optische telekommunikationstechnik - tu-ilmenau.de · “fiber-optic communication systems”, g.p....

Optische Telekommunikationstechnik 1Prof. Dr. M. Hein

SS 2019

Hochfrequenz- und Mikrowellentechnikwww.tu-ilmenau.de/hmtSeit 1961

Optische Telekommunikationstechnik


SS 2019


1. EinführungOptische Übertragungssysteme, Betrachtungsweisen der Optik

Optische Telekommunikationstechnik 1

2. Lichtwellenleiter (Multimode- und Monomode-Fasern, Kap. 2 und 3)Geführte Wellen, Moden, numerische Apertur, Dämpfung, Dispersion, Nichtlinearitäten, Lichtwellenleiter-Verbindungen

3. Optische Frontends (Kap. 4 und 5)Halbleiterelektronik, Lichtquellen und Lichtdetektoren (Prinzipien, Bauformen, Kenngrößen), Sender- und Empfängermodule

Inhalt

4. Aktive und passive optische KomponentenFaseroptische Netze (Fokus: Komponenten), Transceiver, Verstärker (Bauformen, Kenngrößen), passive Komponenten


SS 2019


Literatur (Auswahl)1. “Fiber-optic communication technology”, D.K. Mynbaev, L.L. Scheiner, Prentice Hall 2001, ELT ZN 6280 M997 Referenzliteratur für Vorlesung

2. “Optische Informationsübertragung”, B. Bundschuh, J. Himmel, Oldenbourg 2003, ELT ZN 6280 B942 Nützliche Ergänzung

3. “Fiber-optic communication systems”, G.P. Agrawal, Wiley 2002 (Dritte Ausgabe; Zweite Ausgabe: 1997), ELT ZN 6280 A277 Inhaltliche und Detail-Ergänzungen, Nachrichtentechnische Aspekte (OTK2)

4. “Optische Nachrichtentechnik – Grundlagen und Anwendungen”, V. Brückner, Teubner 2003, ELT ZN 6280 B889 Übersichtliche und pragmatische Ergänzungen und Illustrationen

5. “Optische Nachrichtentechnik - Eine Einführung”, G. Grau, W. Freude, Springer 1991 (Dritte Auflage), ELT ZN 6280 G774 (3)

6. "Fiber-optic communications”, G. Lachs, McGraw-Hill Telecommunications, 1998, ELT ZN 6280 L138

Selbständige Vertiefung der Vorlesungsinhalte• Beispiele aus Lehrbuch [1]• Aufgaben zur Vorlesung www.tu-ilmenau.de/hmt/ → Lehre

Literatur


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Netztopologien der TelekommunikationstechnikGitter (mesh) Stern

Ring Bus

node 1 node 2

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link

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Einführung

server


SS 2019


Shannon-Hartley-Theorem

Claude Elwood Shannon(1916-2001)

( )2C BW log 1 SNR= ⋅ +

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

0 5 10 15 20 25

BPSKGMSK8-PSK16QAMASK64QAM256QAM

Bitfe

hler

rate

, BER

Energie pro Bit / Rauschleistungsdichte, Eb/N

0 [dB]

Shan

non-

Gre

nze

OFDM

Einführung

Kanalkapazität für digital modulierte Information


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Tran

satla

ntis

che

Kab

elve

rbin

dung

en

Name Betrieb Kanäle VerbindungTAT-1 1956-1978 36…48 Schottland - NeufundlandTAT-2 1959-1982 48…72 Frankreich - NeufundlandCANTAT-1 1961-1986 80 Neufundland - SchottlandTAT-3 1963-1986 138…276 England - New JerseyTAT-4 1965-1987 138…345 Frankreich - New JerseyTAT-5 1970-1993 845…2112 Rhode Island - SpanienBRACAN I 1973 - Spanien - BrasilienPENCAN I 1973 - Spanien - BrasilienCANTAT-2 1974-1992 1.840 Neuschottland - EnglandTAT-6 1976-1994 4.000…10.000 Rhode Island - FrankreichTAT-7 1978-1994 4.000…10.500 New Jersey - EnglandTAT-8 1988-2002 40.000 USA – Frankreich (1. Glasfaserkabel)PTAT-1 1989 3 x 140 Mbit/s Bermudas - IrlandTAT-9 1992-2003 80.000 USA - SpanienTAT-10 1992-2003 2 x 565 Mbit/s USA - DeutschlandTAT-11 1993-2003 2 x 565 Mbit/s USA - FrankreichCANTAT-3 1994 2 x 2,5 Gbit/s Kanada - DeutschlandTAT-12/13 1996 2 x 5 Gbit/s USA – England/FrankreichTAT-14 2001 64 x 10 Gbit/s USA - England Einführung


SS 2019


http

://ol

dsite

.vis

lab.

usyd

.edu

.au/

proj

ects

/pho

toni

csA/

alca

tel.g

if (2

011)

Einführung


SS 2019


Übertragungskapazität optischer Glasfaserkabelhttp://w

eb.physik.uni-rostock.de/optik/de/dm_referenzen.htm

l(Freundliche G

enehmigung D

r. A. Hause, U

ni Rostock, 19.03.2013)

Einführung

Entfe

rnun

g in

100

0 km

Datenrate in Tb/s


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Einführung


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Optischer Sender

Einführung


SS 2019


Aufbau von GlasfasernKonzentrische StrukturFaserkern (core) – führt überwiegend Leistung (Moden)Fasermantel (cladding) – trägt gemeinsam mit Kern zur Lichtführung beiFaserhülle (Lackierung) (coating) – definiert optischen MantelVerstärkung und Kabelhülle – dienen der mechanischen Versteifung

http://www.2cool4u.ch/basics/lwl_einfuehrung/lwl_einfuehrung.htm (2017 nicht mehr verfügbar) Einführung


SS 2019


Elek

tr. K

enng

röße

n vo

n G

lasf

aser

n

Einführung


SS 2019


Mechanische Kenngrößen von Glasfasern

Einführung


SS 2019



SS 2019


Chronologie der optischen NachrichtentechnikLicht als Informationsressource (Freiraum)

Feuerzeichen, RauchwolkenSpiegelungen des SonnenlichtsLeuchttürme, optisches Morsen

http://ww

w.ib.hu-berlin.de/~w

umsta/infopub/textbook/um

feld/rehm1.htm

l

-1184 Fall Trojas mit Rauchsignalen nach Argos gemeldet (555 km, 9 Fackelstationen; Aischylos im Drama "Agamemnon")

-450 a.D. Erfindung der Fackeltelegrafie (Kleoxenos und Demokleitos)-431…-404 Verabredete Feuerzeichen im Peloponnesischen Krieg 1621 Snellius'sches Brechungsgesetz1870 Tyndall's experimenteller Beweis der Totalreflexion1950 Erste Glasfasern (zunächst > 1000 dB/km)1988 Erstes Glasfaser-basiertes Transatlantikkabel2000 Dämpfungsbelag < 0.16 dB/km2006 Laserkommunikation in Weltraum-basierten Anwendungen

Vom Altertum zur Neuzeit (Freiraum vs Faser)

Einführung


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Führung von Licht durch Totalreflexion

