Lichtwellenleiter in Sensorik und optischer Nachrichtentechnik

Frontmatter

1. Optische Wellen

Zusammenfassung

Die Naturerscheinungen, die von der Physik unter der Bezeichnung Optik zusammengefaßt werden, liefern widersprüchliche Aussagen über die Natur des Phänomens „Licht“. Viele Experimente lassen sich nur verstehen, wenn man das Licht als einen Fluß fiktiver Teilchen, den Photonen auffaßt. Demgegenüber werden Beobachtungen wie Interferenz- und Beugungserscheinungen als Beweis für eine Wellennatur des Lichtes angesehen. Die theoretische Physik versucht, mit der Quantenelektrodynamik beide Modellvorstellungen zu vereinigen, jedoch ist die Quantenelektrodynamik ein sehr komplexes und mathematisch äußerst anspruchsvolles Fachgebiet. Für die Experimentalphysik ist es völlig ausreichend, die Erzeugung und Auslöschung von Licht im Teilchenmodell und die Fortpflanzung von Licht im Wellenmodell zu beschreiben.

Wolfgang Bludau

2. Lichtwellenleiter

Zusammenfassung

Als Wellenleiter bezeichnet man alle Strukturen, an die elektromagnetische Wellen gebunden werden können, so daß die Welle entlang eines beliebig vorgegebenen Pfades von einem Raumpunkt zu einem anderen übertragen wird. Dabei ist es unerheblich, aus welchem Material oder aus welchen Materialien der Wellenleiter aufgebaut ist; wesentlich ist lediglich, daß die Wellenenergie nur längs des Wellenleiters und nicht senkrecht dazu fließt. Zur Wellenftihrung sind folglich alle Strukturen geeignet, die das elektromagnetische Feld auf eine zur gewünschten Führungsrichtung senkrecht stehende kleine Querschnittsfläche konzentrieren. Wenn schließlich noch dieser von den Wellenfeldern belegte Querschnittsbereich aus möglichst verlustfreiem Material besteht, dann kann die Welle ohne große Dämpfung über weite Strecken geführt werden.

Wolfgang Bludau

3. Geometrisch-optische Lichtwege in LWL

Zusammenfassung

In diesem Kapitel untersuchen wir mit einem strahlenoptischen Ansatz die Lichtausbreitung in einem LWL. Die Ergebnisse liefern eine Modellvorstellung zur Lichtführung. Da wir die Wellennatur des Lichtes noch nicht berücksichtigen, sollten die Resultate aber lediglich als Anschauungshilfe bewertet werden.

Wolfgang Bludau

4. Berücksichtigung der Wellennatur des Lichtes

Zusammenfassung

Die Idee einer Lichtflihrung auf einer geometrischen Bahn ist zwar sehr anschaulich, aber letztlich nicht korrekt und fuhrt teilweise zu falschen Vorstellungen. Beispielsweise suggeriert die Abb. 3.3: das in einer Zickzackbahn geführte Licht erzeugt auf der Endfläche des LWL einen Lichtpunkt, dessen genaue Transversalposition (Position in x-Richtung) von der Länge des LWL in z-Richtung abhängt. Auf die gleiche Weise kann aus Abb. 3.6 herausgelesen werden: von demselben Startpunkt auf der LWL-Stirnfläche ausgehendes, aber unter verschiedenen Winkeln gestartetes Licht erzeugt auf der LWL-Endfläche mehrere Leuchtpunkte, deren Transversallagen sich mit der Länge des LWL ändern.

