immun gegen elektrische und magnetische Störungen gibt keine Störfelder ab geringe Dämpfung (Frequenzunabhängig) hohe Abhörsicherheit Kabel kleiner und leichter als vergleichbare Kupferkabel Sender und Empfänger galvanisch getrennt Rohstoff zur Herstellung (Quarzsand) ist ausreichen vorhanden keine Korrosions- und Kurzschlussgefahr

hoher Konfektionierungsaufwand (was ist das???) empfindlich gegnüber mechanischer Belastung (Biegen) kein Power über Kabel möglich

= 10*log P1/ P0 oder 20*log U1/U2

Zweiseitenbandübertragung (DSB) 1. unterdrücktem Träger Einseitenbandübertragung (SSB) Rastseitenbandübertragung

Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM)

Vom Auge wahrnehmbare Strahlung (ca.380-780nm) Spektrum: Verteilung Energie über Teilwellen

Teilchentheorie: Energie eines Photons, E=h*f = W = mPhoton * c02 Wellentheorie

Temperaturstrahler: z.B. Glühlampe Luminizenzstrahler: Energie geht direkt in lichtemitierende Atome über Spektrum ist chrakteristisch für jeweilige Atome bzw. Molekühle

Antireflex: erniedrigung Reflexionsgrad bei ausgesuchter Wellenlänge Metallspiegelschicht: materialabhängiges erhöhtes Reflexionsvedrmögen (z.B. aufgedampftes Aluminium) dielektrische Spiegelschicht: Schichten mit hohem Reflexionsgrad (Reflexionen,Brechung, Interferenz von Teilwellen) Filterschichten: Farbglasfilter → breiter Absorbtionsbereich Achtung: Energie wird im Medium absorbiert → Zerstörung durch hohe Energiedichte

Lichtbrechung ohne Reflexion: Richtungsänderung eines Lichtstrahls beim Übergang zwischen 2 Medien Ursache: Medienabhängige Ausbreitunsggeschwindigkeit des Lichtes (c1+c2) u1 = cvacuum / c1; u2 = cvakuum / c2 u21 = u2 / u1

Lichtstrahl trifft aus optischem Medium u2 auf Grenzfläche zu optisch dünnerem Medium u1 Einfallswinkel genügend groß (abhängig von u1/u2) Effekt: Lichtstrahl verlässt u2 nicht

Optische Übertragungstechnik

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Sascha Gaubatz

Lernen

Sascha Gaubatz

Über diese Lernkartei

Diese Lernkarten behandeln die optische Übertragungstechnik auf Universitätsniveau und konzentrieren sich auf Lichtwellenleiter (LWL), Halbleiterlichtquellen wie LEDs und Laserdioden (LD), sowie deren Eigenschaften und Anwendungen. Sie decken Themen wie Wellenlängen, Modulation, Fasertypen (Monomode und Multimode), Brechungsindizes und Polarisationsmethoden ab. Elektrotechnik-Studierende profitieren von diesen Karteikarten, da sie grundlegende Konzepte und fortgeschrittene Techniken der optischen Kommunikation vermitteln, die für die Entwicklung und Optimierung von Übertragungssystemen essenziell sind.

Karten

Lernende

Sprache

Deutsch

Kategorie

Elektrotechnik

Stufe

Universität

Erstellt / Aktualisiert

05.07.2014 / 25.11.2019

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Feldvertielung in Monomode-LWL

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Transformation Gauße Strahlen zur Strahlenkopplung

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Halbleiterlichtquellen - Grundlagen

Emitierung von Licht als Folge von Elektronen-Loch-Kombinationen in einem Halbleiter
realisiert durch Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung an einem pn-Übergang
dadurch werden Elektronen und Löcher in die selbe räumliche Region in der Nähe des Übergangs injuziert → Rekombinationsstrahlung → Injektonselektrolumineszenz
LED und Laser-Dioden → hocheffiziente Wandler von Elektrizität zu optischem Signal

Bändermodell

Spezielle Anforderungen:

gute und schnelle Modulierbarkeit des Ausgangsignals → Intensitätsmodulation (intern durch Strom, extren durch elektro- optische-Modulation)
schmalbandiges (möglichst monofrequentes) Ausgangsspecktrum → strahlende Übergänge sind nicht sehr schmalbandig → daher Resonatoren oder Filter erforderlich
möglichst hohe Ausgangsleistung bei hohem Wirkungsgrad

LED

Emmitierte Wellenlänge hängt von Dotierung ab

Vorteile LEDs

Kennlinie in großem Bereich fast linear → Anregungsstrom zu Lichtleistung proportional (ab 1...1,2V Lichtemmision)
einfache elektrische Ansteuerung
kostengünstig