John Tyndall‘s experiment (1870); "La Fontaine Colladon,“published 1884 in the magazine LA NATURE from a paper by Daniel Colladon.

http://praktikum.physik.uni-bremen.de/→ Demonstrationsversuche → Optik

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Total_internal_reflection_of_Chelonia_mydas_.jpg by Mila Zinkova


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Wellenoptik und geometrische OptikTEM-Welle (Transversal elektrisch magnetisch)• Elektrische und magnetische Feldvektoren stehen senkrecht aufeinander

und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Poynting-Vektor)• Repräsentation der ebenen Wellenfront durch ihre Normale = Strahl;

Ausbreitungsrichtung = Strahlrichtung• Beschreibung des Strahlengangs durch Gesetze der geometrischen Optik

(Grenzfall kleiner Wellenlängen)

Weitere WellentypenTE (H-Wellen):TM (E-Wellen):Hybrid (HE- oder EH-Wellen):Kugelwellen(Freiraum, Fernfeld):

z zE 0, H 0≡ ≠

z zE 0, H 0≠ ≡

z zE 0, H 0≠ ≠

r rE 0, H 0≡ ≡

Multimodefasern


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BrechungsgesetzÜbergang von optisch dichterem (n1) zu dünnerem Medium (n2 < n1)• Gebrochener Strahl wird vom Lot weg gebrochen: Θ2 > Θ1

• Kritischer Einfallswinkel Θ1c: gebrochener Strahl || Grenzfläche, Θ2c = 90o

• Bei Einfallswinkeln Θ1 > Θ1c: Totalreflexion

n1

n2Θ2

Θ1 Θ1

Θ2c = 90o für 21c

1

narcsinn

Θ =

0

20

40

60

80

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

kriti

sche

r Ein

falls

win

kel Θ

1c [o ]

Verhältnis ν=n2/n

1John Tyndall‘s experiment; Quelle: "La Fontaine Colladon,“ published 1884 in

the magazine LA NATURE from a paper by Daniel Colladon.


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Elektromagnetische Wellen im Freiraum

• Maxwell-Gleichungen und

• Materialgleichungen

D und B 0B DE und H Jt t

J E und D E und B H

∇ ⋅ = ρ ∇ ⋅ =

∂ ∂∇ × = − ∇ × = +

∂ ∂= σ ⋅ = ε ⋅ = µ ⋅

• Zeit- und ortsabhängige Felder, z.B. 0j t zx 0 x0 0E E (z,t) x E e xω −γ= ⋅ = ⋅ ⋅

• Wellengleichung (1D, quellfreier Raum, homogenes Medium, unbegrenzt)

2 2x x

2 2E (z,t) E (z,t)1 0

t z∂ ∂

− ⋅ =∂ εµ ∂

• Ausbreitungskonstante Freiraumwellen(material- und frequenzabhängig, komplex)

γ = α + β

γ = −ω εµ + ωµσ0 0

2 20

j

j

• Wellengleichung und Ausbreitungs-konstante geführter Wellen (quellfreier Raum, homogenes Medium, stationär)

2 2 2 2 2trans g 0E h E 0 mit h∇ + ⋅ = = γ − γ

Multimodefasern


SS 2019


Illustration: Moden in RechteckhohlleiternMaxwell-Gleichungen & metallische Randbedingungen: abzählbar unendlich viele diskrete, ausbreitungsfähige, zeitlich stabile Feldverteilungen (Moden)

Geführte Wellenlänge λg Grenzwellenlänge λc (Hochpass)

Glanzwinkel α: Maß für Modenordnung (α klein → (,m) klein → λc groß)

0 0g 02

0 c

2cos1 ( / )

λ λπλ = = = ≥ λ

β α− λ λ

m 0c 2 2

2sin( / a) (m / b)

λπλ = =

απ + π

Metallwand

θ

EinfallendeWelle

ReflektierteWelle

λ0

λg

Metallwand

… Hohlleiterα

Multimodefasern


SS 2019


Moden in runden dielektrischen WellenleiternStationäre Lösungen (zylindrische Eigenfunktionen)der Wellengleichungen passend zu Geometrie und Medium des Wellenleiters

Charakteristische Feldbilder (Moden-Indizes)l = 0: transversal (TE0m,TM0m)l > 0: hybrid (HElm, EHlm)

Feldvariation entlang Azimut (l) und Radius (m)


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Feldbilder natürlicher Moden in optischen FasernQ

uelle unbekannt

TE01 TM01 EH11

HE11 HE21 HE31Multimodefasern


SS 2019


Verschiedene Klassen von Moden• Natürliche Moden

Stationäre Lösungen, Ausbreitung durch Totalreflexion• Linear polarisierte Moden

Entartung und Überlagerung natürlicher Moden für ∆n n, z.B. LP11

• Strahlende Moden, Leckmoden• Ausbreitung in Kern UND Hülle, Reflexion an Mantel• Stationäre sowie auch nicht-stationäre Lösungen

HE21TE01HE21 TM01

LP11EX

EX

LP11 EY

HX

EY

HX

HY

EXHY

EX

Intensitätsverteilung

E vertikal polarisiert

E horizontal polarisiert

Multimodefasern


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http://ww

wpub.utdallas.edu/~cantrell/ee6310/lectures/optical-w

g.pdf

Intensitätsverteilung in LPlm-Modenl = Zahl der Maxima pro halbem Umfangm = Zahl der Maxima pro Radius

LP01(HE11)

LP11(TE01, TM01, HE21)

LP21(EH11, HE31)

Multimodefasern


SS 2019


Inte

nsitä

tsve

rtei

lung

von

Mod

en

Fiber-optic communication technology, Mynbaev/Scheiner, Prentice Hall 2001 Multimodefasern


SS 2019


Normierte Frequenz V Dieter M

eschede: „Optik, Licht und Laser“, Springer-Verlag, ISBN

3663109542

Dispersionsrelation und effektiver Brechungsindex

Grafische Lösung für schwach führende Stufenfasern (Transversal- und Hybridmoden)

Multimodefasern


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Normierte Frequenz V

• dimensionslos• skaliert wie Frequenz• Maß für Modenordnung• Maß für axiale

Leistungsverteilung(Multimode-Fasern)

• Eindeutigkeitsbereich:LP01-Mode allein ausbreitungs-fähig für V < 2.405 (Monomode-Faser)

Hülle

total

P 2 2 1 10.943P 3 V V

≈ ⋅ ≈ ⋅

2 21 2

2 aV n nπ= ⋅ −

λ

Fiber-optic communication technology, Mynbaev/Scheiner, Prentice Hall 2001

Wellenlänge λMultimodefasern


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Reflexion an Grenzflächen

refl

ein

EE

ρ =

Grenzfläche

Lot auf Grenzfläche

EinfallendeWellenfront (E-Feld)

EinfallsebeneParallele (oder vertikale) Polarisation

Senkrechte (oder horizontale) Polarisation

Randbedingungen• Stetigkeit der tangentialen elektrischen/magnetischen Feldkomponenten• Polarisationsabhängige Randbedingungen• Reflexionskoeffizienten

