Table Of ContentGerhard Grau
Optische
Nachrichtentechnik
Eine Einführung
Mit 144 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1981
Dr. techno GERHARD GRAU, O. Professor
Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik und Quantenelektronik
der Universität Karlsruhe
CIP Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Grau,Gerhard K.:
Optische Nachrichtentechnik: e. Einf.lGerhard Grau.
Berlin; Heidelberg; NewYork: Springer, 1981
ISBN-13: 978-3-540-10947-1 e-ISBN-13: 978-3-642-96657-6
DOI: 10.1007/978-3-642-96657-6
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© Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 1981
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2362/3020 -543 21 0
Professor Dr. Werner Kleen
in Dankbarkeit und Freundschaft gewidmet
Vorwort
Die Daseinsberechtigung der optischen Nachrichtentechnik ist selbst in
einer Welt, die der Technik latent zweifelnd gegenübersteht, einsehbar
zu begründen: Sie schafft leistungsfähigere, billigere, flexiblere Kom
munikationsmöglichkeiten, sie stellt zusammen mit der Mikroelektronik
ein außerordentliches Innovationspotential dar, sie spart im Vergleich
zu jetzigen Techniken Rohstoffe und Energie. Die optische Nachrichten
technik fügt sich zwanglos ein in die Tendenz eines übergangs zu digita
len, integrierten Netzen. Sie bietet die Möglichkeit, neue Kommunika
tionsformen zu realisieren, sofern dies nötig erscheint und der gesell
schaftliche Konsens über ihre Einführung erzielt ist.
Jede neue Technik muß gelehrt werden. Dieses Buch macht den Versuch, die
Grundlagen der optischen Nachrichtentechnik zusammenzustellen. Der Nach
richtentechniker wird dabei nicht mehr nach den quantentheoretischen und
festkörperphysikalischen Grundlagen dieser Technik fragen; die Antworten
auf viele Grundprobleme der optischen Nachrichtentechnik wurden bereits
im Zusammenhang mit der Entwicklung der Lasertechnik und der Quanten
elektronik in den 60er Jahren erarbeitet und müssen nur aufpoliert und
technisch anwendbar formuliert werden. Die zu leistende Arbeit besteht
damit zum großen Teil darin, Bekanntes aus verschiedenen Gebieten in ei
ner für den Nachrichtentechniker verständlichen Sprache darzustellen und
mit physikalisch einsehbaren Argumenten zu begründen, sofern auf eine
Ableitung verzichtet werden muß. Gelegentlich gelingt es dabei, aus ein
fachen physikalischen überlegungen Faustformeln zu entwickeln, welche
die Ergebnisse aufwendiger und unübersichtlicher Rechnungen mit verblüf
fender Genauigkeit wiedergeben. Schließlich muß in Kenntnis der aus
ufernden Zeitschriftenliteratur zu Themen der optischen Nachrichtentech
nik die Kunst des Weglassens geprobt werden, ohne dabei dem weiter in
teressierten Leser Hinweise auf Spezialfragen vorzuenthalten.
Bevor man irgendeinen Abschnitt dieses Buches im Detail liest, sollte
man den einführenden Abschnitt 1 wenigstens überfliegen: dort steht man-
VIII Vorwort
ehe Bemerkung, die den Zugang zum Stoff der einzelnen Buchabschnitte we
sentlich erleichtert. Die folgenden Abschnitte beschäftigen sich mit der
Lichtleitfaser als Ubertragungsmedium, den Lichtquellen und ihrer Modu
lation, den Photodetektoren, den Empfängern und den Koppelelementen.
Weil in der optischen Nachrichtentechnik manche Störursachen auftreten,
die dem Nachrichtentechniker nicht vertraut sind, ist der Abschnitt 5
"Rauschen" etwas ausführlicher geraten, als man dies von Büchern der
Nachrichtentechnik gewöhnt ist. Einige Anmerkungen zu Systemfragen be
schließen den Text, der an der Universität Karlsruhe Grundlage einer
zweisemestrigen Einführung in die optische Nachrichtentechnik ist.
