Optische Nachrichtenübertragung
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Vortrag zur Vorlesung Laserphysik Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 19.06.2007 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Beispiele für optische Nachrichtenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 3 2 Sender 2.1 LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Halbleiterlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 3 Empfänger 3.1 Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Photoempfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 6 4 Übertragungsmedium (Glasfaser) 4.1 Grundtypen der Glasfaser . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Stufenprofilfaser . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Gradientenprofilfaser . . . . . . . . . . . . 4.2 Vergleich Stufenprofil- und Gradientenprofilfaser 4.2.1 Verluste/Dämpfungen . . . . . . . . . . . 4.3 Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Verbinden von einzelnen Glasfasern . . . . . . . . 4.4.1 Permanente Verbindung . . . . . . . . . . 4.4.2 Lösbare Verbindung . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Linsenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Stirnflächenkopplung . . . . . . . . . . . . 4.4.5 Schrägschliffkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 10 10 12 12 13 14 14 15 16 16 17 5 Verstärker 5.1 EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Vergleich EDFA/SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 18 19 20 6 Vor- und Nachteile der optischen Nachrichtenübertragung 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Übertragungsbänder A B Bildquellen B Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 1 Einführung 1.1 Motivation Warum optische Nachrichtenübertragung? Im heutigen Informationszeitalter ist eine hohe Bandbreite bei der Übertragung von Daten sehr wichtig. Über ein Kupferkabel lässt sich mittlerweile ein Netzwerk mit einer Bandbreit rund 10 Gbit aufbauen. Bei der optischen Nachrichtenübertragung dagegen, lassen sich Geschwindigkeiten von mehreren Tbit erreichen. Hinzu kommt, dass ein optisches Übertragungsmedium wesentlich dämpfungsschwächer gegenüber einem herkömmlichen Kupferkabel ist. Das bedeutet für die Praxis, dass nur in sehr großen Abständen das optische Signal verstärkt werden muss. Ein wichtiger Vorteil eines optischen Übertragunsgmediums gegenüber einem elektrischen Übertragungsmedium ist seine fast absolute Abhörsicherheit. Bei einem Kupferkabel lassen sich ohne Schwierigkeiten die Ummantelung des Kabels entfernen und die elektrischen Impulse abgreifen. Entfernt man bei einer Glasfaser die Ummantelung, bricht unmittelbar die Übertragung ab, so dass auf der Empfängerseite der Datenübertragungsverlust sofort bemerkt wird. Allerdings hat die optischen Nachrichtentechnik auch Nachteile. Ein wesentlicher Nachteil ist der Kostenaufwand. Eine optische Überragungsstrecke auszurüsten ist erheblich teurer als die Anschaffung entsprechender Geräte für eine herkömmliche elektrische Datenübertragung. Es ist jedoch absehbar, dass in nicht allzuferner Zukunft die optische Nachrichtentechnik genauso teuer ist, wie die elektrische Nachrichtenübertragungstechnik. Zu diesem Zeitpunkt werden dann sicherlich nur noch optische Datenübertragungstechniken verbaut und benutzt werden. 1 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 1.2 Historie Um Nachrichten bzw. Daten über eine weiter Entfernung übertragen zu können, setzte sich in den letzten Jahren immer stärker die optischen Datenübertragungstechnik durch. Dabei ist dieses Prinzip der Nachrichtenübertragung schon weit aus länger bekannt. Schon sehr früh gab es Überlegungen, wie man über eine weite Strecke Nachrichten schnell übermitteln könnte. Im Jahre 1790 baute Claude Chappe wohl als einer der Ersten ein optischen Telegraphensystem. Dieses System bestand aus mehreren Türmen mit beweglichen Signallampen. Damit war es erstmals möglich, eine Nachricht über eine Entfernung von rund 200 km in ca. 15 Minuten zu übertragen. Etwa 100 Jahre später, im Jahre 1870, demonstrierte der englische Physiker John Tyndall, dass sich Licht in einem Wasserstrahl führen lässt. Dies wäre eine Lösung für das Qualitätsproblem beim 10 Jahre später entwickelten Photophon des Amerikaners Graham Bell gewesen, das es ermöglichte Sprachsignale mit Hilfe von Licht zu übertragen. Leider war die Qualität der Übertragung sehr stark witterungsabhngig (Sicht) abhängig, so dass sich dieses System nie durchgesetzt hat. Es vergingen weitere 50 Jahre, bevor im Jahre 1934 der Amerikaner Norman R. French ein Patent für ein optisches Telefonsystem erhielt. Dieses Patent