Wolfgang Bludau

5. Exakte Berechnung der Lichtausbreitung

Zusammenfassung

Die bisherigen Ergebnisse sind immer noch nicht ganz zufriedenstellend. Ein Beispiel soll dies erläutern. Was passiert, wenn eine Lichtwelle so auf die Stirnfläche des LWL auftrifft, daß die Welle im Innern einen Weg nehmen müßte, dessen Neigungswinkel γ zwar dem Betrage nach kleiner als der Totalreflexionsgrenzwinkel γ_grenz ist, aber nicht zu den zugelassenen Winkeln gehört? Nach den Aussagen des letzten Kapitels könnte einerseits das Licht den Kernbereich wegen ∣ γ ∣ < γ_grenz nicht verlassen, andererseits läge destruktive Interferenz vor. Wo bleibt dann die mit der Welle mitgefühlte Leistung? Eine abschließende Antwort auf diese Frage läßt sich nur geben, wenn man von allen bisherigen Modellvorstellungen und deren Verbesserungen abgeht und zurückgreift auf die Maxwell’- sehen Gleichungen, die alle elektromagnetischen Phänomene steuern.

Wolfgang Bludau

6. Einige Grundlagen der optischen Nachrichtenübertragung

Zusammenfassung

Mit einem analogen Signal wird eine Information übermittelt, die in Form einer sich in Zeit und Wert stufenlos ändernden Funktion g(t) mit ∣ g(t) ∣ ≤ 1 vorliegt. Nach Fourier läßt sich ein Zeitverlauf g(t) endlicher Dauer nachbilden durch eine Überlagerung harmonischer Signale mit Frequenzen f _m ¹ , Amplituden G(f_m) und Nullphasen φ(f_m) = φ_m.

Wolfgang Bludau

7. Verluste in Lichtwellenleitern

Zusammenfassung

In den vorangegangenen Kapiteln wurden bei der Analyse der Lichtausbreitung immer ideale Ausbreitungsbedingungen vorausgesetzt. „Ideal“ heißt hier: der LWL nicht gebogen, sondern geradlinig ausgelegt, und beim Durchgang des Lichtes bleibt die optische Leistung unverändert. Diese Annahmen sind in der Realität nicht erfüllt. Schon die Materialeigenschaften des Grundmaterials selbst sowie herstellungsbedingte Unzulänglichkeiten und Verunreinigungen reduzieren die optische Leistung, wobei der Leistungsverlust sicherlich laufstreckenabhängig ist. Weitere Verluste entstehen durch das in der Praxis unvermeidliche Biegen des LWL, s. hierzu die Aussagen in Abschn. 3.1.3 und Abschn. 4.1.5. Unabhängig von seiner physikalischen Ursache bezeichnen wir jeden Leistungsverlust als (Licht-)Dämpfung. In diesem Kapitel wird zunächst eine Kenngröße abgeleitet, mit der die Dämpfung quantitativ erfaßt wird. Daran anschließend werden die physikalischen Ursachen der einzelnen Dämpfungsbeiträge untersucht. Ziel ist, durch Optimieren des LWL-Materials einerseits und der Ausbreitungsbedingungen andererseits die Gesamtdämpfung so gering wie möglich zu halten.

Wolfgang Bludau

8. Modenlaufzeitunterschiede (Modendispersion)

Zusammenfassung

In Kapitel 3 wurden die möglichen strahlenoptischen Lichtwege in Lichtwellenleitern mit Stufenprofil und Parabelprofil berechnet. Wir wollen hier die Laufzeiten des Lichtes längs dieser Wege bestimmen. Dabei lassen wir außer Betracht, daß das Licht für nachrichtentechnische Anwendungen intensitätsmoduliert ist und wir deshalb eigentlich Gruppenlaufzeiten berechnen müßten. Weiterhin beschränken wir uns auf die Lichtwege der Meridionalstrahlen; schiefe, die Zeichenebene verlassende Strahlbahnen werden nicht betrachtet. Unter diesen Voraussetzungen ist die Bahngeschwindigkeit v klassisch-mechanisch durch v = dℓ/dt gegeben; hier ist dℓ ein Wegelement des Lichtweges und dt ein Zeitelement.

