenschaften machen die akustooptischen Schaltkreise zu einzigartigen Komponenten im Vergleich mit konkurrierenden Produkten.

197

Entwicklungstendenzen Als erste Anwendungen der akustooptischen Wellenlängenfilter wurden beispielsweise der Einsatz als Abstimmelement in einem Laserresonator und die Pegelanpassung hinter einem optischen Verstärker demonstriert. Schaltmatrizen wurden bereits als abstimmbare (De-)Multiplexer in einem WDM-Übertragungssystem erfolgreich eingesetzt. Damit ist aber das Anwendungspoten-

tial bei weiten noch nicht ausgeschöpft. Es liegen noch eine ganze Reihe von weiteren Konzepten, beispielsweise für komplexere WDM-Netzwerke, vor. Zukünftige Aktivitäten sollten also auf eine weitere Verbesserung der Eigenschaften der Schaltkreise sowie auf eine Demonstration der Anwendungsmöglichkeiten zielen. Dabei ist es wünschenswert, daß eine enge Zusammenarbeit zwischen Herstellern und Entwicklern einerseits und Anwendern, insbesondere Netzwerkbetreibern, andererseits entsteht, damit die Weiterentwicklung der Schaltkreise anwendungsorientiert

durchgeführt werden

kann.

Solche Kooperationen finden bereits heute - beispielsweise im Rahmen von EG-RACE-Projekten

und

Forschungsprojekten

aber weiter ausgebaut werden.

der Telekom

- statt,

sollten

6 Schrifttum [1]

[2] [3]

198

Sohler, W.; Volk, R.: Integrierte Optik - Potential für mittelständische Hersteller und Anwender von Mikrosystemen. Studie erstellt im Auftrag des VDI/VDE-Technologiezentrums Informationstechnik GmbH Berlin, 1990 Smith, D. A.; Johnson, J. J.; Baran, J. E.; Cheung, K.-W.: Integrated acoustically-tuned optical filters for filtering and switching applications. Proc. IEEE 1991] Ultrasonics Symposium, New York, 1991, S. 547-558 Herrmann, H.; Smith, D. A.; Sohler, W.: Integrated optical, acoustically tunable wavelength filters and switches and their network applications. Proceedings European Conference on Integrated Optics (ECIO'93), Neuchätel (Schweiz), April 1993, S. 10-1 - 10-3.

Optische Steckverbinder

Steckverbinder für den Einsatz in optischen Kommunikationsnetzen Von Matthias Hedrich, L.-Echterdingen

Dipl.-Ing. Matthias Hedrich, Jahrgang 1966, ist als ProduktIngenieur im Techn. Vertrieb der Fa. DIAMOND GmbH tätig.

1 Einleitung Die

typischen

1,lkm

bzw.

Fertigungslängen

2,2 km.

von

Sollen größere

Lichtwellenleiterkabeln

Längen

liegen

überbrückt werden,

muß

bei man

diese Kabelstücke verbinden. Darüber hinaus besteht vielfach eine betriebliche Notwendigkeit, optische Systemkomponenten auf einfache Weise mit dem Netz zu verbinden und eine flexible Zuordnung optischer Netzabschnitte zu einer Gesamtkonfiguration zu realisieren. Prinzipielle Möglichkeiten da-

für sind: -

lösbare Verbindungen (Steckverbinder), bedingt lösbare Verbindungen (z. B. mechanische Spleiße),

-

nicht lösbare Verbindungen (z. B. thermische Spleiße).

Ein

Vergleich

dieser Verbindungsarten

kann

nicht generell

mit

„besser/

schlechter“ oder „preiswerter/teurer“ bewertet werden. Jedes dieser drei Prin-

zipien hat seinen eigenen Anwendungsbereich. Im Bereich der Kabelstrecke kann nur ein Spleiß (nicht lösbar) sinnvoll eingesetzt werden, da diese Verbindungsstellen nach dem Fügen oft schwer zu-

gänglich

sind.

meßtechnischen

Im

sender-

und

empfängernahen

Bereich

muß

z.B.

aus

Gründen mehrfach getrennt und wieder gefügt werden. Am

einfachsten läßt sich dies an Rangierfeldern durchführen. Dort liegt daher, neben den Geräteein- und -ausgängen, das Hauptanwendungsgebiet der lösbaren Verbindung.

Die weitere Betrachtung beschränkt

sich im folgenden

auf

199

Fachbeiträge

5

5

4

al

6

&

SEREH-ILWLI-G-LWLto-

IL

elektrisch

1

3

3

4

6

elektrisch N

3 5

10: elektrisch

Ka!

2

|

ä

2 Sigralsenke;

3 Lichtwellenleiter; 4

Verzweiger:

5 Leebore Koppektelle 6 Spleißverbindung

ı Schema einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke

Steckverbinder!

Bild 1: Schema einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke

lösbare Steckverbinder. Sie kommen Anschluß-Leitung (OPAL)

z. B. innerhalb der Optischen Passiven

-

an den optischen Leitungsausrüstungen im Fernmeldegebäude,

-

an den optischen Leitungsausrüstungen in der Nähe des Teilnehmers, an den optischen Verteilern im Fernmeldegebäude

und als Verbindungselement

Einsatz [1].

für Meß-,

Prüf- und

Überwachungsgeräte

zum

2 Anforderungen an lösbare Steckverbindungen Die wichtigsten Anforderungen an lösbare, optische Steckverbinder sind:

-

niedrige Einfügedämpfung (Insertion Loss (IL)),

-

hohe Rückstreudämpfung (Return Loss (RL)),

-

gute mechanische Stabilität und hohe Lebensdauer, geringe Kosten,

-

hohe Packungsdichte, hohe Klimastabilität,

-

Feldmontierbarkeit,

-

gute Handhabung.

Diese vielfältigen Anforderungen, die zum Teil auch gegenläufigen Charakter

200

Optische Steckverbinder KOPPELVERLUSTE |

ntrinsische

Verluste

Unterschiede der LWLin - Kernradius a - numerische Apertur - Brechzahlprofil

-

(Profilparameter A,)- (Elliptizität des Kerns) -

- (Exentrizität des Kerns) -

Extrinsische

|

Verluste

Verluste an Stirnflächen - Reflexion - Rauhigkeit - nicht

senkrechter

Verluste durch - radialen Versatz

} |

Bruch

- Verkippung - axialen

Abstand

Unterschiedliche Kernradien

Unterschiedliche numerische Aperturen

te — Je I Fe) Unterschiedliche Brechzahlprofile

oe

radialer Versatz

Klassifizierung der Koppelverluste

Bild 2: Klassifizierung der Koppelverluste

haben, führten zur Entwicklung diverser Steckverbinderkonstruktionen. Deren Unterschiede liegen vielfach in der Gewichtung der Einzelanforderungen.