α

θ

Multimodefasern


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Fresnel-Koeffizienten (Reflektanz und Phasensprung)c

c

2sin1sin

p 2sin1sin

cos 1 ( )

cos 1 ( )

Θν Θ

Θν Θ

Θ − −ρ =

Θ + −c

c

2sinsin

s 2sinsin

cos 1 ( )

cos 1 ( )

ΘΘ

ΘΘ

Θ − ν −ρ =

Θ + ν −

c

2sinsinp

( ) 1tan

2 cos

ΘΘ −δ

=Θ

c

2sinsins

( ) 1tan

2 cos

ΘΘ −δ

= νΘ

2R | |= ρ

Rp

Rs

δs

δp

2c

1

n sinn

ν = = Θ

ν = =

Θ ≈

Θ ≈

oc

oB

Beispiel :1 0.66

1.541.833.7

Bereich der Totalreflexion

Bereich der Totalreflexion

cΘ ≤ Θ cΘ > Θ cΘ ≤ Θ cΘ > Θ

j| | e δρ = ρ ⋅

Multimodefasern


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Numerische Apertur

Einkopplung von Licht in FaserkernAkzeptanzwinkel 2 Θa für α < αc

θa

θa

θ

Lichtquelle Spalt (na) Optische Faser

n2 Mantel

n1 Kern

αC

αC

n2 Mantel

2c c

1

ncos sinn

α = Θ =2 2

a 1 c 1 2NA sin n sin n n n 2≡ Θ = ⋅ α = − = ∆0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Nor

mie

rte n

umer

isch

e Ap

ertu

r NA/

n 1

Verhältnis ν=n2/n

1

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0301282.htm

Multimodefasern


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Intrinsische Dämpfung (SiO2-Fasern)

Fiber-optic communication technology, Mynbaev/Scheiner, Prentice Hall 2001Fiber-optic communication systems, G.P.Agrawal, Wiley-Intersciences 2002

ExtrinsischResonanzabsorption OH¯– Ionen:945 nm, 1240 nm, 1380 nm

Übertragungsfenster4 dB/km @ 850 nm0.5 dB/km @ 1300 nm0.3 dB/km @ 1550 nm

10

1

0.1

0.010 500 1000 1500 2000 2500 λ [nm]

IR-Absorption

UV-Absorption

Monomode 1979

Multimodefasern


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BiegeverlusteMakrokrümmung (macro-bending)Biegung der Faser → Verletzen der Bedingung für TotalreflexionModen höherer Ordnung empfindlicher als Grundmode (größerer Winkel α)Regel: RK > 100 … 150 · ∅Hülle Nutzung: Filter, Modenkoppler

Mikrokrümmung (micro-bending)Unregelmäßigkeiten an Grenzfläche zwischen Faserkern und -mantel → Verletzen der Bedingung für Totalreflexion → Leistungstransfer in strahlende Moden (besonders relevant in Monomode-Fasern)

n2 Mantel

n1 Kern α2>αC

α1>αCαC

n2 Mantel

Multimodefasern


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Modale und chromatische Dispersion

Modal: Moden-spezifische LaufzeitunterschiedeUnterscheidung Multimode- und Monomode-FasernAbschätzung einer Obergrenze ∆tSI (Stufenindex, SI)

Chromatisch: Beiträge von Material und Wellenleiter

TL

C

αC α2 α1 0

12

T

T

T

TΔt

Eingangspuls Moden in Faser Moden-spezifische Pulse Ausgangspuls

SI 1SI

t n ntc c

∆ ⋅ ∆ ∆′∆ ≡ ≤ ≈

g,mat matt D ( )′∆ = λ ⋅ ∆λ

2 2total mod chromt t t′ ′ ′∆ = ∆ + ∆

Multimodefasern


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Gradientenindex-Fasern (GI)• Axial gestufter Brechungsindex im Faserkern• Verminderung der modalen Dispersion• „Zwischenstufe“ zwischen Multimode- und Monomode-Fasern

2

GI 1 SIt N t8c 8∆ ∆′ ′∆ ≈ ⋅ ≈ ⋅ ∆

n2n1 (r) > n2

+a

–a

Radius

n

Multimodefasern


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Chromatische DispersionWellenlängenabhängiger Brechungsindex n(λ)Normale Dispersion: n(λ) ↓ für λ ↑, Wendepunkt bei λ0

Dmat = Dispersionsparameter des Materials

Negative DispersionD(λ) > 0, kurzwellige Signalanteile weniger verzögert als langwellige

Empirische WellenlängenabhängigkeitNahe zero-dispersion wavelength Dmat(λ0) = 0:1300 nm: Terme A, B, C1550 nm: zusätzlich Terme E und F

2g

mat 2n( )D ( )

c′∂τ λ ∂ λ

λ = = − ⋅∂λ ∂λ

2 4g

42A B C( E F) − −++ λ +′ λλ +λ λτ ≈

0

401

mat 04

40 0

D ( ) S 1

D CS 8B undBλ=λ

λ λ ≈ ⋅ λ ⋅ − λ ∂

= = λ =∂λ

Fasertyp ∆ [%] λ0 [nm] S0 [ps/nm2km]

50/125 1.0 1305 0.096

62.5/125 1.9 1341 0.091

100/140 2.1 1349 0.090Multimodefasern


SS 2019


Modenfeld

Analytische Approximation

Intensitätsverteilung gaußförmig

Modenfelddurchmesser (MFD)• MFD = 2w0 bestimmt

Übertragungseigenschaften• MFD reicht über Durchmesser

des Faserkerns hinaus• w0 > a• Mantel trägt zu neff bei

• MFD variiert mit Wellenlänge: w0(λ)

2 202 r /w

0I(r) I e− ⋅≈ ⋅

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-3 -2 -1 0 1 2 3

rela

tive

Inte

nsitä

t I(r/

w0)/I

(0)

relative Radiusposition r/w0

2w0

d = 2a

n1

n2

02

0

I(r w ) 1 0.1353I e=

= ≈

Monomodefasern


SS 2019


Modenfelddurchmesser

Abhängigkeit von Wellenlänge bzw. V-Parameter• Basiert auf Gauß‘scher Intensitätsverteilung• Näherungslösungen, untere Grenze für

tatsächlichen MFD

λ [nm]

2w0 [µm]

Einfacher Stufenindex(matched cladding)

Monomodefasern

Doppelstufenindex(depressed cladding)0

2

4

6

8

10

1 1.5 2 2.5

rela

tiver

MFD

2w

0/d

normierte Frequenz V

Logarithmus

Reihe

02w 1d lnV

≈

3/2 602w 0.65 1.619 V 2.879 Vd

− −≈ + ⋅ + ⋅


SS 2019


Dämpfung in Monomode-Fasern

Intrinsische Dämpfung• Absorption und Streuung (wie in Multimode-Fasern)• Geringere Dämpfung wegen kleinerer Wirkfläche• Typisch: α ≈ 0.2 dB/km @ 1300 nm (Vergleich Multimode: α ≈ 0.5 dB/km)

Extrinsische Dämpfung• Biegeverluste (macro-bending und micro-bending)• Monomode-Fasern empfindlicher als Multimode-Fasern

