Grundlagen Der Faseroptischen Übertragungstechnik

ISBN-13: 9783519061175 / Niemiecki / Miękka / 1985 / 163 str.

Walter Heinlein

Opis

Die Technik der Nachrichtenubertragung uber optische Kabel hat seit dem Beginn der 70er Jahre dank einer weltweiten Forschungs- und Entwicklungsarbeit sehr grosse Fort schritte gemacht. Triebfeder fur die starken Aktivitaten auf diesem Gebiete sind die vie len technischen und betrieblichen Vorteile, die optische Kabel gegenuber herkommlichen ubertragungsmedien, wie Kupferkabel aller Art, Richtfunk- und Satellitenfunkstrecken, haben. Optische Kabel treten heute nicht nur in erfolgreiche Konkurrenz zu allen bisher ublichen ubertragungsmedien, sondern bieten daruber hinaus die Moglichkeit zum Aufbau weltweiter Breitbandkommunikationsnetze, die auf wirtschaftliche Weise mit herkomm licher Technik uberhaupt nicht zu realisieren waren. Einigen wissenschaftlichen Grund lagen dieser besonders zukunftstrachtigen optischen Nachrichtenubertragungstechnik ist das vorliegende Studienbuch gewidmet. Seit den grundlegenden Arbeiten von J. C. Maxwell ist die Optik als ein wichtiges Anwen dungsgebiet der Theorie elektromagnetischer Felder und Wellen zu betrachten und daruber hinaus auch als ein legitimes Arbeitsgebiet eines Elektroingenieurs. Das vorliegende Stu dienbuch ist in diesem Sinne von einem Elektrotechniker fur angehende Elektroingenieure geschrieben. Es ist aus Vorlesungen hervorgegangen, die die faseroptische ubertragungs technik als ein modernes und hochaktuelles Anwendungsfeld fur die Maxwellsehe Feld theorie behandeln. Aus diesem Grunde stehen die Ausbreitungsvorgange optischer Wellen in Lichtwellenleitern im Mittelpunkt der Erorterungen (Kap. 4). Den grundlegenden theoretischen Konzepten der Wellenoptik und der Strahlenoptik, die als wichtigste Werk zeuge fur diese Erorterungen verwendet werden, ist je ein eigenes Kapitel (Kap. 2 bzw. 3) gewidmet. Diese Kapitel unterstreichen den Lehrbuchcharakter des fur Studenten geschriebenen Werkes und unterscheiden es von manchen anderen Publikationen