Nachteile LEDs

inkohäres Licht mit relativ hoher spektraler Bandbreite → eingeschränkte Übertragungsbandbreite durch Dispertion
schlechter Einkopplungsgrad in LWL durch Abstrahlscharakteristik
- Ausnahme: neue Kantenemitirende LED
Anstigszeit von LEDs: t_a=2ns...70ns → begrenzt Modulation auf 20MHz

Halbleiter-Strukturen

Homostruktur: p-n-n-Gebiet aus gleichem Grundmaterial

Heterostruktur: Anordnung von verschiedenen HL-Materialien im Sandwichverfahren → unterschieliche

Materialien →unterschieliche Bandlücke

meist Verwendet: Mischkomp. HL aus mehreren Komponenten, Bandlücke und Typ (direkt/indirekt) von Mischungsverhältnis abhängig

Ansteuerungsmöglichkeiten

Bsp.

Laserdieoden(LD)

Unterscheide zur LED:

Besetzungsinversion muss erzeugt werden, d.h. mehr Teilchen in energetisch höhere Energiezustand als energetisch niedrigeren Zustand (1. Laserbedingung)
Stimulierte Emission con Licht, da eine Besetzungsinversion vorhanden
Optische Resonatoren zur Erfüllung der Schwellbedingung (2. Laserbedingung) muss vorhanden sein → d.h. durch stimmulierte Emission müssen im Resonator mehr Photonen gewonnen werden als durch Absorption und treuung verloren gehen

Zusammenhang long. Moden, Wellenlänge, Laserschwelle

Antwort

Unterscheidung LD-Typen

Homostrukturen - LD (Homo-Sperrschicht-LD)

p-n-Übergang aus zwei unterschiedlich dotierten Abschnitten eines sonst einheitlichen HL
Ausgedehte aktive Zone in Folge von Ladungsträgerdiffusion
Erzeugt Lichtquanten dringen auch in umgebende Schichten ein und werden absorbiert
nur auf Spiegelfläche fallende Photonen können im Rsonator stehende Wellen bilden und für Laserprozess sorgen
hohe Schwellstromdichte da Rückkopllung zum laseraktivem Medium gering
hoher Diodenstrom → strarke Wärmeentwicklung → trotz Kühlung nur Pulsbetrieb

Unterscheidung LD-Typen

2. Heterostruktur -LD

Einfach -Heterostruktur
- 3-Schicht- Aufbau
- Einseitige Begrenzung des Rekombinationsgebietes
- verringerte Schwellstromdichte
Doppelstruktur - LD
- weitere 2. Heteroschicht eingefügt
- zweiseitige Begrenzung der Ladungsträger
- größere LAdungsträger- und Strahlungsdichte
- sehr dünne Schichten
Mehrfach-Heterostruktur-LD
- senkung Schwellenstromdichte
- Elektronen und Löcher in sehr dünner Schicht

Unterscheidung von Lasern nach Führung des Lichtes im Laser

indexgeführte Bauform :Wellenleitende Zone ist umgeben von Material mit geringem Brechungsindex
gewinngeführte Bauform: seitlich begrenzte Injektionsfläche durch Kontaktgestalltung

LD-Eigenschaften

hohe Strahlungsleistung, Keulenförmige Strahlungscharakteristiken und kleinere strahlende Fläche → gut im Monomode-Fasern einkoppelbar
zu 90% polarisiertes Licht
für digitale opt. Übertragung geeignet, Modulation bis 30Ghz
Starke Divergenz des Laserslichtes wegen Beugung an kleiner Struktur
meiste eliptisches Strahlenprofil
stark Temperaturabhängig
teuer

Aufbau eines LWL -

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

Übertragungsstrecke

Anforderungen an optische Verbindungen (Dimensionierung)

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

Distanz zwischen Sender und Empfänger
Datenrate (Geschwindigkeit → Datenrate)
max. zulässige Bitfehlerrate (BER)
Übertragungsverfahren u. Codierung
Systemreserven (Toleranzen, Alterung, usw.)
Umgebungsbedingungen

Technische Festlegung

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

LWL-Typ (monomode oder multimode)
Anzahl der Steckverbinder
Anzahl der Spleißverbindungen
Art des Senders (Laser, Led, Leistung)
Art des Empfängers

Vorteile LWL

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

immun gegen elektrische und magnetische Störungen
gibt keine Störfelder ab
geringe Dämpfung (Frequenzunabhängig)
hohe Abhörsicherheit
Kabel kleiner und leichter als vergleichbare Kupferkabel
Sender und Empfänger galvanisch getrennt
Rohstoff zur Herstellung (Quarzsand) ist ausreichen vorhanden
keine Korrosions- und Kurzschlussgefahr

Nachteile LWL

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

hoher Konfektionierungsaufwand (was ist das???)
empfindlich gegnüber mechanischer Belastung (Biegen)
kein Power über Kabel möglich

