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2005 | Buch

Optische Nachrichtentechnik

Physikalische Grundlagen, Entwicklung, moderne Elemente und Systeme

verfasst von: Prof. Dr. techn. Gerhard Schiffner

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

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Über dieses Buch

Unser heutiges Leben ist ohne optische Nachrichtenubertragung kaum mehr vor­ stellbar. Lichtleitfaser-Ubertragungsstrecken sind wichtige Bestandteile der glo­ balen Kommunikationsnetze und die Entwicklung der Faser-Strecken hat die Systeme in der heutigen Form erst ermoglicht. Es ist selbstverstandlich, zu nied­ rigen Kosten weltweit zu telefonieren, uber das Internet Information aus anderen Kontinenten anzufordern, Daten auszutauschen oder E-Mails zu versenden. Die Netze sind fur viele Bereiche der Wirtschaft, der Wissenschaft, der Offentlichen Verwaltung und fur die private Nutzung essentiell geworden. Es ist absehbar, dass die Zahl von Institutionen, die von einer guten Anbindung an ein leistungs­ fahiges Netz abhangen, weiter stark anwachsen wird. Nach Mitteilung des VDE versenden derzeit kommerzielle Nutzer taglich eine Informationsmenge, die etwa 100 Milliarden DIN A4-Textseiten entspricht. Es wird geschatzt, dass sich dieses Verkehrsaufkommen jahrlich verdoppeln wird. Ein Beispiel fur eine neue Arbeitsform, die durch leistungsfahige Netze ermog­ licht werden konnte, ist das "Follow-the-sun"-Prinzip, bei dem beispielsweise Arbeitsunterlagen nahtlos von europaischen Konstrukteuren zu Arbeitsende an amerikanische Kollegen weitergegeben werden und diese geben sie weiter an japanische Kollegen, die dann ihre Ergebnisse wieder nach Europa transferieren. So konnte z. B. an einer PKW-Konstruktion nahtlos 24 Stunden pro Tag gear­ beitet werden. Es laufen auch Bestrebungen, getrennte Netze wie Telefon, Mobilfunk und In­ ternet zu einem moglichst einheitlichen Breitbandnetz zusammenzufassen (Fach­ ausdruck "Konvergenz"). Die daraus resultierenden hohen Anforderungen an die Ubertragungswege lassen sich nur mit optischen Techniken erfullen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einführung
Zusammenfassung
Nachrichten über große Entfernungen zu übermitteln war seit jeher ein Bedürfnis der Menschheit. Es ist zwar nicht besonders originell, mit der Antike zu beginnen, doch der Überlieferung nach ist die Kunde vom Fall Trojas mittels Signalfeuer über mehrere „Relaisstationen“ auf Inseln nach Athen weitergeleitet worden. Es handelt sich hier möglicherweise um den ersten Bericht zu einer optischen Nachrichtenübertragung über große Entfernung. Es wurden allerdings schon früher Signale optisch mittels der erwähnten Signalfeuer und auch durch Rauchzeichen oder Sonnenspiegel übertragen. Im Römischen Reich wurden dagegen meist berittene Boten eingesetzt, um schriftliche Befehle des Kaisers in entlegene Gebiete zu bringen.
Gerhard Schiffner
2. Lichtausbreitung in Dielektrika und in Metallen sowie geführte Wellen
Zusammenfassung
Die optische Nachrichtentechnik beruht auf der Informationsübertragung mit Hilfe von Licht. Licht bzw. optische Strahlung lässt sich als elektromagnetische Welle auffassen und diese wird zweckmäßiger Weise mit Hilfe der MAXWELL-schen Theorie beschrieben [2.1]-[2.6]. Wesentlich ist hier die Wellenausbreitung in Glas, einem Dielektrikum oder Nichtleiter; mit Glas werden Fasern, also optische Wellenleiter realisiert. Für Reflektoren und andere Bauelemente werden auch Metallschichten eingesetzt und daher wird auf die optischen Eigenschaften von Metallen eingegangen. Es ist zu beachten, dass dieses Kapitel speziell auf Anwendungen in der Optik zugeschnitten ist, denn es existieren feine Unterschiede im Vergleich zur Ausbreitung von längerwelligen Mikrowellen bzw. Radiowellen.
Gerhard Schiffner
3. Polarisationszustände der ebenen elektromagnetischen Welle
Zusammenfassung