Das wichtigste Kriterium ist jedoch meist die geringe Einfügedämpfung. Die Dämpfung einer Steckverbindung kann aufgrund der heute erreichten geringen Faserdämpfungswerte leicht Werte einer äquivalenten Faserlänge von einem Kilometer und mehr annehmen. Faktoren, die die Einfügedämpfung beeinflussen, werden unterschieden in „Intrinsische Verluste“ (bedingt durch

Abweichung der Kennwerte der zu verbindenden Fasern) und „Extrinsische Verluste“ (bedingt durch nicht ideale Verbindungsherstellung). Aufgrund der deutlich höheren Einfügedämpfung von Steckern mit Luftspalt greift man in der Praxis weitgehend auf Stecker mit Stirnflächenkontakt (Phy-

201

Fachbeiträge sical Contact (PC)) zurück. Der Stirnflächenkontakt der Faserkerne wird durch einen Konvexschliff über die gesamte Steckerstirnfläche erreicht. Eine detaillierte Definition der einzelnen Anforderungen ist in den "Vorläufigen Einzelspezifikationen" beschrieben [1]. 3 Präzises Fügen von Lichtwellenleitern Aufgrund der einfachen Handhabung, sowohl bei der Konfektionierung als auch in der Anwendung, beruhen die meisten Steckverbindertypen auf dem Stift-Hülse-Stift-Prinzip. Zwei hochpräzise Steckerstifte (Ferrulen) werden in einer Führungsbuchse äußerst genau aufeinander ausgerichtet. Dabei sollten die in Bild 2 aufgeführ-

ten Fehlerquellen vermieden werden. Im allgemeinen ist die Präzision um so

höher, je länger die genaue

Führung

ausgebildet ist. Es ist auch

erkennbar,

daß der Achsversatz den größten Einfluß auf die Einfügedämpfung bewirkt [2]. Der konstruktive Aufbau um die Ferrulen und die entsprechenden Hülsen können unterschiedlich sein. Einige Beispiele sind Schraubgewinde, Bajonettverschluß oder Push-Pull-Verschluß. Die Ausführung wird durch die Standards, die in den diversen Normen (insbesondere CECC 86000) beschrieben sind, festgelegt. Die gängigsten Standards sind DIN, FC/PC, SC, ST und

FSMA. Weitere Prinzipien des Fügens sind in Bild 3 dargestellt.

Für ein genaues Fügen der Faserkerne sind die Toleranzanforderungen

sehr

hoch. Im Single-Mode-Bereich liegt der Kerndurchmesser typischerweise bei Oplische

Sieckerverbinder Kopplung: Prinzip

Slecker

| ——+

+

i Küpplung

Präzislonhülse (Steckerstilt) N—

—

Indirekt

. Stlrnflächenkopplung

|—

|

direkt

Justierbare Fassung vv”

Präzisionshalterung (Buchsenteil)

Bild 3: Prinzipielle Möglichkeiten einer optischen Steckverbindung

202

i

bild

Slrahlaueitunon

. Linsenstecker /

Optische Steckverbinder

Toleranzen zwischen Ferrulenbohrung und LWL-Faser

PASSENDE BOHRUNG

X

FASERMANTEL

ZU GRORE BOHRUNG

4

# #

EXZENTRISCHER FASERKERN

FASERKERN

Toleranzen zwischen Ferrulenbohrung und LWLFaser

Bild 4: Toleranz zwischen Ferrulenbohrung und LWL-Faser bei Monoblockferrulen (Ferrulen aus einem Werkstoff)

9 um. Daher haben schon Achsversätze von | um erhebliche Auswirkungen. Neben der hochgenauen Fertigung der Außenteile muß deshalb auch eine Übereinstimmung der Faserachse mit der Ferrulenachse gewährleistet werden.

Die unbestimmte Lage des Faserkerns in der Ferrulenbohrung (Bild 4) erfordert es, Steckerstifte mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern bereitzu-

stellen. Bei der Konfektionierung sollte dann diejenige Ferrule zum Einsatz deren Bohrungsdurchmesser dem realen Faserdurchmesser entspricht. Der Klebespalt muß zusätzlich berücksichtigt werden. In der Praxis wird jedoch oft die Ferrule mit dem größten Bohrungsdurchmesser gewählt,

kommen,

um die Faser leicht einführen zu können. Somit wird eine zusätzliche Dämpfung verursacht. 3.1

Die Kern-Kern-Zentrierung

Um die oben beschriebene Problematik zu vermeiden, verwendet DIAMOND ein spezielles Positionierverfahren, die Kern-Kern-Zentrierung, mit 203

Fachbeiträge

HARTMETALL - FERRULE NEUSILBER

FASER

FERRULEN-BOHRUNG 130 um

Hochpräzise Hartmetall-Ferrule

Der DIAMOND-Steckerstift besteht un zwei Materlallen kein Menoblockl Hartmetall oder Keramık

höchst präzise geschliffen

und polierti

Der Diamond-Steckerstift,

Neasiberlegierung

‘

bestehend aus 2

Materlalien

il

|

Bild 5: Der DIAMOND-Steckerstift bestehend aus zwei Materialien

dessen Hilfe die Faser im Steckerstift genau zentriert werden kann. Voraus-

setzung dafür ist eine Ferrule, die aus zwei Materialien aufgebaut ist. Das Außenteil,

Hartmetall

oder Keramik,

ist höchst genau geschliffen. Der

verformbare Neusilberkern weist für 125-1m-Fasern einen Bohrdurchmesser von 130 um auf. Die Faser wird, nach dem Abisolieren und dem Einbringen des Klebstoffs,

in die Ferrule eingeführt.

Ein Prägewerkzeug

wird vor dem

Aushärten des Klebstoffs vorsichtig in das Neusilber eingedrückt. Das Werkzeug läßt sich, geometrisch gesehen, als hochpräziser, ringförmiger Keil beschreiben. Beim Eindringen fließt das Neusilber zur Faser hin. Die Bohrung

ist dann

exakt

dem

Faserdurchmesser

angepaßt

(Bild 6).

Dieser Vorgang

wird als Mantelzentrierung bezeichnet. Er bringt die geometrische Achse der Faser und die geometrische Achse der Ferrule in Übereinstimmung. Die Ab-

weichung (Exzentrizität) liegt bei Werten kleiner 2 um.

Für Multimode-Stecker wäre diese Genauigkeit ausreichend, da der Multimo-

204

Optische Steckverbinder Das

DIAMOND

Zentrierverfahren für Lichtwellenleiter-Stecker

HARTMETALL- FERRULE NEUSILBER

FASER

FASERKONTAKTPOLITUR

Zentrieren der Faser durch das Prägen der Neusilber-Legierung

FASER NEUSILBER HARTMETALLFERRULE

SYMMETRISCHER STEMPEL

.=|

|

Ringförmiges Pragewerkzeug

»

:

- Zentrieren der Faser

durch das Prägen der Neustlber-Leglerung

Bild 6: Mantelzentrieren der Faser durch das Prägen des Neusilbers

de-Kerndurchmesser typischerweise bei 50 um bzw. 62,5 um liegt. In FITLSystemen werden jedoch ausschließlich Single-Mode-Stecker eingesetzt. Für diese wird eine bedeutend höhere Präzision gefordert. Diese kann folgender-

maßen erreicht werden. Der Kern der Single-Mode-Faser wird ausgeleuchtet. Das eingekoppelte Licht

wird über eine Optik und eine CCD-Kamera (Bild 7). Dreht man

auf dem

Monitor abgebildet

die Ferrule, so beschreibt der abgebildete Lichtfleck ei-

nen Kreis. 205

Fachbeiträge

Ausleuchtung des 9 um Kerns der Einmodenfaser VIDEO MONITOR

MIKROSKOPUNSE

__)

NACHPRAGESTEMPEL

DIAMOND N

z2D —

| !/ 6

—

KAMERA

)

TYP Z-276/A

HARTMETALL-FERRULE

Z UCHTOUELLE je] =

Systern für die Faserzentrierung

NEUSILBER I2O1SEGMENT STEMPEL

Stempel Im Pragewerkzeug für die Faserzentrierung

Ausleuchtung des 9 um Kerns der Eii denfaser

Bild 7: Ausleuchtung des 9-um-Kerns der Einmodenfaser

Erreicht man die Extremposition „links“, so wird diese Lage mit einer Linie des Liniengenerators markiert. Dasselbe geschieht mit der Extremposition „rechts“. Den Abstand der beiden Linien bezeichnet man mit Konzentrizität. Er entspricht der zweifachen Exzentrizität, da vom

Zentrum

aus sowohl die

Exzentrizität nach links als auch die nach rechts erfaßt wird. Die Exzentrizität beschreibt den radialen Versatz zwischen der geometrischen Achse der 206

Optische Steckverbinder

Ferrule und der optischen Achse des Faserkerns. Der Abstand der beiden Linien wird halbiert, indem man die rechte Linie auf den halben Wert der abge-

lesenen Konzentrizität einstellt. Diese Linie schneidet somit das optische Zentrum (Bild 8). Ein weiteres Werkzeug, das wie das Prägewerkzeug aufgebaut ist, hat bei glei-

chem Durchmesser (ca. ment greift in die vorher res Eindringen in das verschoben werden, daß le Verschiebung liegt in

400 um) nur ein Kreissegment von 120°. Dieses Seggebildete Prägerille ein. Durch ein gesteuertes, tiefeNeusilber kann der Faserkern gezielt so weit er die in der Mitte stehende Linie berührt. Die radiader Größenordnung weniger Mikrometer. Die opti-

sche Achse des Faserkerns stimmt nun mit der geometrischen Achse der Fer-

rule überein. Da die optische Achse erfaßt wird, können mit diesem Verfahren auch die fertigungsbedingten Exzentrizitäten des Faserkerns zum Fasermantel ausge-

glichen werden. Nach dem Nachprägevorgang beträgt die Restexzentrizität weniger als 0,25 um.

