Lichtwellenleiter in Sensorik Und Optischer Nachrichtentechnik

ISBN-13: 9783642720673 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 340 str.

Wolfgang Bludau

Opis

Erstmals werden die beiden grossen Einsatzfelder der Lichtwellenleiter in einem Buch vereint dargestellt, womit dem wichtiger werdenden Anwendungsgebiet der Lichtwellenleiter in der Sensortechnik angemessen Rechnung getragen wird."

Spis treści

1 Optische Wellen.- 1.1 Einige Grundbegriffe der Wellenlehre.- 1.1.1 Ebene harmonische Wellen.- 1.1.2 Phase einer Welle; Phasenänderung längs einer Wegstrecke und innerhalb einer Zeitspanne.- 1.1.3 Phasengeschwindigkeit und Ausbreitungskonstante.- 1.1.4 Wellenlänge.- 1.1.5 Wellengruppen und Gruppengeschwindigkeit.- 1.2 Elektromagnetische Wellen.- 1.2.1 Mathematische Beschreibung.- 1.2.2 Transversale und longitudinale Feldanteile; Wellenbezeichnungen.- 1.2.3 Polarisation.- 1.2.4 Intensität und Leistung.- 1.2.5 Komplexe Notation.- 1.2.6 Freie Wellenausbreitung in Vakuum.- 1.3 Licht als elektromagnetische Welle.- 1.3.1 Frequenzmäßige Einordnung.- 1.3.2 Phasengeschwindigkeit in Materie, Brechungsindex.- 1.3.3 Gruppengeschwindigkeit in Materie, Gruppenbrechungsindex.- 1.3.4 Kohärenz realer optischer Wellen.- 1.3.5 Strahlenmodell der Lichtausbreitung.- 2 Lichtwellenleiter.- 2.1 Dielektrische Wellenleiter.- 2.2 Lichtwellenleiter in Faserform.- 2.2.1 Einteilung nach dem Brechzahlprofil.- 2.2.2 Einteilung nach der übertragbaren Modenvielfalt.- 2.3 Integriert-optische Lichtwellenleiter.- 2.3.1 Streifenleiter mit aufgesetzten oder versenkten Streifen.- 2.3.2 Streifenleiter mit Höhenprofilierung eines Kernfilms (Rippenleiter).- 2.3.3 Funktionstypen und Substratmaterialien.- 3 Geometrisch-optische Lichtwege in LWL.- 3.1 Strahlenoptische Lichtwege im Stufenindex-LWL.- 3.1.1 Reelle Totalreflexion an einer Trennfläche.- 3.1.2 Prinzip der Lichtführung im Filmwellenleiter mit Stufenprofil.- 3.1.3 Lichtausbreitung in gebogenen LWL.- 3.2 Prinzip der Lichtfuhrung in Gradientenindex-LWL mit parabolischem Brechzahlprofil.- 3.2.1 Virtuelle Totalreflexion.- 3.2.2 Lichtwege in Filmwellenleitern mit Parabelprofil.- 3.3 Übertragung auf rotationssymmetrische Faser-LWL.- 3.3.1 Meridionalstrahlen, schiefe Strahlen, Helixstrahlen.- 3.3.2 Akzeptanzwinkel, Akzeptanzkegel, numerische Apertur.- 4 Berücksichtigung der Wellennatur des Lichtes.- 4.1 Stufenprofil-Filmwellenleiter.- 4.1.1 Stehwellen.- 4.1.2 Interferenz bei mehrfacher Totalreflexion: charakteristische Gleichung.- 4.1.3 Moden.- 4.1.4 Evaneszente Felder und Intensitäten.- 4.1.5 Modenverhalten bei Biegung des LWL.- 4.2 Gradientenindex-Filmwellenleiter mit Parabelprofil.- 4.3 Übertragung auf rotationssymmetrische Faser-LWL und auf integriert-optische LWL.- 5 Exakte Berechnung der Lichtausbreitung.- 5.1 Faser-LWL mit Stufenprofil.- 5.1.1 Entwicklung einer Wellendifferentialgleichung aus den Maxwell’sehen Gleichungen.- 5.1.2 Geführte Moden als Lösung der „reduzierten“ Differentialgleichung.- 5.1.3 Lösungsversuch: LP-Moden (Moden mit einheitlich in derselben Richtung linear polarisierten Feldern).- 5.1.4 LP-Modenbilder in Stufenprofilfasern.- 5.1.5 Strahlungsmoden und Leckmoden.- 5.1.6 Kern-Mantel-Leistungsaufteilung, Moden-cutoff.- 5.1.7 Übergang zur Einmodigkeit, Gauß’sche Näherung für LP01.- 5.1.8 Modenberechnung bei Verzicht auf einheitliche lineare Polarisation.- 5.2 Modenfelder in Gradientenprofilfasern.