Optische Nachrichtentechnik

Unter optischer Nachrichtentechnik versteht man im weitesten Sinne Übertragung, Vermittlung und Verarbeitung von Informationen mit Licht. Das Licht wird mit Laser- oder Lumineszenzdioden erzeugt und mit Fotodioden detektiert, wobei der Transport zwischen Sender und Empfänger i.a. mittels Lichtwellenleitern (LWL) aus sehr dünnen Glasfasern oder Polymerfasern erfolgt. Durch Intensitätsmodulation läßt sich dem gesendeten Lichtstrahl die zu übertragende analoge oder digitale Information aufprägen.

 

1. Inhaltsverzeichnis

2. Ausbreitung von Wellen in Glasfasern
2.1 Materialdispersion
2.2 Wellenleiterdispersion
2.3 Modendispersion
2.4 Polarisationsmodendispersion
2.5 Diskretes Modenspektrum in einem Lichtwellenleiter
2.6 Modenfelddurchmesser (MFD)
2.7 Nichtlineare Eigenschaften von Glasfasern
2.7.1 Vierwellenmischung
2.7.2 Selbstphasenmodulation
2.7.3 Nichtlineare Streuung
2.8 Faserdämpfung
2.8.1 Verluste durch Absorption
2.8.2 Verluste durch Streuung im Glas
2.9 Erzeugung von Licht

3. Optische Quellen
3.1 Laser
3.2 Lasertypen
3.3 Radiometrische Größen
3.4 Geometrische Strahlverteilung
3.5 Spektrum der Lichtquelle
3.6 Laser - Oszillatoren
3.7 Distributed Feedback Laser
3.8 Coubled Cavity Laser
3.9 VCEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
3.10 Super LED

4. Optische Verstärker
4.1 Optische Verstärker auf Halbleiterbasis
4.2 Faseroptische Verstärker
4.3 Faseroptische Verstärker auf der Basis Seltener Erden

5. Modulation
5.1 Direkte Modulation
5.2 Intensitätsmodulation von LED´s (Analoge Modulation)
5.3 Externe Modulation
5.4 Polarisation
5.5 Beispiele externer Modulation

6. Strahlungsempfänger
6.1 Funktionsprinzip (Hier PIN Diode)
6.2 Aufbau von Photodopden (PIN)
6.3 Avalanche Photodioden (APD)
6.4 Empfängerschaltungen

7. Grundlegende Systembetrachtung
7.1 Systemkenngrößen des Lichtwellenleiters
7.2 Dämpfung einer optischen Übertragungsstrecke
7.3 Komplexe Systeme
7.4 Definition Polarisationsmodendispersion

8. Wellenlängenmultiplex
8.1 Multiplexer und Demultiplexer

9. Einführung in die Messtechnik
9.1 Dämpfungsmessung

 

2. Ausbreitung von Wellen in Glasfasern

2.1 Materialdispersion

Die Materialdispersion tritt durch die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl im Dielelektrikum ein, es handelt sich um ein Dispersionseffekt, der allein vom Material abhängig ist, er tritt dadurch in allen Fasern auf. Die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl ist deshalb von Bedeutung, da die Lichtquelle für die Optische Nachrichtentechnik niemals monochromatisch ist. Sie senden ihr Licht in einem bestimmten kleinen Wellenlängenbereich aus (Emissionsbandbreite). Durch verschiedene Wellenlängen existieren auch kleine Unterschiede bei den Brechzahlen und dadurch auch verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten.

Materialdispersion

Bei 1,273µm ist die Materialdispersion = 0
 

2.2 Wellenleiterdispersion

Die Wellenleiterdispersion tritt in allen Wellenleitern auf. (Bei Mehrmodenfasern überwieg jedoch ganz deutlich der Effekt der Modendispersion, so dass die Wellenlängenabhängigkeit ausschließlich bei Singlemodefasern von Bedeutung ist.)

Zu größeren Wellenlängen hin verbreitert sich das elektrische Feld des Grundmodus, so dass große Bereiche des Feldes in den Mantel vordringen. Die Feldanteile im Mantel der Faser breiten sich dabei aufgrund der dort vorliegenden niedrigeren Brechzahl schneller aus als die Feldanteile im Kern. Dies führt zu Pulsverzerrung. Diesen Pulsverzerrungseffekt augrund unterschiedlicher Laufzeiten unterschiedlicher Energieanteile im Kern- und Mantelbereich der Faser nennt man Wellenleiterdispersion.
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2.3. Modendispersion

Die Modendispersion beschreibt die Impulsverbreiterung in einer Multimodefaser bedingt durch unterschiedliche Laufzeiten räumlich unterschiedlich gerichteter Lichtstrahlen. Diese Strahlen werden gleichzeitig durch einen Impuls angeregt; sie bewegen sich im Medium mit konstanter Brechzahl, d.h. sie bewegen sich mit gleicher, konstanter Geschwindigkeit. Zur theoretischen Beschreibung genügt die Strahlentheorie. Die Modendispersion entspricht der Laufzeitdifferenz zwischen dem Strahl mit dem längsten Weg – er breitet sich unter dem Grenzwinkel aus – und dem Strahl mit dem kürzesten Weg innerhalb der Faser.

2.4 Polarisationsmodendispersion

Die Polarisationsmodendispersion resultiert aus den Laufzeitunterschieden der beiden orthogonal polarisierten Teilmoden, die sich im LWL getrennt ausbreiten. Damit wirkt auch eine Singlemodefaser unter Berücksichtigung von polarisiertem Licht wie eine Zweimodenfaser. Dieser Effekt ist zwar sehr klein, wirkt allerdings bei hochbitratigen Systemen begrenzend.

2.5 Diskretes Modenspektrum in einem Lichtwellenleiter

Die Lichtstrahlen in einem LWL müssen immer denselben Phasenwinkel haben, sonst könnten sie sich im Extremfall gegenseitig auslöschen. Daher darf der Einkoppelwinkel nur ganz bestimmte Werte annehmen. Jeder dieser bestimmten Winkel charakterisiert eine spezielle Form der Wellenausbreitung, genannt Eigenwelle oder Modus des Wellenleiters. Moden sind demzufolge im LWL geführte, ausbreitungsfähige Wellen. Sie resultieren theoretisch als Eigenlösungen der Wellengleichung. Sie haben ebene Phasenflächen und sind linear polarisiert.
Da sich mehrere Lichtstrahlen durch eine Glasfaser ausbreiten können, gibt es auch mehrere Eigenwellen (mehrere Moden). Durch die beschränkte Zahl der zulässigen Winkel kann ein Wellenleiter deshalb aber nur eine bestimmte Zahl solcher Eigenwellen oder Moden führen bzw. übertragen.
Unterscheiden kann man die Moden mittels der LPvµ Notation. Für die Verteilung der Feldamplituden über dem Querschnitt des Lichtwellenleiters folgt, dass sie in azimutaler Richtung, d.h. längs zur Faserachse konzentrischer Kreise, 2*v äquidistante Nullstellen haben. So gibt es Moden ohne Nullstellen (v=0), sowie mit 2,4,6,... derartigen Nullstellen. V bezeichnet man als die azimutale Modenkennzahl. Moden unterscheiden sich ebenfalls durch die Anzahl konzentrischer Ringe, die durch die Anzahl der radialen Intensitätsmaxima beschrieben werden. Man charakterisiert sie durch die radiale Modenkennzahl µ. LP01 entspricht dabei dem Grundmodus.
Ebenso wie für die Wellenausbreitung im unendlich ausgedehnten, homogenen Medium (z.B. Glas) ist auch für die jeweiligen Moden ihre Ausbreitungskonstante µv maßgebend für die Ausbreitungsgeschwindigkeit, d.h. Phasenlaufzeit und Gruppenlaufzeit darüber definiert.
Die Anzahl der gesamten Moden, die ein Wellenleiter führen kann, hängt von dem geometrischen Aufbau des LWL ab. Da die Moden unterschiedlich oft an den Grenzflächen reflektiert werden, unterscheiden sich auch deren Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Der schnellste Modus ist dabei der Grundmode.
Wie schon erwähnt, kann sich in einem Wellenleiter nur eine bestimmte Anzahl von Moden ausbreiten, die sich durch ihre Ausbreitungsgeschwindigkeiten unterscheiden. Wellenleiter mit vielen Moden bezeichnet man als Multimodefasern. Moden, deren Feldverteilung in der Nähe der Faserachse am größten ist, bezeichnet man als Mode niedriger Ordnung. Moden, deren Feldverteilung auch in den Außenbereich des Kerns vordringt, gelten als Moden höherer Ordnung. Durch die Feldverteilung kann man auch Aussagen über die Verteilung der Lichtleistung entlang des Faserquerschnitts treffen. So ist bei Stufen- und Gradientenprofilfasern die Leistungsverteilung außerhalb des Kerns, also im Mantel, relativ gering.
Um die Gesamtzahl der Moden in einem Wellenleiter zu bestimmen, wird der V-Parameter eingeführt.
V=2,405
Singlemode < V(2,405) < Multimode

