Elemente optischer Netze

Der Inhalt des Buches ist überblicksartig dargelegt, Lehr- und Lernmethoden wie Hilfe und Lösungen und die Benutzung der mathematischen Software MathCad sind erläutert.

Licht als Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen wird beschrieben. Die unterschiedliche Herangehensweise des Wellen- und des Teilchenbildes (Photonen) werden erläutert. Wesentliche Parameter des Lichts (Leistung, Pegel, Energie, Frequenz, Wellenlänge, Lichtgeschwindigkeit) werden eingeführt. Sphärische und ebene Wellen werden beschrieben, die Betrachtung mit Phasenfronten wird eingeführt.

Ausgehend von der Wellengleichung wird die Wellenleitung in Schichten und Glasfasern einschließlich der Grundlagen des mathematischen Apparats beschrieben. Wichtige Glasfasergrößen wie Akzeptanzwinkel, numerische Apertur, normierte Brechzahl und Faserparameter werden eingeführt. Darauf bauen transversale Wellen in Glasfasern, der Modenfelddurchmesser sowie Multi-Mode- (MMF) und Single-Mode-Glasfasern (SMF) auf. Die Mechanismen der Dämpfung in Glasfasern werden beschrieben. Der Begriff der Dispersion wird eingeführt und die Mechanismen der Dispersion (Modendispersion, Materialdispersion, Wellenleiterdispersion, chromatische Dispersion und Polarisations-Moden-Dispersion) werden beschrieben. Der Aufbau spezieller Glasfasern wird dargelegt. Zusammenfassend werden verschiedene Glasfasertypen beschrieben.

Faserverbindungen wie Stecker und Spleiße sowie die damit verbundene intrinsische und extrinsische Verluste werden beschrieben. Der Aufbau von Kopplern und Verzweigern einschließlich der damit verbundenen Verluste wird beschrieben, wobei auch planare Wellenleiterstrukturen eingesetzt werden. Typen von Kopplern (Stirnflächenkoppler und Oberflächenkoppler) werden beschrieben.

Die Hauptelemente eines Lasers, speziell eines Halbleiterlasers, werden beschrieben. Ausführlich wird das aktive Element, der Halbleiter, erläutert. Der Gitteraufbau von kristallinen Halbleitern und die Rolle der Dimension (0D bis 3D) werden beschrieben. Rekombinationsprozesse und ihre Bedeutung für LED und Halbleiterlaser werden erläutert. Grundstrukturen wie Doppelhetero-Diode (DHD) und Multi-Quantum-Well-Strukturen (MQW) sowie Besonderheiten des Resonatoraufbaus in Halbleiterlasern (Fabry-Perot-Laser, dynamischer Single-Mode-Laser) werden dargelegt. Wichtige Lasereigenschaften wie P-I-Kennlinie, Spektrum und Abstrahlcharakteristik werden erläutert. Abschließend werden ausgewählte Lasertypen für optische Netze vorgestellt.

Analoge und digitale Modulation von Halbleiterlasern werden eingeführt. Dabei wird zwischen idealem Bit und Bits bei hoher bzw. niedriger Übertragungsrate unterschieden. Wichtige Modulationsverfahren der optischen Übertragungstechnik wie Amplituden- (AM) bzw. Intensitätsmodulation (IM), Pulse-Amplituden-Modulation (PAM), Pulse-Position-Modulation (PPM) und Pulse-Code-Modulation (PCM) werden beschrieben. Dabei wird zwischen direkter und externer Modulation (Phasen- und Frequenzmodulation unter Nutzung des linearen transversalen elektrooptischen Effekts, sowie Intensitätsmodulation) unterschieden. Praktische Anwendungen zum Beispiel in Richtkopplern werden beschrieben.

Grundlage aller Empfänger der optischen Übertragungstechnik ist der innere photoelektrische Effekt. Als einfachster Empfänger wird die p-n-Photodiode beschrieben, die durch Diffusion sehr langsam ist. Als schnellster Empfänger wird die pin-Photodiode beschrieben, die durch die Drift sehr schnell werden kann. Empfindlichster Empfänger ist die Lawinen-Photodiode APD, die Empfindlichkeit wird durch die lawinenartige Vervielfachung der Elektronen im Bereich des p-n-Übergangs erreicht. Ausführlich werden Rauschprozesse wie Schrotrauschen, Intensitätsrauschen, thermisches Nyquist-Rauschen und Multiplikationsrauschen und ihr Einfluss auf die Bit-Fehler-Rate BER beschrieben. Der optische Heterodynempfang als sehr empfindliche Alternative für die Zukunft wird erläutert.

