C. Ch. Timmermann. Lichtwellenleiterkomponenten und -systeme

Transkript

1 C. Ch. Timmermann Lichtwellenleiterkomponenten und -systeme

2 Aus dem Programm Nachrichtentechnik Uchtwellenleiterkomponenten und -systeme von Claus-Christian Timmermann Lichtwellenleiter Wellenausbreitung in Glasfasern und Hohlleitern von Claus-Christian Timmermann Erganzende Literatur Berkeley Physik Kurs Band 3 Schwingungen und Wellen, von F. Crawford Nichtlineare Wellen in dispersiven Medien, von V. Karpmann Einfuhrung in die Grundlagen der theoretischen Physik Band 2 Elektrodynamik, von G. Ludwig Vieweg

3 Claus-Christian Timmermann Lichtwellenleiterkomponenten und -systeme Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/wiesbaden

4 1984 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1984 Die Vervielfiiltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall mub uber die Zahlung einer Gebuhr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fur die Vervielfiiltigung durch aile Verlahren einschlieblich Speicherung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Biinder, Platten und andere Medien. Dieser Vermerk umfabt nicht die in den 53 und 54 URG ausdrucklich erwiihnten Ausnahmen. ISBN-13: : / e-isbn-13:

5 Vorwort Die Entwicklung der Komponenten und Systeme der Lichtwellenleitertechnik hat heute bereits einen sol chen Stand erreicht, dab mit dem Einsatz und der Anwendung dieser neuen Technologie im groben Stil begonnen werden kann. Die NachrichtenUbertragungstechnik wird daher in den kommenden Jahren und Jahrzehnten eine umwalzende Entvlicklung erfahren. Das vorliegende Buch zu diesem Thema ist fur Studenten und fur in der Praxis stehende Ingenieure gedacht, die sich mit dieser neuen Technik vertraut machen wollen. Der Spezialist auf diesem Gebiet wird auf seine Fragen im Rahmen dieses Buches im allgemeinen keine Antwort finden. FUr weitergehende Untersuchungen kann auf das Literaturverzeichnis verwiesen werden, das einige Spezialliteratur zur Optischen Nachrichtentechnik enthalt. Der erste Hauptabschnitt Uber Lichtquellen, Lichtempfanger und Lichtwellenleiter veranschaulicht die Hirkungsweise der wichtigsten Komponenten einer LichtwellenleiterUbertragungsstrecke. Der zweite Abschnitt Uber Systeme schliebt eher an die bekannten Fragestellungen der Nachrichtentechnik an. Das Hauptgewicht liegt dabei auf dem Entwurf rauscharmer Vorverstarker und der Untersuchung geeigneter Modulationsverfahren. wobei der erzielbare Storabstand im Vordergrund steht. Insgesamt gesehen ist es unmhglich, das weite Gebiet der Optischen Nachrichtentechnik auf derart beschranktem Raum verstandlich und ohne Verzicht auf die Herleitung der wichtigsten Gleich~ngen darzustellen. ohne eine gewisse Stoffauswahl zu treffen. Aus diesem Grunde wurden hier nun die Lichtwellenleiter nicht zu ausfuhrlich abgehandelt. zumal sich die Darstellung in /13/ dem vorliegenden Buch nahtlos anpabt und ein vertieftes Studium dieses Teilgebietes gut ermoglicht. Aber auch eine Reihe anderer Fragen und Problemstellungen konnten aus PlatzgrUnden nur kurz angeschnitten oder gar nicht angesprochen werden. Das Ziel bestand nicht darin, moglichst viele Fragen und Themenkreise zu erortern und somit eine weitgehende Zusammenfassung des Wissensstandes zu liefern. Ein derartiges Buch ware fur Studenten hochstens als Nachschlagewerk geeignet. aber nicht zum Studium. Vielmehr sollte sich die Darstellung auf das Wesentliche. das