Die Wellenlänge, bei der der V-Parameter so groß wird, dass wieder mehrere Moden ausbreitungsfähig werden, wird Grenzwellenlänge genannt. (cut-off Wellenlänge)

2.6 Modenfelddurchmesser (MFD)

Der MFD Parameter beschreibt die radiale Feldverteilung (elektrisches Feld) des Grundmodus. Er ist wichtig für
-> die Einkopplung von Licht in die Faser am Faseranfang und an Faserkoppelstellen
-> die Mikrokrümmungsverluste und die Makrokrümmungsverluste

Für Stufenprofilfasern, die nahe bei der Grenzwellenlänge betrieben werden, kann die Feldverteilung in Abhängigkeit der radialen Koordinate r nahezu durch eine Gauß - Funktion beschrieben werden.

2.7 Nichtlineare Eigenschaften von Glasfasern

Erhöht man die Lichtleistung bzw. die Leistungsdichte in einer Glasfaser, so verhält sich das dielelektrische Medium Quarzglas nicht mehr linear. In der Praxis beispielsweise bei Wellenlängenmultiplexsystemen.
Betrachtet man den gesamten Brechungsindex n, so erkennt man, dass der nicht - lineare Anteil zwar sehr gering ist, der Einfluss davon sich jedoch über der Länge des LWL´s akkumuliert. Da jedoch gleichzeitig das Signal, d.h. die eingekoppelte Lichtleistung, über der Länge aufgrund der Dämpfung abnimmt, ist dieser Einfluss des nicht linearen Koeffizienten nicht konstant; er nimmt mit zunehmender Faserlänge ab.
Nichtlineare Brechzahl:

2.7.1 Vierwellenmischung

Der nichtlineare Effekt ist speziell bei Wellenlängenmultiplex-Systemen ein Problem. Hier findet eine Mischung von drei sich gleichzeitig in einer Faser ausbreitenden Kanälen leicht unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Frequenz statt.
Bei der Überlagerung von Licht mit drei verschiedenen Frequenzen treten Frequenzkombinationen ω1, ω2 und ω3 auf. Haben die drei Ausgangsfrequenzen einen konstanten Frequenzabstand, so ist es möglich, dass einige der entstehenden Frequenzkombinationen wieder in den gleichen Frequenzbereich der Originalfrequenzen fallen.
Quarzglas zeigt normalerweise nur geringe Nichtlinearität, so dass der Effekt der Vierwellenmischung in vielen Fällen vernachlässigt werden kann. Der Einfluss der Vierwellenmischung ist jedoch relevant, wenn er sich über lange Strecken aufsummieren kann. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn sich die neuen Frequenzkomponenten in Phase mit den ursprünglichen Kanälen längs der Faser ausbreiten können. Dann wirkt die Vierwellenmischung begrenzend.
Praxis: Vierwellenmischung resultiert in einem Übersprechen benachbarter Kanäle. Eine Reduktion dieses Effektes in DWDM Systemen ist nur dann möglich, wenn die chromatische Dispersion ungleich Null ist, d.h. keine Phasenanpassung besteht.

2.7.2 Selbstphasenmodulation

Gemäß der Gleichung „Nichtlineare Brechzahl“ ändert sich die Brechzahl in Abhängigkeit mit der optischen Lichtleistung P.
-> bei der Pulsspitze scheint die Faser eine höhere Brechzahl zu haben als an den Pulsflanken
-> die Leistung im Pulszentrum wandert langsamer als die Leistung an den Flanken
-> es resultiert eine nichtlineare Phasenverschiebung
Die Unterschiedlichen Frequenzen innerhalb des Pulses erfahren nun unterschiedliche Laufzeiten während der Fortpflanzung längs der Faser. Diese Laufzeiten hängen von der genauen Lage des Frequenz- bzw. Wellenlängenspektrums zum Minimum des Gruppenindizes ab.
Die Änderung der Brechzahl verursacht eine Änderung der Ausbreitungskonstante. Dies wiederum führt zu einer von der Lichtleistung in der Faser abhängigen Phasenverschiebung. Die optische Trägerfrequenz des Pulses, der sich in der Faser ausbreitet, erfährt eine Phasenmodulation aufgrund seiner Leistungsverteilung P(t) selbst -> Selbstphasenmodulation. Dies ist besonders bei phasensensitiver Lichtdetektion kritisch

2.7.3 Nichtlineare Streuung

Bei der linearen Streuung (z.B. Rayleigh) erfolgt kein Energieaustausch zwischen Feld und Materie, d.h. es treten keine Wellenlängenänderungen bei dem Durchgang des Lichtes durch das dämpfende Material auf.
Es ist aber auch ein Energieaustausch denkbar. Dann spricht man von der nichtlinearen Streuung. Hierbei wird die optische Lichtleistung von einer Welle in eine andere mit unterschiedlicher Wellenlänge übergeführt, d.h. gestreut. Dieser Effekt hängt stark von der Lichtleistungsdichte in der Faser ab und tritt nur bei größeren elektrischen Feldern in Erscheinung.
Eine einfallende Welle mit der Photonen Energie kann einen Übergang von Atomen in einen Bereich eines nicht – erlaubten Energieniveaus bewirken. Von diesem virtuellen Level fällt das jeweilige Atom zu einem erlaubten Energieniveau unter Aussenden eine Photons mit der Energie Es herab, genannt nichtelastische Streuung. Der verbleibende Teil der Energie der einfallenden Wellen wird in Materialschwingungen umgewandelt.
Der frequenzverschobene Anteil der Energie wird auch als Stokes - Wellen bezeichnet. Ebenso ist es möglich, dass die Frequenz des gestreuten Photons größer ist als die Frequenz des einfallenden Photons, d.h. die Energiedifferenz zwischen den beiden Photonen dem Material entzogen wird. Dieser Prozess ist als Anti-Stokes-Welle bekannt. Es setzt voraus dass das Material sich im angeregten Zustand befindet.
-> Geringe Frequenzverschiebung: =15GHz (Brillouin Streuung)
-> Große Frequenzverschiebung: =10GHz (Raman Streuung)
Praxis: Dieser Effekt der nichtlinearen Streuung wird im Bereich der optischen Verstärkung genutzt. Durch ein optisches Pumpen kann die Nutzsignalwellenlänge verstärkt werden.