Meinen Mitarbeitern, den Herren Dr. W. Freude, Dr. o. G. Leminger und
Dr. E. G. Sauter danke ich dafür, daß sie das ganze Manuskript gelesen,
alle Gleichungen überprüft und viele Verbesserungsvorschläge gemacht ha
ben. Dank gebührt ferner: Herrn F. RÜhmann, der alle Arbeiten im Zusam
menhang mit der Fertigstellung des druckreifen Manuskripts vorbereitet
und koordiniert hat; Frau G. Werthwein, die das schwierige Manuskript
in bewährter Bravour auf der Maschine geschrieben hat; Frau I. Kober für
das Anfertigen der Zeichnungen; dem Springer-Verlag für sein Interesse;
und schließlich meiner Frau und meinem Sohn, welche auf einen lange Zeit
nicht ansprechbaren Ehemann bzw. Vater überaus verständnisvoll Rücksicht
genommen haben.
Karlsruhe, im Sommer 1981 Gerhard Grau
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung in die Probleme der optischen Nachrichtentechnik
2 Lichtleitfasern 21
2.1 Materialeigenschaften von Quarz 21
2.1.1 Brechzahl und Dämpfung 21
2.1.2 Materialdispersion 24
2.2 Modenfelder in Fasern 26
2.2.1 Modenbezeichnung in der Faser 26
2.2.2 Die schwach führende Faser 30
2.3 Monomodenfasern 36
2.3.1 Feldverteilung. Dispersion. Polarisation 36
2.3.2 Pulsfortpflanzung in Monomodenfasern 40
2.3.3 Krümmungsverluste 46
2.4 Multimodenfasern .... 48
2.4.1 Unendlich ausgedehntes Parabelprofil. Äquivalente
Fasern . ..... . ..•........ 48
2.4.2 Übergang zur geometrischen Optik. Die Dispersions-
relation •....•...•....... 49
2.4.3 Strahltypen, Modendiagramm. Modenabzählung .... 54
2.4.4 Anregung und Leistungsverteilung der Moden. Inten-
sität im Nahfeld und Fernfeld einer Faser 62
2.4.5 Modendispersion und Profiloptimierung 70
2.4.6 Impulsantwort und Übertragungsfunktion 75
2.4.7 Effekte zufolge Modenkopplung 80
2.4.8 Dispersionsmessungen. Dispersion von Faserketten
mit Spleißen 84
2.5 Verluste in Fasern 87
2.5.1 Allgemeines über Verluste 87
2.5.2 Dämpfungsmessung 89
2.6 Herstellung von Fasern 93
x Inhaltsverzeichnis
2.7 Messung des Brechzahlprofils 96
2.8 Kohärenz 100
2.9 Nichtlineare Effekte 104
2.10 Faserkenngrößen. Faserdimensionierung 107
3 Lichtquellen und Lichtmodulation • 109
3.1 Materialien. Lumineszenzdioden und Laser 109
3.2 Lumineszenzdioden (LED) 114
3.2.1 Bauformen 114
3.2.2 Leistung. Spektrum. Ankopplung an die Faser 118
3.2.3 Modulation der LED 121
3.3 Laserdioden (LD) 128
3.3.1 prinzipielles zur Funktionsweise der LD 128
3.3.2 Bauformen von Laserdioden ••••• 135
3.3.3 Bilanzgleichungen. Laserkennlinien 138
3.3.4 Schwellenstrom. Temperaturabhängigkeit 145
3.3.5 Eigenschaften der Laseremission 149
3.3.6 Dynamik des Lasers .••..• 158
3.3.7 Prinzipielles zur Lichtmodulation 164
3.3.8 Direkte Modulation der LD 165
3.3.9 Modulationsschaltungen 171
3.3.10 Weitere Lasertypen 174
4 Photodetektoren 178
4.1 Prinzipielle Wirkungsweise 178
4.2 Materialien für Photodioden 187
4.3 PIN-Dioden •.. 192
4.3.1 Bauformen. Eigenschaften 192
4.3.2 Dynamik des Photostroms 195
4.4 Lawinenphotodioden (APD) 199
