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    Halbleiter-Lichtwellenleiter könnten Glasfaser-Übertragungsleitungen ersetzen

    Altium Designer
    |  June 25, 2018

    Faseroptik

    Das Internet ist ein ebenso seltsamer wie wunderbarer Ort. Ich wuchs am Ende des Zeitalters der telefonischen Einwahl ins Internet auf, als Chatrooms noch der letzte Schrei waren. Heutzutage habe ich gelegentlich ein bisschen Spaß mit einigen Online-Spielen, was damals unmöglich war. Mein Telefonmodem und seine Kupferleitungen konnten gerade einmal genug Bandbreite bieten, um ein Bild zu laden. Heute sind unsere Netzwerke mit superschneller Faseroptik aufgerüstet. Obwohl diese Kommunikationssysteme sicher besser als die alten Kupferleitungen sind, so haben sie doch noch einige Nachteile. Das hat dazu geführt, dass Forscher einen neuen Ansatz in der Faseroptik auf der Basis von Halbleitern anstelle von Siliziumdioxid verfolgen. Diese neue Art von Kabeln könnte bei der Signalübertragung eine entscheidende Rolle übernehmen, und zwar sowohl in größeren Netzwerken als auch auf PCBs.

    Lichtwellenleiter

    Obwohl viele von uns an das Internet als irgendeine Art von „Ding“ denken, mit dem wir uns verbinden, möglicherweise sogar auf einer Cloud basierend, besteht es in Wirklichkeit nur aus Computern. Millionen von Computern, die alle miteinander vernetzt sind. Viele der Datenautobahnen sind als Glasfaserkabel realisiert, die diese Computer miteinander verbinden. Lichtwellenleiter werden aus Glas hergestellt und haben unseren Netzwerken hohe Übertragungsraten und großartige Signalqualität beschert. Allerdings haben sie auch einige Nachteile. Die größten Minuspunkte sind die Kosten und die Komplexität der Ausrüstung, die zum Verbinden der optischen Schaltungen mit den elektrischen benötigt wird.

    Die meisten Glasfaserkabel nutzen Siliziumdioxid, also Glas, zum Leiten von Licht. Licht eignet sich großartig als Informationsträger und bietet eine viel größere Bandbreite als elektrische Leitungen. Unternehmen reden jetzt über 40 Gigabit/s Ethernet, aber Glasfaser hat bereits Übertragungsraten von bis zu 43 Terabit/s erreicht. Licht hat auch eine niedrigere Bitfehlerrate und ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Diese Eigenschaften haben es zur bevorzugten Übertragungsmethode für große Entfernungen und Netzwerke mit hohen Übertragungsraten gemacht.

    Sie denken jetzt vielleicht darüber nach, eine Glasfaserverbindung zu Ihrem Haus legen zu lassen, allerdings sollten Sie vorher besser auf den Preis schauen. Eines der hauptsächlichen Probleme dabei sind die Kosten der Schaltungen, die zum Umwandeln der optischen Signale in elektrische dienen. Das macht Verbindungspunkte zu Schmerzpunkten, wenn es um den Gewinn geht. Diese teuren Anlagen sind ebenso komplex wie schwierig an Elektronik anzuschließen. Deshalb haben einige Forscher optische Fasern aus Halbleitern entwickelt.

    Gläserne Erdkugel mit Glasfasern im Hintergrund
    Die Faseroptik hat uns dabei geholfen, schneller als je zuvor ins Internet zu kommen.

    Halbleiter-Faseroptik

    Halbleiter sind in der Welt der Elektronik allgegenwärtig. Mein Gaming-PC würde ohne sie nicht funktionieren. Vor einigen Jahren haben Forscher entdeckt, wie die Vorteile von Halbleitern vielleicht in der Faseroptik nutzbar gemacht werden können. Seitdem haben sie an der Integration beider Technologien gearbeitet und vor kurzem einen Durchbruch erzielt.