beschreibt, wie Telefonsignale über ein Lichtkabelnetz, bestehend aus Glaskabeln, transportiert werden können. Die Technische Verwirklichung des Systems gelang nach weiteren 25 Jahren. Im Jahr 1960 wurde von Theodor H. Maiman zum ersten Mal der von den Nobelpreisträgern Arthur Schawlow und Charles H. Townes im Jahre 1958 entwickelte Laser erfolgreich betrieben. Zwei Jahre später gelang es dann, einen Laser aus Halbleitermaterialien herzustellen. Parallel dazu lief die Entwicklung von Photodioden aus Halbleitermaterialien. In den 70er Jahren war es damit möglich, die ersten Halbleitersender und -empfänger für eine optische Nachrichtenübertragung zu bauen. Es mangelte allein an einem effizienten Übertragungsmedium, dem heutigen Glasfaserkabel. Zunächst dachte man über eine Lichtführung in verspiegelten runden Hohlleiter nach. Diese Idee wurde später verworfen und stattdessen die Glasfaser als Übertragungsmedium im Jahre 1966 von Charles K. Kao und George A. Hockham vorgschlagen. Das Problem in diesem Jahrzehnt waren die sehr hohen Dämpfungswerte der verwendeten Materialien. Man benötigte Medien mit einem Dämfungswert von rund 20 dB/km, die damaligen Lichtwellenleiter hatten jedoch meist einen Dämpfungswert von rund 1000 dB/km. Erst im Jahr 1970 schaffte es Corning Glass Works, einen Lichtwellenleiter mit einem Stufenprofil zu fertigen, der einen Dämpfungswert von unter 20 dB/km bei einer Senderwellenlänge von 633 nm hatte. 1972 folgten weitere Lichtwellenleiter-Profile, wie z.B. das Gradientenprofil mit einem Dämpfungsfaktor von rund 4 dB/km. In den darauf folgenden Jahren wurden die Sender und Empfänger bezüglich Leistung und Empfindlichkeit verbessert. Für Telefonübertragungen wurden erstmals auf einem militärischen Schiff im Jahr 1973 Lichtwellenleiterkabel verwendet. Das Prinzip der Übertragungstechnik wurde bis heute wenig verändert. Forschung wurde lediglich bezüglich der Sender, Empfänger, Verstärker und der Übertragungsmedien betrieben. 2 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 1.3 Beispiele für optische Nachrichtenübertragung TOSLINK (Toshiba Link ): Spezieller Anschluss für die optische Übertragung von digitalen Audio-Signalen. Als Sender dient eine Leuchtdiode (≈ 670 nm). Als Übertragungsmedium ist eine aus Kunstoff bestehende Glasfaser im Einsatz. Vorteil dieser Verbindungstechnik ist die Potentialtrennung der verbundenen Geräte. Dadurch werden weder elektrische Störsignale übertragen, noch lässt sich die Übertragung mittels EM-Felder beeinflussen. Abbildung 1: TOSLINK Fernbedienungen: IR-Übertragung (λ ≈ 950 nm) von Daten an ein elektrisches Gerät (z.B. Senderwechsel beim Fernseher). Lokale Netzwerktechnik: Verbindung von Computern im privaten und gewerblichen Bereich. Telekom: Anbindung von Häusern an das Internet. Eventuelles Verlegen der Lichtwellenleitern bis ins Haus. Ansonsten: Verbinden von Vermittlungsstellen. Automobil: men. Vernetzung von Sicherheits- und Seekabel: Vernetzung von Kontinenten. 3 Multimediasyste- Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 2 Sender Um eine optische Datenübertragung zu ermöglichen, wird ein effektiver Sender für das Senden von optischen Signalen benötigt. Da diese Sender sehr klein sein sollen, werden hauptsächlich Halbleitersender, wie der Halbleiterlaser oder die Halbleiterdiode (LED), verwendet. 2.1 LED Eine Light Emitting Diode ist ein elektronisches Halbleiterelement, welches Licht abstrahlt, wenn Strom durch den Halbleiter in Durchlassrichtung fließt. GaAs-Diode: Eine Gallium-Arsen-Diode ist vom Aufbau her eine der einfachsten Halbleiterdioden. Abbildung 2: GaAs-Diode Fasermaterial Wellenlänge (nm) Übertragung (Mbit/s) InP Glas 1300 300 GaAs Glas 800 - 960 50 GaAlAs Kunststoff 800 - 960 50 Tabelle 1: Eigenschaften einiger LEDs Für eine Informationsübertragung über weite Strecken sind LEDs nicht geeignet, da die Leistungen der LEDs oft nur für eine kurzreichweitige Übertragung ausreicht (siehe Abb. (1.3). 2.2 Halbleiterlaser Sollen Daten über eine lange Strecke übertragen werden, benötigt man leistungsstärkere Sender. Hierfür kommen meist nur Laser in Frage. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) sind Strahlungsquellen, deren Funktionsweise auf der stimulierten Emission beruhen. Ein Laser besteht im wesentlichen aus einem aktiven Medium und einem Resonator. Durch ein optisches Pumpen des aktiven Mediums wird erreicht, dass Atome im aktiven Medium in ein höheres Energieniveau gehoben werden (Absorption). Nach einer bestimmten Zeit (Lebensdauer des Niveaus) fällt das Atom in den Grundzustand zurück und emittiert dabei ein Photon mit der vorher absorbierten Energie. Für eine Verstärkung eines Lichtimpulses in einem Laser soll ein angeregtes Atom nicht durch spontane Emission in den Grundzustand übergehen, sondern durch die induzierte Emission. Hier wird das angeregt Atom durch ein Photon zur Emission der vorher absorbierten Energie gebracht. Um sicherstellen, dass in dem aktiven Medium immer mehr Atome in angeregtem Zustand vorliegen, als im Grundzustand (Besetzungsinversion) und somit die Möglichkeit der stimulierten Emission besteht, müssen Umwege über weitere Energieniveaus erfolgen. 