Optische Übertragungstechnik
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Tabelle zur Modenvielfalt von Faser LWL
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Strahlen im LWL
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Moden einer Stufenindexfaser
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Schnitt durch die Faser
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Feldvertielung in Monomode-LWL
Antwort
Feldvertielung in Monomode-LWL 2
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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: ta=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
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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 -
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 = c0/c
Dämpfungskoeffizient
Angegeben in dB/km
Dezibel
= 10*log P1/ P0 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
-
- 1 / 75
-
Lernkarten
Polarisation von Licht
- Polarisation gibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle an
- Der Polarisationsgrad gibt den Anteil an, der polarisiert ist
- Natürliches Licht ist unpolarisiert, da es ungeordnet in alle Richtungen schwingt
- NAtur: Reflexionen in Wasserlachen und Schaufensterscheiben
- Technik:LCD-Display
Polarisation von Licht - Polarisationsrichtung
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Spezialfälle zu polarisiertem Licht 1
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Spezialfälle zu polarisiertem Licht 2
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Umlaufsumme einer ankommenden Welle
- rechts zirkular polarisiert, wenn 0<= deltaPhi <= Pi
- links zirkular polarisiert, wenn Pi<= deltaPhi <= 2Pi
Verfahren zum Erzeugen von linear polarisiertem Licht
- Filtern einer Lichtquelle mittels Polarisationsfilter (z.B. Folie,Glas)
- Nachteil: geringe Intensivitätsausbeute, teuere Filter
- Erzeugung von Laserlicht, welches nur in einer Ausbreitungsrichtung schwingt!
- Nachteil:rel. teuer, aber hohe Intensivität
- Eruegung von linear polarisiertem Licht durch Reflexion an einer Oberfläche
- Nachteil: Material und Winkel müssen passen! → Brewsterwinkel
Brewsterwinkel und Separation einer Schwingungsrichtung
Der Brewsterwinkel gibt den Winkel an, bei welchem vom einfallenden, unpolarisiertem Licht nur die senkrechte zur Einfallsebene( Parallel zur Grenzfläche) polariesierten Anteile reflektiert werden
Reflexionsgrad
Antwort
Lichtwellenleiter zur Nachrichtenübertragung
Allg.
LWL: zur Nachrichtenübertragung
Licht leiten : zur Beleuchtung
Integrierte optische LWL
passive und aktive Einzellkomponenten, z.B. Koppler, Modulatoren, Interferometer
LWL-Fasern
Indexgeführte Wellenleiter (Kern[core]), FAsermantel (cladding) und Beschichtung (coating)
Akzeptanzwinkel
maximaler Einfallswinkel in die FAser, bei dem die Lichtstrahlen im Kern geführt werden
Gradientenindex - LWL (Multimode)
Eigenschaften:
- Durchmesser Kern/Mantel: 50/125 mircrometer → Multimodeausbreitung
- Parabelförmiges Brechzahlprofil ⇒ ohne Sprung
- reduziert Zunahme der Impulsbreite → große Übertragungskapazität
- Mittel- und Langstreckensysteme ca. 1Gbit/s
- kompliziert in Herstellung → teuer
- Lichteinspeisung ist schwierig, geringer Einkopplungsgrad, teure Steckverbinder
- stark reduzierte Modendispertion, breitbandige Strahlungsquellen (LED) nur für kurze Strecken geeignet!
- gradientenprofilparameter alpha bestimmt die Steilheit des Brechzahlverlaufes (alpha = 2 → quadratisch, alpha gegen unendlich → Näherung zum Stufenindexprofil)
Multimode - Stufenindex- LWL
Eigenschaften:
- Durchmesser Kern/Mantel: 200/380 micrometer → Multimodeausbreitung d.h. viele Lichtstrahlen
- rel. Brechzahldifferenz bis 5% und Akzeptanzwinkel von 18°
- hohe Laufzeitunterschiede wegen unterschiedlich langen Wege im Kern → Übertragungsrate ca. 10Mbits/s → Kurzstreckensysteme
- einfacher Aufbau → billig, einache Lichteinspeisung, günstige Strecken → Breitbandige Strahlungsquellen (LED) sind möglich
- größtes Problem: Modendispertion wegen Laufzeitunterschieden → max. Übertragungsrate ist umgekehrt proportional zur Dispertion
Außerdem:
- Materialdispertion: jede Lichtquelle mit zugehöriger Wllenlänge breitet sich mit einer anderen Geschwindigkeit aus → Wellenzug läuft auseinander
Einmoden- oder Monomode-LWL
Fasereigenschaften:
- Durchmesser Kern/Mantel10/125 micrometer, Quellenabhängig une möglichst groß
- Kerndurchmessung ≈ Größenordnung der Wellenlänge
- Nur Grundwelle ist ausbreitungsfähig → keine Modendispertion
- Relative Brechzahldifferenz sehr klien (0,2%) → Akzeptanzwinkel sehr klein (≈5°)
- Ubertragungskapazität ca. 100Gbit/s → sehr groß → geeignet für Langstreckenübertragung mit hoher Bitrate
- komplizierte und aufwendige Herstellungstechnologien → hoher Preis
- Lichteinspeisung ist schwierig, Steckverbinder teuer → besser Spleißverbindung
- Strahlungsquelle: nur Laser geeignet, besonder Laserdioden
Tabelle zur Modenvielfalt von Faser LWL
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Strahlen im LWL
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Moden einer Stufenindexfaser
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Schnitt durch die Faser
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Feldvertielung in Monomode-LWL
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Feldvertielung in Monomode-LWL 2
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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: ta=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
