Kapitel 8 – Sonderbauelemente 8.1 Faserbauelemente

Kapitel 8 – Sonderbauelemente
8. Sonderbauelemente
8.1 Faserbauelemente
• Faserkoppler (fused fiber coupler)
• Fasergitter (Fiber Bragg gratings)
8.2 Integrierte optische Bauelemente
• Wellenlängen-Multiplexer
• Demultiplexer
8.3 Interleaver (Spectral Slicer)
8.4 Optische Isolatoren
8.5 Optische Verstärker auf Basis von Halbleiter-Laser-Verstärkern
8. Sonderbauelemente - 1
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.1 Faserbauelemente – Faserkoppler (1)
Faserkoppler – Prinzip
• Fasern im Koppelbereich
verjüngt und verdrillt
• Verschmelzen der Fasern
• Überlagern der Feldbereiche der Fasern
• Æ Überkopplung von Leistung
Typisch: (bezogen auf Leistung):
• 50-50 (3dB)
• 90-10 (10dB)
Beschreibung des Verhaltens bezüglich der komplexen Feldamplitude:
I0
z.B. mit Streuparametern (siehe Kapitel Mach-Zehnder-Modulator)
0
8. Sonderbauelemente - 2
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.1 Faserbauelemente – Faserkoppler (2)
Einsatz von Faserkopplern
• Abzweigen eines Signals zu Messzwecken (Æ Tap-Koppler)
• Einkoppeln von z.B. Pumpleistung in optischen Verstärkern (oft wellenlängenabhängig)
Dämpfungsverlauf eines 3%-Kopplers
8. Sonderbauelemente - 3
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.1 Faserbauelemente – Faserkoppler (3)
Auszug aus einem Koppler-Datenblatt
8. Sonderbauelemente - 4
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.1 Faserbauelemente – Fasergitter (1)
Fasergitter (FBG – Fiber Bragg Gratings) – Prinzip
• Periodische Variation der Brechzahl
in den Faserkern eingeschrieben
• Reflektiv für bestimmte Wellenlängen
nach der Bragg-Bedingung
UV Laser Source
Phase Mask
Herstellung
• Einschreiben mit UV-LaserLicht und Phasenmaske
• Phasenmaske erzeugt
Gitterstruktur
diffracted +1 order (~ 40%)
• UV-Licht verändert den
Brechungsindex
(Photosensitivität kann durch
Zugabe von Germanium oder
durch Wasserstoffbedruckung
erhöht werden)
Single mode fiber
diffracted +1 order (~ 40%)
Fringe Pattern
From Mask
Incident
λBragg
Reflected
Λ
λ
λBragg= 2 neff Λ = 2 neff UV
2 sin α
8. Sonderbauelemente - 5
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.1 Faserbauelemente – Fasergitter (2)
Fasergitter – Verschiedene FBG-Typen
8. Sonderbauelemente - 6
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
Transmitted
8.1 Faserbauelemente – Fasergitter (3)
Fasergitter – Anwendungsgebiete
• optische Filter:
Bandpaß / Bandsperre
• Add-Drop-Multiplexer:
Entnahme / Hinzufügen eines
Wellenlängenkanals
• Laserstabilisierung:
Spiegelersatz bei ECL-Laser
• Gain-Flattening Filter:
Korrektur des Verstärkungsfrequenzgangs optischer
Verstärker
• Dispersionskompensation:
Verwendung von chirped fiber
gratings
• Resonator:
Verwendung als Resonatorspiegel
in Faserlasern
• Sensoranwendungen
Optical Filter
Add/Drop Multiplexer
Input
Input
Bandstop
Output
Bandpass
Output
Output
Drop
Add
Dispersion Compensator
Input
Laser Stabilization
Output
Laser
Amplifier Gain Equalizer
5% Reflector
Long-period
Grating
Giles
8. Sonderbauelemente - 7
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.1 Faserbauelemente – Fasergitter (4)
Dispersionskompensator mit Fasergitter
• örtlich variierende Gitterkonstante
Æ verschiedene Wellenlängen werden in verschiedenen Teilen des FBG reflektiert
Æ Wellenlängenabhängigkeit der Gruppenlaufzeit
• Betrieb des FBG in Reflexion
Æ Zirkulator vor dem Gitter
• Heizbare Gratings können als abstimmbare Dispersionskompensatoren eingesetzt
werden (TDC - Tunable Dispersion Compensators)
• Einsatz besonders bei 40Gbit/s - Systemen
λ1
λ2
Transmission
8. Sonderbauelemente - 8
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
Gruppenlaufzeit
