Anwendungspotenziale für Multikernfasern - Martin Böttcher, Kölner Kabeltagung, 29.11.2022 - Topics
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Anwendungspotenziale für Multikernfasern Martin Böttcher, Kölner Kabeltagung, 29.11.2022
Motivation für Multikernfasern
1 Datenverkehr und Faserzahl in Kabeln wachsen
Alternative Technologien ausgereizt
Vergleich von Raum-Multiplexing-Technologien
2 Dünnere Fasern, Multikern- und Multimodenfasern: Vor-/Nachteile
Ein-/Auskoppeln von Licht, Übersprechen zwischen Kernen
Mögliche Anwendungen für Multikernfasern
Agenda 3 Submarine, Long-haul, Metro- und DC-Interconnect, Spezialanwendungen
Verschiedene technische Herausforderungen ja nach Anwendung
Herstellung von Multikernfasern
4 Stack & Draw, Quarz-Granulat, Drill & Collapse: Vor- und Nachteile
Erläuterung des Heraeus-Ansatzes
Ausblick auf eine mögliche Markteinführung
5 Standardisierung vs. proprietäre Systeme
Submarine und DC-Interconnect als mögliche Einstiegsfelder
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MOTIVATION
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CISCO-INDIKATOREN STEHEN AUF WACHSTUM: CAGR 2018-2023
Weltbevölkerung Internet-Nutzer Verbundene Geräte
1% 6% 10%
Anzahl Hyperscale DC* Verbundene 4k TV Mobile M2M-Geräte
18% 4k 27% 30%
Quelle: Cisco Annual Internet Report (2018–2023) White Paper (letzte Version von 2020) und (*) Statista.com für 2015-21
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AUSBAU VON HYPERSCALE DATENCENTERN AM BEISPIEL GOOGLE Quelle: Google Earth Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 5
6 MRD. FASERKILOMETER VERLEGT, INSTALLATIONSRATE STEIGT WEITER
CFC 2030
FTTx ~12 Bfkm
All other (excl. FTTx)
Global cumulative fiber count CFC 2020
CFC 2040
~19 Bfkm
5.6 Bfkm
„6G and other
new stuff era“
„5G era“ ~ 6 Bfkm
CFC 2010 ~ 5 Bfkm
1.5 Bfkm
„4G era“
„3G era“ 2.5 Bfkm 1.8 Bfkm deployed by 2020
0.9 Bfkm Globally ~35% homes passed
CFC 2000
0.4 Bfkm FTTx
≥ 2 Bfkm
remaining after 2020
2000 2010 2020 2030 2040
Quelle: Heraeus Market Intelligence
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FASERKAPAZITÄT AUSGEREIZT – DATENBEDARF JE KABEL STEIGT Quelle: Tetsuya Hayashi, Sumitomo, IEEE Summer Topicals Meeting 2022 Quelle: Oleg Sinkin, Corning, IEEE Summer Topicals Meeting 2022 Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 7
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RAUM-MULTIPLEXING
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RAUM-MULTIPLEXING-TECHNOLOGIEN IM VERGLEICH
Dünnere Fasern Multikernfasern Mehrmodenfasern (Few-Mode)
250 µm 200 µm 165 µm Schwach gekoppelt Gekoppelte Kerne RI-Gradientenprofil (Darstellungen indikativ)
~40 µm Core Pitch ~20 µm
(typisch für
vier Kerne) (*1)
125 µm
125 µm 125 µm 100 µm
Optional:
„Trench“, um
Übersprechen
zu reduzieren,
Packungsdichte räumlicher Kanäle: ähnlich A2-Fasern
1x 1,5x 2x 2x bis 8x (tbc) 4x oder mehr bis zu ~10x / ~100x für Echt-Zeit- vs. offline FEC
Dünneres Coating ist marktgängig und von Herausforderungen: Herausforderungen:
ITU-Normen abgedeckt; Splicen, Steckern, Fehlerkorrektur, MIMO für Faser mit konsistentem RI-Profil: Über-
Verkabeln gelingt mit gängigem Equipment gekoppelte Kerne sprechen auf langen Strecken minimieren
Dünneres Cladding in Testphase bzgl. Fan-in/Fan-out, Kosten (*2) Möglichst kontrol- Kostengünstige und seriengängige
optischer Eigenschaften, erfordert ggf. kritisch auf kurzen
lierte Kopplung, um
Technologie zum Ein- und Auskoppeln
optische Fehler durch
leichte Anpassungen der ITU-Norm, Strecken (s. nä. Seite) MIMO Algorithmen
harmoniert wohl mit gängigem Equipment (multiple input, multiple Gleichförmige Verstärkung der Moden
ITU-Standardisierung output) korrigieren zu
Effiziente MIMO-Fehlerkorrektur
können
steht aus (TR erstellt)
Standardisierung (noch kein ITU-Thema)