Spis treści

1 Prinzipien und Komponenten der optischen Nachrichtenübertragung.- 1.1 Das elektromagnetische Spektrum.- 1.2 Optische Übertragungssysteme.- 1.3 Modulationsverfahren.- 1.4 Senderelemente.- 1.4.1 Lichtemittierende Dioden (LED).- 1.4.2 Laserdioden (LD).- 1.5 Charakteristische Daten und Eigenschaften von Sendedioden.- 1.5.1 Verwendete Materialien.- 1.5.2 Kennlinien.- 1.5.3 Spektrale Leistungsdichte.- 1.5.4 Übertragungsfaktor und Quantenwirkungsgrad.- 1.5.5 Strahlungscharakteristik.- 1.5.6 Modulationsgeschwindigkeit.- 1.5.7 Schaltungsbeispiel für eine optische Senderstufe.- 1.6 Empfangselemente.- 1.6.1 Photodioden.- 1.6.2 Lawinen-Photodioden.- 1.6.3 Phototransistoren.- 1.7 Das optische Übertragungsmedium: Lichtwellenleiter.- 1.7.1 Optische Dämpfung.- 1.7.2 Fasertypen: Brechzahlprofile und Impulsdispersion.- 1.7.3 Stufenprofilfasem.- 1.7.4 Gradientenfasem.- 1.7.5 Einwellige Fasern.- 1.8 Zur Herstellung von Quarzglasfasem.- 1.9 Optische Kabel und Faserverbindungen.- 1.10 Anwendungen.- 2 Wellenoptik.- 2.1 Übertragungsmedium.- 2.2 Ableitung der Wellengleichung für die Momentanwerte $${\vec e}$$ der elektrischen Feldstärke.- 2.3 Näherung der Wellengleichung für $${\vec e}$$.- 2.4 Ableitung der Wellengleichung für die Momentanwerte $${\vec h}$$ der magnetischen Feldstärke.- 2.5 Näherung der Wellengleichung für $${\vec h}$$.- 2.6 Lösung der skalaren Wellengleichung.- 2.7 Deutung der Lösung als homogene Planwelle.- 2.8 Die harmonische homogene Planwelle.- 2.9 Graphische Darstellungen der harmonischen Planwelle.- 2.10 Polarisation.- 2.11 Komplexe Schreibweise harmonischer Wellen.- 2.12 Zusammenhang zwischen den Feldstärken der homogenen Planwelle und Orientierung der Feldstärken zum Ausbreitungsvektor.- 2.13 Komplexe Dielektrizitätszahl: dielektrische Verluste und Materialdispersion.- 2.14 Wellengruppe: Phasenlaufzeit und Gruppenlaufzeit.- 2.15 Die Gruppenlaufzeitstreuung (chromatische Dispersion).- 2.16 Phasenlaufzeit und Gruppenlaufzeit von Wellen (Moden) in Glasfasern, Wellenleiterdispersion.- 2.17 Überlagerung zweier gleichfrequenter homogener Planwellen: stehende Wellen.- 2.18 Überlagerung zweier gleichfrequenter homogener Planwellen: allgemeiner Fall.- 2.19 Reflexion und Transmission bei senkrechtem Einfall einer homogenen Planwelle auf die ebene Grenzfläche zweier homogener Dielektrika.- 2.20 Schräger Einfall einer homogenen Planwelle auf die ebene Grenzfläche zweier homogener Dielektrika; Totalreflexion.- 2.21 Klassifizierung von Wellen nach der Phasenlaufzeit.- 2.22 Reflexions-Faktoren einer homogenen Planwelle bei schrägem Einfall auf eine ebene dielektrische Grenzfläche: einfallende Welle elektrisch transversal polarisiert (TE).- 2.23 Fortsetzung: einfallende Welle magnetisch transversal polarisiert (TM); Brewster-Effekt.- 3 Strahlenoptik (Geometrische Optik).- 3.1 Die Eikonalgleichung.- 3.2 Die Strahlendifferentialgleichung.- 3.3 Paraxiale Näherung der Strahlendifferentialgleichung.- 3.4 Fermatsches Prinzip und Brechungsgesetz.- 3.5 Verallgemeinerung des Brechungsgesetzes bei stetigen Brechzahländerungen und Anwendung auf geführte Lichtstrahlen in Fasern.- 3.6 Ableitung der Strahlendifferentialgleichung aus dem Fermatschen Prinzip.- 3.7 Verhältnis von Strahlen- und Wellenoptik und deren Verhältnis zur Mechanik.- 3.8 Anwendung der paraxialen Strahlendifferentialgleichung auf eine Gradientenfaser mit parabolischem Brechzahlprofil.- 3.9 Fortsetzung: Exakte Lösung des Meridionalstrahlverlaufs.- 3.10 Strahlendifferentialgleichung und lokaler Ausbreitungsvektor.- 3.11 WKB-Optik (WKB-Näherung).- 4 Dielektrische Wellenleiter: Wellenausbreitung in Glasfasern.- 4.1 Klassifikation der Wellenformen in vielwelligen Fasern.- 4.2 Stufenprofilfasern: Strahlenoptik der geführten Wellen.- 4.2.1 Das Brechzahlprofil.- 4.2.2 Neigungswinkel der Kernstrahlen.- 4.2.3 Laufzeit.- 4.2.4 Aufweitung der Impulsantwort (Impulsverbreiterung).- 4.3 Das diskrete Modenspektrum der geführten Wellen.- 4.4 Akzeptanzwinkel der Stufenprofilfaser.- 4.5 Gradientenfaser mit Potenzprofil der Brechzahl; Grundsätzliches zur Signalbandbreite und zum Verlauf geführter Strahlen.- 4.6 Laufzeit meridionaler Strahlen; Modengruppen und Impulsaufweitung in Gradientenfasem mit parabolischem Brechzahlprofil.- 4.7 WKB-Optik der Strahlen (Moden) in vielwelligen Gradientenfasern.- 4.7.1 Die transversalen Resonanzbedingungen.- 4.7.2 Der Grundmodus.- 4.7.3 Die Meridionalmoden.- 4.7.4 Schiefe Moden und Helixmoden.- 4.7.5 Leckmoden und Strahlungsmoden.- 4.7.6 Modengruppen und Modenkennzahlebene.- 4.7.7 Gruppenlaufzeit und chromatische Dispersion eines Modus; optimales Potenzprofil der Brechzahl.- 4.8 Numerische Apertur einer Gradientenfaser.- 4.9 Modelle optischer Sender und Einkoppelwirkungsgrad.- 4.9.1 Strahlungscharakteristiken einfacher Sendermodelle.- 4.9.2 Einkoppelwirkungsgrad.- 4.10 Einwellenfasern.- 4.10.1 Die Separation der skalaren Wellengleichung: die Modenkennzahlen ? und ?.- 4.10.2 Die Grundwelle: Feld und Ausbreitungskonstante.- 4.10.3 Die Grenzwellenlänge.- 4.10.4 Die Laufzeit der Grundwelle.

O autorze

Prof. Dr.-Ing. Walter Heinlein (em.) lehrte Theoretische Elektrotechnik und
Optische Kommunikationstechnik an der Universität Kaiserslautern