Bachelor-Praktikum: Optische Messtechnik Nachrichtenübertragungstechnik Prof. Dr.-Ing. Stephan Pachnicke
Inhaltsverzeichnis 1 Grundprozesse in Halbleitermaterialien 3 1.1 Absorption und Emission von Optischer Strahlung... 3 1.1.1 Bändermodell... 4 2 Lumineszensdiode (light- emitting diode - LED) 6 2.1 Funktionsweise der LED... 6 3 Laserdioden 8 3.1 Rückkopplung durch einen Fabry-Perot-Resonator (FP-Resonator)... 9 3.2 Laserdioden mit Bragg-Reflektor... 10 3.3 DFB-Laser... 11 4 Messtechnik und Messgeräte 12 4.1 Der optische Spektrumanalysator... 12 4.2 Das optische Leistungsmessgerät... 13 4.3 Die durchstimmbare Laserquelle... 14 4.4 Das variable Dämpfungsglied... 15 4.5 Optische Steckverbindungen... 15 4.6 Der optische Isolator... 16 4.7 Der Glasfaserkopler... 16 5 Fragen 18 6 Experiment 19 6.1 LED... 19 6.2 FP-Laser... 21 6.3 DFB-Laser... 23 6.4 Optischer Isolator... 25 6.5 Glasfaserkoppler... 26 6.6 Geräteliste... 27 Literaturverzeichnis 27
Grundprozesse in Halbleitermaterialien 1 Grundprozesse in Halbleitermaterialien Als Sendeelemente der faseroptischen Übertragungstechnik dienen Lumineszensdioden (LED) und Laserdioden (LD). Beides sind Halbleiterbauelemente, die im Grundsatz in Flussrichtung betriebene p-n-übergänge enthalten. Die injizierten Ladungsträger rekombinieren in den verwendeten Halbleitermaterialien strahlend (Emission eines Photons). 1.1 Absorption und Emission von Optischer Strahlung Bei der Wechselwirkung von Licht und Materie tritt die Teilcheneigenschaft des Lichtes in den Vordergrund. Aus diesem Grunde werden im Weiteren die Teilcheneigenschaften des Lichtes betrachtet. In Halbleiterstrukturen werden drei Grundprozesse unterschieden. Der erste Grundprozess, die Absorption, tritt auf, wenn ein Photon, dessen Energie größer ist als die Bandlücke des Halbleiters, ein Elektron unter Abgabe seiner Energie aus dem Valenzband in das Leitungsband hebt. Die Energie eines Photons ist nach E h f (1.1) nur von seiner Frequenz abhängig, dabei ist h 15 4,135667516 10 evs das Planck sche Wirkungsquantum. Dieser Effekt wird bei Fotodioden und Absorptionsmodulatoren ausgenutzt. Die Absorptionsrate gibt die Zahl der Übergänge je Zeit und Volumen an. Diese Größe ist abhängig von der Elektronendichte im Valenzband, der Dichte an freien Plätzen im Leitungsband und der einfallenden Strahlungsdichte. Der zweite Grundprozess in Halbleiterstrukturen ist die spontane Emission. Hierbei wechselt ein Elektron vom Leitungsband ins Valenzband ohne äußere Anregung. In direkten Halbleitern wird die Energiedifferenz zwischen Leitungs- und Valenzband als Photon emittiert. Dieser Effekt wird bei LED s ausgenutzt. Die Emissionsrate gibt die Zahl der emittierten Photonen je Zeit und Volumen an. Die Größe der Emissionsrate ist proportional zur Dichte der Elektronen im Leitungsband und proportional zur Dichte der Löcher im Valenzband. 3
Grundprozesse in Halbleitermaterialien Der dritte Grundprozess in Halbleitern ist die sogenannte stimulierte Emission. Dieser Prozess findet besonders beim Laser seine Bedeutung. Bei diesem Prozess regt ein Photon, dessen Energie größer oder gleich der Bandlücke ist, einen Übergang von Elektronen aus dem Leitungsband in das Valenzband an. Dabei werden weitere Photonen emittiert. Die zu den emittierten Photonen gehörende elektromagnetische Welle überlagert phasenrichtig und in richtiger Polarisation die anregende Welle. Dies führt zu einer Verstärkung der anregenden Welle. Die Abbildung 1.1 