Die Vorteile dieser Montagetechnologie

lassen sich in

folgenden Punkten zusammenstellen:

-

überdurchschnittlich gute optische Parameter,

-

keine Notwendigkeit,

Ferrulen

mit unterschiedlichen

Bohrungsdurch-

messern am Lager zu halten,

-

volle Kompatibilität mit anderen Steckersystemen, sehr geringe Ausschußquote,

-

einfache und bewährte Handhabung der Montagegeräte.

Bild 8: Messung der Exzentrizität durch Drehen der Ferrule

207

Fachbeiträge 3.2

Weitere Zentrierverfahren

Es gibt neben der Kern-Kern-Zentrierung noch weitere Möglichkeiten, die optische Achse zu zentrieren. Eine solche Möglichkeit ist z. B. das Prinzip der optischen Drehbank. Die Faser wird in eine Ferrule eingeklebt. Die Ferrule hat einen größeren Durchmesser als das Nennmaß des entsprechenden Standards. Sie wird in eine Dreh-

bank gespannt. Der lichtführende Kern wird koaxial zur Rotationsachse des Drehmeißels ausgerichtet. Dieser Meißel dreht sich um die Ferrule, wobei er als Referenz die optische Achse des Faserkerns benutzt. Der Außendurchmesser wird so auf das Nennmaß abgedreht, wobei der Faserkern mit hoher

Präzision zentriert ist. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt klar im großen gerätetechnischen Aufwand, der einer rationellen Serienfertigung großer Stück-

zahlen im Wege steht. Eine Feldkonfektionierung nach diesem Verfahren ist aus den gleichen Gründen nicht möglich. Eine weitere Möglichkeit der Zentrierung ist die Fassung der Faser in einem Fixierröhrchen. Dieses Fixierröhrchen wird von einem Doppelexzenter gefaßt. Durch eine Relativbewegung dieser beiden Exzenter läßt sich der Faser-

kern exakt zentrieren. Die zentrierte Position wird anschließend fixiert. Diese Manipulationen erfordern sehr feine Bewegungen, die mit der zunehmenden Miniaturisierung noch kleiner werden. Da diese Teile aber wegen der Manipulierbarkeit nicht beliebig klein gestaltet werden können und zudem noch höchst präzise sein sollen, ist ein Mindestmaß nicht zu unterschreiten. Als Folge ergibt sich ein großes Volumen und damit eine geringe Packungsdichte.

4 High-Return-Loss-Stecker Hat man bisher als Kriterium für gute optische Steckverbindungen vor allem die Einfügedämpfung optimiert, so gewann in den letzten beiden Jahren die Reflexionsdämpfung (auch Rückstreudämpfung) stark an Bedeutung. Die Reinheit eines optischen Signals hat einen direkten Einfluß auf die Funkti-

onstüchtigkeit eines Übertragungssystems. In digitalen Systemen kann das reflektierte Licht bei sehr hohen Übertragungsraten (Multigigabitbereich) einen deutlichen Anstieg der Bitfehlerrate verursachen. In analogen Systemen (z. B. Kabelfernseh-Systemen) können Modulationsverzerrungen die Folge sein. Trifft das reflektierte Licht wieder auf den Laser und wird dort in den Resonator eingekoppelt, verändert der Laser sein Modenspektrum. Zusätzlich kann noch eine Verschiebung der Wellenlänge auftreten (Chirping). Im „worst case“ kann

208

es sogar zur Zerstörung

einer Laserdiode

durch

die sogenannte

Optische Steckverbinder

Resonanzkatastrophe kommen. Diese Effekte sind weder berechenbar noch vermeidbar. Zur weiteren Betrachtung muß das Rückstreulicht prinzipiell in Rayleigh-Streuung und Fresnel-Reflexion unterteilt werden.

Das inkohärente Rayleigh-Rückstreulicht einer Faser ist typischerweise sehr gering. Es ist das Integral des gesamten Rückstreulichtes entlang der Faser. Dieses Streusignal kann als eine konstante, unpolarisierte Welle betrachtet

werden, die keinen Einfluß auf die Modenstruktur einer Laserdiode hat [3]. Die Fresnelschen Reflexionen können dagegen die Laserdiode stark beeinflussen. Sie treten insbesondere an Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Brechzahlen

auf (hier Glas-Luft- bzw. Luft-Glas-Übergänge).

Steckverbinder

mit Luftspalt weisen eine Reflexion von knapp 4 % auf, was einer Dämpfung von ca. 14,6 dB entspricht. Bei Stirnflächenkontaktsteckern kann man, bei sehr guter Politur, Rückstreudämpfungswerte von

50 dB erreichen. Kleinste

Verunreinigungen oder Kratzer senken diesen Wert jedoch erheblich. Daher kann ein dauerhafter Rückstreudämpfungswert RL > 45 dB bei diesem Verfahren nicht garantiert werden. Eine kohärente Rückstreuung in den Laser muß also durch konstruktive Maßnahmen verhindert werden. Eine Möglichkeit, diese Fresnel-Reflexion deutlich zu reduzieren, stellt das Prinzip des Schrägschliffsteckers dar. Die Faser kann nur den Anteil der Wel-

len transportieren, der innerhalb des Akzeptanzwinkels in den Faserkern gelangt. Durch schräges Anschleifen der Faser wird die Reflexion zwar nicht verhindert, sie wird aber aufgrund des Reflexionsgesetzes und des Brechungsgesetzes so in die Faser reflektiert, daß der Akzeptanzwinkel überschritten wird. Damit verläßt die reflektierte Welle die Faser sofort, oder sie wird ein kurzes Stück im Fasermantel geführt und dort sehr stark gedämpft.

Neben dem Schrägschliff erhält die Steckerstirnfläche einen Konvexschliff (Bild 9). Damit wird sichergestellt, daß sich die Fasern optimal berühren. Ein Luftspalt wird verhindert. Aus diesem Grunde ist es speziell bei Schrägschliffsteckern (auch High-Return-Loss-(HRL)-Stecker) besonders wichtig, die Faser mit der unter 3.1 beschriebenen Kern-Kern-Zentrierung optimal zu zentrieren. Die Restexzentrizität muß kleiner als 0,5 um sein. Ist dies nicht der Fall, so könnte der Berührungspunkt auf dem

Fasermantel liegen. Ein mini-

maler Luftspalt zwischen den Faserkernen wäre die Folge. Mit

dieser als HRL-10-Schliff bezeichneten

Politur sind Verbindungen

mit

IL = 0,1 dB und RL > 80 dB erreichbar. Typische Einsatzgebiete sind analoge Übertragungssysteme, CATV-Systeme, ISDN-Netze, Meßtechnik und optische Faserverstärker. 209

Fachbeiträge

Zr

2

a a

QO,

Nickel silver

Connector axis

Cladding

a

Fibre core

re

Bild 9: Schematische Darstellung der Stimfläche einer Pilzferrule in Schrägschliffausführung

Der Vorteil von PC-Schrägschliffverbindungen besteht darin, daß dieses Kon-

taktprinzip auf alle single-mode-tauglichen die im Telekommunikationsbereich

Steckerstandards anwendbar ist, eingesetzt werden. Im wesentlichen sind

dies DIN-LSA-, FC/PC- und SC-Standard.

