Optischenachrichtentechnik

Optische Nachrichtentechnik Prüfungsvorbereitung

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Uni, ONT I, II, Prof. Sinemus -

Jeder Mode besitzt seine eigenen Ausbreitungseigenschaften.

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Die LP-Moden sind eine Linearkombination aus HE und EH Moden.

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Eine Modengleichverteilung wird nach einer langen Faserstrecke erreicht.

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Die Hauptgründe der Dämpfung sind die Raleigh-Streuung 1/λ

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–Gesetz und Absorption

(Aufsaugen, Energieumwandelung, Anregung von Schwingungen). -

Raleigh-Streuung tritt immer auf durch Inhomogenitäten im Glas. Glas ist ein amorpher Stoff, siehe Solarzelle. Es erfolgt eine Streuung an Inhomogenitäten. Inhomgenitäten sind Streuzentren.

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Absorption ist Leistungsverlust durch Anregung von Schwingungen atomarer Art (Elektronenübergang im UV-Bereich) und molekularer Art aufgrund der Quantenstruktur der Strahlung. E = h f

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Bei der numerischen Apertur ist über einen Zahlenwert angegeben, wie groß die Öffnung des Lichtkegels sein darf, damit das Licht in den Kern der Faser eingekoppelt wird.

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Die NA sagt grundsätzliches über die Übertragungseigenschaften der Faser aus. [aperio, aperui, apertum (lat. öffnen, Wege bahnen, aufdecken, offenbaren )] Die NA definiert den maximalen Winkel geführter Strahlen in der Faser.

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Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, also Weg pro Zeit, mit der sich die Punkte gleicher Phase (Phasenfronten) ausbreiten und dabei einen Weg zurücklegen z.B. die Nullstellen. Die Phasenlaufzeit ist t = n * z / c. (TEM-Welle: Phasenflächen fallen mit Amplitudenflächen zusammen.

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Wegen der spektralen Breite der Quelle breitet sich das modulierte Signal mit der Gruppengeschwindigkeit aus. Die Gruppenlaufzeit ist die Phasenlaufzeit der Hüllkurve

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In Resonanzzwischenräumen findet keine Absorption statt, der Stoff ist lichtdurchlässig – optische Fenster

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Materialdispersion entsteht wegen der Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl. Dies führt zu Laufzeitunterschieden zwischen Lichtanteilen verschiedener Wellenlängen

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Lichtleiter haben Tiefpass-Eigenschaften

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Die Bandbreite der Monomodefaser hängt nur von der chromatischen Dispersion ab. (da sich bekanntlich nur ein Mode ausbreitet.)

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Die Grenzwellenlänge ab der sich nur noch ein Mode ausbreitet ist ein Knick in der Dämpfungskurve

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Höhere Moden sind empfindlicher gegenüber Biegung der Faser.

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LEDs sind Lambertstrahler I (υ ) = I0 cos υ , also ein Kreis im Polardiagramm sind Flächenemitter.

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LEDs haben eine fast lineare Abhängigkeit zwischen Ausgangsleistung und Treiberstrom

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Eine LED arbeitet auf strahlender Rekombination.

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Die Lichtleistung wächst mit dem Dioden Strom. Allgemeine Formel für die Diodenkennlinie: I (U) = Is (exp (UD/UT) –1) – IF ; hier Photodiode. Daher Intensitätsmodulation auf einfache Weise.

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LED wird in Durchlassrichtung betrieben. Photodiode in Sperrrichtung (rückwärts vorgespannt)

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Laser sind schärfer gebündelt (Schnebesen von vorne), das sind Kantenemitter

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Wenn die Entfernung von Spiegel zu Spiegel (Spiegelkasten, Fabry-Perot Resonator) ein halbzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist ergibt sich Verstärkung der Lichtwellen (konstruktive Interferenz) Diskretisierungsbedingung / Resonanzbedingung

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Ab einem Schwellstrom (stark temperaturabhängig) setzt stimulierte Emision ein (LASER, Light Ampflication by Stimulated Emission of Radiation) und die Spektralbreite geht herunter. Knick in der Kennlinie. Wegen steiler Kennlinie ist ein Regelkreis erforderlich.