stellt graphisch die Vorgänge der Absorption, spontaner Emission und der stimulierten Emission dar. Abbildung 1.1.1: Grundprozesse bei Wechselwirkung zwischen optischer Strahlung und Halbleitern. A) Absorption; B) spontane Emission; C) stimulierte Emission 1.1.1 Bändermodell Elektronen befinden sich in der Hülle eines Atoms in diskreten, eindeutig festgelegten Energiezuständen. Befinden sich Atome in einem Kristallverband, so spalten sich aufgrund der engen Nachbarschaft die ursprünglich gleichen Energieniveaus in N Energieniveaus auf. Diese eng benachbarten Energieniveaus können spektroskopisch nicht mehr aufgelöst werden. Sie bilden ein Energieband. Diese Aufspaltung der Energieniveaus gilt auch für nicht oder nur teilweise besetzte Energiezustände. Jeder Energiezustand kann maximal von zwei Elektronen, aufgrund unterschiedlicher Spins, besetzt werden. Daraus folgt, dass ein Energieband mit maximal 2N Elektronen besetzt sein kann. Das energetisch höchstliegende vollständig besetzte Band wird als Valenzband bezeichnet. Das darüber liegende Band ist das Leitungsband. Je nach Besetzung des Leitungsbandes werden Isolatoren, Leiter und Halbleiter unterschieden. Kristalle bei denen das Leitungsband unbesetzt ist, werden als Isolatoren bezeichnet. Leiter verfügen über ein teilweise gefülltes Leitungsband. Bei Halbleitern ist das Leitungsband bei einer Temperatur von T 0K leer, 4
Grundprozesse in Halbleitermaterialien durch Zufuhr thermischer Energie werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben. Im Valenzband hinterlassen die Elektronen Leerstellen, die sogenannten Löcher. Für den Stromtransport in Halbleitern sind sowohl Elektronen als auch Löcher verantwortlich. Die charakteristischen Halbleitereigenschaften werden durch thermische Anregung, Fremdatome, Gitterfehler oder Abweichung von der nominellen chemischen Zusammensetzung hervorgerufen. Der elektrische Widerstand von Halbleitern kann stark temperaturabhängig sein. 5
Lumineszensdiode (Light-Emitting Diode - LED) 2 Lumineszensdiode (Light-Emitting Diode - LED) Die Wirkungsweise von LEDs basiert auf der spontanen Emission optischer Strahlung. LED s emittieren daher inkohärente Strahlung mit einem breiten Emissionsspektrum. Sie haben zwar gegenüber Laserdioden die Nachteile, dass aufgrund des breiten Spektrums starke Impulsverbreiterungen durch Materialdispersion auftritt und die in einer Faser eingekoppelte Leistung relativ gering ist, dafür zeigen sie eine weitgehend lineare optische Leistung/Strom-Kennlinie, eine vergleichsweise geringe Temperaturabhängigkeit dieser Kennlinie und haben eine hohe Betriebssicherheit, d.h. eine geringe Ausfallrate. LED s werden daher anstelle von Laserdioden bevorzugt in faseroptischen Übertragungsstrecken mit kurzen Reichweiten und relativ geringen Übertragungsraten eingesetzt. 2.1 Funktionsweise der LED In Abbildung 2.1 ist eine LED als Flächenemitter dargestellt. Die Abbildung gibt eine Grundbauform der LED wieder. Die in Flussrichtung injizierten Minoritätsträger in einer Schicht in der Umgebung des p-n-übergangs rekombinieren strahlend, d.h. durch Übergänge von Elektronen vom Leitungs- ins Valenzband. Die Energiedifferenz E zwischen Oberkante Valenzband in dem sich die Löcher befinden und Unterkante Leitungsband wo sich die Elektronen befinden, bestimmt die maximale Wellenlänge der emittierten Photonen. Der optische Wirkungsgrad der einfachen LED ist aufgrund von Reflexionen an den Grenzschichten sehr