5

Der LWL- Steckverbinder nach DIN 47256

Bei der Einführung der Lichtwellenleitertechnik zur Nachrichtenübertragung bei der Deutschen Bundespost Telekom standen bisher folgende Gesichts-

punkte im Vordergrund: -

Einsatz der LWL-Technik in allen Netzebenen, Monomodefasern als einheitlicher LWL-Typ,

-

Regeneratoren nicht ferngespeist,

-

1 300 nm ist die bevorzugte Wellenlänge.

-

digitale Übertragung,

Zur Realisierung eines einheitlichen Betriebskonzeptes sollte möglichst nur 210

Optische Steckverbinder ein Steckertyp zugelassen werden, der allen oben genannten Forderungen gerecht wird. Der entscheidende Vorteil besteht darin, daß dann Stecker unterschiedlicher Netzebenen voll austauschbar sind. Die Anforderungen, die die LWL-Steckverbindung erfüllen mußte, wurden damit vom Weitverkehrsnetz festgelegt, da hier große Entfernungen (einige 100 km) zu überbrücken und große Übertragungsraten (Gbit/s) zu erreichen sind. Niedrigste Einfügedämpfung und größte Übertragungsbandbreiten bei hoher Lebensdauer und größtmöglicher Zuverlässigkeit wurden gefordert. In der ersten Entwicklungs-

phase konnten jedoch weder die Anforderungen noch die Konstruktionsprinzipien vollständig definiert werden, da die wenigen Erfahrungen aus einigen

Feldversuchen eine Formulierung repräsentativer Ergebnisse nicht zuließen. Eine Vielzahl von

Lösungsansätzen

war

die Folge,

die jedoch

durch

Fort-

schritte in der Normung deutlich eingeschränkt wurden. Für Single-ModeStecker setzte sich die Tendenz des Stift-Hülse-Prinzips bei Ferrulendurchmessern von 2,5 mm und Stirnflächenkontakt der Faser immer mehr durch. In dieser Phase gelang es der Fa. Siemens, ein Steckerkonzept vorzustellen, das den damaligen Anforderungen gerecht wurde. Die kleine Baugröße erlaubte eine relativ hohe Packungsdichte. Eine Kooperation der Firmen Siemens und DIAMOND führte zur Optimierung dieses Steckverbinder. Er bildete die Grundlage für den Normentwurf der DIN 47256 [4]. Seine Normbezeichnung lautet Handstecker DIN-LSA. Der DIN-LSB-Steckverbinder wurde als Variante für die Einschubtechnik der Bauweise 7R entwickelt und durch die Norm DIN 47257 beschrieben. Unter

Berücksichtigung

der zunehmenden

Internationalisierung

(z.B.

EG-

Binnenmarkt) gewinnen internationale Normen zunehmend an Bedeutung. So werden heute alle gängigen Steckerstandards nach dem Cenelec Electronic Components Committee (CECC) genormt. Der LSA-Stecker wird durch die CECC

86135-801

beschrieben, die High-Return-Loss-Variante durch die

CECC 86135-802. 5,1

Vorteile des LSA-Steckverbinders

Auch nach der Normung war der LSA-Stecker nur ein Vorschlag für den Einsatz im öffentlichen Weitverkehrsnetz. Seine charakteristischen Merkmale waren: -

Stift-Hülse-Stift-Prinzip,

-

Ferrule starr, zylindrisch, Durchmesser d = 2,5 mm,

-

Zugentlastung am Steckerkörper (nicht an der Ferrule),

211

Fachbeiträge -

Gewindeüberwurfmutter M 5,5x 0,5,

-

Verdrehsicherung.

Die anfänglichen Schwierigkeiten mit der unbegrenzten

Steckerstirnflächen-

kraft, die teilweise zu Faserausbrüchen führte, konnten mit einer Rutschkupplung an der Gewindeüberwurfmutter beseitigt werden. Diese Rutschkupplung begrenzt das Anzugsmoment und damit auch den Weg der Ferrnule in axialer

Richtung. Über die Relation des Anzugsmomentes zur Steckerstirnflächenkraft kann die Anpreßkraft der Fasern optimiert werden. Die technische Realisierung sieht ein bewegliches Außenteil auf der Überwurfmutter vor. Entscheidend für die Auswahl des LSA-Steckertyps waren die engsten Toleranzen, die niedrigsten Einfügedämpfungen, bedingt durch die Möglichkeit der Kern-Kern-Zentrierung, und die guten Funktionsgarantien, die unter anderem durch die lange Führung der Ferrule in einer Hartmetallhülse erreicht

wurden. Das Ferrulenaußenmaterial ist Wolframkarbid, das eine sehr hohe mechanische Festigkeit aufweist. Die Hartmetallhülse ist schwimmend gelagert, so daß sie zwar die Stifte führt, sich jedoch nach ihnen ausrichtet, um Verspannungen beim Stecken zu vermeiden. Die erforderliche Positioniergenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich (vgl. Ab-

schn. 3 und 3.1) erfordert sehr enge Toleranzen für Ferrule und Hülse. Die Durchmesser betragen für

Ferrulen: 2,5209905 mm,

Hülsen: 2,5°9°°0 mm. Diese Toleranz unterschreitet damit das Auflösungsvermögen eines normalen

Lichtmikroskops, das bei knapp einem Mikrometer liegt. Eine weitere Reduzierung der Toleranzen ist nicht möglich, solange die Genauigkeit einer absoluten Längenmessung

nicht erhöht werden

kann, ohne wesentlich größeren

Aufwand zu betreiben. Das mechanisch erforderliche Mindestspiel von 0,5 um bedingt eine prinzipielle, statistische Dämpfungserhöhung von 0,05 dB pro Steckverbinder [4]. Ein weiteres, durch das geringe Mindestspiel verursachtes Problem ist die Bildung eines Luftkissens bzw. eines Vakuums beim Stecken und Entkoppeln, da durch den minimalen Spalt nicht genügend Luft strömen konnte. Für Multimodeanwendungen wurde eine Abflachung an die Ferrule gefräst. Für Single-Mode-Ferrulen konnte diese Verschlechterung der Führung jedoch nicht akzeptiert werden. Eine Entlüftungsspirale schaffte Abhilfe. 212

Optische Steckverbinder Diese

Steckerkonfiguration

wurde

in die Technische

Liefervorschrift

(TL)

6060-3001 des Forschungs- und Technologiezentrums (FTZ) der Deutschen

Bundespost Telekom aufgenommen. Die Stecker, die gemäß dieser TL geliefert werden, müssen mit der Bezeichnung BP*E gekennzeichnet sein. Die Steckverbinder für die Netzwerke waren definiert und konnten somit einge-

setzt werden. Praktische Erfahrungen durch Feldversuche und permanenten Einsatz bestätigten, daß die gestellten Forderungen im wesentlichen erfüllt wurden. Folglich wurde die Zulassung auch für zukünftige Anwendungen wie

die OPAL-Pilotprojekte erteilt. Eine weitere Umstellung wurde durch den Übergang von der geschlossenen