Aufbauend auf bisherigen Erkenntnissen werden wesentliche Bestandteile optischer Netze und deren Parameter und Eigenschaften eingeführt und erläutert. Wichtiges Element sind Schalter. Mechanisches, elektrooptisches, mechanooptisches und thermisches Schalten sowie mikro-elektromechanische Schalter (MEMS) werden beschrieben. Von großer Bedeutung sind Filter für optische Netze. Filter auf Basis von Interferenz (Dünnschichtfilter), Fabry-Perot-Filter sowie Faser-Bragg-Gitter und Phased-Array-Anordnungen als Filter werden beschrieben. Anwendungen wie optischer Isolator, optischer Zirkulator, optischer Add-Drop-Multiplexer und optischer Cross-Connector werden erläutert. Zur Signalregeneration wird die 3R-Technologie (Re-Amplification, Re-Shaping und Re-Timing) benutzt. Optische Verstärkung in Seltene-Erden-dotierten Glasfasern (EDFA), Raman-Verstärker (ROA) und Halbleiter-Verstärker (SOA) wird ausführlich erläutert. Zu Regeneration der Form (Re-Shaping) werden dispersionskompensierende Glasfasern und Faser-Bragg-Gitter benutzt. Die Taktrückgewinnung (Re-Timing, clock recovery) wird durch nichtlineare Methoden der Bearbeitung des Eingangssignals oder durch entscheidungsrückgekoppelte Verfahren mit adaptiven Filtern erreicht und ist beschrieben.

Wesentliche Methoden der Messtechnik an Glasfasern werden beschrieben. Messung des Brechzahlprofils (Nahfeldmethode, Strahlbrechungsmethode), Dämpfungsmessung (Abschneide- und Einfügeverfahren) und Dispersionsmessung in Glasfasern werden ausführlich erläutert. Insbesondere werden Rückstreumessungen (OTDR-Methode) von Glasfaserparametern (Stecker, Spleiß, Teil- oder vollständiger Riss der Glasfaser, Dämpfungsbelag) an zahlreichen Beispielen erläutert. Als vereinfachte Variante der OTDR-Technik ist die Puls-Echo-Methode beschrieben. Die Übertragungsqualität wird durch Messung der Bit-Fehler-Rate (BER) und der Empfängerempfindlichkeit sowie durch die Augendiagramm-Technik realisiert und ist an Beispielen ausführlich erläutert.

In Analogie zum Hookschen Gesetz der Newtonschen Mechanik werden nichtlineare Terme betrachtet. Es wird ein Überblick über nichtlineare Effekte gegeben. In glasförmigen Materialien spielen nur nichtlineare Streueffekte (stimulierte Raman-Streuung und stimulierte Brillouin-Streuung) und optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung (Vier-Wellen-Mischung, Selbst-Phasen-Modulation bzw. Kerr-Effekt und Kreuz-Phasen-Modulation) eine Rolle. Die Rolle des Chirp wird behandelt. Darauf aufbauend wird das Polarisations-Dispersions-Management erklärt. Methoden der aktiven Dispersionskompensation werden diskutiert. Abschließend werden Solitonen als formstabile, dispersionsfreie Lichtwellen phänomenologisch eingeführt.

Die Einordnung optischer Netze in globale Netze wird vorgenommen. Kommunikationstechnologien wie Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (peer-to-peer), Verteilsysteme oder Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen und Ring-Netzwerke oder Bussysteme werden erläutert. Großen Raum nehmen optische Multiplexverfahren wie Raummultiplex (SDM), Zeitmultiplex (TDM) und Frequenzmultiplex (FTM) bzw. Wellenlängenmultiplex (WDM) ein. Verschiedene WDM-Technologien wie weites WDM (WWDM), grobes WDM (CWDM) und dichtes bzw. ultradichtes WDM (DWDM, UDWDM) sowie Codemultiplex (CDM oder CDMA) werden erläutert. Abschließend werden die Anforderungen an WDM-Systeme diskutiert.