Quelle: Heraeus Market Intelligence auf Basis diverser Publikationen (z.B. Sumitomo und Furukawa); (*1) von DrBob auf English Wikipedia gemäß GNU Free Documentation License;
(*2) Cen Xia et al.: „Supermodes in Coupled Multi-Core Waveguide Structures“ (2016) IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, DOI:10.1109/JSTQE.2015.2479158
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EIN- UND AUSKOPPELN IN MULTIKERNFASERN
Freistrahl-Optik Laser-Scribing in Borosilikat Gitter-Kopplung
D. Apostolopoulos, 2014
DOI:10.1117/12.2042586
World of Optical Fiber and Cable Conference, Milan, 11/2022
Photonic Wire Bonding Direkte Kopplung VCSEL/PD Herausforderungen bei Systembewertung:
D. Kuchta, IBM, 2014, DOI:10.1117/12.2042794
Schnittstelle zum Transceiver
Additive 3D nanofabrication
for photonic integration
Schnittstelle zur Faser
http://www.vanguard-photonics.com/
Optische Dämpfung
Umsetzbarkeit Serienproduktion und
Kostenbewertung (für das gesamte
Ökosystem)
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 10EIN- UND AUSKOPPELN IN MEHRMODEN-FASERN
Phase Masking Gitter-Kopplung
N. Fontaine, et.al., ECOC 2018, Mo4E.1
Photonic Lantern
Momen Diab, Dissertation Thesis, University of Potsdam 2021
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ANWENDUNGEN
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 12TRENDS BEI FASER UND ÜBERTRAGUNGSTECHNOLOGIE NACH NETZEBENE
Long-Range Short-Range
Submarine Langstrecke Metro & DC-Connect FTTH-Access
Transceiver-Kosten klein ggü. Anzahl und Stromverbrauch der Kürzere Strecken 200 Kanäle ausgereizt, In China Trend zu ULL-Fasern, steigt zwar, aber eher mehr nicht an der erwarteten
Shannon-Limit erreicht um Verstärker-Kosten zu Fasern wg. Kosteneffizienz mittelfristigen Datenkapazität
Hochwertige ULL- & LEA- reduzieren und Datenraten je Bereits deutlicher Trend zu orientiert (anders bei Mobile
Fasern (~100 USD/fkm) Kanal weiter zu optimieren dünneren Fasern Access, dort eher wie Metro,
(Business Case für Green Field) am 5G-Horizont orientiert)
Dünnere Fasern, wegen
Lichtverlusten aber begrenzt Eine Wellenlänge genutzt
Quelle: Heraeus Market Intelligence
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 13BEWERTUNG MÖGLICHER MULTIKERN-ANWENDUNGEN
Long-Range Short-Range
Submarine Long-haul and Metro/Access DC Interconnect MIMO antenna driver
Long-haul networks
(Telecom, Content Delivery)
Metro and
regional networks
Business
Mobile
Customers
Access
FttH
Access
allaboutelectronics.org
Challenges F-km Rationale
› Space in cable › Use existing duct space › Cost of splicing, cable › Synchronized signals in radio-over-
› Power consumption › Offering proprietary cores › Space and cable handling fiber antenna drivers
› Node synchronization › Address bandwidth crunch › Or other niche applications
› Core-count vs. core effective area
› Up to 3 million core km in 2030s › Large potential range of core km › Few million core km in ten years › Still high uncertainty if viable
› Real-world test bed systems ~2026 › Slow ramp start later in 2020s › Test installations expected for 2025 › Challenge: Design/many cores
› Challenge: MCF amplifier, error corr. › Challenge: cost, standard, ecosystem › Challenge: cost, fan-in/fan-out
› Fiber quality › Connectivity
› Amplification › Cost of ecosystem
› Demultiplexing/DSP
Quelle: Heraeus Market Intelligence
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HERSTELLUNG
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 15HERSTELLUNGSVERFAHREN: STACK-AND-DRAW & GRANULAT
Stack & Draw Quarz-Granulat / Schlicker
OD 25 mm
Fixieren der Stäbe in Einschmelzen des
Glasröhre, dann Ein- Granulats in Heiß-
Preform stack - Theory Preform stack (25 mm) Drawn Fiber (125 µm) füllen von Granulat/Slurry prozess zur Vorform
Aufwendig & teuer Gut geeignet für Kleinserien, Prototypen Granulat konnte sich schon bei
Viele verschiedene Rohmaterialien Geeignet für Spezialfasern Standardfasern nicht durchsetzen wg.