4 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Bei einem Halbleiterlaser sind die beteiligten Energieniveaus aufgrund der hohen Ladungsträgerdichte quasikontinuierlich verteilt und bilden damit das Leitungs- und Valenzband. Ein Übergang zwischen diesen beiden Bändern kann bei einem Halbleitermaterial als strahlende Rekombination der Elektronen-Loch-Paare zur Lichterzeugung genutzt werden. Die benötigte Besetzungsinversion kann durch einen hohen Stromfluss durch den Halbleiter erfolgen. Dieser Stromfluss hat zur Folge, dass die überschüssigen Elektronen in der n-Schicht und die Löcher der p-Schicht zum pn-Übergang diffundieren und dort unter Abgabe von Photonen rekombinieren. Abbildung 3: Laserdiode 5 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 3 Empfänger Um am Ende der Nachrichtenübertragungsstrecke die optischen Signale wieder in elektrische Impulse umsetzen zu können, werden spezielle Empfänger benötigt. Diese Empfänger bestehen in der Regel ebenfalls wie die Sender aus Halbleitern und beruhen auf dem Photoelektrischen Effekt. Äußerer Photoeffekt: Der äußere Photoeffekt beruht auf dem Freisetzen von Elektronen aus einer Metalloberfläche, die von elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird. Innerer Photoeffekt: Der innere Photoeffekt beruht auf dem Anheben eines Elektrons aus dem Valenzband in ein höher liegendes Leitungsband durch die Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung (Absorption). Dies hat zur Folge, dass die Leitfähigkeit des Materials erhöht wird. 3.1 Photodiode Die Photodiode ist eine Halbleiterdiode, die mittels des inneren Photoeffekts elektromagnetische Strahlung in einen elektrischen Strom umsetzt. Für die Umwandlung von sichtbarer Strahlung bestehen die Photodioden häufig aus Silizium. Soll dagegen infrarote Strahlung in elektrischen Strom umgesetzt werden, verwendet man meist GermaniumPhotodioden. Abbildung 4: Photodiode Abbildung 5: Schematischer Aufbau einer Si-Diode Abbildung 5 zeigt, dass die Strahlung auf das stark p-dotierte Halbleitermaterial auftrifft. In der Raumladungszone werden Ladungsträger erzeugt, die zu einem Stromfluss führen. 3.2 Photoempfänger Im Gegensatz zur ’reinen’ Photodiode besitzen Photoempfänger noch einen möglichst rauscharmen elektrischen Vorverstärker. 6 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 4 Übertragungsmedium (Glasfaser) Heute werden in Nachrichtenübertragungstechnik zunehmend Glasfasern für die Übermittlung von Informationen genutzt. Ihr größter Vorteil gegenüber dem bislang genutzen Kupferkabel liegt in der hohen Übertragungsbandbreite. Außerdem ist die Glasfaser leichter und flexibler als ein Kupferkabel. Bei einer Glasfaser handelt es sich um einen Leiter, in dem moduliertes Licht übertragen werden kann. Sie besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten, einem Kern, einem Mantel und einer Beschichtung. Der Kern dient zum Übertragen des Lichtsignals und besteht aus einem Kunststoff oder Quarzglas mit einer hohen Brechzahl n1 . Ebenfalls aus Kunstoff oder Quarzglas besteht der Mantel. Allein die Beschichtung wird ausschließlich aus Kunststoff hergestellt. Der Mantel besitzt im Gegensatz zum Kern eine niedrigere Brechzahl n2 . Damit bewirkt der Mantel eine Totalreflexion der durch den Kern laufenden Lichtstrahlen am Übergang zwischen Kern und Mantel und stellt eine Führung der Strahlen im Kern der Glasfaser sicher. Die Beschichtung weißt eine höhere Brechzahl n3 gegenüber dem Mantel und dem Kern auf. Dies hat zur Folge, dass über den Mantel eingekoppelte Lichtstrahlen absorbiert werden und sich nicht im Mantel über lange Strecken ausbreiten können. Für den maximalen Winkel α0 (Grenzwinkel) der Totalreflexion folgt: n2 sin α0 = (1) n1 Die dritte Schicht, die Beschichtung, dient hauptsächlich dem Schutz der Glasfaser vor äußeren mechanischen Einflüssen. Für das Verbinden von Glasfasern (Spleiße siehe Kapitel 4.4) lässt sich die Beschichtung ohne weiteres vom Mantel der Glasfaser entfernen. Weiterhin lässt sich die Beschichtung einfärben um eine Kennzeichnung auf einer Glasfaser aufzubringen. Zwischen der Beschichtung und der Mantelschicht wird oftmals noch eine