• Kleineres ∆n (entsprechend kleinere numerische Apertur)• „Gauß-Schleppe“ (anteilige Leistungsausbreitung in Fasermantel)• => Leistungsfokussierung im Kern wichtig

• Optimierung durch spezielle Indexprofile n(r)

Monomodefasern


SS 2019


Dispersion in Monomode-Fasern

λ [nm]

Dis

pers

ions

para

mte

r D(λ

) [ps

/nm

/km

]

D(λ)

Dmat(λ)

Dprofil(λ)

Dwg(λ)

Dwg(λ) -verschoben

Dversch(λ)

Fiber-optic comm

unication technology, Mynbaev/Scheiner, Prentice H

all 2001

Monomodefasern

Dabgefl(λ)


SS 2019


Index-Profile: modifizierte Dispersionseigenschaften

Dispersions-Verschiebung

Dispersions-Abflachung

n(r)

r

Fiber-optic comm


all 2001


SS 2019


Polarisationsmode-Dispersionx

z

y

x

y

• Schwebungslänge

• Extinktionsrate

pp x y

2n n

π λ= =

β −

cross

co

pER[dB] 10 logp

= − ⋅

Monomodefasern

• Inhomogener Brechungsindex, Doppelbrechung (mechanische Vorzugsrichtung)

• Polarisationsabhängige Pulsverbreiterung

• Stochastischer Effekt

DPMD ≈ 0.1…0.5 ps/km1/2

PMD PMDt D∆ = ⋅


SS 2019


1000

100

110 100 1000 100001

Modal

Entfernung L [km]

10

Bitrate versus Reichweite• Durch lineare Dispersion begrenzt

(bei Dispersionskompensation zusätzliche Dämpfung)

• Verschiedene Längenabhängigkeiten L–α

(abhängig von spektraler Breite der Lichtquelle)

• Modale Dispersion nur in Multimode-Fasern

Monomodefasern

Fiber-optic comm


all 2001


SS 2019


Dispersionskompensation (System)

Prinzip

MFD-Anpassung

• Hauptaufgabe: Kompensation der Dispersion am Empfänger• Geringe Restdispersion auf Faser günstig wegen nichtlinearer Effekte• Anordnung, Länge und Verbindung der Fasern:

Designoptimierung: Dispersion pro Dämpfung

LD PD

Konventionelle Faser Dispersions-kompensierende Faser

Verbindung

Konventionelle Faser Anpass-Faser

Verbindung

Dispersions-kompensation

Monomodefasern

ps dB/nm km km⋅


SS 2019


Dispersionskompensation

• Wellenlängenabhängige Reflexion• Veränderliche Gitterkonstante:

wellenlängenabhängige Laufzeiten• Resultierende Dispersion wirkt

chromatischer Dispersion entgegen (Pulskompression)

Faser-Bragg-Gitter (FBG) Kompensation auf Systemebene

http://www.proximion.com/dispersion-compensation (Mai 2016)


SS 2019


Dispersionseffekte: Vergleich

Effekt Fasertyp Kompensation Typische BR'mod/mat [Gbps⋅km]

Modal• Stufenindex

• Gradienten-index

• Gradientenindex Multimode

• Monomode

• Stufenindex 0.00295

• Gradientenindex 1…2

Chroma-tisch Monomode

• Dispersionsverschiebung, Steigungskompensation (S0)

• Laserdiode (spektrale Breite)• Faser- / Gitter-basierte Kompensation

• Elektronische Vor- / Nach-Kompensation (Tx / Rx)

• Standard: 13.8

• Dispersions-verschoben: 125

Polarisa-tion Alle Typen

• PMD Kompensation• Polarisationserhaltende Fasern

MonomodefasernAngaben für Monomode für Laserdioden-Linienbreite ∆λ = 1 nm

1:

500:

5000:

50000


SS 2019


Nichtlineare Eigenschaften: Geometrie-Kenngrößen• Effektiver Querschnitt

=> Leistungsdichte P/Aeff

2eff 0A w≈ π ⋅ eff

1 e 1−α−= ≈

α α

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

rela

tive

Leis

tung

P(z

)/P0

normierter Radius r/w0

EingekoppelteLeistung P

in

TatsächlicherVerlauf

• Effektive Länge=> Absorptionsdämpfung

πeffA / 4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4 5re

lativ

e Le

istu

ng P

(z)/P

0normierte Länge l/l

eff

EingekoppelteLeistung P

in

TatsächlicherVerlauf

effMonomodefasern

+

–

+

–


SS 2019


Selbstphasenmodulation• Nichtlinearität → leistungsabhängige Phase ∆ϕ(P)• Zeitabhängige Phase ∆ϕ(P(t)) → veränderliche Momentanfrequenz d(∆ϕ)/dt• Breiteres Spektrum → größere Pulsverbreiterung (chromat. Dispersion)

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4

Mom

enta

npha

se ϕ

(t)

Phase ω0t / 2π

linear

nichtlinear

0

0.5

1

1.5

2

0 1 2 3 4M

omen

tanf

requ

enz

ω/ω

0

Phase ω0t / 2π

linear

nichtlinear

Monomodefasern


SS 2019


Leistungsabhängigkeit bei Selbstphasenmodulation

Pulsverbreiterung für BR = 10 Gbps, t0 = 50 ps, λ = 1550 nmStandard-Monomode-Faser

2.0

1.6

1.21.00.8

0.4

50 100 150 200

1mW10mW

20mW

L [km]

Fiber-optic comm


all 2001

Monomodefasern


SS 2019


Intermodulation (Four wave mixing)

ijk i j k

132 1 3 2

z.B.ω = ω + ω − ω

ω = ω + ω − ω

ω

ω1 ω2 ω3

ω123ω213

ω132 ω321ω231

ω113 ω112 ω223 ω312 ω221 ω332 ω331

Äquidistanter Kanalabstand


SS 2019


Dämpfung von LWL-VerbindungenIntrinsisch: Fehlanpassung von Durchmesser, Akzeptanzwinkel, ModenfeldradiusExtrinsisch: Querversatz, Verkippung, Längsversatz (z.B. Luftspalt) Beschreibung: Normierte Fehlergröße ε (in % bzw. dB)

EffektFehlergröße ε (in %)

Multimode GI Monomode

1: d, NA, w0

2: Versatz x

3: Verkippung um Winkel Θ

4: Luftspalt z

∆ ∆d NA,d NA

⋅π

16 x3 d

⋅ ⋅ Θπ

8 n sin3 NA

NA 1 zn d

⋅ ⋅

0

xw

0wn sinπ ⋅ ⋅ Θλ

20

1 z2 n w

λ⋅ ⋅

π

∆ 0

0

ww

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.1 0.2

Verlu

stfa

ktor

L(ε

) [dB

]

Normierte Fehlergröße ε

Monomode-Faser

1

2...4

1...4

GI-Multimode-Faser

x θz

Versatz

Monomodefasern

Verkippung Luftspalt


SS 2019


Faser-Verbindungen

Spleiße (splice)• Mechanische Fügetechniken (crimp, evt. mit Gel)

IL ≈ 0.2…0.7 dB, RL ≈ 45…55 dB• Chemische Fügetechniken (kleben, nur Multimode)

