Lichtwellenleiter-Technik Grundlagen - Verbindungs- und Meßtechnik - Systeme -Trends Dr. rer. nat. Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Glaser Dipl.-Ing. Christian Kutza Dr. sc. techn. Jürgen Labs Mit 163 Bildern, 33 Tabellen und 30 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 596 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expertly^ verlag
Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 1 1.1 Physikalische Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technik 1 1.1.1 Einleitung 1 1.1.2 Das Prinzip der optischen Informationsübertragung 1 1.1.3 Die Vorteile der Nachrichtenübertragung über Lichtwellenleiter 3 1.1.4 Das elektromagnetische Spektrum 3 1.1.5 Signalausbreitung im Lichtwellenleiter 4 1.1.6 Dämpfung im Lichtwellenleiter 8 1.1.7 Zusammenfassung 11 1.2 Lichtwellenleiter-Typen und Dispersion 12 1.2.1 Einleitung 12 1.2.2 Stufenprofil-Lichtwellenleiter 12 1.2.3 Gradientenprofil-Lichtwellenleiter 16 1.2.4 Monomode-Lichtwellenleiter 21 1.2.5 Zusammenfassung 31 1.3 Optoelektronische Bauelemente 32 1.3.1 Einleitung 32 1.3.2 Elektrooptische Wechselwirkungen im Halbleiter 33 1.3.3 Lumineszenzdioden 35 1.3.4 Laserdioden 37 1.3.5 Empfängerdioden 46 1.3.6 Zusammenfassung 51 1.4 Weiterführende Literatur 52 2 Lösbare Verbindungstechnik von Lichtwellenleitern 53 Christian Kutza 2.1 Lösbare Verbindungstechnik in optischen Übertragungssystemen 53 2.1.1 Allgemeine Anforderungen an lösbare Koppelstellen 54 2.1.2 Optisch ideale Koppelstellen 55 2.1.3 Kopplung von Multimode-Lichtwellenleitern 55 2.1.4 Kopplung von Monomode-Lichtwellenleitern 57 2.2 Reale Koppelstellen 57 2.2.1 Multimode-Lichtwellenleiter-Kopplung 58 2.2.2 Monomode-Lichtwellenleiter-Kopplung 60 2.2.3 Faser-Aktivelement-Kopplung 61 2.2.4 Ursachen optischer Verluste an lösbaren Koppelstellen 64
2.2.5 Intrinsische Verluste 64 2.2.6 Extrinsische Verluste 66 2.3 Technologien für lösbare Lichtwellenleiter-Verbindungen 71 2.3.1 Übersicht der Verbindungstechnologien 72 2.3.2 Optische Steckverbinder 72 2.3.3 Stecker mit direkter Steckerstirnflächenkopplung 74 2.3.4 Stecker mit Strahlaufweitung 74 2.3.5 Mehrfasersysteme 75 2.3.6 Quasilösbare Verbindungen 77 2.4 Kenngrößen von lösbaren optischen Koppelstellen 77 2.4.1 Optische Kenngrößen der Koppelstelle 78 2.4.2 Einfügedämpfung 79 2.4.3 Reflexionsdämpfung 81 2.4.4 Mechanische und Umgebungs-Parameter 84 2.5 Steckverbinderstandards und Montagetechnologien 84 2.5.1 Standardisierung und Normung 85 2.5.2 Übersicht aktueller Steckerstandards 86 2.5.3 Neuentwicklungen 88 2.5.4 Montagetechnologien 90 2.5.5 Klebetechnologie 90 2.5.6 Crimp & Cleave-Technologie 93 2.5.7 Lösungen für Feldmontage 94 2.6 Literatur 96 3 Nichtlösbare Verbindungen - Spleißtechnologien 97 Jürgen Labs 3.1 Einführung 97 3.2 Werkstoffe und Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiter 101 3.2.1 Werkstoffe für Lichtwellenleiter 101 3.2.2 Herstellungsverfahren für Lichtwellenleiter 103 3.3 Verbindungsverfahren für Lichtwellenleiter-Spleißtechnologien 109 3.3.1 Absetzen