Gliederung der Vorlesungen Optische - RWTH

Univ.-Prof. Dr. Jeremy Witzens
RWTH Aachen
Lehr- und Forschungsgebiet Integrierte Photonik
Walter-Schottky-Haus, Raum 24B421
Sommerfeldstraße 24 – D-52074 Aachen
Tel.: ++49-241-80-20021
Fax: ++49-241-80-22212
[email protected]
www.iph.rwth-aachen.de
Gliederung der Vorlesungen Optische Telekommunikation I und II
Optische Telekommunikation I, Bauelemente (OTK1). Aufteilung nach Wochen (1 Semester,
schriftliche Prüfung 90 Minuten):
1. Einführung in die Wellenleiter Optik und in die optische Datenübertragung.
Glasfaser Technologie, Planar Lightwave Circuit (PLC) Technologie, Optische Moden,
Wellenleiter Dispersion, Einführung in monomodale und multimodale Optik, Limitierung
durch Modendiversität und Distanz-Bandbreite Produkt.
2. Wellenleiter Moden.
Herleitung von Wellenleiter Moden, Methoden zur Berechnung von Wellenleitermoden,
skalare und vektorielle Wellengleichung, metallische und dielektrische Wellenleiter,
Conformal Mapping.
3. Planare Photonische Schaltkreise.
Einführung in Modenkopplung, Streuungs- und Transmissionsmatrizen, direktionale Koppler,
Mach-Zehnder Interferometer, Resonatoren.
4. Perturbations-Theorie
Herleitung von Wellenleiterkopplung, Absorptionsverlusten, Streuungsverlusten und
Phasenmodulation anhand der Perturbationstheorie der skalaren Wellengleichung.
Supermoden von gekoppelten Systemen.
5. Grundlagen der linearen & nichtlinearen Optik
Harmonisches und anharmonisches Oszillatormodell, Herleitung von Absorption und
Dispersion, Kramers-Kronig Beziehung, nichtlineare Suszeptibilität, Kerr-Effekt, Solitonen,
Super-Continuum Generation, Pockels Effekt, Second-Harmonic Generation, Sum &
Difference Frequency Generation, Four-Wave-Mixing, Raman und Brillouin Streuung,
nichtlineare Effekte in Resonatoren.
6. Laser und optische Verstärker, Teil I
Spontane und stimulierte Emission, Emissions- und Absorptionsquerschnitte, PopulationsInversion, optische Verstärkung in atomaren Medien, Erbium-dotierte Faser Verstärker
(EDFA), homogene und inhomogene Verbreiterung des Verstärkungsspektrums.
7. Laser und optische Verstärker, Teil II
Laser Ratengleichungen, Laser Emissionslinienbreite und Laserschwelle, modengekoppelte
Laser, Verstärkung in Halbleiterdioden, Quanten Töpfe, Quanten Punkte, Fabry-Perot Laser,
DFB Laser, VCSEL, thermische Empfindlichkeit und Mode-Hopping, Laser Dynamik
(Relaxations-Oszillationen), Schrotrauschen, Relatives Intensitätsrauschen (RIN) und
thermisches Rauschen.
8. Passive Optische Bauelemente, Teil I
Grundlagen der diffraktiven Optik, Beugungsgitter, photonische Kristalle, Holey Fasern.
9. Passive Optische Bauelemente, Teil II
Multimodale Interferometer (MMI), Frequenzmultiplexer, Arrayed Waveguide Gratings
(AWG), Echelle Gitter.
10. Elektro-Optische Modulatoren, Teil I
Pockels Effekt, Mach-Zehnder Modulatoren, Phase-Matching, Transmissions-Linien, Chirp.
11. Elektro-Optische Modulatoren, Teil II
Plasma Effekt, segmentierte Treiber, Bandbreiten-Limitierungen, ElektroabsorptionsModulatoren, Franz-Keldysh Effekt, Quantum Confined Stark Effekt.
12. Photodetektoren
PIN Photodetektoren, avalanche Photodetektoren (APD), Verstärkung-Bandbreite Produkt,
Rauschen in Photodetektoren.
Optische Telekommunikation II, Systeme (OTK2). Aufteilung nach Wochen (1 Semester, schriftliche
Prüfung 90 Minuten):
1. Empfänger Architektur
Block-Diagramm eines einfachen Empfängers, Offset Kompensation, Clock-Data Recovery,
Transimpedance Amplifier / Limiting Amplifier (TIA-LA).
2. Grundlagen der Signal Analyze
Augendiagramme, Bit-Error Rate (BER), Jitter, Gaußsches Rauschen-Modell.
3. Bandbreiten Limitierung
Bandbreiten Limitierung, Inter-Symbol Interferenzen (ISI), Pre-Emphasis, Equalization.
4. Rauschen in optischen Übertragungssystemen
Rauschen-Modell eines einfachen optischen Empfängers, Johnson Nyquist Rauschen,
Schrotrauschen, relatives Intensitätsrauschen (RIN), Link-Budget.
5. Optical Keying
On-Off Keying (OOK), Differential Phase Shift Keying (DPSK), Differential Quadrature Phase
Shift Keying (DQPSK), Konstellationsdiagramme, Kohärente Detektion.
6. Limitierungen von Metro & Long Haul transmission
Limitierungen von Long Haul Transmission, Chirp, Dispersion, Self-Phase Modulation (SPM),
Cross-Phase Modulation (XPM), Verstärkte Spontane Emission (ASE).
7. Metro & Long Haul System Architekturen
Wavelength Domain Multiplexing (WDM) Netzwerke. Metro und Long Haul Standards.
8. Fiber-to-the-Home (FTTH) Systeme
PON und Point-to-point Netzwerke. Next Gen. WDM-PON. Eigenheiten der technologischen
Rahmenbedingungen und eingesetzte Bauelemente.
9. Datacom-Systeme
Monomodale und Multimodale Datacom Systeme, Restricted Mode Launch, 850 nm und
1310 nm Technologien, optische Standards mit kurzer Latenzzeit (Infiniband), Optik im
Datacenter, Thunderbolt Standard, Entwicklungen in Richtung Chip-to-Chip Interconnects.
10. Analog Optical Links
Coax over Fiber (CATV RF over Fiber), Anwendungen in Radar Remoting und Instrumentation,
Limitierungen durch Linearität, Schrotrauschen und Relatives Intensitätsrauschen.
11. Free Space Optical Links
12. Mixed Domain Elektro-Optische Regel- und Schaltkreise
Angleichen von Laser Frequenz und Phase durch Elektro-Optische
Phasenrückkopplungssysteme, erzeugen von ultra-reinen RF Frequenzreferenzen durch
elektro-optische Schaltkreise.