IL ≈ 0.2…0.7 dB• Verschmelzen der Fasern (fusion)

IL ≈ 0.03…0.2 dB, RL > 70 dB• Abwägung zwischen Aufwand, Flexibilität und Qualität

Konnektoren• Eigenmontage oder konfektioniert• IL ≈ 0.1…1.5 dB• RL > 50 dB

(75 dB für schräg angeschliffene Fasern)

IL – insertion loss (Einfügedämpfung); RL – return loss (Reflexionsdämpfung) Monomodefasern


SS 2019


Bänderdiagramm und Fermiverteilung

• Energielücke Eg zwischen Leitungs- und Valenzband• Zustandsdichte durch Fermiverteilung bestimmt

EF

EL

EV

Leitungsband

Valenzband

T1 < T2 < T3

−=+ F B(E E )/k T

1f(E)1 e

− −

− ⇒

≈

F B

F B(E E )/k T

E E k Tf(E) e

kBT ≈ 0.025 eV @ T=290 K1 eV ≈ kB⋅11600 K

Optische Transmitter

=

≤= >

F

F

Für T 0K :1, E E

f(E)0, E E

Eg


SS 2019


Spannungsfreier pn-Übergang

• LadungsträgerausgleichDiffusionsstrom = – Driftstrom

• Diffusionsspannung UD

• Ladungsträger-verarmte Zone der Breite w0

• Fermi-Energien in beiden Halbleitern ausgeglichen: EFV = EFL

• Ausgleich durch Bandverbiegung Bandgrenzen im n-HL sinken relativ zu denen im p-HL um q⋅UD

p+++++

qUD

EFL

EL

EFV

EV

UD

nw0



SS 2019


Vorgespannter pn-ÜbergangU ≠ 0: Fermi-Energien unterschiedlich (EFV ≠ EFL, Quasi-Ferminiveaus)

Flus

sric

htun

g

+++++

q(UD-|U|)

pn

+U>0

+++++

qUD

EFL

EL

EFV

EV

UD+++++

p n

+U<0--

q(UD+|U|)

-q|U|

+q|U|

p n

U=0

Eg

w0w(U)<w0 w(U)>w0 Sper

rric

htun

g


SS 2019


Halbleiterübergänge

• Direkt: Impulserhaltung bei Strahlungsübergängen (z.B. GaAs, InP, ...)• Indirekt: Impulserhaltung erfordert strahlungslosen Beitrag

Direkter Übergang Indirekter ÜbergangE E

Eg k

EL(0)

Ev(0)

∆k…0∆k=0


∆k = 0 ∆k > 0


SS 2019


Leuchtdioden (LED)• Konsumelektronik (seit 70er Jahren)• Anwendungen OTK: Kurzreichweitige Netze, moderate Bandbreite


Vorteile• Kleine Baugröße• Hohe Lebensdauer

Nachteile• Geringe Intensität• Inkohärente Strahlung• Breiter Leuchtfleck• Geringe Modulationsbandbreite


SS 2019


Oberflächenkopplung: SLED

LED-Bauformen: Homogener pn-ÜbergangFunktionsprinzip• Aktive Zone im Bereich des pn-Übergangs• Lichtaustritt an Oberfläche (SLED) oder an Seite (ELED)• Diffuse aktive Zone (geringer Wirkungsgrad)• Breiter Lichtaustritt

Metall

p

AktiveZonen

Metall

+

_

+

_

Reflektor

p

n

Seitenkopplung: ELED



SS 2019


LED-Bauformen:Heterostruktur

Funktionsprinzip• Unterschiedliche

Bandlücken begrenzen aktive Zone (höherer Wirkungsgrad)

• Führung der emittierten Photonen (Lichtwellenleiter mit Stufenindex)

• Reale Strukturen nutzen drei unterschiedliche Halbleiterverbindungen

1.92 eVBarriereLöcher

Eg=1.42 eV (λ=876 nm)

MetallMetall nAlGaAs

pAlGaAs

GaAs

3.66

3.20

BarriereElektronen



SS 2019


Strahlungseigenschaften von LED• Oberflächenstrahler (SLED, Multimode): Lambert-Quelle• Seitenstrahler (ELED, Monomode): Fokussierung entlang schmaler Seite• Realistische LED (Heterostruktur): Ausgeprägte Fokussierung

P0θ

P0

SLED Hetero-LED

0P( ) P cosΘ = ⋅ Θ

ELED


o20Θ ≈


SS 2019


Typische LED-Halbleiter und -Kennwerte

Halb-leiter Typ λ

[nm]∆λ [nm]

Popt[µW]

IF[mA]

trise, tfall[ns]

1/trise, 1/tfall[GHz]

AlGaAsSLED 660 20 190…1350 >20 ≈ 10 0.1ELED 850 35…65 10..80 60…100 2…6.5 0.15…0.5

GaAsSLED 850 40 80…140 100 --- ---ELED 850 35 10…32 100 6.5 0.15

InGaAsPSLED 1300 110 10…50 100 3 0.33

ELED1300 25 10…150 30…100 1.5…2.5 0.4…0.671550 40…70 1000…7500 200…500 0.4…12 0.08…2.5

Halbleiter Si Ge GaAs InP InGaAs AlGaAs InGaAsP

Eg [eV] 1.17 0.775 1.424 1.35 0.75…1.24 1.42…1.92 0.75…1.35λ [nm] 1067 1610 876 924 1664…1006 879…650 1664…924


Fiber-optic comm


all 2001


SS 2019


Optische Kopplung LED – Faser • Einkopplung aus Lambert-Quelle: => • Faserkopplung direkt (Burrus) oder über Linsen (Mikro, Makro)• Formung der Faserenden (abgerundet oder gespitzt)

@Hetero-struktur

Wärmesenke

EpoxidFaser

Metall

2in 0P P (NA)≈ ⋅


coupl 10%η <

Hetero-struktur mit aktiver Zone

Hetero-struktur mit aktiver Zone


SS 2019


LASER – Nobelpreis für Physik 1964• Charles H. Townes (MIT Cambridge, MA, USA, 1915-2015)• Nikolaj G. Bassow (P.N. Lebedev Physical Inst., Moscow, USSR, 1922-2001)• Alexander M. Prochorov (P.N. Lebedev Physical Inst., 1916-2002)

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1964/index.html

"... for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle"

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation


SS 2019


Laserdiode – Leuchtdiode: Vergleich Kenngrößen

Leuchtdiode, LED Laserdiode, LD

Wirkprinzip Spontane Emission, inkohärente Strahlung

Stimulierte Emission, kohärente Strahlung

Halbleiter Direkte Lücke Geeignete Bandstruktur (Besetzungsinversion)

Spektrale Breite Wellenlängenmix, ∆λ ≤ 100 nm

Schmale Linienbreite, ∆λ ≤ 1 nm

Leuchtkegel Breit, ungerichtet Stark gerichtet, geringe Strahldivergenz

Wirkungsgrad, Lichtleistung Gering (< 15 µW/mA) Hoch (< 200 µW/mA)

Modulationsge-schwindigkeit, Bandbreite

Gering (< 1 GHz) Hoch (< 50 GHz)


