Beiträge zur effizienten Kopplung von optischen Wellenleitern in der Gerätekommunikation

Aktuelle Roadmap-Vorhersagen gehen von optischen Bussystemen als Rückgrat zukünftiger Sensor- und Infotainmentnetzwerke für Anwendungen im Bereich Internet der Dinge und Industrie 4.0 aus. Grund dafür sind die rasant wachsenden Mengen an generierten Daten, die weltweit verarbeitet, versendet und gespeichert werden, wodurch etablierte elektrische Verbindungen an ihre Grenzen geraten. Während in den klassischen Ebenen der optischen Aufbau- und Verbindungstechnik (Tele-, Daten- und Rechnerkommunikation) bereits auf zahlreiche Ansätze und Lösungsvorschläge zurückgegriffen werden kann, ist es für die neuen Anforderungen notwendig, ebenenübergreifende Lösungen zu finden. In der neu definierten Gerätekommunikation gilt es, Lösungen für Koppelprinzipien zu erarbeiten. Besonders in diesem Bereich können optische Systeme durch das Fehlen geeigneter Strategien für die bidirektionale Buskopplung nicht mit ihren elektrischen Pendants konkurrieren.
In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, ein unterbrechungsfreies Prinzip für die Kopplung von Multimodewellenleitern zu entwickeln, welches es erlaubt, richtungsabhängige Koppelraten zu erzielen ohne die Koppelpartner auftrennen zu müssen. Durch die asymmetrische Kopplung ist es möglich, hohe Leistungspegel in einen optischen Bus einzukoppeln bei gleichzeitig moderaten Koppelraten bei Signalen, die aus dem Bus auskoppeln. Dadurch ist man im Stande, das Bussignal für eine Vielzahl an Teilnehmern zur Verfügung zu stellen, ohne dass der Pegel im Bus zu schnell sinkt. Diese Funktionalität fehlt in bekannten Koppelansätzen.
Für die Untersuchung des Koppelprinzips kommt zunächst eine zweistufige Simulation zum Einsatz, bei der zwei unabhängige Simulationsmethoden (Ray Tracing und Beam Propagation Method) aufeinander aufbauend verwendet werden. Mithilfe flexibler, fotolithografisch hergestellter Multimodewellenleiter auf Foliensubstraten erfolgen der Aufbau und die Charakterisierung des Koppelelements. Unter Verwendung eines neuartigen Messaufbaus mit visueller Echtzeitüberwachung der Koppelstelle konnten mit Werten von 0,5 (Einkopplung in den Bus) und 0,15 (Auskopplung aus dem Bus) deutlich asymmetrische Koppelraten an ein und derselben Koppelstelle erzielt werden.