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Schmales optisches Spektrum des Senders bedeutet geringe Dispersion auf der Leitung

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Die Dispersion gibt die Größe der Farbstreueung an. Dispersionshierarchie aufzeichnen. Versuch: Füllfederhalten auf Löschblatt. Dispersion ist proportional zur spektralen Breite des Senders.

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Diese Impulsverbreiterung bedingt die Verringerung der Bandbreite

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Bei der Photodiode muß die Energie der einfallenden Lichtquanten größer sein als der Bandabstand. Photodiode hat hohen Innenwiderstand und wirkt als Stromquelle.

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Halbleiter sind Mischkristalle. Durch Dotierung kann die Betriebswellenlänge in gewissen Bereichen verschoben werden. Dabei Dämpfungszunahme beachten. Kompromisse.

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Silizium liegt mit 850nm im ersten optischen Fenster. Germanium und ternäre Verbindungen wie InGaAs wird für Übertragungen im 2. und 3. optischen Fenster (1300 und 1500 nm) eingesetzt.

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Fasern mit geringer Brechzahldifferenz sind schwachführende Fasern. Damit kann die Ausbreitung nach den Überlegungen für TEM-Wellen berechnet werden.

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Wellenleiterdispersion ist ein Laufzeitunterschied zwischen Lichtanteilen verschiedener Wellenlängen durch Geometrie und Brechzahlverlauf. Die Lichtverteilung über den Querschnitt ist nicht gleichmäßig. Bei f gegen unendlich liegt die gesamte Lichtleistung in der Faserachse.

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Die Dispersionsfreiheit liegt im Wendepunkt des Gruppenbrechzahlverlaufes

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Dispersion ist proportional zur spektralen Breite des Senders.

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Der Faserparamter V oder die normierte Frequenz ist die Nullstelle der Besselfunktion als Lösung der Wellengleichung

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Der Betrag des Ausbreitungsvektors ist die Wellenzahl k

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a + jb ... Dämpfung und Phase. Unter der Phase ist die Dispersion subsumiert, welches wiederum auf die Übertragungsbandbreite wirkt. Bei großer Veränderung der Phase wird die Übertragungseigenschaft der Strecke beeinflußt. Im linearen System ist die Phase prop. zur Freq.

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Im Hohlleiter sind Hochpässe mit quasi-optische Ausbreitung

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Lichtleiter funktionieren auf dem Prinzip der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel

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2 Polarisationen zun zwei Orientierungen ergeben vier Freiheitsgrade. Dies gilt für MultimodeFasern

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Bei gegebenen Faser-Parameter V führt eine Stufen-Indexfaser doppelt so viele Moden wie eine Gradientenfaser

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Kaustik sind Brechungslinien. Außerhalb der Kaustik keine Wellenführung mehr.

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Wellenleiterdispersion läßt Kompensation der Dispersion zu, da negatives Vorzeichen

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Funktionsweise des OTDR ähnlich Radar mit PWM gesweepter Pulspreite. Die Faser wird mit einem Strahl gefüllt (Wasserleitung) Der Strahl legt in 1 ns eine Papierbreite zurück.

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Die Arbeitsweise des OTDR beruht darauf, dass ein starker Puls in die Faser eingekoppelt wird, der bei Rückstreuung gedämpft wird. Wegen zweimaligem Weg mit zweimaliger Dämpfung muß beides jeweils durch 2 geteilt werden. Das OTDR geht von konstantem Rückstreu-Koeffizienten aus, was nicht immer der Fall ist, wenn verschiedene Fasern verwendet werden.

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Der Rückstreukoeffizient ist abhängig vom Fleckradius, welcher von gewählter Wellenlänge abhängig ist, welche von der Brechzahl abhängig ist.

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Der nichtlineare Verlauf der Dämpfung hinter der Koppellänge beruht auf der Tatsache daß Modenkonversion entsteht, Moden höherer Ordnung werden stärker gedämpft.