SS 2019


Quantenwall-Strukturen für Laserdioden • Dünnschichttechnologie: Extrem dünne aktive Zone (≈ 10 nm)• Höhere optische Ausbeute, geringere Flussströme• Bessere Fokussierung des austretenden Lichts• Einstellbarkeit der Strahlungswellenlänge (über Dicke der aktiven Zone)• Vielzahl von Stapelfolgen (SQW, MQW, GRINSCH, …)

KontaktMantel

Potential-topf,Quanten-Wall

EL2

EL1

EV1EV2

Begrenzung


Strukturschema Bänderschema Realisierungsbeispiel

http://ww

w.thorlabs.de/tutorials.cfm

?tabID=26065


SS 2019


Bauformen von Laserdioden • Grundform: Fabry-Perot-Resonator

(obermodig, hohe Modenzahl N, L = N⋅λ/2)

• DFB-Laserdiode (distributed feedback):Selektiver Spiegel, einmodig (λB = 2n·Λ·sinΘ)

• Laserspektrum durch Linienbreite bestimmt

• VCSEL (separate Folie)Optische Transmitter

Wellenleiter-schichtθ

Gewinn

λ) 8

80

ΛGewinn

λ

Verluste

Moden

λ0

∆λ


SS 2019


λ20 / 0.5 nm

> 72 nm

BraggReflek-tor

AktiveZone

LichtNiedriger Brechungsindex λ/4Hoher Brechungsindex λ/4

+

- GaAs, n=3.6AlAs, n=2.9

http://www.vertilas.com/

• Kleine aktive Zone → einmodig• Hohe Lichtausbeute (≈ 3 mW)• Hohe Modulationsbandbreite (≈ 200 GHz)• Kreissymmetrisches Strahlungsdiagramm• Monolithische LD-Arrays• Eignung für optoelektronische integrierte

Schaltungen (OEIC)

VCSEL – Vertical cavity surface emitting laser

S. Mathew et al, EuMC 2017


SS 2019


Strahlungsdiagramm Laserdioden

• Diagramm im Fernfeld resultiert aus kohärenter Flächenstrahlung• Entstehung von Transversalmoden mit zunehmendem Gewinn

(größere aktive Fläche und höherer Flussstrom)• Erschwernis der Licht-Einkopplung in Fasern

30°10°

Fernfeld

Nahfeld

w

IFTEM00

s=10µmw=1µm

TEM01

s=2.5µmw=1µm

TEM02

s=25µmw=2µm

TEM30 TEM31

Strom I1 Strom I2 > I1

zuschmal

zu breit



SS 2019


Modulationsdynamik in Laserdioden• Ratengleichungen

(dynamische Ladungs- und Energie-bilanzen, Kleinsignalbeschreibung)

• Pulsanregung J(t) → gedämpfte Schwingungen von n(t) und s(t)

• Laserantwort um td verzögert• Verzögerung einstellbar durch

Arbeitspunkt und Aussteuerung

bd

b

It ln

I I

= τ ⋅ − ∆

2

1.5

1

0.5

0

0 2 4 6 8 10

60

40

20

0400

300

200

1000

Strom-dichte J[A/mm²]

Elektronen-dichte n[10³/µm³]

Photonen-dichtes [1/µm³]

Zeit t [ns]

td

P

Ift

t

P

∆I Ith

Ib∧

logisch „1“logisch „0“

elektrischer Input

optischer Output

τ =α ⋅

nc


J(t)

n(t)

s(t)


SS 2019


Blo

cksc

haltb

ild o

ptis

cher

Tra

nsm

itter

Fiber-optic comm


all 2001



SS 2019


Funk

tions

blöc

ke o

ptis

cher

Tra

nsm

itter Datencodierung

NRZ (DC ≠ 0, keine Selbstsynchronisation)Manchester (doppelte Bandbreite)RZ (DC ≠ 0, Selbstsynchronisation)Parallel-Seriell-Wandlung; Formatierung

LasertreiberStabile Stromsteuerung (insbesondere LD)AP-Einstellung (Modulationsverhalten, Demodulationsfehler)Temperatursteuerung (Stabilität)

ModulatorPulsaussteuerung, schnelles Umschalten, optimales Tastverhältnis

LichteinkopplungLED: Koppeleffizienz ηc ≈ 1…30%LD: Intensitätsmuster begrenzt ηc(Multimode 50…70%, Monomode 10…20%, mit Linsen (GrIn) < 80%) Reflexionsschutz: opt. Isolatoren, λ/4-Schicht, Justage und Fixierung

2c GI(1 R) (1 ) (NA)η = − ⋅ − ∆ ⋅



SS 2019


p&e x


SS 2019


Photodiode – Ersatzschaltbild und Bandbreite

Optische Empfänger

Ep Ip Cin Rj

Rs

RL

ε=in

ACw

j s LR R ,R

s LR R

τ ≈ ⋅RC L in(w) R C (w)

( )= = ⋅

π ⋅ τ + τ π +sat

PD 2 2tr RC 0

v1 wBW (w)2 (w) (w) 2 w w

= ⋅ ⋅ ε20 sat Lmit w v R A 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

rela

tive

Band

brei

te

normierte Weite w/w0


SS 2019


pin-Photodiode

Funktionsprinzip i-Zone

• Vergrößerung des aktiven Bereiches (Quanteneffizienz)

• Unabhängig von Sperr-spannung (DC-Leistung)

• Hohe Feldstärke (Trennung der erzeugten Ladungsträgerpaare)

• Bandbreite begrenzt durch Driftzeit (Weite der i-Zone)

Optische Empfänger


SS 2019


Typische PD-KennwerteParameter Dim. Typ Si Ge InGaAsWellenlänge λ nm --- 400…1100 800…1800 1000…1700Responsivität R A/W pin 0.4…0.45 0.8…0.87 0.5…0.95Quanteneffizienz η % pin 75…90 50…55 60…70Gewinn M = RAPD/Rpin 1 APD --- 50…200 10…40

Dunkelstrom Id nApin 1…10 50…500 1…20APD 0.1…1 50…500 1…5

Bandbreite BW GHzpin 0.125…1.4 0…0.0015 0.0025…40APD --- 1.5 1.5…3.5

Bitrate BR Gb/spin 0.01 --- 0.1555…53APD --- --- 2.5…4

Sperrspannung Vpin 50…100 6…10 5…6APD 200..250 20…40 20…30

k-Faktor kA = τeff/τtr 1 APD 0.02…0.05 0.7…1.0 0.5…0.7

Fiber-optic comm


all 2001

Optische Empfänger


SS 2019


BitfehlerrateBER

⋅= ⋅

⋅+ + ⋅ ⋅ ⋅

L min

B Lmin

B

R R PQk T BW R1 1 q R P

k T

10-18

10-15

10-12

10-9

10-6

10-3

-60 -50 -40 -30 -20

Min

imal

e Bi

tfehl

erra

te B

ER

Empfangsleistung RPmin

[dBm]