gering. Die Strahlung, die schließlich aus dem ebenen Fenster des Flächenemitters austritt, verteilt sich nicht gleichmäßig in polarer Richtung, sondern hat eine Winkelcharakteristik mit einer cos-abhängigkeit (Lambertsches Gesetz). Dies ist bei allen selbstleuchtenden Flächen zu beobachten, bei denen die Strahlung isotrop verteilt ist. Die inkohärente Strahlung einer LED ist über einen breiten spektralen Bereich verteilt. Eine grobe Abschätzung der Breite im Energiemaßstab ist 2kT, B da nach der Fermi-Statistik sich 6
Lumineszensdiode (Light-Emitting Diode - LED) kt die Besetzungswahrscheinlichkeit der Zustände im Leitungs- und Valenzband über die Energiebreite 2 B etwa von 1 auf 0 ändert. Abbildung 2.1.: Einfache LED als Flächenemitter mit p-n-übergang In Elektronenvolt und bei T0 25 C ergibt sich k T0 0,026eV B, d.h. die spektrale Breite der Emission erreicht 5 10 % der Mittenwellenlänge. In Abbildung 2.2 ist der Querschnitt durch eine Burrus-Diode mit Anschluss einer Mehrmodenfaser gegeben. Abbildung 2.2: Querschnitt einer Burrus-Diode mit Anschluss einer Mehrmodenfaser 7
Laserdioden 3 Laserdioden In der Optischen Übertragungstechnik werden vorzugsweise Halbleiterlaser (Laser Diode - LD) als Lichtsender eingesetzt. Das Wort Laser ist ein Akronym für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation und meint zunächst nur die Lichtverstärkung durch den Prozess der stimulierten Emission. In der Praxis wird unter Laser hingegen ein Oszillator verstanden. Dazu muss der Verstärker mit einer Rückkopplung versehen werden. Die Lichtverstärkung in Halbleitern ist abhängig vom Flussstrom. In Abbildung 3.1 ist ein schematischer Vergleich zwischen der Leistungs-Strom-Kennlinie einer LED und einer Laserdiode gegeben. Abbildung 3.1: Leistung-Strom-Kennlinie von LED und LD Oberhalb eines Schwellstromes I Sch setzt bei der Laserdiode die Selbsterregung ein und die Diode emittiert kohärente Strahlung. Für eine Nettolichtverstärkung muss die Emissionsrate des Lasers größer sein als die Absorptionsrate. Die spontane Emission führt u.a. zu einer endlichen Linienbreite des Lasers. 8
Laserdioden 3.1 Rückkopplung durch einen Fabry-Perot-Resonator (FP-Resonator) Für den Laser als Oszillator muss eine optische Rückkopplung in Gestalt eines optischen Resonators eingeführt werden. Dieser optische Resonator beruht bei einem Fabry-Perot Laser auf teildurchlässige Spiegel an den Laserendflächen. Diese Spiegel sind durch planparallele Spaltflächen realisiert. Aufgrund des großen Brechzahlsprunges bilden diese Spaltflächen teildurchlässige Spiegel. In Abbildung 3.2 ist ein FP-Resonator schematisch dargestellt. Da der Reflexionsfaktor für TE-polarisierte Wellen immer größer ist als für TM-polarisierte Wellen emittieren FP-Laser meist TE-Polarisation. Abbildung 3.2: Fabry-Perot Resonator mit teildurchlässigen Spiegeln in Filmwellenleiter Ausführung Die typische Länge L des Resonators ist mit 200 500 m sehr groß gegen über der Wellenlänge. Daher ergeben sich eine Vielzahl von Resonanzwellenlängen m, die aus m L m, 2 n folgen. Dabei ist n die Brechzahl im FP-Resonator. (Beispiel: GaAs, n 3,6 ; 0,9 m ; L 250 m ; m 2000 ). 9
