Kapitel 8 Sonderbauelemente

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1 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 Faserbauelemente Faserkoppler (1) Faserkoppler Prinzip Fasern im Koppelbereich verjüngt und verdrillt Verschmelzen der Fasern Überlagern der Feldbereiche der Fasern Überkopplung von Leistung Typisch: (bezogen auf Leistung): (3dB) (10dB) Beschreibung des Verhaltens bezüglich der komplexen Feldamplitude: z.b. mit Streuparametern (siehe Kapitel Mach-Zehnder-Modulator) I Sonderbauelemente - 2

2 8.1 Faserbauelemente Faserkoppler (2) Einsatz von Faserkopplern Abzweigen eines Signals zu Messzwecken ( Tap-Koppler) Einkoppeln von z.b. Pumpleistung in optischen Verstärkern (oft wellenlängenabhängig) Dämpfungsverlauf eines 3%-Kopplers 8. Sonderbauelemente Faserbauelemente Faserkoppler (3) Auszug aus einem Koppler-Datenblatt 8. Sonderbauelemente - 4

3 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 Herstellung Einschreiben mit UV-Laser- Licht und Phasenmaske diffracted +1 order (~ 40%) Phasenmaske erzeugt Gitterstruktur UV-Licht verändert den Incident Brechungsindex (Photosensitivität kann durch λ Bragg Zugabe von Germanium oder Reflected durch Wasserstoffbedruckung erhöht werden) UV Laser Source Phase Mask Single mode fiber diffracted +1 order (~ 40%) Fringe Pattern From Mask Λ λ λ Bragg = 2 n eff Λ = 2 n UV eff 2 sin α Transmitted 8. Sonderbauelemente Faserbauelemente Fasergitter (2) Fasergitter Verschiedene FBG-Typen 8. Sonderbauelemente - 6

4 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 Laser Optical Filter Input Bandpass Output Laser Stabilization 5% Reflector Giles Bandstop Output Add/Drop Multiplexer Input Drop Add Output Dispersion Compensator Input Amplifier Gain Equalizer Long-period Grating Output 8. Sonderbauelemente Faserbauelemente Fasergitter (4) Dispersionskompensator mit Fasergitter örtlich variierende Gitterkonstante verschiedene Wellenlängen werden in verschiedenen Teilen des FBG reflektiert Wellenlängenabhängigkeit der Gruppenlaufzeit Betrieb des FBG in Reflexion Zirkulator vor dem Gitter Heizbare Gratings können als abstimmbare Dispersionskompensatoren eingesetzt werden (TDC - Tunable Dispersion Compensators) Einsatz besonders bei 40Gbit/s - Systemen λ 1 λ 2 Transmission Gruppenlaufzeit 8. Sonderbauelemente - 8

5 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 WDM- Systemen, besonders auf der Sende- und Empfangsseite Phased Array als Demultiplexer: Im Add-Drop-Bereich: auch Fasergitter Arranged Waveguide Gratings (AWG) 8. Sonderbauelemente Integrierte optische Bauelemente (2) Phased Array als Bestandteil eines integrierten WDM-Empfängers: Grating Section Planar Lens 8. Sonderbauelemente - 10

6 8.3 Interleaver (Spectral Slicer) Interleaver zur Aufteilung eines WDM-Signals in geradzahlige und ungeradzahlige Kanalnummern z.b. Mach-Zehnder-Interferometer mit unterschiedlicher Pfadlänge periodisches Durchlass- / Sperrverhalten über der Wellenlänge Wahl der Wegdifferenz, so dass über der Weglänge die beiden Ausgangsport abwechselnd konstruktiv überlagerte Teilsignale ergeben mehrere MZMs hintereinander geschaltet flachere Transfercharakteristik im Maximum 8. Sonderbauelemente 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 reziprok 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 Gesamtdrehung der Polarisation um 2β β = 45 und je ein Polarisator vor und nach dem Faraday-Medium, wobei beide ebenfalls um 45 zueinander verdreht sind Licht kann nur in eine Richtung passieren 8. Sonderbauelemente - 12

7 8.4 Optische Isolatoren (2) Isolatoren Polarisationsunabhängiger Isolator 8. Sonderbauelemente 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) 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

8 8.5 Optische Schalter auf Basis von Halbleiter-Laser-Verstärkern (2) Beispiel: Optischer Zeitbereichs-Demultiplexer auf Basis eines gewinntransparenten Schalters Steuerung SOA DEMUX Daten Δn Δg Steuersignal Δn Datensignal Transmission Δg λ g λ 8. Sonderbauelemente - 15