2.8 Faserdämpfung

Aufgrund von Verlusten verringert sich die Lichtleistung innerhalb der Faser ständig. Ein Maß für diese Verluste ist die Faserdämpfung a. Die Dämpfung wird durch das logarithmische Verhältnis zwischen der eingekoppelten Leistung und der Leistung am Faserende mit der Einheit dB beschrieben. Eine Dämpfung von 3dB bedeutet dabei eine Verringerung der Lichtleistung am Faserende auf die Hälfte des am Faseranfang eingespeisten Wertes.

Typische Werte der Dämpfung bei den für die optische Nachrichtenübertragung genutzten Wellenlängen liegen bei Gradientenprofilfasern bei ca. 3,0dB/km für =0,85µm, ca. 0,8dB/km für =1,3µm
Singlemodefasern haben im Vergleich zu Gradientenprofilfasern eine geringere Brechzahldifferenz und brauchen daher auch eine niedrigere Dotierung. Somit haben Singlemodefasern gegenüber Gradientenprofilfasern geringere Verluste. Die typischen Werte der Dämpfungskoeffizienten liegen bei ca. 0,4dB/km für=1,3µm und ca. 0,25dB/km für =1,55µm.
Die Dämpfung wird hauptsächlich durch Absorption und Streuung verursacht.

2.8.1 Verluste durch Absorption

Absorptionsverluste in Glasfasern werden durch unterschiedliche Mechanismen verursacht. Einmal durch Verluste, die durch Materialeigenschaften bedingt sind, und durch solche, die durch den Herstellungsprozess, z.B. Verunreinigungen, entstehen. Unabhängig vom Herstellungsprozess haben alle Gläser die Eigenschaft, im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums sowie im infraroten Bereich stark zu absorbieren.
Wichtig hierbei ist die Infrarotabsorption. Diese wird durch Moekülschwingungen verursacht. Es sind die durch chemische Bindung zusammengehaltenen verschiedenen Elemente des Glases, die durch das sich im Glas ausbreitende Licht in Schwingungen gebracht werden. Diese entziehen dem Licht Energie, die letztendlich in Wärme umgewandelt wird. Der Einfluss der Infrarotabsorption ist im langwelligen Spektralbereich ab ca. 1,7µm bei Quarzglas von entscheidender Bedeutung und überwiegt dort im Allgemeinen alle anderen materialbedingte Verlustmechanismen.

Einen erheblichen Einfluss auf die Absorption haben in das Fasermaterial eingelagerte OH-Ionen, die in der Form von Wasser oder Wasserdampf – beide sind ohne besondere Vorkehrungen bei allen technologischen Prozessen vorhanden – in die Faser gelangen. In bestimmten schmalen Teilbereichen des für die optische Nachrichtentechnik verwendeten Spektralbereichs verursachen die OH-Ionen erhebliche Absorptionsverluste aufgrund von Molekülschwingungen, die durch das Licht angeregt werden. Vor allem diese Absorptionsverluste führten zum Begriff der „optischen Fenster“.
Kunststoff Lichtwellenleiter werden mit sehr großen Kern hergestellt. Dies erleichtert die Ankopplung dieser Fasern. Ein typischer Wert für den Kerndurchmesser liegt bei 980µm. Der Manteldurchmesser beträgt dabei 1000µm

2.8.2 Verluste durch Streuung im Glas

Den zweiten wesentlichen Verlustmechanismus einer Glasfaser bilden die Verluste infolge von Streuung. Rayleigh Streuung

2.9 Erzeugung von Licht

Wie bereits erwähnt wurde, muss einem Elektron im Valenzband Energie zugeführt werden, die mindestens so groß wie der Betrag des Bandabstandes E12 sein muss, um es in das Leistungsband verschieben zu können. Nach einer begrenzten Zeit fällt das ins Leitungsband verschobene Valenzelektron wieder in das Valenzband zurück: es rekombiniert. Dabei setzt das Elektron die ihm zugeführte Energie wieder frei, die in etwa der des Bandabstandes E12 entspricht. Die abgegebene Energie kann als Photon (Lichtquant) aber auch als Wärmeschwingung (Phonon) wieder abgegeben werden.

Um zu erläutern, wann die abgegebene Energie eines rekombinierenden Elektrons als Photon und wann als Phonon abgegeben wird, werden zwei weitere Begriffe eingeführt. Hierbei unterscheidet man die Halbleiter nun weiter zwischen direkten und indirekten Halbleitern.
Bei einem direkten Halbleiter liegen das Minimum des Leistungsbandes und das Maximum des Valenzbandes direkt übereinander. Anders bei einem indirekten Halbleiter: hier liegen die Maxima der Bänder versetzt zueinander, d.h. bei einer Rekombination ist nur mit Änderung des Bewegungsimpulses möglich.

3. Optische Quellen

Eine LED besteht im Wesentlichen aus einem in Vorwärtsrichtung gepolten pn-Halbleiter - Übergang. Erst durch das Anlegen einer äußeren Spannung in Durchlassrichtung wird den Elektronen und Löchern soviel Energie übertragen, dass sie in der Lage sind, die von der Diffusionsspannung aufgebaute Potentialsperre zu überwinden. Die Elektronen können dadurch in das p-Gebiet und die Löcher in das n-Gebiet gelangen. Dabei kommt es zu Rekombinationen von Elektronen-Loch-Paaren. Die dadurch frei werdende Energie kann nun als Emission eine Photons abgegeben werden.

spontane Emission
inkohärente Strahlung
Hinsichtlich des Aufbaus unterscheidet man folgende wesentlichen Typen:
(Ober) –Flächenstrahler
Kantenstrahler
Superlumineszenzdiode

3.1 Laser

Das Funktionsprinzip des Lasers beruht auf der stimulierten Emission.

Durch Zufuhr äußerer Energie gehen Elektronen vom Grundzustand E1 (Valenzband) in den angeregten Zustand E3 über (Pumpen des Lasers). Die Energie wird also von den Elektronen absorbiert. Im Energieniveau E3 geben die Elektronen jedoch wieder einen Teil ihrer zugeführten Energie als Wärme ab und gehen in das metastabile Energieniveau E2 über. Die mittlere Verweilzeit auf dem Energieniveau E2 ist erheblich länger als die Verweilzeit im Energieniveau E3. Dies führt nun dazu, dass es auf dem Energieniveau E2 zu einer Anreicherung von Elektronen kommt. Damit wurde eine Besetzungsinversion im Vergleich zum thermischen Gleichgewicht erreicht.
Das verstärkte Licht wird nun in einen optischen Resonator geführt, wo es bei korrekter Länge des Resonators eine stehende Welle aufbaut. Dadurch wiederholt sich der beschreibende Vorgang der induzierten Emission kontinuierlich falls durch Zufuhr äußerer Energie stets für eine Besetzungsinversion gesorgt wird. Das verstärkte Licht tritt schließlich an einer der verspiegelten Seiten, die teildurchlässig ist, aus dem Resonator aus.
Eine stehende Welle im Resonator entsteht nur, wenn die halbe Wellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Resonatorlänge ist.