Laserdioden Die Resonanzwellenlängen, die der Bedingung gehorchen, dass die Länge des Resonators ein Vielfaches der halben Wellenlänge ist, besitzen so nur einen sehr geringen Abstand FP. 3.2 Laserdioden mit Bragg-Reflektor Laserdioden sollen bei Großsignalmodulation möglichst einmodig schwingen. Diese Bedingung ist mit einer FP-Laserdiode kaum zu erfüllen. Besser bewähren sich hier für Laserdioden, bei denen Gitterstrukturen zur Rückkopplung eingesetzt werden. Gitterstrukturen mit einer räumlichen Periode des Gitters von 2 n, d.h. einer halben geführten Wellenlänge, ersetzen die Rückkopplung durch die teildurchlässigen Spiegel des Fabry-Perot-Resonators. Laserdioden mit Gittern als Reflektor heißen DBR-Laser (Distributed Bragg Reflector). In Abbildung 3.3 ist der Aufbau einer solchen Laserdiode schematisch dargestellt. DBR-Laser basieren auf der stark wellenlängenselektiven Reflexionen an Gittern. Abbildung 3.3: DBR-Laser (Distributed Bragg Reflector) DBR-Laser haben den Nachteil, dass die ungepumpten Bereiche unter den Gitterstrukturen dämpfen. Dieser Nachteil kann durch eine modifizierte Bauform vermieden werden. Diese Laser werden DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) genannt. 10
Laserdioden 3.3 DFB-Laser Ein DFB-Laser hat die Bauform, wie in Abbildung 3.4 gezeigt. Er verknüpft Verstärkung und verteilte Rückkopplung. Abbildung 3.4: DFB-Laser (Distributed Feedback Laser) Der DFB-Laser schwingt mit zwei Moden. Der Abstand der Moden entspricht der Wellenbreite des Gitters. Dieser Nachteil kann durch eine Phasendrehung, in der Mitte der Gitterstruktur, von 90 behoben werden. Damit schwingt der DFB-Laser genau mit der Bragg-Wellenlänge. 11
Messtechnik und Messgeräte 4 Messtechnik und Messgeräte Hier wird auf einige Eigenschaften und Wirkungsweisen der optischen Messgeräte und Komponenten näher eingegangen, da diese sich von den herkömmlich verwendeten, aus dem elektrischen Bereich kommenden unterscheiden. Die Kenntnisse über die Funktionsweisen sind die Voraussetzung für den Umgang mit ihnen und der richtigen Interpretation der Messergebnisse. 4.1 Der optische Spektrumanalysator Der optische Spektrumanalysator (OSA: Optical Spectrum Analyzer), misst die optische Leistung wellenlängenselektiv; man erhält ein Leistungsspektrum. Die Einheit ist Watt oder dbm und bezieht sich auf die angegebene Messbandbreite bzw. Auflösungsbandbreite (ResBw: Resolution Bandwidth). Das Blockschaltbild ist in Abbildung 4.1 dargestellt. Abbildung 4.1: Blockdiagramm des Spektrumanalysators Die wellenlängenselektive Komponente ist in den meisten Geräten ein Gittermonochromator. Ähnlich einem Prisma spaltet das Gitter das einfallende optische Signal ( Licht ) nach seinen spektralen Anteilen räumlich auf. Mit Hilfe eines Spaltes im Strahlengang kann nun die gesuchte Wellenlänge herausgefiltert und die Leistung bestimmt werden. Die Größe des 12
Messtechnik und Messgeräte Spaltes ist veränderbar, d.h. damit lässt sich die Auflösungsbandbreite des OSAs verändern. Dies ist in Abbildung 4.2 verdeutlicht. Abbildung 4.2: Darstellung der wellenlängenselektiven Komponente (Gitter) des optischen Spektralanalysators Zwei weitere bei der Benutzung des OSA s auftretende Größen sind die Dynamik und die Empfindlichkeit (Sensitivity). Die Dynamik bezeichnet den maximalen Pegelunterschied der zwischen mehreren anliegenden Signalen bestehen darf, sodass die Signale noch mit der angegebenen Messunsicherheit gemessen werden können. Die Empfindlichkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Spektrumanalysators Signale mit kleiner Leistung (z.b. Rauschen) bei gegebener Auflösungsbandbreite anzuzeigen. 4.2 Das optische Leistungsmessgerät Mit Hilfe des optischen Leistungsmessgerätes (OPM: Optical Power Meter) kann man breitbandig die (mittlere) optische Leistung messen. Es integriert also im Gegensatz zum OSA die optische Leistung über alle Wellenlängen. Die zur Messung verwendete Fotodiode hat eine wellenlängenabhängige Empfindlichkeit bzw. Quantenwirkungsgrad. Ein typischer Verlauf ist in Abbildung 4.3 dargestellt. Die unterschiedliche Empfindlichkeit wird durch eine interne Kalibrierung ausgeglichen. Zur Messung ist es deshalb nötig die Signalwellenlänge anzugeben, damit der richtige Wert angezeigt wird. 13
