Optische Signalübertragung Mit Lichtwellenleitern: Einführung in Die Physikalischen Grundlagen

ISBN-13: 9783528064846 / Niemiecki / Miękka / 1993 / 234 str.

Friedrich L. He

Opis

In un serer hochtechnisierten Gesellschaft hat der Transport von Informationen eine groBe, bestlindig wachsende Bedeutung. In der elektrischen Nachrichtentechnik stehen zum Austausch von Informationen drei verschiedene Ubertragungssysteme mit wesentlich unter schiedlichen Eigenschaften, insbesondere mit unterschiedlich hohen Tragerfrequenzen zur Verfligung: Koaxialleitungen aus Kupfer mit Tragersignalen im MHz-Bereich; hOhere Tragerfrequen zen sind infolge zunehmender Leitungsd1impfung nicht moglich Richtfunkstrecken, zu denen auch die Satelliten-Nachrichtenstrecken zahlen, mit Tragersignalen im GHz-Bereich Lichtwellenleiter, die aus einer haarfeinen Glasfaser bestehen, mit Tragersignalen im THz-Bereich. Eine entscheidende GroBe zur Beurteilung der Leistungsfahigkeit eines Ubertragungssystems ist die erreichbare Ubertragungskapazitat. Sie wird bestimmt durch die Frequenz des Tragersignals, mit der das System betrieben wird. Hohe Tragersignalfrequenzen ermoglichen hohe Ubertragungskapazitaten. Flir die oben angegebenen Ubertragungssysteme betragt der Unterschied im moglichen Frequenzbereich des Tragersignals jeweils drei GrOBenordnungen; die gleiche Bilanz gilt flir die Ubertragungskapazitat. Aus dieser Tatsache folgt die groBe Uberlegenheit des Lichtwellenleiters (LWL) beim Transport hoher Bitraten. Modeme digitale Nachrichtennetze arbeiten mit binarer Kodierung der Information unter Anwendung der Pulscodemodulation (PCM). Die zu libertragende Information wird in einzelne Bit, die kleinste Einheit der Information, zerlegt und im Lichtwellenleiter in Form kurzer Lichtimpulse libertragen. Die Leistungsfahigkeit des Systems wird in libertragbare Bit je Sekunde ange geben. In der optischen Signaliibertragung hat das Tragersignal bei einer Wellen lange von 1,5 pm, dem Dampfungsminimum der Quarzglasfaser, eine Frequenz von 200 THz.