4.4.1 Bauformen. Stationäres Verhalten. Anstiegszeiten 199
4.4.2 Dynamik der APD ••••.•••••••• 203
5 Rauschen • • • • • 209
5.1 Rauschursachen in der optischen Nachrichtentechnik 209
5.2 Rauschen von Lasern 211
5.3 Interferenzfähigkeit von Licht 218
Inhaltsverzeichnis XI
5.4 Modenverteilungsrauschen • • 222
5.5 Modenrauschen ...•. 224
5.6 Rauschen in Photodetektoren 235
5.6.1 Erzeugende Fu~ktionen. Empfang von natürlichem
Licht und idealem Laserlicht 235
5.6.2 Rauschen der PIN-Diode 238
5.6.3 Rauschen der APD 241
5.7 Rauschen von Vierpolen 245
5.8 Instationäres Rauschen. Festlegung der Detektorschwelle 250
6 Empfänger ••.. ••...•• • . • • • . . . 255
6.1 Optische Analog- und Digitalempfänger. Grundlagen 255
6.2 Berechnung des Analogempfängers 267
6.3 Berechnung des Digitalempfängers 272
6.3.1 Ubertragung von Signal und Rauschen zum Entscheider 272
6.3.2 Erforderliche Empfangsleistung . • • . . . . 274
6.3.3 Spezialfall: Dirac-Impulse der Lichtleistung 276
7 Koppelelemente . . 281
7.1 Vorbemerkungen 281
7.2 Ankopplung des Senders an die Faser 282
7.3 Kopplung Faser - Faser 287
7.3.1 Steckverbindungen 287
7.3.2 Spleißverbindungen 293
7.3.3 Optische Verzweigungen 296
8 Optische Nachrichtensysteme •.•.• 303
8.1 Allgemeine Systemfragen. Vergleich mit der konventionellen
Technik . . . • • . • . 303
8.2 Einige spezielle Systeme 309
Literaturverzeichnis • • . • . • • . . • • • • • • . 313
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Symbole 332
Sachwortverzeichnis 343
1 Einführung in die Probleme der
optischen Nachrichtentechnik
Bild 1.1 zeigt das Prinzip eines optischen Nachrichtensystems: Ein ge
eignetes Halbleiterbauelement (Laserdiode LD, Lumineszenzdiode LED) wird
durch einen elektrischen Strom zur Emission von Licht angeregt. Dieses
Licht wird längs eines dielektrischen Wellenleiters (Glasfaser) zum Emp
fangsort übertragen (die Lichtausbreitung durch den freien Raum ist aus
naheliegenden Gründen für terrestrische Systeme ausgeschlossen). Die
Nachricht wird als analoge oder digitale Modulation der Lichtintensität
verschlüsselt. Im Empfänger wird das Lichtsignal durch einen Photodetek
tor in einen elektrischen Strom rückgewandelt. Optische Nachrichtensy
steme können konventionelle Systeme offensichtlich nur dann verdrängen,
wenn das Ausbreitungsmedium (die Glasfaser) wesentliche Vorteile im
Vergleich mit üblichen Leitern (Kupferdrähte, Koaxialkabel) verspricht,
z. B. durch-geringere Dämpfung, kleinere Dispersion, Unempfindlichkeit
gegenüber elektromagnetischen Einstreuungen, geringere Kosten.
Strom ~ Strom
~~ ~_l~t~C
:::===-,-~ ~
Glasfaser
laserdiode, Photodiode
lumineszenzdiode
Bild 1.1. Prinzip eines optischen Nachrichtensystems
Dielektrische Wellenleiter:
Die Funktion soll arn einfachen Beispiel eines symmetrischen Schichtwel
lenleiters (Bild 1.2) erläutert werden: Ein Kern (hier: die mittlere
Schicht, in y-Richtung unendlich ausgedehnt, Wellenfortpflanzung in z
Richtung erwünscht) mit dem Brechungsindex n = n1 wird von einem Mantel