Hartmetallhülse zur geschlitzten Keramikhülse vollzogen. Diese Keramikhülse ist so ausgelegt, daß der Innendurchmesser im ungesteckten Zustand etwas kleiner als das Nennmaß d = 2,5 mm ist. Sie federt beim Stecken leicht auf. Die Dämpfungserhöhung, die vom Mindestspiel verursacht wurde, soll so eliminiert werden. Eine deutliche Verbesserung der Kennwerte konnte nicht er-

reicht werden,

da diese

prinzipielle

statistische

Dämpfungserhöhung

von

a = 0,05 dB im Bereich der Meßunsicherheit liegt. Die Deutsche Bundespost

Telekom führte diese Variante jedoch aufgrund der damit verbundenen Preisreduzierung ein. Das Prüfkriterium ist nun nicht mehr der Innendurchmesser der Hülse, sondern die Auszugskraft einer Steckerlehre. Diese Auszugskraft muß zwischen 4 N und 10 N liegen. Die Durchführung einer genauen und reproduzierbaren Messung der Auszugskraft ist sehr schwierig, da sehr viele Pa-

rameter definiert werden müssen. So sind zum Beispiel die Luftfeuchtigkeit und die Auszugsgeschwindigkeit stark beeinflussende Faktoren, deren Berücksichtigung eine Messung aufwendig werden läßt. Neben der axialen Kraftkomponente entsteht durch den Schrägschliff auch eine radiale Kraftkomponente. Diese bewirkt ein Ausweichen der Ferrule, so-

weit es das mechanische Spiel zuläßt. Die Folgen sind ein erhöhter radialer Versatz und eine damit verbundene Dämpfungserhöhung (a = 0,05 dB). Bei der geschlossenen Hartmetallhülse erhöht sich zwar der Absolutbetrag minimal, die Reproduzierbarkeit nimmt jedoch zu. Die Praxis zeigte, daß das Anzugsmoment der Rutschkupplung etwas variier-

te. Ursache dafür ist in erster Linie eine veränderliche Reibung zwischen dem Innen- und Außenteil der Überwurfmutter. Diese Variation der Reibungskräf-

te wird durch unterschiedliche Druckkräfte der Finger des Bedieners verursacht. Um diese Bedienerabhängigkeit zu beseitigen, wurde, zuerst für HRLStecker, die Umstellung von der starren zur gefederten Ferrule vollzogen. Die 213

Fachbeiträge

Reproduzierbarkeit wird somit verbessert, da bei konstanter auch die Kraftkomponenten konstant bleiben. 5.2

Gesamtkraft

Der Steckverbinder LSG

Der zunehmende Einsatz der Glasfaser als Übertragungsmedium und die damit stark ansteigenden Komponentenzahlen erfordern platzsparende Ausführungen. Für eine weitere Miniaturisierung der Steckverbinder selbst sind die Möglichkeiten nahezu ausgeschöpft. So gewinnen Push-Pull-Steckprinzipien stark an Bedeutung, da der Platzbedarf zwischen den Steckern deutlich geringer ist als bei Bajonett- oder Schraubverschlüssen. Bei einem Einsatz für FITL ist die geforderte Packungsdichte folgendermaßen festgelegt: Für eine 3x 3-Steckverbinderanordnung (Bild 10) darf die Fläche A bei ergonomischer Bedienbarkeit des zentralen Steckers maximal 800 mm? betragen. Eine Realisierung ist nur über Push-Pull-Verschlüsse möglich.

Um alle Vorteile nutzen zu können, die die DIN-Steckverbindung LSA bietet, konnte auf dieser Basis ein Push-Pull-Prinzip verwirklicht werden. Der Verbindertyp

wird

mit

LSG

bezeichnet.

Die Normentwürfe

zur Rahmennorm

CECC 86000 für Stecker und Mittelstück der Steckverbindung LSG bzw. LSG-HRL sind in Vorbereitung. Die einzige konstruktive Maßnahme an der Kupplung war das Anbringen eines Freistichs, an dem die Federelemente des Steckers eingreifen können. Sie ist so ausgeführt, daß sie zu allen bisherigen

LSA-Steckern kompatibel ist. Ein hybrides Mittelstück DIN-LSA auf DINLSG kann somit entfallen. Der Stecker selbst besteht aus einem quadratischen Kunststoffgehäuse (Bild 11a und b). Die Präzisionsteile, insbesondere die Ferrule, blieben unverändert, so daß die Vorteile der langen Führung und der Kern-Kern-Zentrierung voll erhalten bleiben. Die Befestigung des Stek-

000 oo

000

Stecker.

LLN DAN

Im

Bild 10: Steckeranordnung für die maximale Packungsdichte

214

Optische Steckverbinder

e|

D - 7108.65 8°

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244

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38,5 starr

-

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60

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Bild l1a: Schematische Darstellung des DIN-LSG-Steckers (DIN-Push-Pull) mit Mittelstück

kers erfolgt über Federelemente, die beim Stecken hinter dem Sicherungsring eingreifen. Zugkräfte am Stecker bewirken ein Spreizen der Federelemente,

wodurch sich der Stecker von der Kupplung trennen läßt. Am Kabel auftre-

tende Zugkräfte beeinflussen die Federn nicht. Sie verkeilen sich hinter dem Sicherungsring und halten so bis zu einer Nennzugbelastbarkeit von

F> 100N. Ein unabsichtliches Entkoppeln wird verhindert. Eine Übersicht

über den Aufbau und die Kombinationsmöglichkeiten

der DIN-Steckerfami-

lie ist in Bild 12 dargestellt.

Bild 11b: Der DIN-LSG-Stecker

215

Fachbeiträge Irina

shine

LWL - Sleckverbindungen Kombinalionsübersicht von LSA-(HRL), LSG-(HRL), LSD, LSB und Nessadapler

——

u

LSD

—

150

er 158

LSB No

he

is = LSA

—Z—Rrm

uEHE

LSA-HRL

”

S>

USC-HRL

TED

Messodopler

156

LSC-HRL

Bild 12: Übersicht über die DIN-Steckerfamilie

Grundsätzlich ist aber immer zu beachten, daß HRL-Steckverbinder, unab-

hängig von

Standard und Variante, ausschließlich mit HRL-Versionen

kom-

patibel sind. Ein Stecken von Konvexschliffsteckern gegen Schrägschliffstekker sollte vermieden werden. Aus diesem Grunde sind die Knickschütze und die Staubschutzkappen aller HRL-Stecker grün ausgeführt. Zusätzlich müs-

sen DIN-HRL-Stecker gemäß der TL 6060-3001

gekennzeichnet sein.

mit der Bezeichnung BP*E8

Durch die vorstehend erläuterten Maßnahmen ließ sich die Packungsdichte wesentlich erhöhen. Eine deutliche Kostenreduzierung gegenüber dem LSA-

Steckverbinder konnte jedoch nicht erzielt werden. Dies liegt nach wie vor in

der hohen Zahl der Einzelteile begründet. Auch der Fertigungsaufwand für die Metallteile (z. B. für die Federelemente) ist beträchtlich. Eine Verbesse-

rung verspricht nur eine völlig neue Generation einer LWL-Steckverbindung. 6 Der Steckverbinder E-2000

In den von der Telekom erarbeiteten Startpapieren für OPAL, die im Januar 1992 veröffentlicht wurden, ist die Grundstruktur der FITL-Netzkonfiguration beschrieben. Es zeigte sich, daß sowohl für die Verteil- als auch für die 216

Optische Steckverbinder Dialogdienste

LWL-Steckverbinder

sehr

teilnehmernah

eingesetzt

werden.

Damit ist eine hohe Anzahl dieser Steckverbinder in optischen Anschlußnetzen erforderlich. Folglich wurden kostengünstige Stecker für hohe Packungsdichte an den Kabelabschlußeinheiten gefordert.

Der bewährte DIN-Steckerstandard ist von seiner Konzeption her so ausgelegt, daß viele Einzelteile erforderlich sind. Diese sind zum Teil sehr klein und daher schwer manipulierbar. Eine automatisierte oder teilautomatisierte Konfektionierung

ist undenkbar,

würde

aber eine deutliche

Kostenreduzie-

rung bedeuten. Aus diesem Grunde wurde eine Kompatibilität weder zum DIN- noch zu einem anderen Standard vorgeschrieben. Vielmehr waren die System- und Komponentenhersteller aufgefordert, neue Steckerkonzeptionen vorzuschlagen.