- 5.3 Modenfelder in integriert-optischen Lichtwellenleitern.- 6 Einige Grundlagen der optischen Nachrichtenübertragung.- 6.1 Anaolge und digitale Signale.- 6.2 Nachrichtenübertragung in Trägerfrequenztechnik.- 6.2.1 Analoge Übertragung.- 6.2.2 Binäre digitale Übertragung.- 6.2.3 Optische Wellen als Nachrichtenträger.- 6.2.4 Übertragungsgeschwindigkeit.- 6.3 Der Einfluß des Rauschens.- 6.3.1 Signal-Rausch-Verhältnis.- 6.3.2 Abnahme des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Laufzeitunterschiede.- 6.3.3 Ursachen der Laufzeitunterschiede: Dispersion.- 6.4 Systemkenngrößen für die Übertragung von leistungsmoduliertem Licht.- 7 Verluste in Lichtweilenleitern.- 7.1 Quantitative Erfassung der Dämpfung.- 7.2 Dämpfung in Glasfaser-LWL.- 7.2.1 Intrinsische Verluste: IR-Absorption, Rayleighstreuung.- 7.2.2 Extrinsische Verluste: Absorption durch Verunreinigungen, Makrobiegung der Faser.- 7.2.3 Modenabhängigkeit der Dämpfung.- 7.2.4 Intrinsische Dämpfung in LWL aus Sulfidglas oder Fluoridglas.- 7.3 Dämpfung in POF-Fasern.- 7.4 Dämpfung in integriert-optischen LWL.- 8 Modenlaufzeitunterschiede (Modendispersion).- 8.1 Laufzeiten nach dem Strahlenmodell in Stufenprofil- und Gradientenprofilfasern.- 8.1.1 Strahlenoptische Laufzeiten im Stufenprofil.- 8.1.2 Strahlenoptische Laufzeiten im Parabelprofil.- 8.2 Exakte Theorie der Modenlaufzeiten von LP-Moden.- 8.2.1 Stufenindex-LWL.- 8.2.2 Gradientenindex-LWL mit Potenzprofil.- 8.2.3 Profiloptimierung.- 9 Einfluß der spektralen Breite der Lichtquelle: chromatische Dispersion.- 9.1 Mathematische Beschreibung.- 9.1.1 Beiträge zur chromatischen Dispersion, Dispersionskoeffizienten.- 9.1.2 Dispersionsnullstelle und dispersionsverschobene Faser.- 9.1.3 Verbesserung des Dispersionsverlaufes von Einmodenfasern durch W-Profile.- 9.2 Abschätzung der durch chromatische Dispersion verursachten Laufzeitunterschiede.- 10 Impulsverbreiterung und 3-dB-Grenzfrequenz.- 10.1 Impulsübertragung.- 10.1.1 Pulsantwortfunktion und das Problem der Leistungsaddition.- 10.1.2 Quantitative Erfassung der Impulsverbreiterung.- 10.1.3 Impulsverbreiterung einer Einmodenfaser.- 10.1.4 Impulsverbreiterung einer Vielmodenfaser.- 10.2 Analogübertragung.- 10.2.1 Bandbreite einer Einmodenfaser.- 10.2.2 Bandbreite einer Vielmodenfaser.- 10.3 Dispersion im Datenblatt; Bandbreite-Länge-Produkte.- 10.3.1 Einmoden-LWL.- 10.3.2 Vielmoden-LWL.- 11 Grenzen optischer Übertragungssysteme durch Dämpfung und Dispersion.- 11.1 Analoge Übertragung.- 11.2 Digitale Übertragung (PCM-Übertragung).- 12 Meßwerterfassung mit Lichtwellenleiter-Sensoren.- 12.1 Einige Grundbegriffe der Sensorik.- 12.2 Einteilung der Sensoren.- 12.3 Optische Sensorik mit Lichtwellenleitern.- 12.3.1 Extrinsische LWL-Sensoren: LWLinSensoren.- 12.3.2 Intrinsische LWL-Sensoren: LWLalsSensor.- 12.3.3 LWL in hybriden Sensoren.- 13 Beispiele extrinsischer optischer Sensoren.- 13.1 Füllstandsanzeiger.- 13.2 Abstandssensor durch Phasenlaufzeitmessung.- 13.3 Temperatursensor.- 13.4 Polarisationssensor (Polarimeter).- 13.4.1 Aufbau und Wirkungsweise.- 13.4.2 Mathematische Behandlung.- 13.4.3 Erzeugung linearer Doppelbrechung am Beispiel des elastooptischen Effektes und des Kerr-Effektes.- 13.4.4 Querempfindlichkeit und optische Gleichtaktunterdrückung.- 14 Intrinsische Sensoren mit Standardfasern.- 14.1 Mikrobiegungssensor.- 14.2 Sensorwirkung durch Abänderung der Mantelbrechzahl.