des Kabelmantels und der Primär- und Sekundärumhüllung 110 3.3.2 Präparieren der Verbindungsflächen 110 3.3.3 Mechanischer Spleiß 113 3.4 Schmelzspleiß 113 3.4.1 Positionieren der Lichtwellenleiterenden 115 3.4.2 Verschmelzen der Lichtwellenleiterenden 117 3.4.3 Spleißschutz 118 3.4.4 Bindekinetische Vorgänge 119 3.5 Optische Eigenschaften der Spleißkoppelstelle 122 3.6 Mechanische Eigenschaften der Spleißkoppelstelle 123 3.7 Ausblick 125 3.8 Literatur 125 4 Lichtwellenleiter-Meßtechnik 126 4.1 Messung von Leistungen und Dämpfungen 126
4.1.1 Einleitung 126 4.1.2 Verfahren zur Herstellung einer Modengleichgewichtsverteilung 126 4.1.3 Leistungsmessung 128 4.1.4 Dämpfungsmessung 130 4.1.5 Zusammenfassung 134 4.2 Die Rückstreumessung als universelles Meßverfahren 135 4.2.1 Einleitung 135 4.2.2 Das Prinzip der Rückstreumessung 135 4.2.3 Die Rückstreukurve als Meßergebnis 138 4.2.4 Die Ereignisse auf der Rückstreukurve 141 4.2.5 Zusammenfassung 146 4.3 Die Analyse von Rückstreudiagrammen 146 4.3.1 Einleitung 146 4.3.2 Die Interpretation der Rückstreukurve 146 4.3.3 Die Auswertung problematischer Rückstreudiagramme 150 4.3.4 Zusammenfassung 157 4.4 Parameter und Definitionen 157 4.4.1 Einleitung 157 4.4.2 Dynamik 157 4.4.3 Impulswiederholrate 159 4.4.4 Impulsbreite und Auflösungsvermögen 160 4.4.5 Totzonen 162 4.4.6 Weitere Parameter 163 4.5 Praktische Hinweise zur Rückstreumessung 164 4.5.1 Allgemeine Hinweise 164 4.5.2 Vor- und Nachlauf-LWL 165 4.5.3 Geisterbilder 166 4.5.4 Kurvenauswertung 169 4.5.5 Fehlanpassungen 170 4.5.6 Kriterien zur Beurteilung der Qualität der installierten Strecke 172 4.6 Reflexionsmessungen 172 4.6.1 Einleitung 172 4.6.2 Besonderheiten 173 4.7 Literatur 176 5 Optische Übertragungssysteme 177 5.1 Systemparameter 177 5.2 Planung des Leistungsbudgets 178 5.3 Systemplanung 180 5.3.1 Grundlagen 180 5.3.2 Digitale Systeme 185 5.3.3 Analoge Systeme 189 5.4 Lichtwellenleiter-Systeme 190 5.4.1 Topologien 190 5.4.2 Industrielle Anwendungen 192 5.4.3 Systeme mit Kunststoff-Lichtwellenleitem 193 5.4.4 Lokale Netze 199
5.4.5 Optische Freiraumübertragung 204 5.4.6 Digitale Hierarchien und Netzstrukturen 211 5.4.7 Zugangsnetze 214 5.4.8 Citynetze 214 5.4.9 Weitverkehrsnetze 214 5.4.10 Netze mit optischen Verstärkern 216 5.5 Weiterführende Literatur 217 6 Entwicklungsrichtungen 218 Wolfgang Glaser 6.1 Wellenlängenmultiplex 218 6.1.1 Verfahren der Kanalbündelung 218 6.1.2 Realisierung optischer Bündelungstechniken 219 6.1.3 WDM-und DWDM-Systeme 221 6.2 Integrationstechnologien 225 6.2.1 Entwicklung der optischen Signalverarbeitung 225 6.2.2 Integrationstechnologien 227 6.2.3 Grundstrukturen 229 6.2.4 Realisierung von Funktionsgruppen 232 6.3 Optische Verstärkung 234 6.3.1 Anwendungsgebiete 234 6.3.2 Faserverstärker 237 6.3.3 Halbleiterverstärker 240 6.4 Nichtlineare Optik 242 6.4.1 Nichtlineare Effekte 242 6.4.2 Das Soliton 246 6.4.3 Soliton-Anwendung 248 6.5 Literatur 250 7 Anhang 251 7.1 Abkürzungen 251 7.2 Formelzeichen und Maßeinheiten 253 7.3 Fachbegriffe 255