Wolfgang Bludau

9. Einfluß der spektralen Breite der Lichtquelle: chromatische Dispersion

Zusammenfassung

Im vorangegangenen Kapitel wurde gezeigt, daß das Licht in den einzelnen Moden einer Vielmodenfaser unterschiedliche Zeit zum Durchlaufen einer Faserstrecke benötigt. Die Abhilfe liegt auf der Hand: man rege am Faseranfang nur einen einzigen Modus an und sorge dafür, daß das Licht in dem LWL in diesem einen Modus verbleibt. In der Praxis ist dies nur möglich, wenn man von vornherein nur einen einzigen Modus ausbreitungsfähig macht, mit anderen Worten: wenn man eine Einmodenfaser einsetzt. In Einmodenfasern kann es per se nicht mehr zu Modenlaufzeitunterschieden und zu der damit verknüpften Impulsverbreiterung kommen. Es stellt sich jedoch heraus, daß weitere, im vorangegangenen Kapitel unberücksichtigte Einflußgrößen ebenfalls zu Laufzeiteffekten fuhren, die zusätzlich zur Modendispersion wirken. In diesem Kapitel werden die neuen Effekte besprochen. Zwar wurden wir eben fast zwangsläufig zur Einmodenfaser gefuhrt, man sollte sich aber bewußt sein, daß die chromatischen Dispersionseffekte nicht auf den Grundmodus der Einmodenfaser beschränkt sind, sondern in jedem Modus auftreten.

Wolfgang Bludau

10. Impulsverbreiterung und 3-dB-Grenzfrequenz

Zusammenfassung

Abbildung 10.1 zeigt einen Lichtpuls, aufgezeichnet am Anfang und am Ende einer Faserstrecke. Man erkennt, daß der Puls auf der Übertragungsstrecke seine Form und seine Breite geändert hat. Wir wissen aus Abschn. 6.3.2 und hier insbesondere aus der Diskussion zu Abb. 6.7, daß Form und vor allem zeitliche Breite eines Lichtpulses am Faserende maßgebenden Einfluß haben auf die Übertragimgskapazität eines optischen PCM-Übertragungssystems. Wir kennen auch die physikalischen Ursachen der Pulsverbreiterung, es sind die Dispersionseffekte (Unterschiede in den Laufzeiten der einzelnen Moden sowie der spektralen Anteile innerhalb eines Modus). Allerdings läßt sich mit den in den vorangegengenen Kapiteln abgeleiteten Formeln Gl. (8.23) bzw. Gl. (8.24) und Gl. (9.12) das dispersionsbedingte Breiterwerden eines Lichtpulses nur schwer praxisgeeignet beschreiben. In diesem Abschnitt werden Kenngrößen vorgestellt, die die Impulsverbreiterung in einer für die optische Übertragungstechnik geeigneten Form erfassen.

Wolfgang Bludau

11. Grenzen optischer Übertragungssysteme durch Dämpfung und Dispersion

Zusammenfassung

In Kap. 6 haben wir ausgeführt, daß bei der Nachrichtenübermittlung das Signal-Rausch-Verhältnis „S/N“ die Qualität der Übertragung festlegt. In jedem Übertragungssystem kann nur eine maximale Streckenlänge überbrückt werden; am Ende dieser sog. Systemreichweite (Regeneratorfeldlänge) L_F erreicht „S/N“ gerade noch den vorgeschriebenen Mindestwert. Noch längere Strecken müssen in Segmente von jeweils maximal L_F Länge unterteilt und nach jedem Segment das Signal geeignet aufgearbeitet („regeneriert“) werden. Die Systemreichweite ist dabei abhängig von den Tiefpaßeigenschaften des LWL (bei Analogübertragung) bzw. von der Impulsverbreiterung im LWL (bei PCM-Übertragung) sowie von den auf der Strecke auftretenden Signalleistungsverlusten, s. Abb. 11.1. In diesem Kapitel untersuchen wir die Grenzen eines optischen Direktübertragungssystems.