Lackierung aufgebracht. Sie soll Feuchtigkeit von der Glasfaser fernhalten. Abbildung 6: Glasfaseraufbau Um nun einen Lichtstrahl in die Glasfaser einzukoppeln, muss beachtet werden, dass der Lichtstrahl an der Grenzfläche Luft/Kern gebrochen wird. Es folgt nach dem Brechungsgesetz: p sin θ n1 1 − sin2 α (2) = ⇒ sin θ = n cos α = n · 1 1 sin 90◦ − α n Mit der Bedingung für den Grenzwinkel der Totalreflexion (Glg. 1) folgt: q sin θ0 = n21 − n22 (3) Damit lässt sich der maximale Einkopplungswinkel θ0 berechnen unter dem der Lichtstrahl in die Glasfaser eintreten darf, damit der Strahl innerhalb der Glasfaser mittels Totalreflexion geführt wird. 7 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 4.1 Grundtypen der Glasfaser Untersucht man die Berechzahl als Funktion des Radius r einer Glasfaser, so erhält man das sogenannte Brechzahlprofil des Lichtwellenleiters. Damit lässt sich die radiale Änderung der Brechung der Glasfaser von der Achse bis zum Mantel beschreiben. In der Praxis sind dabei meist Potenzprofile, ein Brechzahlenprofil, deren radialer Verlauf als Potenzfunktion des Radius beschrieben wird, von Interesse: ( g n21 · 1 − 2∆ ar für r < a im Kern 2 n (r) = (4) 2 n2 für r ≥ a im Mantel mit dem Abstand von der Glasfaserachse r, der Brechzahl n1 der Glasfaser-Achse (r = 0), der normiern2 −n2 ten Brechzahldifferenz ∆ = 12n2 2 , dem Kernradius a, dem Profilexponenten g und der Mantelbrechzahl 1 n2 . Dabei sind folgende Profilexponenten von großer Bedeutung: g=1 g=2 g→∞ Dreiecksprofil Parabelprofil Stufenprofil Abbildung 7: Brechzahlprofile Die Grafik zeigt, dass bei den Profilen, abgesehen vom Stufenprofil, die Brechzahl im Kernglas graduell wächst. Daher werden diese Profile auch Gradientenprofile genannt. Beim Stufenprofil ist die Brechzahl konstant der Brechzahl des Kernmaterials (n1 ). Eine weitere wichtige Größe für die Beschreibung einer Glasfaser ist der so genannte Strukturparameter: q q a 2 2 (5) V = 2π · · n1 − n2 = k · a · n21 − n22 λ Beispielsweise ist die Anzahl der Moden, die in einer Glasfaser geführt werden können, abhängig von diesem Parameter und ist in etwa gegeben durch: N≈ V2 g 2 g+2 (6) Diese genannten Moden resultieren aus dem Wellencharakter des Lichtes. Vom Wellenpunkt aus betrachtet, handelt es sich bei der Leitung eines Lichtstrahls in einer Glasfaser um eine Lösung der 8 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Maxwellgleichungen mit den Randbedingungen einer Reflexion. Dabei gibt es nicht nur eine Lösung (z.B. Welle mit einem Bauch), sondern auch Lösungen höherer Ordnung, die so genannten Moden. Die Untersuchung der Erscheinungsformen der Wellenoptik in einer Glasfaser ist notwendig, weil der Durchmesser eines typischen Glasfaserkerns nur um einiges größer ist als die Wellenlänge des Lichtstrahls ( 1 − 2 µm), der im Kern der Glasfaser geführt wird. Das Führen eines optischen Signals setzt eine möglichst kohärente Lichtwelle voraus. Damit treten jedoch auch Interferenzerscheinungen in der Glasfaser auf, die dadurch erkennbar werden, dass sich das Licht nur unter bestimmten Winkeln im Kern ausbreitet, nämlich unter denen sich die beteiligten Lichtwellen konstruktiv interferieren. Diese erlaubten ausbreitungsfähigen Lichtquellen werden Eigenwellen (Moden) genannt. Abbildung 8: Moden 9 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 4.1.1 Stufenprofilfaser Von einer Stufenprofilfaser spricht man, wenn die Brechzahl über den gesamten Querschnitts des Kerns konstant ist. Damit ein Lichtstrahl aufgrund der Totalreflexion im Kern der Faser geführt kann, muss die Brechzahl des Kerns um einen kleinen Betrag größer sein, als die Brechzahl des Mantels. Abbildung 9: Mehrmoden-Stufenprofilfaser Der Grenzwinkel der Totalreflexion folgt nach Glg. (1) zu: α0 ≈ 80.6◦ . Der Akzeptanzwinkel folgt nach Glg. (3) zu: θ0 ≈ 14◦ . Und letztendlich ergibt sich die Anzahl der Moden mit einer Lichtwellenlänge von λ = 850 nm (IR) nach Glg. (6) zu: N ≈ 4000. Ein Lichtimpuls besteht in einer Mehrmoden-Glasfaser aus mehreren einzelnen Moden. Jeder dieser Moden wird durch einen unterschiedlichen Einkopplungswinkel in die Glasfaser herbeigeführt. Aufgrund des unterschiedlichen Einkopplungswinkels durchlaufen die einzelnen Lichtimpulse unterschiedliche Wegstrecken im Kern der Faser, was zur Folge hat, dass diese zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Glasfaser wieder austreten (Modendispersion). Verhindern lässt sich diese Modendispersion indem man den Lichtwellenleiter so baut, dass einfach nur noch eine Mode in den Lichtwellenleiter passt: Abbildung 10: Einmoden-Stufenprofilfaser Der Grenzwinkel der Totalreflexion folgt nach Glg. (1) zu: α0 ≈ 87.9◦ . Der Akzeptanzwinkel folgt nach Glg. (3) zu: θ0 ≈ 3◦ . 