Akzeptanzwinkel

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

Öffnungswinkel

Anschlussfaser

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

Kopplungsstück zwischen z.B.: Faser und LED

Bandbreitenprodukt(Datenblatt)

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

produkt aus max. Übertragungsfrequenz mit länger von 1km

Bsp.: 600MHz * km

⇒ 600MHz * 1km

1200MHz * 500m

300MHz * 2km

→ Grund für abhängigkeit: Dispertion im LWL nimt linear mit Strecke zu

Brechzahl

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

n = c_0/c

Dämpfungskoeffizient

Tastatur-Befehle:

= drehen,

= vor-/rückwärts,

= scrollen

Angegeben in dB/km

Dezibel

= 10*log P₁/ P_{0 oder 20*log}U₁/U₂

Dispertion

Streuung der Signallaufzeit im LWL

Grenzwinkel

Lichteintrittswinkel ab dem Totalreflexion zwischen Kern und Mantel auftritt

Moden

Ausbreitungswege im LWL

Leckmoeden

Moden, die unter Nichteinhaltung des Grenzwinkels den Bereich der Lichtführung verlasen

Modulation von Licht zur Datenübertragung

Informationssignal (z.B. lineare Daten) wird auf das Trägersignel aufmodeliert
Signalfrequenzen werden in einem Bereich um der gewählten Trägerfrequenz verschoben
Entstehung eines Bandpasssignales

Analoges Informationssignal auf Sinusträger

Formel

Amplitudenmodulation

Zweiseitenbandübertragung (DSB)
1. unterdrücktem Träger
Einseitenbandübertragung (SSB)
Rastseitenbandübertragung

Winkelmodulation

Frequenzmodulation (FM)
Phasenmodulation (PM)

Digitales Informationssignal

Formel

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Lernkarten

Aufbau eines LWL -

Übertragungsstrecke

Anforderungen an optische Verbindungen (Dimensionierung)

Distanz zwischen Sender und Empfänger
Datenrate (Geschwindigkeit → Datenrate)
max. zulässige Bitfehlerrate (BER)
Übertragungsverfahren u. Codierung
Systemreserven (Toleranzen, Alterung, usw.)
Umgebungsbedingungen

Technische Festlegung

LWL-Typ (monomode oder multimode)
Anzahl der Steckverbinder
Anzahl der Spleißverbindungen
Art des Senders (Laser, Led, Leistung)
Art des Empfängers

Vorteile LWL

immun gegen elektrische und magnetische Störungen
gibt keine Störfelder ab
geringe Dämpfung (Frequenzunabhängig)
hohe Abhörsicherheit
Kabel kleiner und leichter als vergleichbare Kupferkabel
Sender und Empfänger galvanisch getrennt
Rohstoff zur Herstellung (Quarzsand) ist ausreichen vorhanden
keine Korrosions- und Kurzschlussgefahr

Nachteile LWL

hoher Konfektionierungsaufwand (was ist das???)
empfindlich gegnüber mechanischer Belastung (Biegen)
kein Power über Kabel möglich

Akzeptanzwinkel

Öffnungswinkel

Anschlussfaser

Kopplungsstück zwischen z.B.: Faser und LED

Bandbreitenprodukt(Datenblatt)

produkt aus max. Übertragungsfrequenz mit länger von 1km

Bsp.: 600MHz * km

⇒ 600MHz * 1km

1200MHz * 500m

300MHz * 2km

→ Grund für abhängigkeit: Dispertion im LWL nimt linear mit Strecke zu

Brechzahl

n = c_0/c

Dämpfungskoeffizient

Angegeben in dB/km

Dezibel

= 10*log P₁/ P_{0 oder 20*log}U₁/U₂

Dispertion

Streuung der Signallaufzeit im LWL

Grenzwinkel

Lichteintrittswinkel ab dem Totalreflexion zwischen Kern und Mantel auftritt

Moden

Ausbreitungswege im LWL

Leckmoeden

Moden, die unter Nichteinhaltung des Grenzwinkels den Bereich der Lichtführung verlasen

Modulation von Licht zur Datenübertragung

Informationssignal (z.B. lineare Daten) wird auf das Trägersignel aufmodeliert
Signalfrequenzen werden in einem Bereich um der gewählten Trägerfrequenz verschoben
Entstehung eines Bandpasssignales

Analoges Informationssignal auf Sinusträger

Formel

Amplitudenmodulation

Zweiseitenbandübertragung (DSB)
1. unterdrücktem Träger
Einseitenbandübertragung (SSB)
Rastseitenbandübertragung

Winkelmodulation

Frequenzmodulation (FM)
Phasenmodulation (PM)

Digitales Informationssignal

Formel

Häufigste Signalart

Amplitudenmodulation mit sinusförimgen Träger und alalogem Informationssignal

Amplitudenmoduliertes Signal im Frequenzbereich

Antwort

BSP: MW-Radio

Wird anstelle eines sinusförmigen Modulationssignal ein beliebiger Spannungsverlauf mit kontinuierlichem Spektrum bis zu einer oberen Grenzfrequenz fg angenommen, bewirkt die Modulation, dass anstelle von diskreten Seitenlinien nun Seitenränder symetrisch zum Träger auftreten, mit gleicher Form wie das Basisband.

