Deutsch

Die fortschreitende Entwicklung neuer Hard- und Softwareanwendungen führt zu einer Zunahme der zu verarbeitenden Datenmengen und zu einem stetig wachsenden Bedarf an Bandbreite. Um diese Daten effizient verarbeiten zu können, werden immer leistungsfähigere Systeme der Informations- und Kommunikationstechnik benötigt. Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme wird von den einzelnen Komponenten und den Bussystemen zur Anbindung der Komponenten untereinander bestimmt. Es ist schon jetzt abzusehen, dass in Zukunft diese Bussysteme die Leistungsfähigkeit der Systeme beeinträchtigen werden. Hierbei bietet sich der Einsatz von optischen Verbindungen auf Leiterplattenebene als Ersatz der elektrischen Bussysteme an. Eine herkömmliche Leiterplatte wird um eine zusätzliche Lage mit eingebetteten optischen Wellenleitern erweitert.

Derzeit existieren keine Verfahren, die eine zeitnahe Analyse des Übertragungsverhaltens dieser optischen Lage ermöglichen. An diesem Punkt setzt diese Arbeit an. Ziel ist es,Modelle für eine zeiteffiziente Simulation der betrachteten Wellenleiter zu entwickeln. Hierfür wird eine Methodik basierend auf einem modularen Konzept vorgestellt. Ein komplexes Gesamtsystem wird in Teilsysteme partitioniert. Für diese müssen leistungsfähige Modelle im Hinblick auf die geforderte zeiteffiziente Simulation gefunden werden.

Aufgrund der Vielmodigkeit der betrachteten Wellenleiter bietet sich die Verwendung von strahlenoptischen Verfahren für die Entwicklung der Modelle an. Basierend darauf werden zwei Strategien für die Generierung der Modelle vorgestellt. Bei der ersten Strategie werden Symmetriebetrachtungen der Kerngrenzhülle aufgezeigt. Hierdurch wird der Strahlverlauf im Raum durch zwei Strahlverläufe in orthogonalen Ebenen ersetzt. Bei diesem Verfahren wird mindestens einer der beiden Strahlverläufe zeitnah durch wenige, direkt lösbare analytische Gleichungen berechnet. Die zweite Strategie weist auf Redundanzen bei der Berechnung der Strahlparameter hin. Unter Ausnutzung dieser Strategie ist ein Mehrtormodell für die Bestimmung des Übertragungsverhaltens mit den Methoden der linearen Algebra entstanden. Die Rechenzeit der Verfahren ist nicht von Geometrie- oder Materialparametern abhängig. Für die Verifikation dieser Verfahren werden unterschiedliche Wellenleiterverläufe modelliert und die Abweichung sowie die Effizienz bezüglich eines strahlenoptischen Referenzverfahrens diskutiert.

In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass das Übertragungsverhalten eingebetteter optischer Wellenleiter zeiteffizient berechnet werden kann. Aufgrund des modularen Ansatzes ist eine komponentenübergreifende Simulation eines Gesamtsystems zudem möglich.

English

The progressive development of new hard- and software applications leads to an increase in the amount of data to be processed and to a constantly rising need in bandwidth. To be able to efficiently process these data more powerful systems of information and communication technologies are needed. The performance of these systems is determined by its individual components and by the bus systems connecting the components. One can foresee that in the future the performance of the systems will be limited by these bus systems. To get rid of this bottleneck board level optical interconnections are introduced in exchange for the electrical bus systems. A standard printed circuit board is enhanced by an additional layer with embedded optical wave guides.

Currently there are no methods allowing an analysis of the transmission behavior within a short period of time of these additional layers. This is where this work starts. The aim is to develop models for the time efficient simulation of the embedded optical wave guides. For this, a method is introduced based on a modular concept. A complex system is divided into subsystems. For these subsystems efficient models concerning the demands of time efficient simulation must be developed.

The embedded waveguides are highly multimodal; therefore the development of models based on ray optical methods is feasible. Based on these methods, two strategies for generating the models are introduced. The first strategy uses symmetries of the core cross section of the embedded waveguides. The path of the rays within these waveguides is being substituted by two ray paths on orthogonal planes. With this method, at least one of the two ray paths is calculated within a short period of time by few directly solvable analytical equations. The second strategy emphasizes redundancies in calculating ray parameters. By using this strategy a multiport model determining transmission behavior by applying algebraic methods is developed.

The calculation time of these models is not dependent on geometrical and material parameters. To verify these models different waveguides are modeled and the deviation as well as the efficiency corresponding to a ray optical reference algorithm is discussed.

This thesis has shown that the transmission behavior of embedded optical waveguides can be calculate time efficiently. Due to the modular approach a simulation of a complete system is possible.