Reinheit von Rohmaterial und Fertigprodukt
Viele Oberflächen (Kontamination) Eher ungeeignet für Serie Telekom
Beim Schrumpfen im Heißprozess bilden
Kleine Vorformen (i.d.R.) sich leicht Blasen und Verspannungen
Langsamer Faserzug bei hohem Vakuum Technologie hat wahrscheinlich noch
Quelle: Heraeus Innovation im Rahmen des SAMOAnet Projektes, gefördert vom BMBF
Entwicklungspotentiale
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 16HERSTELLUNGSVERFAHREN: DRILL & COLLAPSE
Collar
MCF
assembly
Handle
Bohren des Zylinders Einsetzen der Kernstäbe Kollabieren der Vorform Vorform: 100 mm Faser: 125 µm
Vorteile
1. Hochwertiges, synthetisches Rohmaterial in Telekomfaser-Qualität in großen Batches (0,2 m OD, 1,5 m L)
2. Hohe Bohrpräzision, die geringe Verluste beim Spleißen der Faser garantiert
3. Modulares System erlaubt Herstellung von Standard-, ULL- oder BIF-Typen
4. Langjährige Erfahrung im Kollabieren und Ausziehen von Vorformen, Anschweißen von Handles etc.
Quelle: Heraeus Innovation im Rahmen des SAMOAnet Projektes, gefördert vom BMBF
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 17HERAEUS-LÖSUNG BASIERT AUF LANGJÄHRIGER ERFARHUNG
30+ years experience with core-hole drilling Engineered towards variable clad layouts OD200 clad: most accurate core position
Assembly with
core rods
Furnace
Collapsed preform
Preform tip
20+ years experience with preform collapse Proprietary process for complex preforms Quick scale-up with 3000 fkm MCF preform
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 18HERAEUS FLUOR-GLAS FÜR ULL UND BIF – BOHREN MIT HOHER PRÄZISION
Versatility: Customized target designs, including F-doped clad Precision: Size-scaling of core positioning error, avoid splice loss
High-purity F 300 material with best geometrical precision 2.5x improved core positioning accuracy by scaling from 80 to 200 mm
Various high-purity Fluorine-doped materials for flexibility in fiber design 0.3 mm core rod positioning error (maximum value within 1.5 m drill length)
new equipment at Heraeus will improve this further
Collapse process allows for using multiple cladding parts
(e.g. double-cladding collapse process)
Preform Fiber
13,5
Δ ~ 0.3 mm
13,0 F 320-08
F 300
12,5
Viscosity [dPA s]
F 320-20
12,0
Δ ~ 0,18 µm
11,5 RIC® 200 @ 125 µm fiber OD
F 320-15
11,0
F 520-42
10,5 F 520-30
10,0 OD 80
-0,45 -0,40 -0,35 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 Δ ~ 0,47 µm
@ 125 µm fiber OD
RI difference vs. F 300 [%]
Quelle: Heraeus Innovation
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MARKTEINFÜHRUNG
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 20FAZIT 1: HERAEUS-ERWARTUNG EINER MÖGLICHEN MARKTEINFÜHRUNG
2022 2024 2026
Anwendungen
Test Subsea Roll-out Subsea
Test DCI Roll-out DCI
Standardisierung 4-Kern Tests Metro, Long-haul
Marktreife von Technologien
Ungekoppelte Multikern (ULL bei Subsea)
Gekoppelte Multikern
Mehrmoden
Quelle: Heraeus Market Intelligence