Bei der elektrooptischen Modulation, bei optischen Bauelementen und bei der Übertragung von Signalen über Monomodefasern spielt der Polarisationszustand der Strahlung eine wichtige Rolle. Nachstehend wird dargelegt, wie Polarisationszustände beschrieben werden können, wobei diese Behandlung zunächst für ebene Wellen gilt. Die über eine Monomodefaser oder über einen Wellenleiter der Integrierten Optik laufende Strahlung stellt zwar keine ebene Welle dar, sie verhält sich jedoch ganz ähnlich, so dass die hier dargelegten Methoden ohne Probleme benutzt werden können. Diese Grundlagen werden z. B. in [3.1]-[3.3] ausführlich dargestellt. Auch die in Fasern auftretende Polarisationsmodendispersion (PMD) lässt sich mit den hier dargelegten Methoden behandeln (siehe Kapitel 3.6).
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4. Physikalische Effekte bei der Wellenausbreitung und stimulierte Emission
Zusammenfassung
Einige physikalische Effekte beeinflussen die Wellenausbreitung in Dielektrika, wie z. B. in Quarzglas-Lichtleitfasern, und im Folgenden sollen diese näher erläutert werden. Es wird ferner die stimulierte Emission behandelt, die für Laser und optische Verstärker von Bedeutung ist.
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5. Wellenausbreitung in optisch anisotropen Stoffen
Zusammenfassung
Viele in der Optik benutzte Materialien sind isotrop, d. h. ihre Eigenschaften sind von der Richtung unabhängig. In diesem Fall werden diese Materialien durch ihre Dielektrizitätskonstante bzw. Permittivität ε = ε0 ε r oder durch ihre Brechzahl n = √ε r beschrieben, es handelt sich um skalare Größen. Spannungsfreie Gläser, die meisten Flüssigkeiten, Gase und einige Kristalle verhalten sich so.
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6. Grundzüge der nichtlinearen Optik
Zusammenfassung
Es existieren zwei Arten von nichtlinearen Effekten in Dielektrika, nämlich a) die nichtlineare Feldstärkeabhängigkeit der elektrischen Polarisation bei hohen Feldstärken und b) nichtlineares Verhalten in Zusammenhang mit unelastischen Photonen-Wechselwirkungen. Der Fall a) wird nachstehend behandelt und zu b) gehören die stimulierte RAMAN- und BRILLOUIN-Streuung (s. Kapitel 4.3, 4.4 und 6.4). Beide Effekte treten in Lichtleitfasern bei höheren Intensitäten auf. Die Ausbreitung optischer Strahlung in linearen Dielektrika ist in Kapitel 2 behandelt worden. Hierbei ist die elektrische Polarisation p̄ proportional der elektrischen Feldstärke Ē.
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7. Optische Bauelemente
Zusammenfassung
Man unterscheidet zwischen Bauelementen für sich frei ausbreitende Lichtstrahlenbündel und solche für geführte Wellen, beispielsweise für Wellen in Fasern oder in Wellenleitern der Integrierten Optik. Viele Bauelemente für frei laufende Strahlen sind seit langer Zeit bekannt und aufbauend auf den dort benutzten Prinzipien sind Bauelemente für geführte Wellen entwickelt worden. Die Bauelemente werden u. A. für die Realisierung von Modulatoren, für optische Verstärker, für optische Isolatoren, für Empfänger, für Wavelength Division Multiplex — Systeme (WDM) und für Mess- und Testgeräte benötigt. Es ist zu beachten, dass nur in Monomode-Fasern ein eindeutiger Polarisationszustand möglich ist, in Vielmoden-Fasern ist wegen der großen Zahl der Moden weder ein definierter Polarisationszustand noch eine definierte Phasenlage der Strahlung vorhanden.
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8. Optische Sender
Zusammenfassung
Als Quellen für faseroptische Übertragungen werden Halbleiter-Diodenlaser eingesetzt. Bei geringeren Anforderungen und bei Verwendung von Vielmoden-fasern werden gelegentlich auch LEDs benutzt. Für Prüf- und Messzwecke verwendet man Gaslaser oder optisch gepumpte Laser. Dieses Kapitel beschäftigt sich mit Halbleiter-Diodenlasern, ihren Eigenschaften und mit Ausführungs-formen.
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9. Photodioden und optische Empfänger
Zusammenfassung
Es existieren zahlreiche physikalische und chemische Effekte, die zur Detektion optischer Strahlung benutzt werden können. Dazu gehört die Erwärmung von Oberflächen absorbierender Körper, die z. B. im Bolometer bzw. in Zusammenhang mit dem pyroelektrischen Effekt ausgenutzt wird, ferner die Auslösung chemischer Reaktionen durch Licht, wie sie bei der Schwärzung photographi-scher Filme auftritt, z. T. erst nach chemischer Behandlung. Es gehört dazu der äußere und innere Photoeffekt bzw. der lichtelektrische Effekt, die Änderung des Widerstandes von Materialien bei Beleuchtung (Photowiderstand), die Gleichrichtung der in Drähten induzierten extrem hochfrequenten Ströme an einem Metall-Halbleiterkontakt und die Mischung von Strahlung an einem nichtlinearen Element zur Transponierung in einen anderen (günstigeren) Wellenlängenbereich. Sehr weit verbreitet sind die auf dem inneren Photoeffekt beruhenden Halbleiter-Photodioden. Auf dem äußeren Photoeffekt beruhende Photoverviel-facher (Photomultiplier) werden Scit Jahrzehnten in der Messtechnik benutzt, vor allem für Anwendungen, die eine extrem hohe Lichtempfmdlichkeit verlangen.