Wolfgang Bludau

12. Meßwerterfassung mit Lichtwellenleiter- Sensoren

Zusammenfassung

In der Meß- und Regelungstechnik werden Meßgrößen aufgenommen, nach irgendwelchen Gesichtspunkten weiterverarbeitet und schließlich einer Ausgabeeinheit zugeführt, die als Antwort auf die Meßwerte eine Aktion einleitet. In der heutigen Zeit erfolgt die Weiterverarbeitung nahezu ausschließlich elektronisch. Das hat zur Folge, daß die mit dieser Aufgabe beschäftigte Einrichtung an ihrem Ausgang elektrische Steuersignale bereitstellt und umgekehrt an ihrem Eingang elektrische Eingabesignale erwartet. Dazu muß wiederum aus der eigentlich gemessenen Größe ein elektrisches Signal geformt werden, das den Meßwert enthält. Als Sensor bezeichnet man ein Bauelement oder ein Gerät, das mit einem Meßwertaufnehmer eine nichtelektrische Größe mißt und mit Hilfe eines physikalischen Effektes, dem Funktionsprinzip, in ein zur Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal umwandelt. Sensoren sind so die Verbindungsstellen einer elektronischen Einrichtung zur Außenwelt.

Wolfgang Bludau

13. Beispiele extrinsischer optischer Sensoren

Zusammenfassung

Vorbemerkung: wie in der klassischen Optik benötigt man auch in der LWL- Technik Bauelemente, die Lichtpfade teilen oder zusammenfuhren. Man bezeichnet diese Bauteile als Koppler oder optische Viertore. LWL-Viertore besitzen je zwei als Lichtwellenleiter ausgeführte Ein- und Ausgänge. Abbildung 13.1a zeigt ein optisches Ersatzschaltbild. In der Betriebsart „verzeigen" wird optische Leistung z.B. über den Eingang 1 (Tor 1) zugeführt, auf je einen durchgehenden und abzweigenden Pfad aufgeteilt und an den beiden Ausgangstoren 3 und 4 bereitgestellt. In der Betriebsart „koppeln" wird optische Leistung gleichzeitig an Tor 1 und an Tor 2 angeboten und an Tor 3 und/oder Tor 4 entnommen. Grundsätzlich müssen nicht benötigte Ein- oder Ausgänge reflexionsfrei abgeschlossen werden; diese Maßnahme ist in den nachfolgenden Zeichnungen nicht dargestellt.

Wolfgang Bludau

14. Intrinsische Sensoren mit Standardfasern

Zusammenfassung

Bei intrinsischen LWL-Sensoren verbleibt das Licht auch im Meßaufnehmer innerhalb des LWL. In diesem Kapitel werden intrinsische Sensoren mit Standardfasern vorgestellt, bei denen die Meßgröße lokal die Dämpfung des LWL erhöht. Gemessen wird die durch den LWL transmittierte Leistung. Die Dämpfungshöhung zeigt sich hier als Leistungsverlust.

Wolfgang Bludau

15. Polarisationscharakteristik von Faser-LWL

Zusammenfassung

Anstelle der Intensität ist es auch denkbar, die Polarisation des Lichtes durch die zu messende Größe zu modulieren. Nach diesem Prinzip funktionierende extrinsische Sensoren wurden in Abschn. 13.4 besprochen. Wenn man entsprechend arbeitende intrinsische Allfaser-Sensoren konzipieren will, muß man sicherstellen, daß der zuführende LWL-Teil am Sensoreingang einen genau definierten und zeitlich stabilen Polarisationszustand (SOP) bereitstellt, und daß der durch die Meßgröße modifizierte SOP sich längs der abführenden Restfaserstrecke nicht unkontrolliert ändert. Wir müssen deshalb genauer untersuchen, ob - und wenn ja: wie — eine Faser die Polarisation des in ihr geführten Lichtes verändert. Dazu benötigen wir geeignete physikalische Kenngrößen, mit denen wir eine Einflußnahme auf die Polarisation erfassen können. In Anhang A4 werden diese Kenngrößen besprochen. Sie werden im nachfolgenden Text verwendet, ohne daß jedesmal auf den Anhang A4 verwiesen wird.