4.1.2 Gradientenprofilfaser Die im vorherigen Unterkapitel angesprochene Modendispersion kann ebenfalls sehr stark verringert werden, wenn statt einer konstanten Kernbrechzahl, eine parabelförmige Brechzahlverteilung des Kerns 10 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke gewählt wird. Abbildung 11: Gradientenprofilfaser Bei dieser Art von Glasfaser ist die Kernbrechnungszahl n1 abhängig vom Radius r, daraus folgt ebenfalls eine Abhängigkeit des Akzeptanzwinkels vom Radius q sin θ = n21 (r) − n22 r q r 2 n21 − n22 1 − (7) = a Der Winkel θ ist also an der Glasfaser-Achse (r = 0) am größten, während er an der Grenze von Kern und Mantel (r = a) gegen Null geht. Abbildung 12: Phasenraumdiagramm einer Gradientenfaser Wie die Grafik 4.1.2 zeigt, breiten sich die Lichtstrahlen im Gradientenprofil nicht wie im Stufenprofil zickzackförmig aus, sondern auf wellenförmigen Bahnen. Aufgrund der sich ständig ändernden Brechnzahl im Kern der Glasfaser, werden die Lichtstrahlen ständig gebrochen und ihre Ausbreitungsrichtung verändert. Die einzelnen Strahlen haben zwar weiterhin eine unterschiedliche Wegstrecke zu durchlaufen, bewegen sich jedoch mit steigendem Kernradius aufgrund der sinkenden Kernbrechungszahl schneller, wodurch die Längenunterschiede der verschiedenen Lichtwege ausgeglichen werden. Am Ende der Glasfaser ist der Laufzeitunterschied der einzelnen Strahlen verschwindend gering. 11 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 4.2 Vergleich Stufenprofil- und Gradientenprofilfaser Kerndurchmesser (µm) Manteldurchmesser (µm) Brechzahldifferenz Kern/Mantel (%) Wellenlängenbereich (nm) Modenzahl Übertragungsreichweite (km) Stufenprofilfaser (single-mode) 10 125 Stufenprofilfaser (multi-mode) ≥ 50 140 0,3 ≥1 ≈1 1300 / 1550 1 1260 - 1675 ≥ 100 0,5 - 2 1260 - 1675 ≥ 100 Gradientenprofilfaser ≥ 50 125 4.2.1 Verluste/Dämpfungen Da der Mantel mit seiner niedrigeren Brechzahl gegenüber jener des Kerns eine Führung der Lichtstrahlen im Glasfaserkern bewirkt, tritt hier kein Verlust in Form von Lichtaustritt auf. Allerdings behält der geführte Strahl die (Licht-)Intensität über sehr lange Strecken nicht bei. Über kurze Strecken erfährt die Internsität des Lichtstrahls zwar ebenfalls durch die Materialien der Glasfaser eine Dämpfung, diese ist aber gegenüber langen Glasfaserstrecken vernachlässigbar. Die Verluste der Lichtintensität verursachen folgende Effekte: (a) Rayleigh-Streuung: Da es technisch unmöglich ist, ein 100 % homogen dichtes Medium herzustellen, kommt es bei der Glasfaser zu Dichtestörungen im Kern. An diesen Inhomogenitäten wird der in der Glasfaser geführte Strahl gestreut. Diese Streuung macht sich erst bei Wellenlängen λ < 1 mm bemerkbar. Da in der optischen Datenübetragung Wellenlängen von mehreren hundert Nanometern eingesetzt werden, kommt es zu dieser Art von Streuung. Die Dämpfung folgt zu: 1 a≈ 4 (8) λ (b) Infrarot-Absorption: Absorption aufgrund von Molekülschwingungen des verwendeten Wellenleitermaterials. (c) Ultraviolett-Absorption: Wechselwirkung des Lichts mit den Elektronen des Fasermaterials. (d) OH-Absorption: Eingeschlossene OH− -Ionen (Verunreinigung) im Lichtwellenleiter führen Absorptionen bei etwa 950 nm, 1230 nm und 1370 nm mit sich. (e) Spleiße: Beim Verbinden zweier Glasfasern kommt es aufgrund von Reflexionen (Linsen) oder starken Dichtestörungen zu Verlusten (siehe Kap. 4.4). Die Dämpfungen liegen oft in einem Bereich von rund 0,1 dB bis 0,5 dB. 12 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Abbildung 13: Dämpfung einer Glasfaser Ebenfalls zu Verlusten kommt es beim Ein- und Auskoppeln von Lichtsignalen. Hier treten an den Grenzflächen Reflexionen auf, die eine Dämfpung des Signals zur Folge haben. Um diese Reflexionen so gering wie möglich zu halten, werden Glasfaserenden häufig mit Antireflexionsmaterialien beschichtet. Eine weitere Möglichkeit Reflexionen oder Beugung beim Auskoppelvorgang zu verhindern, ist das Spleißen von Sender/Empfänger und Glasfaser. 