8.2 Integrierte optische Bauelemente (1)
Wellenlängen-Multiplexer and Demultiplexer
Prinzip:
• Aufteilung der einfallenden optischen Welle auf mehrere Wellenleiter
unterschiedlicher Länge
• Gangunterschied zwischen den Teilwellen
• Abstrahlung unter einem bestimmten Winkel (wellenlängenabh.) in eine festgelegte Faser
Phased Array Multiplexer / Demultiplexer
derzeit Standardlösung zum
Zusammenführen und Selektieren
einzelner Wellenlängen in WDMSystemen, besonders auf der Sende- und
Empfangsseite
Phased Array als Demultiplexer:
Im Add-Drop-Bereich: auch Fasergitter
Æ Arranged Waveguide Gratings (AWG)
8. Sonderbauelemente - 9
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.2 Integrierte optische Bauelemente (2)
Phased Array als Bestandteil eines integrierten WDM-Empfängers:
Grating Section
Planar Lens
8. Sonderbauelemente - 10
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.3 Interleaver (Spectral Slicer)
Interleaver
• zur Aufteilung eines WDM-Signals in geradzahlige und ungeradzahlige Kanalnummern
• z.B. Mach-Zehnder-Interferometer mit unterschiedlicher Pfadlänge
Æ periodisches Durchlass- / Sperrverhalten über der Wellenlänge
Æ Wahl der Wegdifferenz, so dass über der Weglänge die beiden Ausgangsport
abwechselnd konstruktiv überlagerte Teilsignale ergeben
• mehrere MZMs hintereinander geschaltet Æ flachere Transfercharakteristik im Maximum
8. Sonderbauelemente - 11
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.4 Optische Isolatoren (1)
Isolatoren – Prinzip
• Unterdrückung einer rücklaufenden / reflektierten Welle nötig in einer Reihe von
optischen Elementen und Subsystemen (z.B. EDFA)
• Isolatoren basieren auf Faraday-Effekt: Polarisationsdrehung bei anliegendem Magnetfeld
• Effekt nicht reziprokÆ verwendbar für den Bau von Richtungsleitungen
• Polarisation einer optischen Welle ändert
sich um den Winkel β in Faraday-Materialen
• Wird die Welle reflektiert und durchtritt das
Medium nochmals, ergibt sich erneut
Drehung um β
ÆGesamtdrehung der Polarisation um 2β
• β = 45° und je ein Polarisator vor und nach
dem Faraday-Medium, wobei beide ebenfalls
um 45° zueinander verdreht sind
ÆLicht kann nur in eine Richtung passieren
8. Sonderbauelemente - 12
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.4 Optische Isolatoren (2)
Isolatoren – Polarisationsunabhängiger Isolator
8. Sonderbauelemente - 13
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.5 Optische Schalter auf Basis von Halbleiter-Laser-Verstärkern (1)
Optische Schalter auf Basis von Halbleiter-Laser-Verstärkern
Schnelle optische Schalter benötigt für optische Vermittlungstechnik, aber auch im
Bereich des optischen Zeitbereichs-Multiplex (OTDM)
Æ Einsatz von Schaltern auf der Basis von SOAs
Verschiedene Prinzipien:
• Cross-Gain-Modulation: Variation der Trägerdichte und damit des Gewinns für die
zu schaltende Wellenlänge über einen Steuerimpuls bei einer anderen Wellenlänge
• Cross-Phase-Modulation: Variation der Trägerdichte und damit des Phase für die
zu schaltende Wellenlänge über einen Steuerimpuls bei einer anderen Wellenlänge.
Verwendung in einer Interferometeranordnung
• Vier-Wellen-Mischung: Steuerimpulsabhängiges Erzeugen einer
Vierwellenmischkomponente, die über optische Filter herausgefiltert werden kann
8. Sonderbauelemente - 14
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg
8.5 Optische Schalter auf Basis von Halbleiter-Laser-Verstärkern (2)
Beispiel: Optischer Zeitbereichs-Demultiplexer auf Basis
eines gewinntransparenten Schalters
SOA
Steuerung
DEMUX
Daten
Δn
Δg
Transmission
Steuersignal
Datensignal
Δn
Δg
λg
λ
8. Sonderbauelemente - 15
Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik – Universität Erlangen-Nürnberg