Prof. Dr. Clemens H. Cap

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1 Lichtwellenleiter Prof. Dr. Clemens H. Cap C. Cap

2 Brechungsgesetz (1) ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes Medium üb nn er an der Grenzfläche der Medien seine Richtung ändern ichtungsänderung hängt dabei ab von r Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in beiden Medien er: vom Brechungsindex der Medien) m Einfallswinkel des Lichts an der Grenzfläche der Medien es Phänomen heißt Brechung. ird durch das Brechungsgesetz von Snellius beschrieben.

3 Brechungsgesetz (2) Medium 1 sin a 1 c 1 = sin a 2 c 2 = n 2 n 1 Einfallwinkels verhält sich zum Ausfallwinkels Medium 2 a 1 sbreitungsgeschwindigkeit im ium zur ngsgeschwindigkeit im dium a 2 echungsindex des Einfallmediums ungsindex des Ausfallwinkels rden immer zum Lot hin gemessen

4 Brechungsindex (1) Produkt aus hungsindex und Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium mer konstant gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c Medium * n Medium = c Vakuum n Medium = c Vakuum c Medium

5 Brechungsindex (2) sche Werte des Brechungsindex kuum 1,00 ft 1,00 sser 1,30 as 1,40 1,90 rn einer Glasfaser 1,48 ntel einer Glasfaser 1,46 mant 2,40

6 Totalreflexion (1) Licht aus einem Medium mit höherem Brechungsindex in Medium mit geringerem Brechungsindex ird das Licht an der Grenzfläche reflektiert der Einfallswinkel auf die Grenzfläche flacher ist in bestimmter vorgegebener Winkel. esem Fall gilt das Reflexionsgesetz allwinkel = Ausfallwinkel) es Phänomen heißt Totalreflexion. renzwinkel wird nach dem Totalreflexionsgesetz von Snelli chnet.

7 Totalreflexion (2) Medium 1 a a sin a = n 2 Medium 2 n 1

8 Totalreflexion Totalreflexion (3)

9 Totalreflexion Totalreflexion (4)

10 Prinzip des Lichtwellenleiters ru 5 inem Lichtwellenleiter das Licht geleitet h fortwährende Totalreflexion Übergang vom optisch dichteren Kern optisch dünneren Mantel Eingesetzte Materialie Quarzglas geringe Kunststoffe hohe Dä M

11 Prinzip des Lichtwellenleiters

12 Aufbau eines Lichtwellenleiters ser Zugentlastungsfaden (Kevlar) Kabelmantel hicht

13 Arten von Umhüllungen ch Art des Aufbaus unterscheidet man stader hlader mpaktader ndelader

14 Festader der sfaser in einer festen umgebenden Hülle r schwacher Ausgleich von Temperaturschwankungen und Zugkräften

15 Hohlader aser liegt in einer lose umgebenden Schutzhülle ianten: gefüllt: füllt: Kein Füllmaterial im Hohlraum zwischen Faser und Hülle Wasserabweisendes Gel zwischen Faser und Hülle serer Schutz gegen Temperaturschwankung, Zugkraft, Kondenswasser

16 Kompaktader ding zwischen Festader und Hohlader Schutzhülle im Abstand von einigen hundertstel Milimetern zur Faser

17 Bündelader

18 Aufbau eines Lichtwellenleiters 2005 Prof. Dr. Clemens H. Cap Lichtwellenleiter 18

19 Aufbau eines Lichtwellenleiters 2005 Prof. Dr. Clemens H. Cap Lichtwellenleiter 19

20 Stufenfaser und Gradientenfaser nfaser rn konstanten, höheren Brechungsindex als Mantel Grenzfläche Totalreflexion des Lichts ientenfaser chungsindex des Kerns steigt in Richtung Mantel kontinuierlich ht bewegt sich sinusoidal durch den Kern

21 Multimode und Monomode (1) achtung: ahlen, die flacher als der Snellius Winkel einfallen, rden seltener reflektiert und legen einen kürzeren Weg zurück n spricht von unterschiedlichen Moden

22 Multimode und Monomode (2) equenzen fzeitunterschied einzelner Moden bis 50 ns / km eingekoppelte Energie verteilt sich auf verschiedene Moden durch Verbreiterung eines schmalen Lichtimpulses ser ist nach längerer Entfernung nicht mehr fehlerfrei erkennbar n spricht von Modendispersion fe rkleinerung des Kerns, bis (theoretisch) nur mehr eine Mode möglich modefasern: modefasern: Gestatten mehrere Moden Gestatten nur mehr eine Mode

23 Multimode und Monomode (3)

24 Multimode und Monomode (4) ltimode Fasern erndurchmesser groß im Vergleich zu Wellenlänge ichtstrahlen gelangen auf verschiedenen Wegen durch die Faser ern 50 µm, Mantel 125 µm Im Telecom Bereich Oranger Farbcode ern 62,5 µm Mantel 125 µm Im EDV Bereich Blauer arbcode nomode Fasern erndurchmesser kaum größer als Wellenlänge ur ein Weg durch Faser möglich ern 9 µm, Mantel 125 µm BeiTelecom & EDV Grüner Farbcode