Das Licht des Lasers ist durch die stimulierte Emission zeitlich und räumlich kohärent. Dies ist einer der wesentlichen Unterschiede zwischen einem Laser und einer LED.

3.2 Lasertypen

Der einfachste Typ des Halbleiter-Lasers besteht aus einer dünnen aktiven Schicht zwischen einer pn - Schicht. Die resultierende Heterostruktur ist in Durchlassrichtung gepolt.
Zur effizienten Realisierung der notwendigen Besetzungsinversion innerhalb des Halbleitermaterials reicht ein einfacher pn - Übergang normalerweise nicht aus. Hier ist es sinnvoll eine sog. Doppel-Hetero-Struktur zu realisieren. Diese Struktur besteht aus drei Schichten n-p-p. Aufgrund der großen Bandlücke von InP entstehen Energiebarrieren bei Polung des Materials in Durchlassrichtung, was eine starke Anreicherung von Ladungsträgern im Leitungs- und Valenzband zur Folge hat.
Vorteile: Aufgrund der entstehenden Brechzahlstruktur ist eine Führung der Wellen gegeben; Die InP Schichten, die an die aktive Zone angrenzen, führen zu einer Reduktion der Dämpfung.

Die wichtigsten sind der Gain-Guided Laser und der Index-Guided Laser

3.3 Radiometrische Größen

Definition der wichtigsten Größen:
Strahlungsleistung P (auch Lichtleistung oder Strahlungsfluss genannt) einer Strahlungsquelle – gemessen in Watt – ist die in der Zeiteinheit abgegebene Energiemenge einer Strahlungsquelle. Diese Strahlungsquellen sind nicht monochromatisch, so dass man zur Beschreibung der wellenlängenabhängigen Verteilung der Strahlungsleistung die Dichtefunktion eingeführt hat.
Strahlstärke und Strahldichte
Bei der Beschreibung dieser Größen bezieht man sich auf den Bergriff des Raumwinkels. Er ist – für eine rotationssymmetrische Verteilung der Strahlungsleistung – definiert als die Oberfläche eines kegeltütenförmigen differentiellen Raumelements

FORMEL auf Seite 60

3.4 Geometrische Strahlverteilung

Die Abstrahlcharakteristik des Senders spielt für die optische Nachrichtenübertragung eine große Rolle, da durch sie der maximal einkoppelbare Anteil der optischen Leistung in einen Lichtwellenleiter bestimmt werden kann.
Der Lambertsche Strahler ist charakterisiert durch eine konstante Strahlungsdichte L = Lo = konst.

Betrachtet man sich das Strahlungsdiagramm der LED als Flächenemitter, so erkennt man, das die Leistung in einem sehr großen Winkelbereich von +- 90° abgestrahlt wird. Aus diesem Grund kann auch nur ein geringer Teil der optischen Leistung in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der größte Teil der optischen Leistung bleibt dadurch für die Übertragung nicht nutzbar. Man verwendet daher bei LED häufig Linsen, die die Strahlung bündeln und somit die Verluste bei der Einkopplung vermindern.
Die gesamte Strahlungsleistung einer LED mit Lambertstrahler Charakteristik berechnet sich zu
Anders sieht es beim Kantenemitter LED und bei einer Laserdiode aus. Diese Strahlungsquellen senden Strahlungsleistungen mit unsymmetrischer Strahlstärkeverteilung aus.

3.5 Spektrum der Lichtquelle

Wünschenswert für den Einsatz für die optische Nachrichtenübertragung mittels dispersionsbehafteter Glasfasern wären rein monochromatische Quellen. Diese gibt es allerdings in der Praxis nicht. Die Strahlungsquellen in der optischen Nachrichtentechnik geben ihre Strahlungsleistung nicht innerhalb eines breiten, sondern über einen gewissen kleinen Wellenlängenbereich verteilt ab. Solche Lichtquellen nennt man auch quasimonochromatische Strahler.
Da eine LED spontane Emission aussendet, ist das emittierte Spektrum einer LED relativ breitbandig. Die stetige Verteilung der Strahlung kann näherungsweise durch eine Gauß´sche Funktion angegeben werden. Typische spektrale Halbwertsbreite


Bei einer Laserdiode zeigt sich bei genauer Analyse ein gänzlich anderes spektrales Leistungsverhalten: einzelne spektrale Linien
Die Liniencharakteristik des Spektrums einer Laserdiode lässt sich durch die Verstärkung des Lichts im optischen Resonator erklären. Hier entstehen im Resonator verstärkte Lichtwellen diskreter Wellenlängen (Resonanzbedingung), die an einer der verspiegelten Seiten austreten. Die Intensität der einzelnen Konzentrationsgebiete der Strahlung wird von einer Einhüllenden begrenzt, die nahezu gaußförmig ist und durch die obige Gleichung beschrieben werden kann. Die spektrale Halbwertsbreite dieser Einhüllenden ist geringer als bei einer LED. Sie ist von der Strahlungsleistung abhängig und liegt bei ca. 1 bis 3nm

3.6 Laser – Oszillatoren

Der Abstand zwischen den einzelnen Wellenlängen einer Laserdiode berechnet sich durch:
entsprechend einem Frequenzabstand von:

Anwendung: Dies ist besonders bei Wellenlängenmultiplexbetrieb (WDM) von Bedeutung. Je nach Kanalzahl liegen die benachbarten Kanäle in einem Wellenlängenabstand von ca. 1nm, d.h. im Bereich benachbarter longitudinaler Moden bei einem mehrmodigen Laser. Daraus resultiert die Notwendigkeit einmodiger Laser für die genannten WDM - Applikationen

3.7 Distributed Feedback Laser

Im aktiven Kanal der Laserstruktur ist eine Zone mit periodischer Schwankung der Brechzahl integriert. Durch die genaue Abstimmung der Periodizität werden sich nur Wellen einer bestimmten Wellenlänge – der sog. Bragg- Wellenlänge - im Resonator konstruktiv überlagern, während die anderen eine Dämpfung erfahren. Die Rückkopplung innerhalb des Resonators ist somit selektiv.
Ein anderes Prinzip beruht auf der selektiven Bragg-Reflektion: DBR-Laser. Hierbei wirken die Endflächen des Resonators als Spiegel mit wellenlängenabhängigem Reflektionskoeffizienten; maximale Reflektion findet bei der Wellenlänge statt.

3.8 Coubled Cavity Laser

Singlemode Betrieb hinsichtlich der longitudinalen Moden kann auch durch eine Kopplung mit einem externen Resonator, durch den eine Feinabstimmung vorgenommen werden kann, erreicht werden. Hierbei wird ein Teil des reflektierten Lichtes in die Laser - Cavity zurückgekoppelt und überlagert sich phasenrichtig mit den Wellen im Resonator.

3.9 VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

VCEL sind Halbleiterlaser, die ihre Strahlung senkrecht zum pn - Übergang emittieren. Verantwortlich für das elliptisch divergente Strahlprofil der Kantenemitter ist die Beugung, die an der engen, rechteckig begrenzten Austrittsfläche der aktiven Zone konventioneller Laser auftritt. Bei der vertikalen Cavity - Struktur hat man die freie Möglichkeit das Austrittsfenster optimal zu dimensionieren. Dies resultiert in einem runden Strahlprofil
Vorteile: Die Laser können bereits auf dem Chip, d.h. vor dem Trennen, getestet werden.
Es besteht die einfache Möglichkeit, kompakte Laser-Arrays aufzubauen.

