Kristalle aus Plastik? Forschungsprojekt polymere optische Fasern

Kristalle aus Plastik? Staedtler-Stiftung fördert Simulationsmodell für eine „Neue Generation der polymeren optischen Fasern“ an der FH Nürnberg

Das „Anwendungszentrum für Polymere Optische Fasern“ (POFAC) der Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg erhält für die nächsten beiden Jahre von der Staedtler-Stiftung eine Förderung in Höhe von 110.000 Euro für die Entwicklung einer „neuen Generation“ von polymeren optischen Fasern (POF). POF sind Fasern aus Kunststoff, die in der Lage sind, Licht zu leiten. Damit können dann enorme Datenmengen übertragen werden bei geringeren Abmessungen und kleinerem Gewicht als bei vergleichbaren Kupferkabeln – und das ganze völlig störungsfrei. Gegenüber den bereits bekannten Glasfasern hat die POF den Vorteil der kinderleichten Handhabung. Neue Anwendungen der POF stellen neue Anforderungen: während im bisherigen Einsatz beispielsweise Datenmengen von bis zu 100Mbit über 100 Meter problemlos übertragen werden können, werden in Zukunft weit höhere Datenmengen erwartet. An dem Projekt beteiligt sind auch Wissenschaftler aus Australien und Spanien.

Die polymere optische Faser (polymer optical fiber: POF) wird schon seit mehreren Jahren in zahlreichen Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Dabei stellte bisher die Beleuchtungstechnik – zumindest nach Zahl der verbrauchten Faserkilometer – den dominierenden Einsatzbereich dar. Doch auch in der Datenkommunikation findet die POF zunehmende Einsatzgebiete. Im Bereich der Maschinensteuerung ist sie vor allem durch ihre Störsicherheit in großem Umfang im Einsatz. Neue Fahrzeuge von Mercedes und BMW, bald auch von Audi und VW enthalten schon bis zu 100 m POF-Datenleitungen. Viele Datenverbindungen für kurze Strecken, wo es auf einfachste Steckermontage ankommt, z. B. Verbindungen zwischen Telekommunikationseinrichtungen in Vermittlungsstellen in den USA, werden mit POF hergestellt; das große künftige Anwendungsgebiet wird die Datenverkabelung von Wohngebäuden sein.

Um den Einsatz und die Herstellung der POF weiter optimieren zu können, wurden vor allem an der FH Nürnberg, aber auch bei der T-Nova und der TU in Berlin, sowie an weiteren europäischen Instituten umfangreiche theoretische Überlegungen zum Verständnis und zur Beschreibung der Lichtausbreitung in POF angestellt. Eine Weiterentwicklung der POF soll ermöglichen, noch mehr Daten über längere Strecken transportieren und die Faser wärmebeständiger zu machen. Damit kann die Faser z.B. auch im Motorraum verlegt werden und durch die jetzt mögliche bessere Regelung der Wirkungsgrad des Motors erhöht und der Spritbedarf vermindert werden. Bisher wird die Lichtleitung in den optischen Fasern durch folgenden Aufbau erreicht: Ein Innenbereich, der sog. Kern, wird von einem Mantel aus einem anderen Material umgeben, in dem sich das Licht mit größerer Geschwindigkeit ausbreiten kann. Dies führt dazu, dass das Licht unter bestimmten Umständen in dem Kern „eingesperrt“ wird. Alternativ kann das Licht auch in ein und demselben Material geleitet werden, indem dieses mit Mikrostrukturen versehen wird. Die Strukturen sind dabei kleiner als die Lichtwellenlänge, also in der Größenordnung von 0,1 Mikrometern, was in etwa der kaum vorstellbaren Größe von einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haars entspricht.

Bei derart kleinen Abmessungen treten in einem Lichtleiter Effekte auf, die man aus der Halbleitertechnik oder von Kristallen mit verschiedenen „elektronischen Bändern“ kennt: Dort gibt es Bereiche, in denen sich Elektronen aufhalten können und andere, wo dies nicht geht. Analog gilt dies für die mikrostrukturierten polymeren optischen Fasern, wo es Bereiche gibt, in denen sich die Lichtteilchen („Photonen“) aufhalten können, und Bereiche, wo dies nicht der Fall ist. Damit kann das Licht eingesperrt, somit auch geführt werden. Deshalb werden diese Strukturen auch „photonische Kristalle“ genannt. Für Glasfasern ist dieses Prinzip bereits erfolgreich im Einsatz, jedoch bieten photonische Kristalle auf Kunststoff- oder Polymerbasis wesentlich mehr Gestaltungsmöglichkeiten. Erste Muster von mikrostrukturierten POF wurden schon in Australien und Korea hergestellt. Dafür hat das POF-AC bereits Anfragen nach Unterstützung in theoretischer und messtechnischer Hinsicht erhalten. Mit einem eigenen wesentlichen Beitrag zur Simulation solcher neuen Fasergenerationen wird die Position Nürnbergs, speziell der Fachhochschule, als Innovationszentrum weiter gestärkt. Die Arbeiten sollen in internationaler Kooperation erfolgen und im vorwettbewerblichen Bereich die wissenschaftlichen Grundlagen für die neuen POF-Generationen liefern.

Beteiligt sind an dem Projekt auch Wissenschaftler der Universität Bilbao und der Universität South Wales (Australien). Weitere Gespräche werden geführt, u.a. mit der TU Eindhoven. Die Staedtler-Stiftung in Nürnberg, deren Ziel u.a. die Förderung der Wissenschaften ist, hat sich von der Attraktivität dieses Themas überzeugen lassen und die genannten Fördermittel bewilligt. Das Anwendungszentrum für polymere optische Fasern (POFAC) ist ein Institut der Georg-Simon-Ohm-Fachhochschule Nürnberg. Es wurde aufgebaut im Rahmen der High-Tech-Offensive Bayern. 

Rückfragen richten Sie bitte an Prof. Dr. Hans Poisel,  Tel. 0911/5880-1189, E-Mail: hans.poisel@fh-nuernberg.de