6 fur das Verstandnis von Lichtwellenleitersystemen erforderlich ist, beschranken und so weit nur irgend moglich die jeweilige mathematische Herleitung zumindest in den GrundzUgen beinhalten. Wegen der weitgehenden OberprUfbarkeit der Gleichungen durch den Leser wird diesem so das Studium des Stoffes erheblich vereinfacht, weil die GUltigkeit der Gleichungen Uberschaubar ist. Von grober Bedeutung in einer Lichtwellenleiterstrecke ist immer die Empfindlichkeit des Empfangers oder ganz allgemein das Rauschen am Empfanger, weil Lichtquellen der Optischen Nachrichtentechnik nur verhaltnismabig wenig Lichtleistung abstrahlen. Am Empfangsort mub man daher mit geringsten Lichtleistungen auskommen. Da es sich beim Rauschen um ein Problem handelt, das in der klassischen Nachrichtentechnik ebenfalls von grober Bedeutung ist, wurde hier ein Schwerpunkt gesetzt. Dieses im allgemeinen wenig beliebte Thema "Rauschen" zieht sich daher wie ein roter Faden durch das Buch. Zur Vertiefung des Stoffes dienen ca. 40 Obungsaufgaben, fur die der vollstandige Losungsweg angegeben ist. ~/eitere Aufgaben mit Losungen finden sich im Buch "Lichtwellenleiter" /13/. Beide BUcher liefern somit nun genugend Stoff fur eine EinfUhrungsvorlesung in die Optische Nachrichtentechnik mit entsprechenden Obungen. Aufgrund der Tatsache, dab Ergebnisse aus so vielen Teilgebieten der Nachrichtentechnik, Halbleitertechnik, Hochfrequenztechnik, Quantenelektronik etc. einflieben, werden die Studenten zwar gefordert, bei der gewahlten Darstellung aber nicht Uberfordert. Zugute kommt dem Hochschullehrer hierbei, dab von der Studentenseite die zukunftsweisende Bedeutung der Optischen Nachrichtentechnik erkannt und diesem Thema Uberdurchschnittliches Interesse entgegengebracht wird, womit dann im allgemeinen eine erhohte Leistungsbereitschaft verbunden ist. Herrn Dr. K. Petermann vom Forschungsinstitut der AEG-Telefunken in Ulm sei an dieser Stelle wiederum fur die kritische Durchsicht des Manuskriptes und meinem Kollegen Herrn Prof. Zwick von der Fachhochschule fur Technik in Mannheim fur viele wertvolle Diskussionen zum Thema "Rauschen" gedankt. Dem Verlag gebuhrt insbesondere Dank wegen der Anregung zu der Arbeit und wegen der stets guten Zusammenarbeit. Mannheim, im Dezember 1982 c.c. Timmermann

7 Inhaltsverzeichnis 1. OPT 0 E l E K T RON I S C H E K 0 M P 0 N E N TEN 1.1 Obersicht Li chtque 11 en Aufbau und Funktionsweise v. led mit einfachem pn-obergang Doppelheterostrukturen leistungsabstrahlung bei Oberflachenemittern Frequenzgrenzen und linearitat bei led Strahlungsverstarkung durch induzierte Emission Funktionsweise und Verstarkung bei DH-laser Schwingungsanfachung im laser Bilanzgleichungen und statische Kennlinie Nichtlineare Verzerrungen bei DH-laser Modulationsverhalten Emissionsspektrum und Strahlungscharakteristik Rauschen 41 lichtem~fanger 1.3.1unktionsweise u. Aufbau von Photodioden (PIN und APD) Rauschen Frequenzgang linearitat AusfUhrungsformen 1.4 lichtwellenleiter 1. 5 Aufgaben SYSTE~1E 2.1 A11gemeines Vorverstarker Verstarkung u. Entzerrung bei Gegenkopplg. Uber viele Stufen Rauschen bei Gegenkopplung Uber mehrere Stufen Rauschen von Transistorverstarkern Rauschanalyse am Beispiel bipolarer Transistoren Rauschen von Feldeffekttransistoren Rauschen spezieller Schaltungen mit FET-Eingang HF-Vorverstarker mit Gegenkopplung Uber eine Stufe Vergleich zwischen den Schaltungsmoglichkeiten 124

8 2.3 Storabstand einiger Modulationsverfahren Intens1tatsmodulat1on 1m Bas1sband (m) Amplitudenmodulation (AM-1M) Frequenzmodulation (FM-IM) Pulscodemodulation (PCM-IM) 2.4 Aufgaben Losungen der Obungsaufgaben Literaturhinweise Verzeichnis der wichtigsten Formelzeichen Sachwortverzeichnis