Die oben genannten Einzelspezifikationen bildeten die Grundlage für das interne Pflichtenheft einer neuen Steckverbindergeneration, den EUROPA2000 (kurz E-2000). Zusätzlich sollten bewährte Technologien wie die Kern-

Kern-Zentrierung übernommen werden. Wesentliche Forderungen des Pflichtenheftes sind nachfolgend aufgelistet: -

Einfügedämpfung IL < 0,5 dB,

-

Rückstreudämpfung RL > 55 dB,

-

kostengünstig,

-

Push-Pull-Prinzip,

-

Kompatibilität zu DIN 47256 nicht erforderlich, gute Zugänglichkeit für Reinigung (ohne Demontage der Frontplatte), hohe Packungsdichte, Temperaturbereich -25 °C I00N,

-

Kern-Kern-Zentrierung, „Blindstecken“ unter erschwerter Zugänglichkeit und

schlechten

Be-

leuchtungsbedingungen,

-

Schutz der optischen Flächen und Präzisionsteile vor Schmutz und Beschädigung, Schutz vor Strahlungsaustritt am ungesteckten Stecker, Feldkonfektionierbarkeit, hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Weiterhin wurde Wert darauf gelegt, daß die Steckersets aus möglichst wenig Einzelteilen bestehen. Dies bringt einerseits Vorteile für die Feldkonfektio-

217

Fachbeiträge

nierbarkeit und schafft andererseits die Möglichkeit einer zumindest teilautomatisierten Steckerkonfektionierung. Unter Beachtung des Kostenaspekts wird man bei der Materialauswahl für die Außenteile sehr schnell mit den Kunststoffen konfrontiert, die in einer Vielzahl von

Stoffklassen und

Qualitäten verfügbar

sind. Wichtig

dabei ist,

den entsprechenden Kunststoff auszuwählen und in bezug auf die Beanspruchung optimal einzusetzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um ein anisotropes Material, wie etwa Liquid Crystall Polymere (LCP), handelt. Erreicht ein Kennwert, wie mechanischer Verschleiß, nicht den geforderten Be-

reich, so kann man Kunststoffe sehr leicht durch Glasfaserelemente verstärken. Die Führungsnuten des Mittelstückes sind beispielsweise so ausgeführt.

Um dem großen Temperaturbereich gerecht zu werden, muß die thermische Ausdehnung des Werkstoffes auf ein Minimum reduziert werden. Verstärkungswerkstoffe

können

sich dabei positiv auswirken,

sofern die Werkstoff-

Kombination ähnliche Längenausdehnungsverhältnisse aufweist.

Werden Kunststoffteile spritztechnisch hergestellt, kann bei großen Stückzahlen der Preis niedrig gehalten werden. Legt man bei der Konstruktion gesteigerten Wert auf die einfache Handhabung bei der Montage der EinzelKomponenten, kann der Aufwand für diese Montage minimiert werden. Komplexere Formen, die dafür notwendig werden können, lassen sich meist problemlos in das Werkzeug einarbeiten. Den

einmalig anfallenden höheren

Werkzeugkosten steht eine Reduzierung der Montagezeit jedes einzelnen Sets entgegen. Auch Farbcodierungen und Beschriftungen sind bei Kunststoffteilen leichter möglich. Da Kunststoff meist erheblich leichter als Metall ist, sind die durch Schwingungen

induzierten

Kräfte

geringer.

Die

Ursache

liegt

in

den

kleineren

Schwungmassen. Durch die Zumischung von Verstärkungswerkstoffen wird zusätzlich eine erhöhte Eigendämpfung verursacht. Somit ist die Steckverbindung weniger vibrations- und schockempfindlich. Unterstützt wird dies noch durch die eingearbeiteten langen Führungsnuten, die sich über die gesamte Steckerlänge erstrecken. Die Hauptfunktionsteile der Steckverbindung (Ferrulen und Hülsen) wurden

vom DIN-Standard übernommen.

Langjährige Erfahrungen sichern hier die

Qualität. Gleichzeitig kann die Kern-Kern-Zentrierung

angewandt

werden.

Die hohen Ansprüche an die optischen Übertragungswerte können somit leicht eingehalten werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die ohnehin kleinen Restexzentrizitäten wahlweise geometrisch (maximale Restexzentrizi218

Optische Steckverbinder

tät) oder

messend

(Dämpfungsminimum)

abzulegen.

Für Exzentrizitäten

e< 0,25 um, wie sie durch die Kern-Kern-Zentrierung erreicht werden, führt dies jedoch zu keiner Verbesserung der optischen Kenndaten. Der Push-Pull-Verschluß

wurde

so ausgeführt,

daß

der Stecker nur bewußt

mit einem Kipphebel entriegelt werden kann (Bild 13). Nutzt man die maxi-

male Packungsdichte, können die Kupplungen direkt nebeneinander eingebaut werden. Der Achsabstand beträgt dann 9 mm. Bei so ungünstigen GröBenverhältnissen zwischen Fingern und Steckern kann es bei anderen Push-

Pull-Konstruktionen sehr leicht zu unabsichtlichen Fehlentkopplungen benachbarter Stecker kommen. Ursache dafür sind insbesondere die kleinen Flächen, wie etwa beim SC oder beim DIN-LSG, die nur wenig überlappen. Durch Ziehen am Steckerkörper werden diese direkt entriegelt, da die Krafteinleitung für die Entriegelung und die Zugkraft zum Entkoppeln in einer Achse

liegen. Beim

E-2000

stehen diese Achsen

senkrecht aufeinander.

So-

mit werden die Vorteile der hohen Packungsdichte durch einen Push-Pull-Verschluß mit einer Zugentlastung mit konstant fester Verriegelung vereint. Eine wesentliche Steigerung der Sicherheit vor Fehlbedienungen bewirkt die kann angebracht werden Kipphebel die am Codierung, mechanische (Bild 13). Das jeweilige Gegenstück ist am Mittelstück befestigt. Die Codierung verhindert so zum Beispiel ein Stecken eines Konvexschliff- gegen einen Schrägschliffstecker. Auch eine Unterscheidung von Single-Mode- und Multimodesteckern ist denkbar. Insgesamt sind zwölf verschiedene Varianten mög-

lich. Für Meßgeräte kann die Kupplung mit einem „Passepartout“ ausgestattet werden, so daß dort mit einer Kupplung alle Varianten gemessen werden können. Zur besseren Erkennbarkeit werden die unterschiedlichen Codierungen farblich gekennzeichnet. Ein aufwendiger Vergleich der Schlüssel kann somit entfallen. Die zunehmende Leistung, die von der Faser übertragen wird, verstärkt die Forderung nach einem passiven Laserschutz. Dieser wurde durch eine in der Kupplung integrierte Laserschutzklappe realisiert. Beim Entkoppeln des Stekkers erhebt sich die Klappe automatisch und bildet durch mechanische Ausblendung einen Sichtschutz in den geräteseitig gesteckten Stecker. Da die Klappe in schräger Stellung verharrt, kann an ihr reflektiertes Licht nicht zurück in die Faser gelangen. Aus den gleichen Gründen wurde am Stecker eine

Kappe konstruktiv eingebunden (Bild 13 und Bild 14). Diese übernimmt sowohl eine Laserschutz- als auch eine Staubschutzfunktion. Um die Rückstreudämpfung zu gewährleisten, ist an der inneren Seite der Schutzkappe eine Schräge von mindestens 8° angebracht. Die Schutzkappe öffnet sich beim 219

Fachbeiträge

! 2

Conneltore Accoppialore

E - 2000 Spocealo della

connession:

Bild 13: Schnitt durch ein Mittelstück des E-2000 mit gestecktem Stecker

Stecken und schließt sich beim Entkoppeln automatisch. Dies wird über zwei

Nocken,

die in der Kupplung zwangsgeführt werden, gesteuert. Als Staub-

schutz ist sie unverlierbar und verbleibt ständig am Stecker. Zusätzlich ist der

Stecker dauerhaft vor Beschädigungen geschützt. Im Gegensatz zu allen anderen Steckerstandards, bei denen die Steckerstirnfläche der vorderste Punkt ist, schützt die Kappe vor Kratzern beim Stecken. Ist ein Patchfeld schwer zugänglich, lassen sich die Stecker mit vorstehenden Ferrulen nur schlecht in die Mittelstücke einführen. Trifft man nicht sofort in die Kupplung, verkratzt man die Stirnfläche. Die Schutzkappe gibt die Ferrule erst frei, wenn der Stecker durch die beiden langen Führungsnuten bereits präzise geführt wird. Die Ferrule wird dadurch bereits ausgerichtet in die Präzisionshülse eingeführt. Eine Entstehung von Querkräften ist also minimiert. Dieser Schutzme-

chanismus

ermöglicht

das

sogenannte

Blindstecken

unter

erschwerter

Zu-

gänglichkeit bzw. das Stecken bei schlechter Beleuchtung. Für Reinigungszwecke kann diese Schutzkappe manuell ohne Werkzeug geöffnet werden.

Sie verharrt dann in geöffnetem Zustand

gänglichkeit zur Ferrule.

und erleichtert so die Zu-

Alle im Pflichtenheft aufgeführten Anforderungen konnten somit erfüllt werden.

220

Optische Steckverbinder

Bild 14: Die Steckverbindung E-2000

Um eine Kompatibilität zu anderen Normsteckern zu gewährleisten, sind hybride Mittelstücke verfügbar. Meßadapter und Diodenankoppler vervollständigen die Steckerfamilie.

Zukünftige Weiterentwicklungen des Standards umfassen in erster Linie verschiedene Duplexvarianten und Mehrfachstecker. Ferner ist eine hermetisch geschlossene Steckerausführung denkbar. Eine solche Steckverbindung wäre dann spritzwasser- und staubdicht. 7 [1] [2] [3] [4]

Schrifttum Arbeitsgruppe 1, Linientechnik: „Vorläufige Einzelspezifikationen“ für FITL-Systeme (Juni 1992) _Lutzke, Dieter: Lichtwellenleitertechnik, Pflaum-Verlag München (1. Auflage 1986) Kersten, Ralf Th.: Einführung in die optische Nachrichtentechnik. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York (1. Auflage 1983) Philips Kommunikations-Industrie AG, Technische Mitteilungen, Sonderheft 1/1989

221

Fachbeiträge

Integriert-optische Verzweiger für passive optische Teilnehmernetze Von Roland Fuest und Markus Wiederspahn, Waghäusel-Kirrlach

Dr.-Ing. Roland Fuest, Jahrgang 1958, ist Leiter der Abteilung Marketing & Vertrieb der Firma IOT. Dipl.-Ing. Markus Wiederspahn, Jahrgang 1960, ist im Bereich Marketing & Vertrieb der Fa. IOT tätig.

1 Einleitung Die DBP

Telekom

hat mit OPAL

(Optische Anschlußleitung) weltweit eine

Führungsrolle bei der Einführung passiver optischer Teilnehmernetze (PON) im Teilnehmerbereich für interaktive (IS) und distributive (DS) Dienste übernommen [1]. 1993 wurde nach entsprechenden Feldversuchen [2] die Versorgung von 220000 Teilnehmern in den neuen Bundesländern als „turn key“- (schlüsselfertige) Projekte an vier Systemhäuser (Siemens, Alcatel SEL, FAST-Gruppe, Raynet) vergeben. 1994 soll sich die Zahl der anzuschließenden Haushalte auf ca. 500 000 erhöhen [3,4]. Abweichend vom Vorjahr, wurden die Übertragungstechnik für interaktive und distributive Dienste sowie einzelne Komponenten der Linientechnik (Hauptverzweiger, Spleißkassette, Kopplerkassette, Steckerpigtails u.a.), basierend auf den neu erarbeiteten

Technischen Lieferbedingungen, separat ausgeschrieben.

Im Konzept der DBP Telekom teilen sich zwei unabhängige Teilnetze weitestgehend eine gemeinsame Kabelinfrastruktur. In Bild I ist der linientechnische Teil im Detail dargestellt. Fernsehverteildienste und interaktive Dienste werden über vollständig getrennte optische Wege unter Nutzung gemeinsamer Haupt- und Netzverteiler, Haupt- und Verzweigungskabel sowie ONUSs (Optical Network Unit) übertragen. Eine der Schlüsselkomponenten des pas-

siven optischen Netzwerks

222

ist der optische Leistungsverzweiger oder Kopp-

Optische Bauteile/Verzweiger Teilnehmer-

Fernmelde-

seite

gebäude Gf-HVt: Haupt-

Gf-ViN:

Verteiler im Netz

_Verteiler

7 I

ONU: Optical

Network Unit

ii

Bild l: Architektur eines passiven optischen Teilnehmernetzes (Linientechnik)

ler. Er kommt 1x4)

und

im

im Hauptverteiler mit kleinem Teilungsverhältnis Netzverteiler

mit

großem

Teilungsverhältnis

(1x2 bis

(hauptsächlich

1x32) zum Einsatz. In den beiden Verzweigerschränken sind neben den sogenannten Kopplerkassetten auch Spleißkassetten zum flexiblen Verbinden von Haupt- und Verzweigungskabeln, zur Ablage temporär ungenutzter Faserenden und zum Anschluß von Lichtwellenleitersteckern enthalten. In den folgenden Abschnitten wird ein sogenannter integriert-optischer Typ von Leistungsteiler beschrieben, bei dem die funktionelle Struktur in der Oberfläche eines Glassubstrates angeordnet ist.

Der Begriff „integrierte Optik“ beschreibt ganz allgemein optische Miniatur-

schaltungen, in denen Lichtsignale erzeugt, durch Wellenleitung in einer Ebe-

ne geführt und verarbeitet werden können [5].

2 Herstellung integriert-optischer Wellenleiterkomponenten in Glas Glas optischer Qualität bietet als Träger für passive Wellenleiterstrukturen viele Vorteile: -

es zeigt eine hohe Transparenz im Wellenlängenbereich von 400 bis 1600 nm,

-

es hat isotrope optische und mechanische Eigenschaften, 223

Fachbeiträge

-

-

_esläßt sich mit sehr hoher optischer Qualität polieren,

seine optische Brechzahl kann sehr genau an die von Quarzglas, wie es bei der Herstellung von Glasfasern für die Nachrichtentechnik verwendet

wird, angepaßt werden, und

-

esläßt sich in großen Mengen preiswert produzieren.