4.3 Herstellung Das hauptsächlich verwendete Material zur Herstellung einer Glasfaser ist Quarzglas (SiO2). Quarzglas ist wie jedes übliche Glas ein amorpher Festkörper mit einer Brechzahl von n ≈ 1, 444. Eine Änderung der Brechzahl kann durch eine Dotierung erfolgen. So lässt sich der Kern der Glasfaser gegenüber dem Mantel zum Beispiel mit Germanium oder Phosphor dotieren, um eine höhere Kernbrechzahl zu erreichen. Andererseits ist es auch möglich, den Mantel zu dotieren. Da der Mantel gegenüber dem Kern jedoch eine geringere Brechzahl aufweisen muss, werden hier meist Bor oder Fluor verwendet. Eine Dotierung des Kernbereichs führt immer zu Verlusten (siehe Kap. 4.2.1), sodass meist nur die Mantelschicht dotiert wird, während der Kern unberührt bleibt. In heute verwendeten Glasfasern liegt die Brechzahldifferenz im Bereich von ungefähr einem Prozent und weniger. Quarzglas hat weiterhin hervorragende mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine hohe Zugfestigkeit oder eine gute Elastizität. Dies hat den Vorteil, dass sich dieses Material einfach verarbeiten lässt und später die Verkabelung weniger Probleme bereitet. Quarzglasfasern werden hauptsächlich für die Datenkommunikation über weite Strecken verwendet. Sollen hingegen nur kurze Strecken überbrückt werden (siehe z.B. 1.3), so können anstelle von Quarzglasfasern auch Kunststofffasern verwendet werden. Diese bestehen oftmals aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) und lassen sich sehr kostengünstig herstellen. Außerdem sind sie hochflexibel und ermöglichen dadurch eine sehr einfache Verbindung/Verlegung. Zum Herstellungsprozeß einer Glasfaser sei auf ein YouTube-Video1 verwiesen. 1 http://youtube.com/watch?v=-Jdq3PuXK84 13 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 4.4 Verbinden von einzelnen Glasfasern 4.4.1 Permanente Verbindung Als permanente Verbindungsmethode von Glasfasern wird häufig das sogenannte ’Spleißen’ angewandt. Bei diesem Verfahren werden zwei Glasfasern entweder verklebt (a) oder verschweißt (b). (a) Für das mechanische Spleißen werden die zwei abisolierten Glasfasern in ein spezielles Blech geschoben, in das vorher ein schnell aushärtender Kleber gebracht worden ist. Für eine zugfeste Verbindung wird ein Spleißverbinder an die beiden Mantelbeschichtungen der Glasfasern angequetscht. (b) Beim thermischen Spleißen werden zunächst die Kerne der zwei zu verbindenden Glasfaser freigelegt. Danach werden mittels eines speziellen Trenngeräts die Kernadern abgebrochen, so dass eine spiegelglatte und senkrecht zur jeweiligen Kernader stehende Fläche entsteht. Nach dem erfolgreichen Ausrichten der zwei zu verbindenen Glasfasern, wird nun mittels einer hochfrequenten Wechselspannung zwischen zwei Elektrodenspitzen ein Lichtbogen entzündet, der die notwendige thermische Energie bereitstellt, um die zwei Enden der Glasfasern miteinander zu verschweißen. Für eine zugfeste Verbindung wird hier ebenfalls ein Spleißverbinder an die beiden Mantelbeschichtungen der Glasfasern angequetscht. Abbildung 15: Prinzip des Thermischen Spleißens Abbildung 14: Thermisches Spleißgerät 14 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Abbildung 16: Offene und geschlossene Glasfasermuffe für mehrere gespleißte Glasfasern 4.4.2 Lösbare Verbindung Alternativen zu den nichttrennbaren Spleissverbindungen sind einfache Stecker und Kupplungen. Bei dieser Art der Verbindung muss darauf geachtet werden, dass die optischen Signale aufgrund der Verbindung nicht zu sehr geschwächt werden. Diese lösbaren Verbindungen lassen sich aufgrund ihrer Wirkunsgweise in zwei verschiedene Gruppen unterteilen, die Linsen- und die Stirnflächenkopplung. Abbildung 17: Stecker Abbildung 18: Kupplungen 15 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 4.4.3 Linsenkopplung Wie der Name schon sagt, werden bei den Linsenkopplung die Glasfasern mittels Linsen verbunden. Sie dienen zum Aufweiten der Signalstrahlen in einen parallelen Lichtstrahl größeren Durchmessers, um sie danach wieder gebündelt in eine zweite angesteckte Glasfaser einzubinden. Abbildung 19: Linsenkopplung mittels zwei Linsen Ein Vorteil der Kopplung ist, dass im Steckbereich größere Abstandstoleranzen zulässig sind. Der Nachteil besteht jedoch in den Verlusten durch Reflexionen an den einzelnen Grenzschichten unterschiedlicher Brechungsindizes. Eine alternative Linsenkopplung ist, statt der Verwendung von zusätzlichen Linsen das linsenförmige Schleifen der zwei zu verbindenen Glasfasern. Für die Kopplung werden dann die zwei Glasfaserstränge in Berührung gebracht. Ein Nachteil dieser Verbindungsart besteht im physikalischen Kontakt der Glasfasern miteinander. Durch kleinste Bewegungen treten Kratzer unmittelbar an der Verbindungsstelle der Glasfaser auf und es kommt zu einem mechanischen Verschleiß, der zur Folge hat, dass das optische Signal immer stärker gedämpft wird. Abbildung 20: Linsenkopplung mit linsenförmig geschliffenen Glasfasern 4.4.4 Stirnflächenkopplung Bei der Stirnflächenkopplung werden die zwei zu verbindenen Glasfasern zunächst plan geschliffen und danach dicht aneinander gebracht, jedoch nicht physikalisch verbunden. Es kommt hier zu keinem mechanischen Verschleiß. Dies ist die meist verwendete Kopplung einer Steckverbindung zweier Glasfasern. Die Nachteile dieser Verbindungsart sind, wie bei jeder Klopplungsart, die Reflexionen an den Grenzflächen, die eine Dämpfung des optischen Signals zur Folge haben. 