Eberhard Herter / Martin Graf Optische Nachrichtentechnik mit 184 Bildern Carl Hanser Verlag München Wien
Inhaltsverzeichnis Vorwort 9 1 Einführung 11 2 Das nachrichtentechnische Umfeld 13 2.1 Nachrichtentechnik und Informationstheorie 13 2.2 Analoge und digitale Übermittlung 14 2.3 Aufgaben von Modulation und Codierung 15 2.4 Von der elektrischen zur optoelektrischen Übertragung 16 2.5 Nachrichtennetze und Vermittlungsprinzipien 19 2.6 Digitale Multiplexsysteme 22 2.7 Teilnehmeranschluß im ISDN und B-ISDN 24 2.8 Asynchronous Transfer Mode (ATM) und Fast Packet Switching (FPS) 24 3 Einige physikalische Grundlagen 27 3.1 Einführung 27 3.2 Licht als Welle 29 3.2.1 Wellenoptik 29 3.2.2 Holografie 31 3.2.3 Geometrische Optik 32 3.3 Licht als Teilchen 34 3.3.1 Bändermodell und Besetzungswahrscheinlichkeit 34 3.3.2 Wechselwirkungen zwischen Atom und Strahlung 35 3.3.3 Laserprinzip 37 3.3.3.1 Optisch gepumpte Laser 37 3.3.3.2 LED und Halbleiterlaser 38 3.3.4 Streuung (Brillouin- und Ramanstreuung) 39 3.4 Kleines Lexikon physikalischer Begriffe 40 4 Komponenten der optischen Nachrichtentechnik 43 4.1 Einführung 43 4.2 Lichtwellenleiter (LWL) 43 4.2.1 Fasertypen und Eigenschaften 43 4.2.1.1 Mehrmodenfasern (MM-Fasern) 44 4.2.1.2 Einmodenfasern (SM-Fasern) 45 4.2.2 Übertragungseigenschaften 45 4.2.2.1 Dispersion 45 4.2.2.2 Dämpfung eines LWL 46 4.2.2.3 Modenkopplung 48 4.2.2.4 Fasernichtlinearitäten 48 4.2.3 LWL-Kabel 49 4.3 Sender 49 4.3.1 Allgemeines 49 4.3.2 Lichtemittierende Diode (LED) 50 4.3.3 Laser-Diode 52 4.3.4 Der Resonator im Halbleiterlaser 54
6 Inhaltsverzeichnis 4.4 Empfänger (optoelektrische Wandler) 56 4.4.1 PIN-Photodiode 56 4.4.2 Avalanche-Photodiode (APD) 57 4.4.3 Empfängerprinzipien 58 4.5 Verbindungstechniken 59 4.5.1 Allgemeines 59 4.5.2 Kopplung und Verluste 60 4.5.3 Optische Spleiße 61 4.5.4 Optische Steckverbindungen 64 4.6 Einige spezielle Komponenten 65 4.6.1 Übersicht 65 4.6.2 Frequenzselektive Bauelemente 66 4.6.3 Polarisatoren 68 4.6.4 Verzweiger und Wellenlängenmultiplexer 69 4.7 Dämpfungsmessungen an Glasfasern 71 4.7.1 Einkoppelbedingungen 71 4.7.2 Zweipunktverfahren (Durchgangsmessung) 72 4.7.3 Rückstreuverfahren OTDR 72 5 Optische Übertragung auf Lichtwellenleitern 74 5.1 Übersicht 74 5.2 Übertragung mit Intensitätsmodulation 74 5.3 Einige Eigenschaften der optischen Übertragungsstrecke 75 5.3.1 Vorteile des Lichtwellenleiters 75 5.3.2 Bandbreite 75 5.3.3 Grenzen vierpoltheoretischer Betrachtungen 76 5.4 Verbesserungsversuche zur Modulation 77 5.5 Störungen bei optischen Übertragungen o. 79 5.5.1 Vergleich mit den Störungen auf Kupferleitungen 79 5.5.2 Rauschbeiträge bei optischer Übertragung 80 5.6 Kohärenter Empfang 80 5.6.1 Begriffsbestimmungen anhand elektrischer" Übertragungsverfahren. 80 5.6.2 Probleme und Lösungswege bei kohärenten optischen Übertragungsverfahren 82 5.6.3 Systembeispiele 84 5.7 Optische Multiplexbildung und Richtungstrennung 85 5.8 Solitonen 86 5.9 Übertragungsverfahren mit Unterstützung durch die Dispersion (DST). 87 5.10 Systemplanung 89 5.10.1 Übliche Aufgabenstellungen 89 5.10.2 Einige grundlegende Zusammenhänge 89 5.10.3 Planungshilfsmittel 89 6 Nachrichtennetze auf LWL-Basis 91 6.1 Einführung 91 6.2 LAN/MAN der 2. Generation 92 6.2.1 Übersicht : 92 6.2.2 FDDI 92 6.2.3 DQDB 95 6.3 LAN/MAN der 3. Generation 96 6.3.1 Einführung 96 6.3.2 Beispiele aktueller Verfahren der Hochleistungs-Rechnerkommunikation über LWL 97 6.3.2.1 SerialHIPPI 97