Die Herstellung von Wellenleitern in Glas durch lokalen Austausch von Ionen wurde über einen Zeitraum von 20 Jahren intensiv untersucht und gründet sich auf eine vergleichsweise einfache und gut beherrschte Prozeßtechno-

logie [6]. Wellenführende Eigenschaften in einem planaren Substrat entstehen, indem entlang vorgezeichneter Strukturen ein bestimmtes metallisches Ion aus dem Glasgefüge gegen ein anderes metallisches Ion mit höherer elek-

tronischer Polarisierbarkeit, z. B. aus einer Salzschmelze, ausgetauscht wird. Dabei steigt lokal die Brechzahl gegenüber der nicht veränderten Substratum-

gebung an. Das entstehende Brechzahlprofil ist vergleichbar mit dem einer Glasfaser aus höherbrechendem Kernbereich, umgeben von einem niedrigerbrechenden Mantel. 2.1

Prozeßschritte

Bild 2 zeigt die wichtigsten Prozeßschritte zur Herstellung einer integriert-op-

tischen Wellenleiterkomponente in Glas. Das Substratmaterial wird aus einer großen Schmelzwanne kontinuierlich in Form von Stäben gezogen. Die hohen Anforderungen an die Glasqualität bedingen, daß in einer sogenannten Wannenreise einige Tonnen Glas in einer Charge erschmolzen werden. Aus den rundierten Glasstäben werden Rundscheiben, sogenannte Wafer, mit

Durchmessern von 2" oder 3" hergestellt. In Form und Abmessungen ähneln sie den in der Halbleiterindustrie gebräuchlichen Silizium- oder Galliumarse-

nid-Wafern. Die enge Verwandschaft zur Halbleiterfertigung tritt aber auch in

den meisten der nachfolgenden Prozeßschritte deutlich zutage. Die für den anschließenden Strukturierungsprozeß erforderliche Planität und Mikrorauhigkeit der Waferoberfläche wird durch eine hochwertige Oberflächenpolitur

gewährleistet.

Im nachfolgenden Photolithographieprozeß wird die gewünschte Wellenleiterstruktur in eine Metallmaske auf dem Glaswafer übertragen. Dazu muß zu-

nächst eine Urmaske mit Hilfe eines Elektronenstrahlschreibers erzeugt werden. Ein prinzipielles Maskenlayout für einen 1x4-Verzweiger zeigt Bild 3.

Die Struktur ist aus hintereinandergeschalteten Y-förmigen Grundelementen,

224

Optische Bauteile/Verzweiger 1. Waferbearbeitung

4. Chipverelnzelung

2. Photolithographie |

3. lonenaustausch

5. Faser-Chip Kopplung

6. Häusung

Bild 2: Herstellung integriert-optischer Komponenten in Glas

die mit einem speziell auf die Bedürfnisse der integrierten Optik abgestimmten Editor erzeugt werden, zusammengesetzt. Die Urmaske wird dann im Direktkontaktverfahren auf den zuvor mit Metall und Photolack beschichteten Glaswafer kopiert. Nach der Entwicklung des Lackes und dem Durchätzen der Metallschicht in den offenen Lackbereichen liegt die gewünschte Wellenleiterstruktur gleich mehrfach in der Metallmaske vor. In Bild 2 sind als Beispiel vier nebeneinanderliegende, identische

1x4-Verzweiger dargestellt.

Zur Erzeugung der Wellenleiter werden die maskierten Glaswafer in eine heiBe Salzschmelze

eingebracht.

Metallionen

aus der Schmelze

dringen,

ange-

trieben von Konzentrations- und Feldgradienten, durch die Maskenöffnungen in das Glasinnere ein und erhöhen dort die Brechzahl. Der erste, rein thermische und der zweite, feldunterstützte Teilschritt sind nachfolgend im Detail

beschrieben. Nach der Ablösung der Metallmaske wird der Wafer in einzelne rechteckige Chips mit jeweils nur einer Verzweigerstruktur geteilt. Die Wellenleiter auf den Chips können nur dann annähernd verlustfrei mit Glasfasern verbunden

werden, wenn es gelingt, jede einzelne Faser mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 um relativ zu dem zugeordneten Wellenleiter zu positionieren. Dazu werden die Faserpigtails zunächst in einem Silizium-V-Grubenarray auf einen präzisen Abstand von 250 um zwischen benachbarten Fasern arrangiert. Bei der Herstellung dieser Arrays wird von der durch Photolithographie erreich225

Fachbeiträge “6

HE

EEE

ET

TE

©

Bild 3: Ausschnitt aus dem Layout einer Maske für integriert-optische 1x4-Verzweiger

baren Genauigkeit und den anisotropen Eigenschaften des kristallinen Siliziums Gebrauch gemacht. Durch die stark unterschiedlichen Ätzgeschwindig-

keiten in verschiedenen Kristallrichtungen entstehen bei passender Orientierung V-förmige Nuten [7] in einem durch die Maskierung vorgegebenen Abstand.

Die Arrays für die Einzelfaser auf der einen Seite und für die 4 bis

32 Fasern auf der anderen Seite werden an den Stirnflächen des Glaschips präzise in mehreren Freiheitsgraden justiert und mit brechzahlangepaßten, organischen Spezialklebern fixiert (Bild 4). Der Vorteil dieser Technik gegenüber einer Einzelfaserankopplung liegt im vereinfachten Fertigungsablauf ins-

besondere für große Stückzahlen und in der durch die vergleichsweise große Klebefläche bedingten Stabilität der Ankopplung. Im letzten Fertigungsschritt wird das integriert-optische Bauteil durch Einbau

in ein Gehäuse zur kompletten Komponente. 2.2 Eigenschaften des Spezialglases BGG31

Bild 5 zeigt wichtige Charakteristika des für den Silber-Natrium-Ionenaustausch optimierten Multikomponentenglases BGG31. Durch Verwendung sehr reiner Rohstoffe wird eine sehr gute Transparenz im für die Nachrichtentechnik

wichtigen

nahinfraroten

Spektralbereich

erreicht.

Die

Dämpfungs-

werte sind zwar nicht mit denen von Quarzglasfasern vergleichbar, aber die 226

Optische Bauteile/Verzweiger

Bild 4: Integriert-optischer Glaschip (1x 16-Verzweiger) mit angekoppelten Glasfaserarrays

Länge von integriert-optischen Chips beträgt auch nur wenige Zentimeter. Die Brechzahl des Glases entspricht der von typischen Quarzglasfasern, so daß Verluste und Reflexe an den Faser-Chip-Grenzflächen minimiert werden.

Der geringe Unterschied in den Ionenradien von Silber und Natrium ermöglicht die Herstellung von Wellenleitern mit sehr geringer und temperaturstabiler Doppelbrechung,

so daß ohne besondere

Maßnahmen

polarisationsneu-

trale Bauelemente hergestellt werden können.

2.3

Thermischer und feldunterstützter Ionenaustausch

Die Herstellung von kreisförmigen, an die Standardfasern der Nachrichtentechnik angepaßten Wellenleitern erfordert zwei separate lonenaustauschschritte (Bild 6). Zunächst werden in einer heißen Salzschmelze Silberionen durch thermische Diffusion (isotrop) nahe der Oberfläche des Glases angereichert. Dieser Prozeß läßt sich sehr einfach durch parallele Prozessierung mehrerer Wafer in einem Batch zu größeren Stückzahlen hin skalieren. Abhängig

von

der Breite

der Maskenöffnung

entsteht ein mehr

oder weniger

halbkreisförmiges Konzentrationsprofil, dessen Maximum unmittelbar an der Oberfläche liegt und das noch keinen optimalen Überlapp mit dem kreissymmetrischen Aufbau der Glasfaser zeigt. Derartige Wellenleiter reagieren empfindlich auf die optischen Eigenschaften (Absorption, Dispersion,

Streuung)

des umgebenden Mediums, denn ein sogenannter evaneszenter Anteil der ge227

Fachbeiträge Substratmaterial BGG31 Glassystem

SiO, - Al,O, - 8,0; - Na,O/F

Na,0-Gehalt (austauschbar)

12,5 mol%

Brechzahl von BGG31bei A = 852 nm

n, = 1,457

Brechzahl von Quarz bei A = 852 nm

n, = 1,453

Brechzahl von BGG31bei A = 1530 nm

n

= 1,449

Brechzahl von Quarz bei A = 1530 nm

n

=

Dämpfung

bei A =

Dämpfung

bei A = 1550 nm

1300

nm

1,444

0,001

dB/cm

0,015 dB/cm

Monomode-Wellenleiter

in BGG31

Modenfelddurchmesser (1/e? - Breite)

(NA

=

0,11)

9... 10 um entsprechend

Dämpfung

bei A = 1300 nm,

1550 nm

Doppelbrechung Temperaturgang