100BW=0.1 GHz BW=1 GHz

(kBT/R

L)1/2=

10-13A/Hz1/2

10-12A/Hz1/2

10-11A/Hz1/2

10-18

10-15

10-12

10-9

10-6

10-3

0 2 4 6 8 10

Min

imal

e Bi

tfehl

erra

te B

ER

Digitales SNR, Q

100

2y

x

2erfc(x) e dy∞

−=π ∫

min1 QBER erfc( )2 2

= ⋅


SS 2019


Blo

cksc

haltb

ild o

ptis

cher

Em

pfän

ger Fiber-optic com

munication technology, M

ynbaev/Scheiner, Prentice Hall 2001

PD + LNA = Frontend: Photostrom → Treiberspannung, -verstärkungQuantisierer: Bandbegrenzung, Pegelanpassung, Entscheider (Takt!)Taktrückgewinnung: Kohärenter Empfang, Minimierung BERPuffer: Anpassung der elektrischen Signalform (DSV)

Optische Empfänger


SS 2019


Schw

ellw

erte

inst

ellu

ngu0max

uth

TTX

uin (ideal)

Zeit t

TRX

uout (Daten)u0max/2

TTX

uin (real)uth

TRX

u0max/2uout

TTX

TRX

uth

u0max/2uout

• Schwellwert bestimmt Pulsbreiten-verzerrung

• PWD verschlechtert Taktrückge-winnung und Bitfehlerrate; ideal: TTX = TRX (PWD = 0)

• Optimierung Schaltungsarchitektur(z.B. Flankentriggerung)

RX TX

TX

T TPWDT−

=


SS 2019


Faseroptische Netzwerke

• Punkt-zu-Punkt (P2P)-Verbindungen: Signal direkt von Quelle zu Senke

• Netzwerke: verschiedene Topologien• Erfordernis der Signalverteilung /

Verzweigungsmöglichkeiten, Verbindungs- oder Paket-orientiert(Schnelligkeit, Adaptivität, Robustheit, Implementierung)

• Vielfachzugriff: TDM (max. 10 Gbps), WDM (z.B. 128 Kanäle)

• Wellenlängenabhängige SignalübertragungC-Band ("conventional"): 1530...1560 nmL-Band ("long wave"): 1560...1610 nm



SS 2019


Faseroptische Netzwerkkomponenten

• Optische Repeater und Verstärker• Wellenlängen-abhängige Sender und Empfänger

(z.B. Fixed-transmitter-tunable-receiver: FTTR)• Add/drop-Module

(TDM oder WDM)• Optische Schalter und Schalterbänke• Passive Komponenten

• Multiplexer, Demultiplexer• Leistungsteiler, -koppler• Dämpfungsglieder• Filter• Isolatoren, Zirkulatoren• Wellenlängenkonverter


λ1λ2λ3

λN

MUXλ1,λ2,λ3...λN

http://www.directindustry.de www.empowerfiber.com


SS 2019


Signalregenerierung

Repeater• Umsetzung O/E und E/O• Deutliche SNR-Anhebung• Nur für P2P-Netzwerke geeignet

Verstärker• Optische Verstärkung• Pegelerhöhung, SNR-Abnahme• Für alle Bitraten und Signalformate• Große Bandbreiten möglich• Überbrückung 500…800 km


RXO/E

TXE/O

ElektronikBitregelung

opt. Signalkleines SNRin

opt. SignalSNRout ? SNRin

• opt. Signal• niedriger Pegel• SNRin

• opt. Signal• hoher Pegel• SNRout ≤ SNRin


SS 2019


Optischer Halbleiter-Verstärker (SOA)

Optische Verstärker

In-line Anordnung

OptischesEingangssignal Einkoppelfaser Auskoppelfaser

Kern

Hülle VerstärktesSignal

Injektionsstrom(Pumpsignal)

Strahlkopplung und-fokussierung

SOA

www.comstarcom.com

Beispiel (SOA-S-OEC-1550):Kleinsignalverstärkung22 dB


SS 2019


SOA-VerstärkungUnterscheidungResonant (FPA)Nicht-resonant (TWA)

0

1

2

3

4

5

-2 -1 0 1 2

Vers

tärk

ung

(willk

. Ein

heite

n)

Normierte Frequenz (willk. Einheiten)

RGs0

=0.00

RGs0

=0.03

RGs0

=0.30

−= ⋅

− ⋅

2maxFPA s 2

s

(1 R)G G(1 R G )

KenngrößenEinwegverstärkung Gs

Reflektanz R (Mitkopplung)

+ ⋅γ ≡ =

− ⋅

2maxsFPA

min 2FPA s

(1 R G )GG (1 R G )

FPA → TWA für γ < 2 (R⋅Gs < 0.17)Optische Verstärker


SS 2019


FPA: Verstärkungs-Bandbreite-ProduktParameter R⋅Gs bestimmt…• Bandbreite (nicht resonant

oder resonant)• Stabilität (Übergang

Verstärker – Laser)

2maxFPA

(1 R)BW G ~R

−⋅

⋅−= ⋅

− ⋅

2max sFPA 2

s

R G(1 R)GR (1 R G )

− ⋅≈

⋅ ⋅s

s

1 R GcBW arcsin( )n L 2 R G

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

10-1

100

101

102

103

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Nor

mal

ised

ban

dwid

th Norm

alised gain GFPA,m

ax

RGs

2x

(1 x)−

1 xarcsin( )2 x

−

x > 3-2√2 ≈ 0.17Optische Verstärker


SS 2019


Sättigungs-modulation in SOA

(cross-saturation)

Eingangs-signal 1

Verstärkung

Eingangs-signal 2

Ausgangs-signal 2

VolleVerstärkung

Gewinnabnahme(cross-saturation)

ReduzierteVerstärkung(Sättigung) Optische Verstärker


SS 2019


Er-dotierter Faserverstärker (EDFA)

Einkoppelfaser Auskoppelfaser

Pumplaser

WDMKoppler

Pumplicht Spleiße

RestlichesPumplicht

Erbium-dotierteFaser (EDF)

Isolator

undFilter PoutPin

WDMKoppler

Beispiel (Cisco ONS 15501 EDFA):Low-noise, gain-flattened, C-band100-GHz, 32-channel, 2.5-Gbps, or 10-Gbps

http://ww

w.directindustry.com

/prod/manlight/

http://people.seas.harvard.edu/~jones/ap216/lectures/ls_2/ls2_u5/ls2_unit_5a6.gif



SS 2019


EDFA: Frequenzgang der Verstärkung

λ [nm]0

2

4

6

8

10

1480 1500 1520 1540 1560

Er-dotierte SiO-Faser(Wirkungsquerschnitt)

( ) LG( ) ~ eγ λ ⋅λ

1500 1520 1540 1560

EDF-Verstärkungskoeffizient

λ [nm] 1500 1520 1540 1560

Filterdämpfung

λ [nm] 1500 1520 1540 1560

EDFA-Verstärkung

λ [nm]

KompensationAusgleich durch gegenläufigen Frequenzgang des Filters



SS 2019


EDFA-Länge

30

25

20

15

10

5

00 10 20 30 40

4

5

6

7

8

3

Signal- und Pumplichtentgegengesetzt laufend

EDFA-Faserlänge L[m]