16 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Abbildung 21: Strinflächenkopplung 4.4.5 Schrägschliffkopplung Die Schrägschliffkopplung wird häufig bei Einmodenfasern verwendet. Hierbei werden die zwei zu verbindenen Glasfasern schräg (meist in einem Winkel von φ = 8◦ ) angeschliffen und dicht zusammengebracht, jedoch ohne physikalischen Kontakt. Abbildung 22: Schrägschliffkopplung Aber auch hier treten Reflexionen an den Grenzflächen auf, die das optische Signal dämpfen. 17 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 5 Verstärker 5.1 EDFA Bei dem Erbium-Doped Fiber Amplifier handelt es sich um einen optischen Verstärker. Ihn erfand Prof. Dr. David N. Payne im Jahr 1987. Der EDFA besteht aus einem mit Erbium-Ionen (Er3+ ) dotierten einige Meter langem Glasfaserbereich, der mittels externer Strahlung angeregt wird und aufgrund der eingekoppelten Energie die in der Glasfaser laufenden Lichtwellen verstärkt. Zu beachten ist, dass durch die Dotierung die Dämpfung der Faser stark erhöht wird. Das liegt wie schon im Kaptiel 4.2.1 erwähnt an den durch die Dotierung eingebrachten Fremdkörpern. Diese Dotierungsstoffe absorbieren sowohl Energie des Pumplasers als auch des ursprünglich zu verstärkenden Signals. Insbesondere die Zusatz-Rayleighstreuverluste nehmen mit steigender Dotierung stark zu. Da man allerdings möglichst dämpfungsarme Fasern verwenden möchte, folgt, dass die Faser nur sehr schwach dotieren werden kann. Unter Berücksichtigung der Verstärkung eines Signals führt das jedoch unweigerlich zu einer sehr langen, dotierten Glasfaser. EDFAs mit einer Länge von rund 300 m sind heute keine Seltenheit. Die verwendete Strahlungsquelle (Halbleiterlaser) arbeitet in der Regel mit 980 nm oder 1480 nm, der EDFA verstärkt in einem Wellenlängenbereich von rund 1530 nm bis 1565 nm (C-Band) oder 1570 nm bis 1600 nm (L-Band). Dies entspricht einer Bandbreite von rund 4000 GHz. Um eine Verstärkung des Signals in der Glasfaser zu erreichen, regt der Pumplaser den mit Erbium dotierten Faserbereich an, der dadurch auf ein höheres Energieniveau gebracht wird. Dreifach positiv geladene Erbium-Ionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie neben den 6s-Elektronen auch noch ein 4f-Elektron abgeben können. Die verbleibenden 4f-Elektronen bilden aufgrund der CoulombWechselwirkung Zustandsniveaus aus, die erneut durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung in weitere Energieniveaus aufgespalten werden. Die erlaubten Übergänge zwischen diesen zuletzt genannten Energieniveaus liegen in den für die optische Datenübertragung benötigten Wellenlängen von rund 1.5 µm (siehe Abb. 5.1). Treten Signalphotonen in den dotierten Bereich der Glasfaser ein, fallen die Elektronen aus dem angeregten Zustand in ihr ursprüngliches Energieniveau zurück und emittieren ein Photon (stimulierte Emission), welches das vorher eingetroffene Signalphoton verstärkt. Ein Vorteil des EDFAs ist, dass die optischen Signale für die Verstärkung nicht in elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Weiterhin ist die Verstäker-Faser kaum dicker als eine herkömmliche Glasfaser und es wird außerdem nur ein (Halbleiter-)Laser benötigt. Mit Hilfe des dotierten Faserverstärkers lässt sich das optische Signal breitbandig verstärken, und eine Übertragung mit hoher Bandbreite über sehr lange Strecken (ca. 120 km) ermöglichen. Abbildung 23: Energieniveauschema von Er+3 Ionen, beispielhaft 18 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Abbildung 24: Erbium-Doped Fiber Amplifier 5.2 SOA Es soll an dieser Stelle nur kurz ein zweiter optischer Verstärker, der Semiconductor Optical Amplifier, erwähnt werden. Hierbei handelt es sich um einen optischen Halbleiter-Verstärker. Die aktive Komponente des Verstärkers besteht oftmals aus Indium, Gallium und Arsenid und arbeitet in einem Wellenlängenbereich von 1300 nm bis 1550 nm. Der Aufbau gleicht jenem eines Halbleiterlasers. Allerdings besitzt der SOA an den Stirnflächen eine Antireflexionsschicht, die verhindert, dass beim Eintritt bzw. Austritt des Lichtstrahls aus dem Halbleitermaterial unerwünschte Reflexionen auftreten und dadurch keine Resonanzeffekte auftreten können. Für eine Verstärkung des optischen Signals wird der Halbleiter von einem induzierten Strom elektrisch gepumpt. Er nutzt dabei den nichtlinearen Effekte der Kreuzverstärkungs-Modulation. Im Gegensatz zu einem einfachen Halbleiterlaser ist der SOA allerdings so präpariert, dass trotz hoher Besetzungsinversion im optischen Medium durch den induzierten Strom kein Anschwingen der Lasereigenschaft erfolgt. Die Glasfasern werden üblicherweise in einem Winkel von rund 7◦ angebracht. 