Für das modulierte Signal ergibt sich die AM-Bandbreite von 2*f .

Allgemeines zu Übertragungsarten

übliche Wellenlängen der LWL-Technik 1microm (Freq. zu 10¹⁴und 10¹⁵)
mit Laserdieoden wird Bandbreite von meist 5 bis 10 GHz genutzt(fast ausschließlich AM)
Dämpfungsverlauf von Glas -LWL
Dämpfungsminima bei ca. 800, 1300 und 1600 nm → ca. 100nm breite Fenster zur Nutzung
- übliche Wellenlängen:
  - Multimode-Glasfasern 800nm und 1300nm
  - Singlemode-Glasfasern 1300nm und 1500nm
- bei Kunststoff, POF(plastik optical fiber)
  - optimale Übertragungsbereich 635nm und 650nm
Verschiedene Wellenlängen in einem Fensterin einer Faser werden genutzt
- mehrere kanäle pro Fenster in einer Faser werden genutzt
- Wellenlängenmultiplex
Verschiedene Wellenlängen in beide Richtungen über eine Faser → Duplex-Betrieb
Verfahren für viele Signale die synchron abgetastet und mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden → Zeit-Multiplex

Licht allgemien

Vom Auge wahrnehmbare Strahlung (ca.380-780nm)
Spektrum: Verteilung Energie über Teilwellen

Modelle von Licht

Teilchentheorie: Energie eines Photons, E=h*f = W = m_Photon * c₀²
^{Wellentheorie}

Reale Lichtquellen

Temperaturstrahler: z.B. Glühlampe
Luminizenzstrahler: Energie geht direkt in lichtemitierende Atome über
- Spektrum ist chrakteristisch für jeweilige Atome bzw. Molekühle

Wellenausbreitung

Antwort

Geometrische Optik

Einschränkungen

Hindernisse müssen im Vergleich zur Wellenlänge sehr groß sein
Lichtausbreitung wird durch Lichtsstrahlen dargestellt
Welleneigenschaften (Interferenz, Beugung, Pol.) bleiben unberücksichtigt
Lichtstrahl ist endl. dünne Linie (mehrere Lichtstrahlen → Lichtbündel)
Lichtstrahl rechtwinklig auf Phasenflächen
inhomogene Medien → keine Ortsabhängigkeit der optischen Eigenschaften
inisotrope Medien → keine Richtungsabhängigkeit der optischen Eigenschaften

Reflexion

Antwort

Beschichtung

Antireflex: erniedrigung Reflexionsgrad bei ausgesuchter Wellenlänge
Metallspiegelschicht: materialabhängiges erhöhtes Reflexionsvedrmögen (z.B. aufgedampftes Aluminium)
dielektrische Spiegelschicht: Schichten mit hohem Reflexionsgrad (Reflexionen,Brechung, Interferenz von Teilwellen)
Filterschichten: Farbglasfilter → breiter Absorbtionsbereich
- Achtung: Energie wird im Medium absorbiert → Zerstörung durch hohe Energiedichte

Dielektricher Teller: schmalbandige Absorbtion

Antwort

Brechungsgesetz

Lichtbrechung ohne Reflexion:
- Richtungsänderung eines Lichtstrahls beim Übergang zwischen 2 Medien
Ursache: Medienabhängige Ausbreitunsggeschwindigkeit des Lichtes (c₁+c₂)
- u₁ = c_vacuum / c₁; u₂ = c_vakuum / c₂ u₂₁ = u₂ / u₁

Intensivität der Ausbreitung

Antwort

Spezialfall: Übertragung Luft in Glas

gleichzeitige Brechung und Reflexion
u₁ = u_Luft≈ 1 u₂= u_Glass = u

Brechungsreflexionsgesetz komplex in Komponenten

Antwort

Totalreflexion

Lichtstrahl trifft aus optischem Medium u₂ auf Grenzfläche zu optisch dünnerem Medium u₁
Einfallswinkel genügend groß (abhängig von u₁/u₂)

Effekt: Lichtstrahl verlässt u₂ nicht

Tipps zur Auswahl von Linsen

Material der Linse muss zur verwendeten Wellenlänge passen(Vorl. opt. Materialien)
Anti-Reflex-Beschichtung verwenden
Sphärische Abbenationen?? beachten → Linsendurchmesser "groß genug" wählen und Krümmungsradien klein halten
- Code V, Zemax, Winlens Qiopliq