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 21FAZIT 2: GRÖßTE HERAUSFORDERUNGEN Technologien: Verstärker, Fan-in/Fan-out, Fehlerkorrektur (MIMO) Zusammenarbeit des Ökosystems, um über alle Wertschöpfungen hinweg die effizienteste Kombination von Technologien zu ermitteln Wer macht den ersten Schritt, das erste Angebot einer Systemlösung? Wie groß muss der Schmerz der Anwender sein, damit sich das Angebot von Multikernfasern für die Hersteller lohnt, und die Mindermengen beim Glas und beim Verkabeln ausgleicht? Quelle: Heraeus Market Intelligence Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 22
FAZIT 2: GRÖßTE HERAUSFORDERUNGEN
Technologien: Verstärker, Fan-in/Fan-out, Fehlerkorrektur (MIMO)
Zusammenarbeit des Ökosystems, um über alle Wertschöpfungen hinweg Adressiert durch
geförderte Projekte
die effizienteste Kombination von Technologien zu ermitteln
Wer macht den ersten Schritt, das erste Angebot einer Systemlösung?
Wie groß muss der Schmerz der Anwender sein, damit sich das Angebot von Multikernfasern für
die Hersteller lohnt, und die Mindermengen beim Glas und beim Verkabeln ausgleicht?
Quelle: Heraeus Market Intelligence
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 23Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 24
BMBF-PROJEKTÜBERSICHT 2021-24
Konform Multi-Cap SAMOA net Starfall WESORAM
System concepts for Multi-core fiber fabrica- Spatial Multiplexing in Scalable terminal Wavelength selective
SDM, SDM-Connectors tion and amplification Optical Access Networks, architectures and SDM switch for SDM
technology focus on multi-core fiber subsystems; applications based on
transmission Transceivers LCD technology
Budget: 1,8 Mio. € Budget: 3,0 Mio. € Budget: 3,4 Mio. € Budget: 2,9 Mio. € Budget: 2,6 Mio. €
Funding: 1,1 Mio. € Funding: 1,9 Mio. € Funding: 2,2 Mio. € Funding: 2,3 Mio. € Funding: 1,8 Mio. €
Partner: Partner: Partner: Partner: Partner:
Karlsruhe Institute of Heraeus Fraunhofer HHI ADVA ADVA
Technology (KIT) j-fiber Heraeus Fraunhofer HHI Fraunhofer IOF
Vanguard Automation ADVA VI Systems Karlsruhe Institute of HoloEye Photonics
Rosenberger Friedrich-Alexander- HoloEye Photonics Technology (KIT)
Hochfrequenztechnik Universität Erlangen- VPI photonics
Nürnberg
Nokia
Quelle: VDI/VDE-IT
Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 25VIELEN DANK! An alle Firmen (Mitbewerber/Partner) und Universitäten, die an dem spannenden Thema forschen An das BMBF für Projektausschreibung und den VDE für die Trägerschaft (Dr. Dimitar Kroushkov) An die Partner in den Projekten SAMOA-Net, Multi-Cap und die anderen für den Austausch An das Heraeus MCF-Team: Kay Schuster, Qiulin Ma, Michael Lorenz, Tobias Tiess, Evan Green Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 26
VIELEN DANK! An alle Firmen (Mitbewerber/Partner) und Universitäten, die an dem spannenden Thema forschen An das BMBF für Projektausschreibung und den VDE für die Trägerschaft (Dr. Dimitar Kroushkov) An die Partner in den Projekten SAMOA-Net, Multi-Cap und die anderen für den Austausch An das Heraeus MCF-Team: Kay Schuster, Qiulin Ma, Michael Lorenz, Tobias Tiess, Evan Green Anwendungspotenziale für Multikernfasern | Martin Böttcher | Kölner Kabeltagung 29.11.2022 27
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