Wolfgang Bludau

16. Intrinsische faseroptische Polarimeter

Zusammenfassung

Die grundsätzliche Funktionsweise der intrinsischen faseroptischen Polarimeter ist leicht verständlich. Nach dem in Absschn. 15.2 vorgestellten Fasermodell wirkt eine Einmodenfaser wie ein linearer Retarder mit der Eigen-Anisotropie B_L0, gefolgt von einem zirkularen Retarder mit der Eigen-Anisotropie B_C0. Die Länge beider Retarder ist jeweils gleich der Faserlänge. Durch spezielle Konstruktion der Faser werden entweder B_L0 (bei HiBi-Fasern) oder B_C0 (bei Fasern mit Helixkern) so verstärkt, daß die jeweils andere Doppelbrechungsart vernachlässigbar ist; in LoBi-Fasern werden beide Arten auf verschwindend geringe Werte reduziert.

Wolfgang Bludau

17. Interferometrische Sensoren: Grundlagen

Zusammenfassung

Nach Gl. (1.5) in Verbindung mit Gl. (1.31) ist die Phase einer sich mit Phasengeschwindigkeit v in einem Medium mit Brechzahl n in (+z)-Richtung ausbreitenden Welle in der Ebene z zum Zeitpunkt t gegeben durch

$$ \Phi (z,t) = \omega t - \frac{\omega }{v}z + \varphi = \omega t - \frac{{2\pi }}{\lambda }nz + \varphi . $$

(17.1a)

Wolfgang Bludau

18. Sensoren mit LWL-Interferometern nach Mach-Zehnder und nach Michelson

Zusammenfassung

Abbildung 18.1 zeigt ein vollständig in LWL-Technik aufgebautes Zweistrahl- interferometer. Das Licht eines Halbleiterlasers wird mit einem Koppler auf zwei Faser-LWL aufgeteilt. Die beiden Fasern bilden Meßarm und Referenzarm des Interferometers. Mit einem 2. Koppler werden die Lichtfelder wieder zusammengeführt, an den beiden Ausgängen des Kopplers stehen zwei komplementäre Intensitätssignale zur Verfugung, die mit Photodioden registiert werden können. Man bezeichnet diese Interferometerkonzeption als Mach-Zehnder-Konfiguration.

Wolfgang Bludau

19. Faseroptisches Sagnac-Interferometer als Drehratensensor

Zusammenfassung

Abbildung 19.1 skizziert den grundsätzlichen Aufbau eines Interferometers in Sagnac-Konfiguration mit LWL-Fasern. Das Licht einer LED wird linear polarisiert und anschließend — meist über eine kurze LWL-Strecke — in Tor 1 eines polarisationsneutralen Kopplers eingespeist. Der Koppler teilt das Licht auf seine beiden Ausgangstore, die wiederum über eine polarisationserhaltende HiBi-Faser miteinander verbunden sind. Die Polarisationsrichtung des Lichtes wird in eine der beiden Hauptachsen der HiBi-Faser gelegt, der Polarisationszustand bleibt beim Durchlaufen der Faser unverändert. Licht, das aus Tor 3 des Kopplers austritt, wird zu Tor 4 des Kopplers zurückgeführt; Licht aus Tor 4 zu Tor 3. Die Ausgangstore 3 und 4 werden so zu neuen Eingangstoren 1′ und 2′ Das zurückgespeiste Licht wird im Koppler gemischt und tritt an dessen ursprünglichen Eingangstoren 1 und 2 wieder aus; die Tore 1 und 2 werden zu Ausgangstoren 3′ und 4′. Das aus Tor 3′ (≡ Tor 1) austretende Licht fließt zur Lichtquelle zurück, steht also ohne zusätzliche Ausblendemaßnahmen für eine Auswertung nicht zur Verfu¬gung. Direkt gemessen werden kann nur die Intensität des aus Tor 4′ (≡ Tor 2) austretenden Lichtes.

Wolfgang Bludau

Backmatter