Optische Nachrichtenübertragung
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Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Optische Nachrichtenübertragung Sebastian Eicke Universität Osnabrück Fachbereich Physik 19.06.2007 1 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile 2 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Warum optische Nachrichtenübertragung? • Hohe Bandbreite (einige Tbit/s) • Nahezu abhörsicher • Potentialfreie Verbindung 3 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile TOSLINK λ ≈ 670 nm 4 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile λ ≈ 950 nm (IR) 5 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile 6 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile LED Abbildung: GaAs-Diode 7 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Halbleiterlaser 8 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Photodiode/Photoempfänger Umwandlung von sichtbarer Strahlung: Si-Dioden Umwanldung von IR-Strahlung: Ge-Dioden 9 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Glasfaser Totalreflexion Brechung Einkoppelwinkel sin α0 = n2 n1 p sin θ n1 = ⇒ sin θ = n · 1 − sin2 α 1 sin 90◦ − α n q ⇒ sin θmax = n12 − n22 10 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Moden V2 g = N= 2 g +1 2π λa q n12 2 − n22 2 g g +2 11 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Übersicht der Profile ( n12 · 1 − 2∆ 2 n (r ) = n22 r g a für r < a im Kern für r ≥ a im Mantel g =1: Dreiecksprofil g =2: Parabelprofil g →∞ Stufenprofil 12 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Stufenprofilfaser 80, 6◦ ≤ α < 90◦ 0◦ < θ ≤ 14◦ N ≈ 4000 bei λ = 850 nm (IR) Abbildung: Mehrmoden-Stufenprofilfaser 87, 9◦ ≤ α < 90◦ 0◦ < θ ≤ 3◦ Abbildung: Einmoden-Stufenprofilfaser 13 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Gradientenprofilfaser 14 / 30 Warum? Beispiele Sender Kerndurchmesser (µm) Manteldurchmesser (µm) Brechzahldifferenz Kern/Mantel (%) Wellenlängenbereich (nm) Modenzahl Übertragungsreichweite (km) Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Stufenprofilfaser (single-mode) Stufenprofilfaser (multi-mode) Gradientenprofilfaser 10 ≥ 50 ≥ 50 125 140 125 0,3 ≥1 ≈1 1300 / 1550 1260 - 1675 1260 - 1675 1 ≥ 100 ≥ 100 0,5 - 2 15 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Thermisches Spleißen 1. Freilegen 2. Brechen 3. Ausrichten 4. Verschweißen 5. Ummanteln 16 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Mechanisches Spleißen 17 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Glasfasermuffe 18 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Steckverbindungen 19 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Linsenkopplung Abbildung: Linsenkopplung mit zwei Linsen Abbildung: Linsenkopplung mittels linsenfömig geschiffenen Glasfasern 20 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Schrägschliffkopplung 21 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Stirnflächenkopplung 22 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Verluste/Dämfpungen • Rayleigh-Streuung a ≈ 1 λ4 • Infrarot-Absorption • Ultraviolett-Absorption • OH-Absorption bei 950 nm, 1230 nm und 1370 nm • Spleiße (≈ 0,1 - 0,5 dB) 23 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Abbildung: Dämpfungsbereich einer Glasfaser 24 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile EDFA Abbildung: Erbium-Doped Fiber Amplifier 25 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile SOA Abbildung: SOA (InGaAsP/InP) Abbildung: Semiconductor Optical Amplifier 26 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Vergleich EDFA/SOA Verstärkung (dB) gepumpt Wellenlängenbereich (nm) VerstärkungsBandbreite (GHz) EDFA 20 - 40 Strahlung (980 nm / 1480 nm) 1530 - 1565 1570 - 1600 4000 SOA 30 Strom 1300 - 1550 2 - 10 27 / 30 Warum? Beispiele Sender Empfänger Übertragungsmedium (Glasfaser) Verstärker Vor- & Nachteile Vor-/Nachteile der optischen Nachrichtenübertragung Vorteile: • hohe Übertragungsraten • hohen Übertragungsreichweiten • geringe Dämpfungen in optischen Wellenleitern • • • • keine Beeinflussung durch EM-Felder keine Potentialübertragung fast absolute Abhörsicherheit leichter, flexibler und kleiner als herkömmliche Kupferkabel Nachteile: • Installation teurer als herkömmliche Kupfer-Installation • teure Sender und Empfänger (im Gegensatz zu herkömmlichen Sendern) • teure und komplexe Meßtechnik • schwierige Verlegung (durch Staub/Verschmutzung) • aufwendige Technik (z.B. Verbinden zweier Wellenleiter) • kaum Wärmeentwicklung • geringe Brandgefahr • Rohstoff für Wellenleiter (Si) nahezu unbegrenzt verfügbar 28 / 30 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 29 / 30 • • • • • 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 30 / 30