3.10 Super LED

Zwidder zwischen LED und LD. Aufbau ähnlich einer LD. Für die optische Nachrichtentechnik nicht wirklich relevant, daher nur kurz erwähnt.

4. Optische Verstärker

Optische Verstärker erlauben eine Verstärkung des auf der Strecke gedämpften Signalpegels ausschließlich auf der optischen Ebene, d.h. ohne die Notwendigkeit der elektro-optischen und optisch-elektrischen Wandlung. Solche Verstärker werden in gewissen Abständen in das System integriert und gestatten eine lineare Verstärkung des übertragenen Signals unabhängig von der Signalstruktur, d.h. unabhängig von Bitrate und Transportprotokoll. Optische Verstärker kompensieren damit die Verluste aufgrund der Faserdämpfung und aufgrund von optischen Verzweigern. Zudem arbeiten sie uni- und bidirektional. Aufgrund ihres Gewinns kann man meist größere Strecken überbrücken als bei elektrischen Verstärkern.

4.1 Optische Verstärker auf Halbleiterbasis

Von besonderer Bedeutung für die Realisierung optischer Verstärker sind folgende Prinzipien:
Travelling Wave Amplifier (TWA) und Fabry Perot Verstärker (FPA)
Wesentliche Nachteile des optischen Verstärkers auf Halbleiterbasis:

Nur beschränkte Verstärkung aufgrund der begrenzten Weglänge des verstärkenden Medium möglich

Aufgrund unterschiedlicher Geometrien und Materialien ist eine Ankopplung des Verstärkers an den LWL schwierig und mit großen Verlusten verbunden.

4.2 Faseroptische Verstärker

Faseroptische Verstärker basieren auf Quarzglasfasern. Die Verstärkung beruht entweder auf dem Effekt der nichtlinearen Streuung oder auf energetisch angeregten Atomen der Seltenen Erden. Beide Verstärkertypen zeichnen sich durch hohe Verstärkungsfaktoren aus; es gibt jedoch Unterschiede hinsichtlich ihrer spektralen Verstärkungscharakteristik.
Es lassen sich hierbei wieder zwei Typen unterscheiden:

beruhend auf dem Prinzip der stimulierten Raman - Streuung

beruhend auf dem Prinzip der stimulierten Brillouin - Streuung

Raman- und Brillouin- Streuung beruhen auf hohen optischen Leistungsdichten im Quarzglasmaterial, d.h. in der Faser. Die dadurch bedingte nichtlineare Streuung bewirkt eine Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Wellen zu niedrigeren Frequenzen hin. Diese Frequenzverschiebung ist unterschiedlich stark für Raman- und Brillouin - Streuung: Raman - Streuung erzeugt eine große Frequenzverschiebung im Gegensatz zur Brillouin - Streuung.

4.3 Faseroptische Verstärker auf der Basis Seltener Erden

Heute arbeiten die meisten optischen Verstärker auf der Basis von Quarzglasfasern, die mit Seltenen Erden dotiert sind. Die wichtigsten Dotierungsstoffe diesbezüglich sind Praseodym und Erbium. Angeregtes Erbium strahlt bei einer Wellenlänge von 1,55µm und Praseodym bei 1,3µm. Somit sind beide Elemente für die optische Nachrichtentechnik mittels Quarzglasfasern von großer Bedeutung.
Die wesentlichen Elemente sind:
EDFA -> Erbium doped fiber amplifier -> 1,55µm
PDFA -> Praseodymium doped fiber amplifier ->1,31µm

Koppler zur Einkopplung der Pumpleistung

Erbium - dotierte Glasfaser (L= 30…50m)

Isolator zur Trennung des Pumplichtes von der Signalleistung

EDFA werden für verschiedene spezifische Anwendungen konzipiert. Die Verstärkung ( bis zu 50dB) und das Rauschverhalten hängen von der jeweiligen Anwendung ab. Drei Beispiele unterschiedlicher Anwendung sind:

Vorverstärker am Empfänger; zur Verbesserung des Signal - zu -Rauschverhältniss

In - Line - Verstärker auf der Strecke zur Kompensation der Signalleistung auf der Strecke und nach optischen Splittern;

Verstärker (Booster) am Anfang der Übertragungsleistung zur Erhöhung der Ausgangleistung des Senders

5. Modulation

Die Modulation geschieht meist direkt, d.h. durch Steuerung des Injektionsstromes. In speziellen Fällen, auch bei sehr hohen Datenraten, wird jedoch auch zunehmend eine indirekte (externe) Modulation der Lichtquelle vorgenommen.
Bei der indirekten Modulation wird die optische Strahlung mit Hilfe eines optischen Modulators beeinflusst. Der optische Modulator wird dabei von einem elektrischen Signal gesteuert.

5.1 Direkte Modulation

Die meist angewendete Modulation von LED und Halbleiterlaser ist die Intensitätsmodulation. Dabei wird der Ausgangslichtleistung das modulierende Signal durch Ändern des Injektionsstromes aufgeprägt.

5.2 Intensitätsmodulation von LED´s (Analoge Modulation)

Aufgrund des linearen Verlaufs der Kennlinie eignet sich die LED sehr gut für analoge Modulation. Durch die Wahl des Vorstroms wird der Arbeitspunkt im zentralen Bereich des linearen Bereichs der Kennlinie gewählt.
Zusammenfassend resultiert: Im Allgemeinen eignen sich LED´s besser für eine analoge Modulation während Laserdioden aufgrund der kürzeren Anstiegszeit mehr für Impulsmodulation eingesetzt werden.

Speziell bei der Modulation von Laserdioden sind folgende Probleme zu beachten:

Ansprechverzögerung bei Betrieb ohne Vorstrom: Grund der Verzögerung liegt in dem Absinken der Ladungsträgerdiche durch spontane Rekombinationen bei kurzzeitigem Betrieb unterhalb des Schwellstroms

Relaxationsschwingungen: Aufgrund von Wechselwirkungen von Elektronen und Photonen im Resonator kommt es zu Schwingungen: Einschwingvorgang bei Impulsflanken

Linearität: dies ist sehr wichtig für hochwertige Signalstrukturen. Bei mehrmodigen Lasern ist ein Überspringen der Hauptlichtleistung von einem auf einen anderen Modus möglich, bedingt durch Temperatureinflüsse

Rauschen:

Mode - hopping: mehrmodige Laserstrukturen mit wenigen Moden neigen dazu, dass die Leistungsverteilung über den einzelnen Moden variiert -> Fluktuation in der Ausgangsleistung

Optische Rückkopplung: Komponenten innerhalb des Übertragungssystems – aber außerhalb der Laserdiode – verursachen ggf. Reflexionen. Dies führt zur Bildung eines externen Resonators, was wiederum die Resonanzeigenschaften des Lasers beeinflusst. Dies ist besonders bei einmodigen Laserstrukturen von Bedeutung. Abhilfe schafft der Einbau eines optischen Isolators vor der Laserdiode.