Gerhard Schiffner
10. Modulation optischer Strahlung
Zusammenfassung
Um ein Nachrichtensignal analog oder digital über elektrische Leitungen, Fasern oder Funk zu übertragen, wird es meist in einer höheren als der natürlichen Frequenzlage benötigt. Die hierfür notwendige Transponierung des Signals wird Modulation genannt. Das Verfahren wird Scit langem in der Funktechnik, in der Trägerfrequenztechnik und auch bei der magnetischen Bandaufzeichnung angewendet. Bei optischer Übertragung wird als Trägerschwingung meist die Strahlung eines Lasers benutzt, es ist jedoch auch möglich, inkohärente Strahlung, die z. B. von einer LED oder auch einer Glühlampe abgegeben wird, zu verwenden. In diesem Falle sind allerdings nicht alle aus der Funktechnik bekannten Modulationsverfahren anwendbar.
Gerhard Schiffner
11. Lichtleitfasern
Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln sind bereits mehrere Aspekte behandelt worden. Ein Überblick zur historischen Entwicklung und zu den Eigenschaften von Fasern ist in Kapitel 1.4 enthalten. Das Bild 1.6 erläutert die drei Faser-Haupttypen, nämlich Stufenindex-Fasern, Gradientenfasern und Monomode-Fasern, die meist aus Quarzglas (SiO2) hergestellt werden. Ferner werden die für Massenanwendungen interessanten Plastik-Fasern behandelt.
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12. Optische Verstärker
Zusammenfassung
Auf langen Faser-Strecken bewirkt die Dämpfung ein Absinken der Signal-Leistung und auch bei der Aufteilung eines Signals auf mehrere Fasern, wie sie z. B. beim Kabelfernsehen üblich ist, nimmt die Signal-Leistung ab. Um das Signal anzuheben, sind Zwischenverstärker erforderlich. Ohne Zwischenverstärker kann auf einer Faser-Strecke, je nach den auftretenden Dämpfungen, eine Distanz von etwa 50 km bis 100 km überbrückt werden. Ein zu schwaches Signal führt zu einem Anstieg der Bitfehlerwahrscheinlichkeit. Es ist zu beachten, dass für Entfernungen etwa > 10 km hauptsächlich Monomode-Quarzglas-Fasern geeignet sind. Ursprünglich wurden elektrisch arbeitende Repeater benutzt, die aus einem optischen Empfänger, einem Regenerator bzw. einer Signalaufbereitung und einem optischen Sender bestanden. Die Einführung optischer Verstärker hat wesentlich zur Verbesserung, Vereinfachung und Verbilligung faseroptischer Übertragungssysteme beigetragen. Sie hat WDM-Weitverkehrsstrecken mit zahlreichen optischen Kanälen erst ermöglicht, da diese Kanäle gemeinsam verstärkt werden können. Bei Verwendung elektrischer Repeater muss für jeden Kanal eine eigene Einheit verwendet werden.
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13. Übertragungssysteme
Zusammenfassung
Eine Monomode-Faser ist in der Lage, ein enorm großes Frequenzband von ca. 30 THz Breite zu übertragen und dies übertrifft die nutzbare Kapazität von Funksystemen etwa um den Faktor 1000. Ferner können etwa bis zu 1000 Fasern in einem Kabel untergebracht werden. Mittels optischer Zwischenverstärker lassen sich Streckenlängen von vielen tausend Kilometer überbrücken. Daraus ist zu ersehen, dass Faser-Systeme im Prinzip etwa um den Faktor 106 höhere Kapazitäten zur Verfügung stellen können als z. B. Nachrichtensatelliten, die mittels Funkübertragung im Mikrowellenbereich arbeiten. Für mobile Anwendungen oder für die flächendeckende Fernseh- oder Rundfunkver-sorgung stellen natürlich Satelliten weiterhin eine gute Lösung dar.
Gerhard Schiffner
Backmatter
Metadaten
Titel
Optische Nachrichtentechnik
verfasst von
Prof. Dr. techn. Gerhard Schiffner
Copyright-Jahr
2005
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-80061-9
Print ISBN
978-3-519-00446-2
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-80061-9

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