    Glasfaser besitzt bereits eine großartige Bandbreite und gute Übertragungseigenschaften. Welche Vorteile könnten also Halbleiter mit sich bringen? Sie könnten den einen großen Knackpunkt der Glasfaser beheben, nämlich die Komplexität und die hohen Kosten der Signalumwandlung. Halbleiter können optische und elektrische Signale gleichzeitig übertragen und diese möglicherweise im Vorbeigehen ineinander umwandeln. Der elektronische Wandler würde somit im Prinzip in das Kabel selbst integriert sein.

    Bis vor kurzem bestand das große Problem darin, diese Theorie auch in die Praxis umzusetzen. Forscher setzten Kristalle ein, um sowohl Licht als auch Elektronen zu leiten, aber die Kristalle hatten zu viele Grenzschichten. Statt eines einzelnen langen Kristalls bestand das Medium aus vielen kurzen Kristallen. Wenn das Licht durch den Rand eines Kristalls in einen anderen übergeht, streut es. Bei einem Forschungsprojekt an der Penn State University wurde dieses Problem durch den Einsatz von Lasern zum Bilden langer, aneinandergrenzender Kristalle in einem Kabel gelöst. Diese Methode bringt uns der nutzbaren Halbleiter-Faseroptik einen Schritt näher.

    Verlegung von Glasfaserkabeln
    Vielleicht werden wir bald die Installation solcher Kabel in unserer Nachbarschaft erleben können. Redaktioneller Bildnachweis: Hadrian/Shutterstock.com

    Anwendungen

    Was ist eine Technologie wert, für die Sie keine Verwendung finden und über die Sie nicht im Internet berichten können? Ich stelle mir vor, dass es für Halbleiter-Faseroptik zwei interessante Anwendungen geben kann, nämlich eine offensichtliche und eine weniger offensichtliche.

    Die meisten Leute, die über diese Technologie sprechen, interessieren sich für ihre Makroanwendungen. Sie könnte Netzwerke revolutionieren und sowohl traditionelle Glasfasern als auch Kupferleitungen ersetzen. Das mag richtig sein, aber ich bin auch sehr an einer möglichen Anwendung für Übertragungsleitungen auf der Schaltungsebene interessiert. Elektromagnetische Störungen sind eine Plage für alle Arten von PCBs, vor allem wenn es um Mixed-Signal-Schaltungen oder Hochgeschwindigkeitssignale geht. Das Besondere an der optischen Übertragung ist, dass keine signifikanten elektromagnetischen Störungen abgestrahlt werden und dass sie selbst dagegen resistent ist. Wenn Sie also eine besonders stark rauschende Übertragungsleitung auf Ihrer Platine haben, setzen Sie Halbleiterfaser ein. Sie wird auf ihrem Weg keine elektromagnetischen Störungen abstrahlen und die Umwandlung kann in der Leitung selbst stattfinden – ohne zusätzliche Chips. Diese Technologie wurde bisher nicht einmal für ihren hauptsächlichen Zweck verwendet, und somit ist das Meiste nichts als Vermutung. Wie auch immer, halten Sie Ihre Augen für Anwendungen auf Platinenebene offen, sobald die Technologie kommerziell verfügbar ist.

    Als ich es zum ersten Mal entdeckte, war das Internet etwas Wunderliches, doch mittlerweile ist es ein alter Hut. Zum Glück machen Forscher spannende Entdeckungen in Bereichen wie der Optik, um mich zu begeistern. Glasfaser brachte uns Geschwindigkeit und Signalintegrität, aber ihre Kosten und Komplexität schaffen Probleme. Optische Fasern aus Halbleitern könnten die Vorteile elektrischer Leitern mit denen optischer kombinieren und eine neue Ära der Kommunikation einläuten. Sie könnten sogar in der Lage sein, elektromagnetischen Störungen auf Ihren Platinen zu reduzieren.

    Obwohl Halbleiterfasern keine Umwandlungschips an ihren Enden brauchen, benötigen ihre Übertragungsnetze sicherlich viele Platinen. Wenn Sie sich in dieser Branche betätigen wollen, werden Sie hochentwickelte Software brauchen, die mit der Entwicklung Schritt halten kann. CircuitStudio ist auf der Höhe des PCB-Designs und bietet die Tools, um das zu beweisen.

    Haben Sie weitere Fragen zur Faseroptik? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.

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    PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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