Messtechnik und Messgeräte Abbildung 4.3: wellenlängenabhängiger Quantenwirkungsgrad verschiedener Fotodioden 4.3 Die durchstimmbare Laserquelle Die durchstimmbare Laserquelle (TLS: Tunable Laser Source) ist eine optische Signalquelle, die in der (Sende-)Wellenlänge verändert werden kann. Die häufigste Bauform beinhaltet einen Halbleiterlaser mit einem externen Resonator (External-Cavity Laser). Eine Prinzipskizze ist in Abbildung 4.4 zu sehen. Zur Wellenlängenselektion wird ein drehbares Gitter verwendet. Mit einem Nebenmodenfilter im Resonator wird erreicht, dass die Quelle immer im Einmodenbetrieb arbeitet. Sie besitzt eine Nebenmodenunterdrückung von einem typischen Wert von: 40dB. Abbildung 4.4: Aufbau der durchstimmbaren Laserquelle 14
Messtechnik und Messgeräte 4.4 Das variable Dämpfungsglied Mit Hilfe des variablen optischen Dämpfungsgliedes (ATT: Attenuator) kann man die optische Leistung um einen variablen Wert verringern. Das Gerät arbeitet in einem weiten Bereich linear und wellenlängenunabhängig. Das Dämpfungsglied besitzt eine nicht veränderbare Grundabschwächung bzw. Einfügedämpfung (Insertion Loss), die bei der Messkonfiguration zu beachten ist. 4.5 Optische Steckverbindungen Eine kritische Komponente in der optischen Nachrichtentechnik stellt die Verbindungstechnik dar. Dabei unterscheidet man die Verbindung zwischen einzelnen Glasfasern durch sogenannte Spleiße und die Verbindung zwischen optischen Komponenten bzw. Messgeräten mit Hilfe von Steckern. Die Qualität der Verbindung hat sehr großen Einfluss auf das Systemverhalten der Komponenten und auf die Aussagekräftigkeit der Messergebnisse (Genauigkeit, Reproduzierbarkeit). Im Praktikum werden ausschließlich Steckverbindungen benutzt. Steckverbindungen sind als lösbare Verbindungen zu Messzwecken und im Laborbetrieb unumgänglich; Sie treten ebenso als Anschlussadapter bei Sende- und Empfangseinheiten bzw. bei Verstärkern in optischen Übertragungssystemen auf oder werden als Verbindungselemente für einzelne optische Glasfaserstreckenabschnitte benutzt. Die eigentliche Verbindung bei Steckverbindungen (FC: Fiber Connector) entsteht durch den physikalischen Kontakt (PC: Physical Contact) zwischen den beiden Faserenden. Die beiden Faserenden sind dabei konvex (mit einer Wölbung nach außen) angeschliffen. Durch den mechanischen Druck, der beim Verbinden zweier Stecker entsteht, werden die beiden Endflächen aufeinandergedrückt und verformt. So erreicht man bei einer idealen Verbindung aufeinander senkrecht stehende Faserendflüchen ohne Lufteinschluss. Grundsätzlich unterscheidet man bei Steckverbindungen zwei Bauformen: Stecker mit gerader und schräger Endfläche. 15