5.3 Externe Modulation

Hierbei sind die Lichtquelle – der Laser – und der Modulator getrennt angeordnet
Die Grundprinzipien der externen Modulation beruhen auf
Einer Änderung der Brechzahl oder
Einer Änderung der Absorption des Stoffes durch das Modulationssignal.
Von besonderer Bedeutung ist der erstgenannte Effekt. Brechzahländerungen beruhen hierbei auf dem:
- elektro-optischen Effekt
- magneto-optischen Effekt
- akusto-optischen Effekt
Von besonderer Bedeutung hierbei ist der elektro-optische Effekt, d.h. eine Änderung der optischen Eigenschaften eines Materials, der Brechzahl, durch den Einfluss eines elektrischen Feldes. Dabei spielt die Polarisation des Lichtes eine wesentliche Rolle.

5.4 Polarisation

Schwingt der elektrische bzw. magnetische Feldvektor während der Ausbreitung der Welle in einer definierten Richtung, so ist die Welle polarisiert. Natürliches Licht ist unpolarisiert, d.h. die Richtung, in der z.B. der elektrische Feldvektor schwingt, ist nicht festgelegt.
Schwingt der elektrische Feldvektor in einer Ebene, so spricht man von linear polarisiertem Licht; x- und y-Komponente des Feldvektors sind hierbei phasengleich.
Sind die beiden Komponenten um einen Phasenwinkel von verschieden, so rotiert der elektrische Feldvektor fortschreitend und schraubenförmig um die z-Achse; der Endpunkt des Vektors beschreibt einen Kreis. Man bezeichnet diese Wellen als zirkular polarisiert und unterscheidet rechts- und linksdrehend.
Im allgemeinen Fall ergibt sich eine elliptisch polarisierte Welle für beliebige Phasenbeziehung zwischen den x- und y-Komponenten.
Das Licht einer Laserdiode ist normalerweise sehr stark linear polarisiert. Daher ist es interessant, die Ausbreitung polarisierten Lichts in unterschiedlichen Materialien zu analysieren, d.h. zu untersuchen, wie das Material den Polarisationszustand des Lichtes, das durch das Material hindurch tritt, beeinflusst und verändert.

Ein Medium, das Wellen unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich bricht, nennt man doppelbrechend; d.h. eine in x-Richtung polarisierte Welle „sieht“ eine andere Brechzahl nx als eine in y-Richtung polarisierte Welle. Dieser Vorgang selbst heißt Doppelbrechung.

Auch Lichtwellenleiter können in ihrem Verhalten auf polarisiertes Licht doppelbrechend wirken. Dann breiten sich orthogonal polarisierte Teilwellen unterschiedlich schnell aus, was zu einem weiteren Dispersionsmechanismus führt: Polarisationsmodendispersion. Dieser Effekt ist heute bei hochbitratigen Systemen bandbreitebegrenzend.

Gewisse Stoffe ändern ihr doppelbrechendes Verhalten durch den Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes. Dies bezeichnet man als den elektro-optischen Effekt. Wirkt ein magnetisches Feld beeinflussend auf das doppelbrechende Verhalten, so spricht man von dem magneto-optischen Effekt. Diese Möglichkeit, eine elektromagnetische Welle beim Durchqueren einer Kristallstruktur zu beeinflussen, wird zur Modulation der Wellen ausgenutzt.

5.5 Beispiele externer Modulation

Mit einer Brechzahländerung im Einfluss eines elektrischen Feldes lässt sich unmittelbar die Phase einer optischen Welle beeinflussen bzw. modulieren.
Dazu werden auf dem Kristall flächenförmige Elektroden angebracht. Die zu modulierende optische Welle durchläuft den Modulator, wobei eine unterschiedliche Beeinflussung der unterschiedlich polarisierten Teilkomponenten der Welle stattfindet, so dass die Wellen den Modulator mit einer definierten gezielten Phasenverschiebung zwischen den Teilkomponenten verlässt -> Phasenmodulation.

Phasenmodulation

Amplituden- und Intensitätsmodulation

Wellenleitermodulator

Intensitätsmodulation

Der Wellenleitermodulator verzweigt sich am Anfang in seiner Modulatorschaltung in zwei Arme. Dementsprechend teilt sich die einfallende Lichtleistung auf. Am Ende des Modulators findet eine Überlagerung der Teilwellen statt. Dabei können die Teilwellen einzeln in ihrem Durchlauf beeinflusst werden, so dass dann die Überlagerung am Ende des Modulators nicht mehr phasenrichtig erfolgt und die Grundwelle nicht mehr angeregt wird. Die Leistung der nicht geführten Oberwelle wird hier in das Substrat abgestrahlt. --> Intensitätsmodulation

6. Strahlungsempfänger

Mit dem Strahlungsempfänger, dem Photodetektor, wird das optische Signal am Ausgang des Lichtwellenleiters wieder in ein proportionales elektrisches Signal gewandelt.
Dabei wird unter folgenden Forderungen unterschieden:

sie sollten eine hohe Empfindlichkeit bei der Betriebswellenlänge der Sendedioden haben,

sie sollten ein geringes Rauschen haben

sie sollten kompatibel mit anderen Komponenten sein, z.B. eine gute optische und mechanische Ankopplung an den Lichtwellenleiter erlauben

Bei den Photodetektoren unterscheidet man zwischen zwei physikalischen Effekten:
Direkte photoelektr. Effekt: einfallende Lichtstrahlung erzeugt Ladungsträgerpaare
Thermische Effekt: indirekte elektrische Effekte aufgrund von Erwärmung durch Photonenabsorption
Zur Realisierung schneller und empfindlicher Detektoren wird ausschließlich der direkte photoelektrische Effekt ausgenutzt. Hierbei unterscheidet man weiterhin zwischen: Äußerer Photoeffekt und innere Photoeffekt

Die Änderung des Stromflusses in einem Halbleiter aufgrund von Lichteinstrahlung, d.h. der innere Photoeffekt, kann wiederum auf zwei unterschiedliche Arten genutzt werden: Photoleitung und Sperrschicht-Photoeffekt

Dem Strahlungsempfänger kommt die Funktion des Demodulators zu. Ähnlich wie bei der Modulation kommen auch hier zwei unterschiedliche Möglichkeiten für die Demodulation in Frage: Die Direkte und Indirekte Demodulation (durch Überlagerungsempfang mit einer lokalen Strahlungsquelle (optischer Oszillator))

Während bei der Sendediode von der strahlenden Rekombination von Ladungsträgern in einem in Flussrichtung betriebenen pn - Übergang Gebrauch gemacht wird, ist es bei der Photodiode umgekehrt. Hier werden die durch die Strahlung erzeugten Ladungsträger ausgenutzt. Dabei wird die Photodiode nicht in Flussrichtung sondern in Sperrrichtung betrieben. Damit erreicht man, dass die erzeugten Ladungsträger schnell abtransportiert werden können; doch vor allem erreich man damit auch, dass die Elektronen und Löcher in dieser dadurch erzeugten Verarmungsschicht nicht mit freien Ladungsträgern rekombinieren können.