Inhaltsverzeichnis 7 6.3.2.2 Fibre Channel (FC) 98 6.3.3 Ausblick 99 6.4 SONETundSDH 99 6.5 ATM und Breitband-ISDN 99 7 An der Schwelle zur zukünftigen Optischen Nachrichtentechnik 103 7.1 Bestandsaufnahme der optischen Übertragung 103 7.1.1 Vorbemerkung 103 7.1.2 Übertragung auf Lichtwellenleitern 103 7.1.3 Terrestrische Freiraumübertragung 104 7.1.4 Drahtlose Lokale Netze ( Wireless LAN") 104 7.1.5 Optische Übertragung im Weltraum 106 7.2 Motivation für eine optische Nachrichtentechnik 106 7.3 Optoelektronische Integration (OEIC) 107 7.3.1 Ein einführendes Beispiel 107 7.3.2 Motivationen für OEIC 108 7.3.3 Stand der Technik und Realisierungsbeispiele 108 8 Optische Verstärker 109 8.1 Einführung 109 8.2 Halbleiterverstärker " 109 8.3 Faserverstärker 110 8.3.1 Verstärkungseffekte in undotierten Glasfasern 111 8.3.2 Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA) 111 8.4 Halbleiter-und Faserverstärker im Vergleich 116 9 Optische Modulatoren 118 9.1 Einführung 118 9.2 Lasermodulatoren 118 9.2.1 DFB-Laser 119 9.2.2 MQW-Laser(Multiple-Quantum-Well-Laser) 120 9.2.3 Interne und externe Modulation 120 9.2.4 Y-Laser 123 9.3 Passive Modulatoren 125 9.3.1 Mach-Zehnder Modulator 125 9.3.2 SEED (Self-Electrooptic Effect Device) 126 9.3.3 Optisch gesteuerte Modulatoren 129 9.3.4 Elektrisch gesteuerte Modulatoren 129 9.4 Räumliche Lichtmodulatoren 130 9.4.1 Flüssigkristallmodulatoren 131 9.4.2 Smart Pixel 134 9.4.2.1 EARS (Exciton Absorption Reflection Switch) (MQW-Smart Pixel). 134 9.4.2.2 Smart Pixel auf VCSEL-Basis (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 136 9.4.2.3 VSTEP (Vertical To Surface Transmission Electro-Photonic Device). 137 9.4.2.4 LAOS (Light Amplifying Optical Switch) 138 10 Optische Vermittlung 139 10.1 Einführung 139 10.2 Wesentliche Grundstrukturen 140 10.2.1 Vermittlung mit Wellenleiter-Bauelementen 140 10.2.2 Freiraum-Vermittlung 143 10.3 Systembeispiele...' 146
8 Inhaltsverzeichnis 10.3.1 Vermittlungsbeispiel mit Smart Pixel aus VCSEL's 147 10.3.2 Vermittlungsprinzip mit gegenwärtigen Komponenten für ATM... 148 10.3.3 Vermittlungsbeispiel: ATM-Schalter mit Selbsthaltefunktion.... 149 10.3.3.1 Der opto-elektronische Pufferspeicher 150 10.3.3.2 Die Schaltmatrix mit Selbsthaltekreis 151 10.3.3.3 Ausblick auf die weitere Entwicklung 152 10.4 Verbindungstechnik und Integration 152 11 Optische Speicher 156 11.1 Einführung 156 11.2 Optische Speicherelemente 156 11.3 Optische Plattenspeicher 158 11.3.1 Übersicht 158 11.3.2 Aufzeichnungsmethoden 158 11.3.3 Speichertechnologie 161 11.3.4 Aufbau optischer Speicherplatten 161 11.3.5 Aufbau des Schreib-/Lese-Kopfes 162 11.3.6 Einsatzgebiete heutiger Plattenspeicher 164 11.3.7 Weiterführende Entwicklungen 165 12 Optische Computer 167 12.1 Einführung 167 12.2 Optische Computersysteme 168 12.3 Hardware 171 13 Glasfaser bis zum Teilnehmer - Fiber To The Home (FTTH) 173 13.1 Einführung 173 13.2 Das OPAL-System 173 13.2.1 Netzarchitektur 173 13.2.2 Übertragungsverfahren 174 13.2.3 Schnittstellen zur Vermittlung 176 13.3 OPTOPORT-DS: Ein Glasfaserübertragungssystem für Breitbandverteildienste 177 13.3.1 Systemübersicht 177 13.3.2 Übertragungsverfahren 177 13.3.3 Systemkennwerte 180 13.3.4 Netzbeispiel 180 13.4 Abschließende Bemerkungen 181 Literaturverzeichnis 182 Sachwortverzeichnis 190