Signal- und Pumplichtgleichgerichtet laufendVerstärkung

• Erfolgt entlang Länge

• Maximale Aus-steuerung durch Pumpleistung und Sättigung begrenzt

Rauschen• Erfolgt entlang Länge • Spontane Emission• F ≈ 3.5…9 dB

Optimale Länge ca. 20…50 mOptische Verstärker


SS 2019


StrukturoptischerKoppler

• Verschmelzung zweier Fasern

• Koppelbereich mit größerem Moden-felddurchmesser

• Wellenlängenabhängige Kopplung (Faserkernabstände und –durchmesser)

Verschmelzungsbereich

Ver-engungs-bereich

Auf-weitungs-bereich

Koppel-bereich

Eingang 1 Ausgang1

Ausgang 2

Optische Netzwerkkomponenten


SS 2019


Kenngrößen optischer Koppler1 2

3

Restdämpfung (excess loss)

2 3ex

1

P PP [dB] 10logP+

= −

Koppelverhältnis (coupling ratio)

2

2 3

PCR[dB] 10logP P

= −+

Uniformity 3

2

PU[dB] 10logP

=1 2

3Einfügedämpfung (insertion loss)

2

1

PIL[dB] 10logP

= − exIL CR P= +2

3

1

4

1

1

4

2λ1

λ2

λ1

λ1

λ2

Richtdämpfung (directivity)

4

1

PD[dB] 10logP

= −

Reflexionsdämpfung (return loss)

1,refl

1,in

PRL[dB] 10log

P= −

Sperrdämpfung (isolation)

4 141

1 1

P ( )I [dB] 10logP ( )

λ= −

λ2 2

211 2

P ( )I [dB] 10logP ( )

λ= −

λ


SS 2019


Leistungsbilanz im optischen KopplerLösung gekoppelter Maxwell-Gleichungen (verlustlos: ∆β = 0) Zwei verschiedene Fasern induzieren Phasenversatz

Kopplung unvollständig, n → Einstellung von k1 2 n∆β = β − β ∆

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2

Kopp

elle

istu

ng P

2(z)/P

in

Ortsphase γz/2π

∆β/2k=

0

0.5

1

2

222

2in

P (z) k sin zP

= ⋅ γγ

1 2

in in

P (z) P (z)1P P

= −

22

2 1k 2kγ ∆β = +



SS 2019


Optische Koppler (Beispiele)

www.hubersuhner.dk/co-dk/de/mozilla/products/hs-fiberoptics/hs-fiberoptic-passive-network-components/ hs-p-fo-comp-coup.htm



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Wellenlänger-De/Multiplexer

Zusammenführung bzw. Trennung von Signalen unterschiedlicher Wellenlängen

λ1λ2λ3

λN

MUXλ1,λ2,λ3...λN

DE-MUX

λ1λ2λ3

λN

λ1,λ2,λ3...λN

0

-10

-20

-30

-40

1540.56 1541.35 λ[nm]

1dB3dB

20dB

0.8nmKanal-abstand IL-

Maximum



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Bauformen fürWellenlänger-De/Multiplexer

λ1

λ2

λ1 & λ2

Faser 1

Faser 2

Abbildungs-ebene

EinfallendesLicht

Beugungs-gitter

λ1λ2

λ1λ2

λ8

λ1,λ2 ...λ8

Fasern GRIN Linse (zylindrisch)

Faser Beugungsgitter

λ1λ2

λ8

λ1,λ2 ...λ8

Wellenlängenselektive Strahlführung (Gitter, Linsen)Möglichst kompakte Bauform



SS 2019


Weitere faseroptische Netzwerkelemente

• Filter• Isolatoren und Zirkulatoren• Dämpfungsglieder• Schalter und Schalterbänke• Wellenlängenkonverter• Add/drop-Module• (rekonfigurierbare) Kreuzverbindungen

0

-10

-20

-30

-40

1540.56 1541.35194.6 194.5 THz

λ [nm]f [THz]

Übersprechen

0.5dB

Stop BW

0.5dB

20dB

Kanalbandbreite

Wellenlängen-konverter

λ1 λ2

132

4

KreuzungOptische Netzwerkkomponenten


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Optische Isolatoren

Faraday-Effekt (Drehung der Polarisationsrichtung)Unterdrückung optischer Rückkopplungen (Einwegleitung, typ. 70 dB)Minimale Dämpfung (< 1 dB)

Vorwärts-strahlung

ReflektierteStrahlung

Polarisator Faraday-Rotator Polarisator

45°

45°90°

H

45°



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Optische Isolatoren und Zirkulatoren

z.B. ww

w.laser2000.de/

Parameter WertPeakisolation > 50 dBMinimale Isolation > 42 dBEinfügedämpfung 0.5…0.6 dBBandbreite ± 20 nmBetriebswellenlänge 1300 oder 1550 nmmax. Leistung 300 mW (25 dBm)



SS 2019


Optische Zirkulatoren

Drei-Tor mit Richtungsleitungen (bis 6-Tor)

1 2

3

Spiegel

PBSFaraday-Rotator(Richtungsabhängige Drehung)

PBS

Quarz-Rotator(feste Drehung)

1

2

3

H

Spiegel

PBS=Polarisationsstrahlteiler Optische Netzwerkkomponenten


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Optische SchalterMultiplizität, Verbindungsstrukturen (non/blocking)

1 1

132

132

4

Bypass

132

4

Kreuzung1

32

4

1x1An/Aus oder Leitung 1/2

2x2Nicht/blockierend



SS 2019


Opt

isch

e Sc

halte

rbän

ke1

2

3

4

1

2

3

4

Beispiel 2x2-Vierer-Array Integrierter

Baustein.



SS 2019


FilterSOAλs λp CW

2λs-λp λs λp 2λp-λs

λc=2λp-λs

Optische Wellenlängenkonverter

Funktionsprinzip

Elektro-optisch

Vollständig optisch (nichtlinear, FWM)

Wellenlängen-konverter

λ1 λ2

λ1 λ2Rx TxElektronik



SS 2019


Optische Add/Drop-Module

Hinzufügen oder Abtrennen wellenlängenspezifischer Signale

Filter MUXλ1λ2 λ4 λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4

Drop

λ3 λ3

Add

λ1λ2λ3...λNλ1λ2λ3...λN2x2 Schalter

EinstellbaresDämpfungsglied

Faser-eingang

Faser-ausgangM

UX

DEMUX

DropAdd Signal-monitorλ1λ2λ3...λN

Fest oderrekonfigurierbar



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Optische Kreuzverbindung (cross-connect, OXC)DEMUX MUX

Strang 1

Strang 2

Strang M

λ1,λ2,λ3...λN λ1,λ2,λ3...λN

λ1,λ2,λ3...λN

λ1,λ2,λ3...λN

λ1,λ2,λ3...λN

λ1,λ2,λ3...λN

λ1

λ1

λ1 λ2

λ2

λ2

λNλN

λNλN

λ2

λ1

Schalterλ1λ2

λN

λN

λ2

λ1

λ1λ2

λN

DropAdd OXC

Strang 1

Strang 2

Strang M


optische telekommunikationstechnik - tu-ilmenau.de · “fiber-optic communication systems”, g.p....

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