Man unterscheidet generell zwischen zwei Arten von Photodioden
- p-i-n Diode
- Avalanche Photodioden

6.1 Funktionsprinzip (Hier PIN Diode)

Die Struktur des Halbleiters besteht aus zwei hoch dotierten p- und n-Schichten und einer eigenleitenden i-Schicht, die dazwischen liegt. Trifft eine optische Strahlung auf die PIN - Diode, so werden hauptsächlich in der i-Schicht durch Strahlungsabsorption Elektronen - Loch - Paare gebildet. Je höher die Frequenz der Strahlung, desto höher ist die Energie der Strahlung. Dabei muss die Energie der einfallenden Photonen mindestens so groß sein wie die Energie des Bandabstandes zwischen dem Leistungs- und Valenzband.
Es muss also eine Grenzfrequenz bzw. Grenzwellenlänge geben, wenn ein Absorptionseffekt ausgelöst werden soll:
Quantenwirkungsgrad:
Empfangende Strahlungsleistung:
Den Photostrom ip der Photodiode berechnet man mit oder
Die Spektrale Empfindlichkeit wird mit beschrieben
Für breitbandige Applikationen im 2. und 3. optischen Fenster eignen sich ausschließlich Elemente auf InGaAs - Basis. Hier liegt ein breiter Bereich hoher Photoempfindlichkeit vor, während Silizium hauptsächlich im 1. optischen Fenster und Germanium im Bereich um 1,55nm einen hohen Quantenwirkungsgrad zeigen.

6.2 Aufbau von Photodioden (PIN)

Bei einer PIN Diode wird auf einem hoch n - leitenden Substrat eine eigenleitende i-Zone aufgetragen. In dieser i-Zone wird eine flache, aber gut leitende p-Zone eindiffundiert. Ihre Oberfläche ist am Rand kontaktiert und im freien Bereich durch eine Antireflexschicht so vergütet, dass die optische Strahlung möglichst ohne Reflexionen eindringen kann. Bei einer APD ist in das schwach p - dotierte π-Gebiet eine p-Zone eindiffundiert, in der durch eine flachere n-Gegendotierung ein pn - Übergang gebildet wird.
Der Unterschied zwischen den beiden Diodenarten liegt im Wesentlichen darin, dass bei der APD noch ein weiterer pn+ Übergang von ca. 2µm Breite vorhanden ist. In diesem pn+ Übergang steigt bei angelegter Sperrspannung die elektrische Feldstärke zu so hohen Werten an, dass dadurch in dem schwach p - dotierten Gebiet Ladungsträger erzeugt werden. Die Ladungsträger werden dabei so stark beschleunigt, dass es in dieser Zone (Lawinenzone) durch Stoßionisation zu einer Vervielfältigung der Ladungsträger kommt. Dabei werden bei gleicher Anzahl einfallender Photonen wesentlich mehr Elektronen freigesetzt als bei einer PIN - Diode.
Die i-Zone muss folgendermaßen dimensioniert sein:

Eine möglichst hohe Absorption der einfallenden Photonen in der i-Zone. Hoher Quantenwirkungsgrad, setzt eine entsprechende breite i-Zone voraus. Idealerweise sollten am Ende der Zone alle Photonen absorbiert sein.

Zur Realisierung schneller Photodioden, kurze Anstiegszeiten bei Änderung der Strahlungsstärke. Es sollten alle erzeugten Ladungsträger schnell aus der i-Zone abfließen. Dies bedeutet jedoch, dass die i-Zone diesbezüglich möglichst dünn ausgelegt sein muss.

Zur Reduktion des kapazitiven Einflusses, d.h. des Einflusses der Diffusions- bzw. Sperrschichtkapazität, sind folgende Bedingungen zu erfüllen.

Querschnitt der i-Zone auf ein Minimum reduzieren und

Dicke der i-Zone möglichst groß wählen.

Berücksichtigt man zusätzlich noch den Dunkelstrom – thermisch erzeugte Ladungsträger in der Sperrschicht, die durch die i-Zone driften und somit eine störende Rauschkomponente darstellen – so sollte die i-Zone diesbezüglich möglichst dünn ausgeführt sein.

Um die PIN - Diode nun optimal auszunutzen, gibt es zwei Möglichkeiten:
Realisierung mit seitlicher Einstrahlung bei dünner i-Zone: sog. Mesa - Struktur, somit ist nicht mehr die Dicke der intrinsischen Schicht für gute Absorptionseigenschaften maßgeblich sondern die Länge dieser Zone. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Einführung einer Reflexionsschicht.

6.3 Avalanche Photodiode (APD)

PIN Dioden zur Detektion von Licht sind sehr einfache Bauelemente. Sie zeigen im Allgemeinen eine gute Linearität zwischen der einfallenden Lichtleistung und des erzeugten Photostroms, was eine einfache Demodulation des Signals erlaubt. Daher werden diese Elemente häufig als Empfänger in der optischen Nachrichtentechnik verwendet. Jedoch ist der erzeugte Photostrom sehr schwach, so dass ein elektrischer Verstärker nachfolgen muss. Diese elektrischen Verstärker haben aber im Allgemeinen größere Rauschanteile, als die Photodiode selbst. Damit begrenzt die elektrische Verstärkung die Empfängerempfindlichkeit.
Eine Möglichkeit dieser Rauschanteil zu reduzieren, besteht in der Verwendung einer APD.

6.4 Empfängerschaltungen

Nachdem mit der Photodiode aus der optischen Leistung ein dazu proportionaler Strom erzeugt wurde, wird dieser wiederum in einer Spannung umgesetzt.
Dabei sollen zwei Prinzipien betrachtet werden. Das erste Prinzip bezieht sich auf die direkte Strom-Spannungsumwandlung an einem Lastwiderstand und das zweite auf die Strom-Spannungsumwandlung mittels Transimpedanzverstärker.

Eine große Bandbreite ist durch die Wahl eines großen Verstärkungsfaktors möglich, bei gleichzeitig günstigem Rauschverhältnis (für RF groß).
Damit hat die Transimpedanz - Verstärkerschaltung wesentliche Vorteile gegenüber den anderen Konzepten, so dass dieser Verstärker bei breitbandiger Signalübertragung meist eingesetzt wird.

7. Grundlegende Systembetrachtung:

Leistung / Leistungsverteilung
LD: Fokussierung möglich aufgrund enger Strahlcharakteristik; in Faser eingekoppelte Leistung: im mW-Bereich
LED: Lambert-Strahler-Charakteristik; eingekoppelte Leistung: im µW Bereich
Linearität

LD: Gute Linearität oberhalb des Schwellstromes (wichtig für analoge Übertragung), jedoch ggf. Modeninstabillität (Mode Hopping)

LED: gewisse Nichtlinearität (für größere Injektionsströme), bevorzugt für analoge Modulation
Thermische Stabilität

LD: Änderung des Schwellstromes mit wachsender Temperatur (AlGaAs: 1% Veränderung des Schwellstromes pro C° Temperaturanstieg), Dies beschränkt die Anwendung bzw. macht eine Temperaturstabilisierung notwendig.
LED: Temperaturabhängigkeit ist nicht kritisch

Ansprechzeiten:
LD: Anstiegszeit: 0,1 … 1ns
3dB-Bandbreite im GHz Bereich;

Aber Einschaltverzögerung aufgrund Ladungsträgererzeugung und Verstärkungsprozess
LED: Anstiegszeit: 1… 10ns

Verursacht durch die mittlere Lebensdauer der Minoritätsträger (spontane Emission) und innere Kapazitäten
3dB Bandbreite im MHz-Bereich

Spektrale Breite:
Verursacht Impulsverbreitung aufgrund von Dispersionseffekten

7.1 Systemkenngrößen des Lichtwellenleiters:

Die für die optische Nachrichtentechnik wesentlichen Kenngrößen eines Lichtwellenleiters sind die Dämpfung und die Gruppenlaufzeit, von der Frequenz bzw. der Wellenlänge des Signals abhängig sind. Bei Multimodefasern kommt nicht nur ein Modus vor, sondern eine Vielzahl von Moden, die zur Signalübertragung beitragen. Bei der Signalübertragung mit Lichtwellenleitern ist es daher notwendig, zwischen Multimode- und Singlemodefasern zu unter unterscheiden. Bei den Multimodefasern muss wiederum zwischen verschiedenen Profilen – Stufen und Gradientenprofil – differenziert werden. Es wird hier somit zwischen drei Arten von Lichtwellenleitern unterschieden.