25 Lichtwellenleiter im Überblick

26 Qualitätseffekte ndispersion erluste durch Rayleigh Streuung omogener Brechungsindex da Material inhomogen wegen Fertigung oder chanischer Beanspruchung er Folge Lichtverlust kt steigt mit Frequenz in 4. Ordnung fung unreinigung durch OH Ionen sorptionspeaks bei 950, 1240 und 1390 nm e Knickstellen keine Totalreflexion, Strahl teilweise absorbiert geeignete Frequenzfenster bei 850, 1300 und 1550 nm

27 Dämpfung (1)

28 Dämpfung (2) Peak Peak Peak Fenster Fenster Fenster

29 Dämpfung (3)

30 Dämpfung (4) Peak Peak Peak Fenster Fenst Fenster

31 Knickstellen

32 Entfernung und Bandbreite

33 Verbindungstechnik ckverbindungen eicht lösbar, aber hohe Dämpfung leißverbindungen icht lösbar, technisch relativ aufwendig, aber geringere Dämpfu ichtbogenschweißtechnik (geringer Dämpfung) lebespleißung (höhere Dämpfung)

34 Stecksysteme im Überblick ivgroße Anzahl von Stecksystemen hängig vom Einsatzbereich (EDV, Telephonie, Multimedia) meisten verbreitet: ST Anschluß : Bayonett-Verschluß : Steckverbinder : Drehgewinde : Schneller Steckverbinder Multimedia Geräte mit hoher Packungsdichte 45 O/MTP

35 Stecksysteme (1) tecker r Monomode und Multimode sh - Pull System tecker ist für Multimode jonettverschluß

36 Stecksysteme (2) ST Stecker 2005 Prof. Dr. Clemens H. Cap Lichtwellenleiter 36

37 Stecksysteme (3)

38 C Stecker Stecksysteme (4)

39 Stecksysteme (5)

40 Stecksysteme (6)

41 Spleißverbindungen Gerät zum Schweißen Von Lichtwellenleitern

42 Wandler (1) hen an der Schnittstelle Optik Elektrik rten gebräuchlich erdioden (LD, laser diode) ür den Hochleistungsbereich iniszenzdioden (LED, light emitting diode) ür den Normalgebrauch

43 Wandler (2) iniszendioden (LED) reiswert, breites Frequenzspektrum esteht aus Halbleiterkristallen, meist Gallium Arsenid eist bei Multimode Fasern rzeugt diffuses Licht odulationsfrequenz bis 100 MHz pulsanstiegszeit bis 10 ns ohe Lebensdauer (1 Million Stunden)

44 Wandler (3) rdioden uer härentes Licht präziser Frequenz ektralbreite 1 nm ist bei Monomodefasern dulationsfrequenz bis 10 GHz pulsanstiegszeit bis 10 ps ringe Lebensdauer ( Stunden)

45 Bewertung Lichtwellenleiter rteile andbreite: Hoch (Multimode) bis sehr hoch (Monomode) latzbedarf: Klein und sehr leicht lektronisch: Sehr geringe Dämpfung Sehr schwer abzuhören Unempfindlich gegen Störungen chteile erbindungen: Technisch relativ aufwendig osten: Hoch (bis 2x Kupfer) für Kabel und Endgerät ür Endgerätespeisung relativ teuer

46 Wavelength Division Multiplex entlich FDM auf der Glasfaser logische Kanal nutzt eine andere Frequenz (dh: Farbe) ologisch ist es etwas komplizierter, 2 neue Effekte werden benötigt: tische Trennung der Kanäle durch Disperionseffekt tische Verstärkung durch Stimulierte Emission titativ: liche Anzahl von Farben: 2 4 i DWDM (dense WDM) bis zu 128 Farben dbreiten bis in den Terabit-Bereich oretisches Limit: Rund 25 Tbit / sec auf 1000 km Entfernung pro Faser

47 Wavelength Division Multiplex ition: persion bedeutet, daß der chungsindex eines Mediums der Frequenz des Lichtstrahls abhängt iel: chungseffekt des Prismas

48 Wavelength Division Multiplex prinzip des WDM hrere Quellen mit unterschiedlichem Licht ammenführen ist einfach nnen ist technologisch schwieriger nötigt Dispersionseffekt

49 Wavelength Division Multiplex matik der Trennung

50 Wavelength Division Multiplex s Problem: Wie verstärkt man ische Verstärkung ordert Wandler ordert gute Verstärker hoher Bandbreite che Verstärkung tzt den Stimulierte Emission

51 Wavelength Division Multiplex bsorption Spontane Emission Stimulie Emissi

52 Wavelength Division Multiplex ulierte Emission bewirkt rein optische Verstärkung