19 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Abbildung 25: SOA Abbildung 26: SOA-Aufbau (InGaAsP/InP) Da die SOAs den EDFAs im Verstärkunsgrad, im Rausch/Signal-Verhältnis und in der Verstärkungsbandbreite deutlich unterlegen sind, werden diese heute weniger häufig eingesetzt. Nur bei kurzen, möglichst konstengünstig aufzubauenden Glasfaserstrecken werden noch SOAs verbaut. 5.3 Vergleich EDFA/SOA Verstärkung (dB) gepumpt Wellenlängenbereich (nm) Verstärkungs-Bandbreite (GHz) EDFA 20 - 40 Strahlung (980 nm oder 1480 nm) 1530 - 1565 1570 - 1600 4000 20 SOA 30 Strom 1300 - 1550 2 - 10 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke 6 Vor- und Nachteile der optischen Nachrichtenübertragung Vorteile: • hohe Übertragungsraten • hohen Übertragungsreichweiten • geringe Dämpfungen in optischen Wellenleitern • keine Beeinflussung durch EM-Felder • keine Potentialübertragung • leichter, flexibler und kleiner als herkömmliche Kupferkabel • fast absolute Abhörsicherheit • kaum Wärmeentwicklung • geringe Brandgefahr • Rohstoff für Wellenleiter (Si) nahezu unbegrenzt verfügbar Nachteile: • Installation teurer als herkömmliche Kupfer-Installation • schwierige Verlegung (durch Staub/Verschmutzung) • aufwendige Technik (z.B. Verbinden zweier Wellenleiter) • teure und komplexe Meßtechnik • teure Sender und Empfänger (im Gegensatz zu herkömmlichen Sendern) 21 Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke A Übertragungsbänder Band O-Band E-Band S-Band C-Band L-Band U-Band Bezeichnung Original Extended Short Conventional Long Ultralong Wellenlängenbereich (nm) 1260 − 1360 1360 − 1460 1460 − 1530 1530 − 1565 1565 − 1625 1625 − 1675 Tabelle 2: Wellenlängenbereiche der optischen Datenübertragung A Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke B Bildquellen • Toslink: – http://www.comtech-info.de/images/spdif_480.jpg – http://images.thgweb.de/2005/11/16/das_grosse_thg_stecker_kompendium/spdif-toslink. jpg • • • • • • • • Fernbedienung: http://www.srt-versand.de/shopdh/catalog/images/fb_universal_d600.jpg Kontonente: http://www.cybergeography.org/atlas/alcatel_large.gif Halbleiterlaser: http://images.mercateo.com/images/products/Schuricht/gr_632500f.jpg Photodiode: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/f/f8/Photodiode-closeup. jpg/270px-Photodiode-closeup.jpg Moden: Edgar Voges, Klaus P.: Optische Kommunikationstechnik. Handbuch für Wissenschaft und Industrie. 1. Springer-Verlag, Juni 2002 Single- & Multi-Mode Fasern: Edgar Voges, Klaus P.: Optische Kommunikationstechnik. Handbuch für Wissenschaft und Industrie. 1. Springer-Verlag, Juni 2002 Spleißgerät: http://www.pressebox.de/attachment/9521/S177_Main_body_print.jpg Glasfasermuffe: – http://www-wsp.adckrone.com/images/muffe4haube.jpg – http://www.fdt-gmbh.de/muffe1.jpg • Stecker: – – – – http://fuwshop.f-u-w.de/images/75207_g.jpg http://fuwshop.f-u-w.de/images/75201_g.jpg http://www.f-u-w.de/images/90705_g.jpg http://www.f-u-w.de/images/90704_g.jpg • Stirnflächenkopplung: Edgar Voges, Klaus P.: Optische Kommunikationstechnik. Handbuch für Wissenschaft und Industrie. 1. Springer-Verlag, Juni 2002 • Dämpfung – http://www.daetwyler.de/d/produkte/unilan/service/handbuch/kapitel/img/b4_07test. jpg – http://www.daetwyler.de/d/produkte/unilan/service/handbuch/kapitel/img/b4_08test. jpg • SOA: http://www.ihq.uni-karlsruhe.de/images/frontpage/soa_small.jpg B Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Literatur [DATACOM ] DATACOM, Buchverlag: ITWissen. – URL http://www.itwissen.info. – Zugriffsdatum: 2007.05.28 [Edgar Voges 2002] Edgar Voges, Klaus P.: Optische Kommunikationstechnik. Handbuch für Wissenschaft und Industrie. 1. Springer-Verlag, Juni 2002 [Geckeler 1990] Geckeler, Siegfried: Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung. 3. Springer-Verlag, 1990. – ISBN 3540517278 [Gerhard Grau 1991] Gerhard Grau, Wolfgang F.: Optische Nachrichtentechnik. Eine Einführung. 3. Springer-Verlag, 1991. – ISBN 3540538720 [Günther Mahlke 1988] Günther Mahlke, Peter G.: Lichtwellenleiterkabel. Grundlagen, Kabeltechnik, Anlageplanung. 2. Siemens Aktiengesellschaft, Januar 1988 [Kersten 1983] Kersten, Ralf T.: Einführung in die optische Nachrichtentechnik. Physikalische Grundlagen, Einzelelemente und Systeme. 1. Springer-Verlag, 1983. – ISBN 354011923X [Unger 1992] Unger, Hans-Georg: Optische Nachrichtentechnik II. Komponenten, Systeme, Meßtechnik. Januar 1992 [Unger 1993] 1993 Unger, Hans-Georg: Optische Nachrichtentechnik I. Optische Wellenleiter. Januar C