7.2 Dämpfung einer optischen Übertragungsstrecke

Eine optische Nachrichtenübertragungsstrecke besteht im einfachsten Falle aus folgenden Komponenten:

einer Strahlungsquelle, die das elektrische Signal is in eine dazu optische Strahlungsleistung Ps wandelt

einem Lichtwellenleiter, der die optische Strahlungsleistung durch Dämpfung und Dispersion verzerrt.

Einem Strahlungsempfänger, der die optische Strahlleistung wieder in ein elektrisches Signal ie wandelt

Nun wird das Signal nicht allein durch den Lichtwellenleiter gedämpft, sondern auch durch die Ankopplung Strahlungsquelle - LWL, durch Steck- und Spleißverbindungen zwischen verschiedenen Lichtwellenleitern bzw. LWL Teillängen und durch die Kopplung zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Strahlungsempfänger.

Gesamtdämpfung lässt sich folgendermaßen berechnen:
(s. S. 108)
Die Dämpfung der Kopplungsdämpfung:
Die Dämpfung des Lichtwellenleiters:
Wird ein System aufgebaut, so müssen die in der Praxis unvermeidliche Toleranzen der einzelnen Komponenten berücksichtigt werden. Diese Toleranzen lassen sich in einer Systemreserve, beschrieben durch den Dämpfungsfaktor as berücksichtigen.

Verluste durch Spleiß, Kupplungen etc… Man unterscheidet die Verluste, die durch die Kopplung von Lichtwellenleitern auftreten können, in drei Hauptgruppen.

die intrinsischen (faserbedingt) Verluste,

die extrinsischen (Verbindungstechnik bedingte) Verluste und

die Reflexionsverluste

7.3 Komplexe Systeme

Bisher wurden ausschließlich einfache Punkt - zu - Punkt Systeme betrachtet. Berücksichtigt man jedoch den zunehmenden Informations- bzw. Datenbedarf, so werden komplexere Systeme notwendig.
Für die Realisierung sehr hoher Datenraten kommt ausschließlich die Singlemode-Faser zum Einsatz. Durch Zeitmultiplex wurden dabei die in einem einzigen Kanal übertragbaren Datenraten ständig erhöht. Heute sind Bitraten von 2,5Gbit/s … 10Gbit/s üblich. Damit stößt man allerdings an Grenzen. Für Systeme höherer Bitraten gilt:

die Messtechnik ist sehr aufwendig und teuer,

die Anforderungen an die elektronischen Komponenten werden sehr hoch und

die Dispersionseigenschaften der Singlemode-Faser begrenzen das System

Die chromatische Dispersion des LWL´s in Verbindung mit einer engen spektralen Breite des Senders bestimmt die maximale Übertragungslänge bei einer bestimmten Bitrate. Für 2,5Gbit lässt sich im dritten optischen Fenster eine Übertragungslänge von bis zu 400km realisieren, bei einer Übertragungsrate von 40Gbit schrumpft die Streckenlänge allerdings bereits auf etwa 25km. Hierbei treten Dispersionseffekte auf, die sich nicht durch einfache lineare Dispersionskompensation beheben lassen. Ein Beispiel dafür ist die Polarisationsmodendispersion. Ein Weg zu Systemen mit höheren Bitraten führt daher über die Kombination von Zeit- und Wellenlängenmultiplexsystemen.

7.4 Definition Polarisationsmodendispersion:

Zwei gleichzeitig am Faseranfang eingekoppelte Teilmoden unterschiedlicher Polarisation werden aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten Ausbreitungsgeschwindigkeiten am Faserende verzögert ankommen: Polarisationsmodendispersion

8. Wellenlängenmultiplex

Betrachtet man eine Singlemode-Faser, so ergibt sich ein nutzbarer Wellenlängenbereich von

Für Wellenlängen unter 1280nm wird der LWL mehrmodig. Für Wellenlängen größer als 1650nm, reicht die elektrische Feldenergie weit in den Mantelbereich, und die Faser wird sehr krümmungsempfindlich. Dieser Wellenlängenbereich entspricht einer Bandbreitenkapazität von

Dies bedeutet, dass die Bandbreite, die eine Singlemode-Faser zur Verfügung stellt, derzeit – d.h. mit einfachen Punkt - zu - Punkt Systemen mit einem Wellenlängenkanal – nur wenig ausgenutzt wird. Diese Ausnutzung kann durch WDM Systeme deutlich verbessert werden.
Über die Beziehung lassen sich die jeweiligen Frequenzen in entsprechende Wellenlängen umrechen. bezeichnet dabei die mittlere Betriebswellenlänge. Bei der Verwendung des 3. optischen Fensters werden die Vorteile der minimalen Dämpfung und der Verfügbarkeit optischer Verstärker genutzt. Dabei ist die Dispersion der Standard Singlemode Faser nicht minimal. Aufgrund des engen spektralen Abstandes von ca. 0,8nm werden große Anforderungen an die Sender gestellt.
Zur Nutzung der oben berechneten Gesamtbandbreite eines Lichtwellenleiters zwischen den Wellenlängen 1280nm und 1650nm bedarf es allerdings auch eine Optimierung des Lichtwellenleiters hinsichtlich des spektralen Dämpfungsverhaltens und der Dispersion. So zeigen neue und für die Anwendung im dichten Wellenlängenmultiplexbetrieb optimierte LWL Typen einen abgeflachten Dispersionsverlauf. Dies ermöglicht die Erschließung eines 4. optischen Fensters im Wellenlängenbereich oberhalb von 1560nm.
Eine weitestgehende Reduktion des „Wasser Peaks“ um 1400nm ermöglicht eine weitere Vergrößerung des nutzbaren Wellenlängenbereichs. Hiermit ist der Betrieb in einem 5. optischen Fenster möglich.

8.1 Multiplexer und Demultiplexer

Multiplexer erlauben ein Zusammenführen mehrerer optischer Wellenlängenkanäle in einem Lichtwellenleiter. Demultiplexer sorgen auf der Empfangsseite für die wellenlängenselektive Aufsplittung des Signalstromes. Dies geschieht auf optischer Basis mittels Koppler oder Gitterstrukturen.

Weiter existieren auf der optischen Basis noch sog. Add-Drop-Multiplexer und optische Cross-Connect Module.

9. Einführung in die Messtechnik

Bei der Messtechnik ist zu unterscheiden zwischen Verfahren zur Überprüfung der Einzelkomponenten nach der Herstellung (meist im Labor des jeweiligen Herstellers) und der messtechnischen Charakterisierung des Systems auf der Strecke.
Die wichtigsten Eigenschaften, die an LWL Systemen zu kontrollieren bzw. zu messen sind, betreffen die die Dämpfung und die Bandbreite.

9.1 Dämpfungsmessung:

Zu Messung der Dämpfung gibt es drei Verfahren.

Rückschneidmethode

Geschrieben von Dipl. Ing. Florian Zimmermann
Letzte Änderung: 2007