Spis treści

1 Einleitung.- 2 Physikalische Eigenschaften des Lichtes.- 2.1 Bestimmung der Eigenschaften des Lichtes durch physikalische Experimente.- 2.2 Dualismus Welle - Korpuskel.- 2.3 Vorgänge, die mit Hilfe der Teilcheneigenschaft des Lichtes beschrieben werden.- 2.3.1 Absorption und Emission von Licht.- 2.3.2 Äußerer Photoeffekt.- 2.3.3 Innerer Photoeffekt.- 2.3.4 Compton-Effekt.- 2.3.5 Paarbildung und Paarzerstrahlung.- 2.3.6 Gravitationswirkung auf Lichtquanten.- 2.4 Vorgänge, die mit Hilfe der Welleneigenschaft des Lichtes beschrieben werden.- 2.4.1 Interferenz.- 2.4.2 Polarisation.- 2.4.3 Reflexion, Brechung, Totalreflexion.- 2.4.4 Beugung des Lichtes.- 2.4.5 Streuung des Lichtes.- 2.5 Dispersion der Lichtgeschwindigkeit.- 2.6 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit.- 2.7 Ausbreitung des Lichtes in verschiedenen Medien.- 2.8 Energiebilanz bei Ausbreitung des Lichtes.- 3 Eigenschaften und Kennwerte optischer Strahlungsquellen.- 3.1 Physikalische Größen zur Beschreibung und Messung der optischen Strahlung.- 3.2 Eigenschaften optischer Strahlungsquellen.- 3.3 Von Temperaturstrahlern emittierte optische Strahlung.- 4 Der Laser als Quelle monochromatischer und kohärenter optischer Strahlung.- 4.1 Bedeutung, Eigenschaften und Anwendungen des Lasers.- 4.2 Energiestufen eines atomaren Systems.- 4.3 Spontane und stimulierte Emission, Anregung.- 4.4 Allgemeines Funktionsprinzip eines Lasers.- 4.5 Gaslaser.- 4.6 Festkörperlaser.- 5 Eigenschaften des Lichtwellenleiters.- 5.1 Prinzipieller Aufbau eines Systems zur optischen Signalübertragung mit Lichtwellenleitem.- 5.2 Anwendungsmöglichkeiten für optische Übertragungssysteme.- 5.3 Reflexion, Brechung und Totalreflexion im Lichtwellenleiter.- 5.4 Prinzipieller Aufbau eines Lichtwellenleiters.- 5.5 Grundtypen für Lichtwellenleiter.- 5.6 Allgemeine Eigenschaften eines Lichtwellenleiters.- 5.7 Übertragungseigenschaften eines Lichtwellenleiters.- 5.8 Akzeptanzwinkel und numerische Apertur.- 5.9 Impulsdispersion.- 5.9.1 Ursachen der Impulsdispersion.- 5.9.2 Vergleich der Dispersionskomponenten.- 5.9.3 Wirkung der Dispersionskomponenten in den drei Fasertypen.- 5.9.4 Modendispersion in der Multimoden-Stufenprofilfaser.- 5.9.5 Modendispersion in der Multimoden-Gradientenfaser.- 5.10 Dämpfung der Siliciumdioxidfaser.- 5.11 Moden eines Lichtwellenleiters.- 5.12 Modengleichgewichtsverteilung.- 5.13 Kerndurchmesser von Monomodefasem.- 5.14 Maximale Länge einer optischen Übertragungsstrecke mit Lichtwellenleiter.- 5.15 Zwischenverstärker zur Vergrößerung der Systemreichweite.- 5.16 Dispersionsfreie Signalübertragung mit Solitonen.- 5.17 Frequenzmultiplextechnik zur Erweiterung der Übertragungskapazität eines Lichtwellenleiters.- 6 Strahlungsquellen für Lichtwellenleiter-Übertragungssysteme.- 6.1 Übersicht und Anforderungen an Strahlungsquellen für Lichtwellenleiter.- 6.2 Der Halbleiter-pn-Übergang.- 6.3 Absorptions- und Emissionsprozesse in Halbleitern.- 6.4 Anregung und Rekombination in Halbleitern.- 6.4.1 Erzeugung einer Besetzungsinversion in Halbleitern.- 6.4.2 Direkte und indirekte Halbleiter.- 6.4.3 Rekombinationsprozesse in HL-Strahlungsquellen.- 6.5 Materialien für HL-Strahlungsquellen.- 6.6 Funktionsprinzip der Lumineszenzdiode (LED).- 6.7 Ausführungsformen von LED.- 6.7.1 Flächenstrahler-LED für 850 nm.- 6.7.2 Flächenstrahler-LED für 1,3 µm.- 6.7.3 Kantenstrahler-LED.- 6.7.4 Super-Lumineszenzdiode SLD.- 6.8 Wirkungsgrad der Lichterzeugung bei LED.- 6.9 Funktionsprinzip der Laserdiode (LD).- 6.10 Longitudinales Modenspektrum der Laserdiode.- 6.11 Halbleiterstrukturen für Laserdioden.- 6.12 Ausführungsformen von Laserdioden.- 6.13 Wirkungsgrad von Laserdioden.- 6.14 Einsatzbedingungen für Laserdioden.- 6.15 Ankopplung der Strahlungsquelle an den LWL.- 6.16 Lebensdauer von HL-Strahlungsquellen.- 7 Strahlungsempfänger für Lichtwellenleiter-Übertragungssysteme.- 7.1 Übersicht und allgemeine Anforderungen an Strahlungsdetektoren.- 7.2 Funktionsprinzip der Halbleiter-Photodiode.- 7.3 Wirkungsgrad der Photodiode.- 7.3.1 Reflexion swirkungsgrad.- 7.3.2 Absorptionswirkungsgrad.- 7.4 Berechnung des Photostromes.- 7.5 Bildung von Ladungsträgerpaaren.- 7.6 Materialien für Halbleiter-Photodioden.- 7.7 Dimensionierung von Photodioden.- 7.8 Photodioden vom pn-Typ.- 7.9 Photodioden vom pin-Typ.- 7.10 Photodioden mit Lawineneffekt.- 7.11 Zusammenfassender Vergleich der drei Photodiodentypen.- 8 Technologie der Faserproduktion.- 8.1 Stab-Rohr-Methode.- 8.2 Doppeltiegelmethode.- 8.3 CVD-Verfahren.- 8.3.1 MCVD-Verfahren.- 8.3.2 PCVD-Verfahren.- 8.3.3 DVD-Verfahren.- 8.3.4 VAD-Verfahren.- 8.4 Aufbereitung des Grundmaterials im CVD-Verfahren.- 8.5 Aufbau der Vorform durch Innenabscheidung nach PCVD-Verfahren.- 8.6 Aufbau der Vorform durch Außenabscheidung in Achsrichtung nach VAD-Verfahren.- 8.7 Faserziehprozeß.- 8.8 Erzeugung der Brechzahldifferenz von Quarzglasfasern.- 8.9 Andere Gläser geringer Dämpfung für LWL.- Literaturhinweise.- Sachwortverzeichnis.