Messtechnik und Messgeräte Hauptgesichtspunkt einer Steckverbindung ist die entstehende Dämpfung. Die Einfügedämpfung bzw. Durchgangsdämpfung ist mit einem typischen Wert von 0,3dB mit einer Toleranz von 0,2dB spezifiziert. Dies ist unabhängig von der Steckerart. Besonders die Toleranzen bei der Reproduzierbarkeit von Steckverbindungen führen zu Messunsicherheiten. (Für exakte Messungen werden deshalb Spleißverbindungen bevorzugt.) Die sehr kleinen geometrischen Abmessungen der wellenführenden Faserkerne erfordern eine sehr hohe mechanische Justiergenauigkeit. Mit speziellen zur Führung verwendeten Federhülsen (Ferrulen) wird versucht, den lateralen Kernversatz, durch den hauptsächlich die Einfügedämpfung zustande kommt, möglichst gering zu halten. 4.6 Der optische Isolator Ein optischer Isolator ist als faseroptische Komponente in vielen Einsatzgebieten zu finden. Neben der Verwendung in faseroptischen Verstärkern wird er auch in Signalquellen, Messgeräten oder Messaufbauten eingesetzt, um die Reflexionsempfindlichkeit des Aufbaus herabzusetzen. In Durchgangsrichtung wird das elektrische Feld nur gering gedämpft, während es in Gegenrichtung eine sehr hohe Dämpfung erfährt. 4.7 Der Glasfaserkopler Der Glasfaserkoppler teilt die in der Faser geführte Leistung in zwei oder mehrere Glasfasern nach einem bestimmten Koppelverhältnis auf. Der Koppler kann bidirektional betrieben werden. Die häufigste Bauform ist der Schmelzkoppler; die Fasern werden miteinander verdrillt und geschmolzen, sodass es zu einer Überkopplung von Lichtleistung kommt. Neben den Sternkopplern, die die Leistung immer gleichmäßig auf die Ausgänge verteile, existieren auch Koppler mit unsymmetrischem Teilverhältnis. Wichtig für den Laborbetrieb: 16
Messtechnik und Messgeräte Bei der Verwendung bzw. Handhabung von optischen Steckverbindungen ist zu beachten, daß Staub oder Schmutz nicht nur zu einer höheren Einfügedämpfung führen, sondern auch die Endflächen beschädigen. Deshalb ist eine regelmäßige und gründliche Reinigung mit Alkohol, fusselfreien Tüchern und eine Kontrolle mit Hilfe des Fasermikroskops sehr wichtig! 17
Fragen 5 Fragen Diese Fragen dienen zur Praktikumsvorbereitung und sind vor der Versuchsdurchführung zu bearbeiten und mitzubringen. 1. Bestimmen Sie die Frequenzen und Wellenlängen, die der emittierten Strahlung von Halbleitern mit den Bandabständen E1 = 1, 23 ev; E2 = 0, 944 ev; E3 = 0, 798 ev zugrunde liegen. 2. Die Abschätzung der spektralen Breite der Emission einer LED ergibt sich im Energiemaßstab zu 2kT. B 0 Über welchen Wellenlängenbereich erstreckt sich demnach das Spektrum einer 1300nm LED? 3. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen einer Leistungsangabe in mw und in. Wie werden die beiden Werte ineinander umgerechnet? Wieviel Watt entsprechen 3dBm, 0dBm und in dbm. Um wieviel db muss eine Leistung minimiert werden, um die Hälfte dieser zu erhalten? dbm 10dBm? Berechnen Sie 0,2mW 18
Experiment 6 Experiment Das Ziel dieses Experiments ist, dass der Student den Umgang mit dem Medium Glasfaserkabel erlernt, sich mit grundlegende optischen Meßmethoden auseinandersetzt und Messungen mit optischen Leistungsmeßgeräten, wie z.b. dem Optischen Spektrumanalysator durchführt. Faserverbindungen (Splice), optische Stecker und div. optische Komponenten, wie LED, Laserdiode, Isolator und Koppler sollen vermessen und deren Charakteristik bestimmt werden. Die Darstellung von Spektren ist so zu wählen, dass der interessierte Bereich so groß wie möglich dargestellt wird, ohne dass es zu Abschnitten kommt. ALLE ZEICHNUNGEN DER SPEKTREN MÜSSEN MIT ACHSENBESCHRIF- TUNGEN UND EINDEUTIGEN SKALEN VERSEHEN SEIN! 6.1 LED In diesem Versuchsteil soll eine LED charakterisiert werden. Hierzu steht eine breitbandige Quelle [HP 81544B/LED-Source] bereit. 1. Bestimmen Sie die optische Ausgangsleistung der LED-Quelle mit dem Leistungsmeßgerät OLP-10 von Wandel & Goltermann. PLED 2. Stellen Sie das Spektrum der LED mit dem Optical Spektrum Analyzer (HP 70004A) dar und skizzieren Sie es. 19