- 14.3 Evanescent field sensor.- 14.4 „Verteilte“ Intensitätssensoren und OTDR-Auswertung.- 14.5 Sensoren mit Bragg-Gitter im Glasfaserkern.- 15 Polarisationscharakteristik von Faser-LWL.- 15.1 Polarisation in Vielmodenfasern.- 15.2 Polarisation in Standard-Einmodenfasern.- 15.3 Fasern mit modifiziertem linearen Polarisationsanteil.- 15.3.1 Fasern mit reduzierter eigener linearer Anisotropie (LoBi fiber).- 15.3.2 Fasern mit verstärkter eigener linearer Anisotropie (HiBi fiber).- 15.3.3 Polarisationsmodenkopplung.- 15.3.4 HiBi-Fasern als Polarisatoren.- 15.4 Fasern mit modifiziertem zirkularen Polarisationsanteil.- 16 Intrinsische faseroptische Polarimeter.- 16.1 Einbringen zusätzlicher linearer Anisotropie.- 16.2 Einbringen zusätzlicher zirkularer Anisotropie.- 17 Interferometrische Sensoren: Grundlagen.- 17.1 Sensorik durch Änderung optischer Weglängen.- 17.2 Messung von Phasendifferenzen mit Zweistrahlinterferometern.- 17.3 Zweistrahlinterferometer als Sensor.- 17.4 Anforderungen an die Lichtquelle.- 17.5 Lichtwellenleiter in Zweistrahlinterferometern.- 18 Sensoren mit LWL-Interferometern nach Mach-Zehnder und nach Michelson.- 18.1 Mach-Zehnder-Interferometer als Sensor.- 18.1.1 Interferometeraufbau und Sensorkennlinie.- 18.1.2 Linearisierung der Kennlinie durch aktive Rückkoppelung.- 18.1.3 Einsatzmöglichkeiten.- 18.2 Michelson-Interferometer als Sensor.- 18.2.1 Interferometeraufbau und Sensorkennlinie.- 18.2.2 Linearisierung der Kennlinie durch Phasenmodulation.- 19 Faseroptisches Sagnac-Interferometer als Drehratensensor.- 19.1 Aufbau des Interferometers.- 19.2 Sagnac-Effekt.- 19.3 Berechnung des Phasen Versatzes infolge Rotation.- 19.4 Technische Realisierung; Linearisierung der Kennlinie.- 19.5 Einsatz von Sagnac-Drehratensensoren.- A1 Anhang: Sellmeier-Beschreibung der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl.- A2 Anhang: Zentrum und effektive Breite eines Zeitpulses bzw. einer Spektrallinie.- A3 Anhang: Polarisation von Licht.- A4 Anhang: Mathematische Beschreibung der Polarisation mit dem Jones-Formalismus.- A4.1 Jones-Vektoren.- A4.2 Polarisationsoptische Bauelemente und Jones-Matrizen.- A4.2.1 Linearpolarisator.- A4.2.2 Linearer Retarder (lineare Doppelbrechung, lineare optische Anisotropie).- A4.2.3 Zirkularer Retarder (zirkuläre Doppelbrechung, zirkuläre optische Anisotropie).- A4.2.4 Eigenzustände polarisationsoptischer Bauelemente.- A5 Anhang: Vereinfachte mathematische Beschreibung von Kopplern mit Einmoden-LWL.- A6 Anhang: Transversaler Pockels-Effekt (transversaler linearer elektrooptischer Effekt).- Literaturvierzeichnis.

Blurb

Dieses Buch beschreibt die Grundlagen der Wellenleiteroptik und diskutiert den Einsatz der Lichtwellenleiter sowohl in der Sensorik wie in der optischen Übertragungstechnik. Diese beiden großen Einsatzfelder der Lichtwellenleiter werden hier erstmals in einem Buch vereint dargestellt, womit gerade dem wichtiger werdenden Anwendungsgebiet der Lichtwellenleiter in der Sensortechnik einmal angemessen Rechnung getragen wird. Das Buch erarbeitet das wesentliche physikalische und nachrichtentechnische Fachwissen, verzichtet aber auf allzu aufwendige mathematische Herleitungen. Es eignet sich daher gleichermaßen als vorlesungsbegleitendes Lehr- und Nachschlagewerk wie auch als Einführungstext für alle, die sich das Gebiet selbständig erarbeiten wollen.