Experiment 3. Variieren Sie die Auflösungsbandbreite (ResBw : 5 nm... 0,5 nm ), erklären Sie die Veränderungen. 4. Bestimmen Sie die Peak-Wellenlänge mit der dazugehörigen Leistung. PPeak Peak 5. Bestimmen Sie die mittlere Wellenlänge im Bereich von 1200nm bis 1400nm (ca. 10 Werte). Berechnung Sie mit zu Hilfenahme der folgenden Formel: mean Pi i P total i P i 20
Experiment 6.2 FP-Laser In diesem Versuchsteil soll ein 1310nm FP-Laser [Eigenbau-Modul] betrachtet werden. Die zur Bestimmung der Kennlinien benötigten Messungen des Laserstromes und des Monitordiodenstromes werden im Versuchsaufbau durch Messungen des Spannungsabfalls an einem 1 Widerstand realisiert. 1. Bestimmen Sie die optische Leistung in Abhängigkeit des Laserstromes. (Skizze) 21
Experiment 2. Bestimmen Sie die optische Leistung in Abhängigkeit des Monitordiodenstromes (Skizze) 3. Bestimmen Sie die Monitordiodenstrom/Laserstrom Kennlinie. (Skizze) 22
Experiment 4. Bestimmen Sie das optische Spektrum des Lasers. (Skizze) 5. Bestimmen Sie die optische Spitzenleistung und die entsprechende Wellenlänge. PPeak Peak 6.3 DFB-Laser In diesem Versuchsteil soll ein einmodiger Laser betrachtet werden. Hierzu steht eine durchstimmbarer Laserquelle [Photonetics Laser Tunics], für den Wellenlängenbereich bei 1550nm, zur Verfügung. 1. Stellen Sie die optische Ausgangsleistung auf 0dBm. 23
Experiment 2. Stellen Sie das Spektrum dar. (Skizze) 3. Warum ist die Peak-Leistung geringer als eingestellt? 4. Bestimmen Sie das SNR (optisch). SNR 5. Bestimmen Sie die 3dB Bandbreite. Wovon ist diese abhängig? fu fo f 24
Experiment 6.4 Optischer Isolator In diesem Versuchsteil soll ein optischer Isolator [Eigenbau-Modul] betrachtet werden. Hierzu stehen ein durchstimmbarer Laser, für den Wellenlängenbereich bei 1550nm und ein optischer Isolator zur Verfügung. 1. Bestimmen Sie die Dämpfung in Durchlassrichtung in Abhängigkeit der Wellenlänge (Skizze). 2. Bestimmen Sie die Dämpfung in Isolationsrichtung in Abhängigkeit der Wellenlänge (Skizze). 25
Experiment 6.5 Glasfaserkoppler In diesem Versuchsteil sollen zwei Glasfaserkoppler betrachtet werden. Hierzu stehen ein durchstimmbarer Laser für den Wellenlängenbereich bei 1550nm und die Glasfaserkoppler [Eigenbau-Modul] zur Verfügung. 1. Bestimmen Sie die Übertragungscharakteristik eines 3dB Koppler bidirektional? Kopplers (Skizze). Ist der 2. Wiederholen Sie die Messung mit einem 10dB Monitorkoppler. Ist dieser Koppler bidirektional? 26
Literaturverzeichnis 6.6 Geräteliste 1. Faser-Mikroskop 2. Wandel & Goltermann, OLP-10 Optical, Powermeter 3. Optical Spektrum Analyzer [OSA], HP 70004A 4. HP 81544B, LED-Source, 1300nm 5. FP-Laser, 1310nm [Eigenbau-Modul] 6. HP E3620A, Power Supply, 2x15V 7. Photonetics Laser Tunics 1550, Wavelenght Tunable Laser Diode Source 8. Optischer Isolator [Eigenbau-Modul] 9. 3dB Glasfaser Koppler [Eigenbau-Modul] 10. 10dB Glasfaser Monitor-Koppler [Eigenbau-Modul] Literaturverzeichnis [1] W. Rosenkranz, Vorlesungsskript, Optical Communications (Fundamentals and Components) [2] C. P. Wrobel, Optische Übertragungstechnik in der Praxis, Hüthig Verlag Heidelberg [3] H. Hultzsch, Optische Telekommunikationssystem, DAMM-Verlag KG 27