Christoph P. Wrobel Optische Übertragungstechnik in der Praxis Grundlagen, Komponenten, Installation, Anwendungen 2., überarbeitete Auflage Hüthig Verlag Heidelberg
1 Physikalische Grundlagen 1 1.1 Optische Grundlagen 1 1.1.1 Was ist Licht? 1 1.1.2 Grundbegriffe der Optik 5 1.2 Grundlagen der Halbleiter 12 1.2.1 Der Atomaufbau 12 1.2.2 Die Einteilung der Atome 13 1.2.3 Das Bändermodell 15 1.2.4 Spontane und stimulierte Licht-Emission 16 1.2.5 Eigenhalbleiter und Fehlstellenhalbleiter 17 1.2.6 Der pn-übergang 18 2 Lichtwellenleitertechnik 21 2.1 Brechzahlprofile 22 2.1.1 Das Stufenprofil 23 2.1.2 Das Gradientenprofil 24 2.2 Akzeptanzwinkel und numerische Apertur 24 2.3 Strahlen im Lichtwellenleiter 25 2.3.1 Meridionalstrahlen 26 2.3.2 Schiefe Strahlen 26 2.3.3 Helixstrahlen 26 2.4 Moden in Lichtwellenleitern 26 2.4.1 Geführte Moden 26 2.4.2 Mantelmoden 28 2.4.3 Leckmoden 28 2.4.4 Modenrauschen 29 2.4.5 Modenverteilungsrauschen 29 2.5 Verluste 29 2.5.1 Dämpfung 30 2.5.2 Dispersion 33 2.5.3 Kopplungsverluste 38 2.6 Bandbreite-Länge-Produkt 44 2.7 LWL-Typen 46 2.7.1 Multimode-Glasfaser 46 2.7.2 Monomode-Glasfaser 47 2.7.3 Kunststoff-Faser 48 2.7.4 PCS- / HCS -Faser 50 2.8 Herstellung von Glasfasern 50 2.8.1 MCVD-Verfahren 51
VIII Inhalt 2.8.2 PCVD-Verfahren 52 2.8.3 PICVD-Verfahren 53 2.8.4 OVD-Verfahren 53 2.8.5 VAD-Verfahren 54 2.8.6 Faserziehen und Primärbeschichten 55 2.8.7 Qualität von Lichtwellenleitern 56 3 Optische Übertragungstechnik 57 3.1 Signalformen 57 3.1.1 Digitales Signal 57 3.1.2 Analoges Signal bei Audio-Übertragung 58 3.1.3 Video-Signal 59 3.2 Aufbau eines Übertragungssystems 60 3.2.1 Modulation 62 3.2.2 Leitungsüberwachung 63 3.2.3 Sender 63 3.2.4 Empfänger 65 3.3 Multiplex-Übertragung 70 3.4 Vorteile der optischen Übertragungstechnik 72 3.5 Einsatzgebiete 73 4 Optische Verbindungstechnik 75 4.1 Steckverbinder 75 4.1.1 F-SMA 84 4.1.2 LSA und LSB (DIN-Steckverbinder) 87 4.1.3 FC/PC und FC/APC 88 4.1.4 Bikonischer Steckverbinder (BAM) 89 4.1.5 BFOC (ST ) 89 4.1.6 SC 90 4.1.7 MIC 92 4.1.8 Kunststoff-Steckverbinder 94 4.1.9 Linsenstecker 95 4.1.10 VCS-Steckverbinder 96 4.1.11 Neue Steckverbinder 96 4.1.12 Hybrid-Steckverbinder 98 4.1.13 LWL-Drehkupplung 98 4.2 Bedingt lösbare Verbindungen 99 4.3 Spleiß 100 4.3.1 Klebespleiß 101 4.3.2 Schmelzspleiß 102 5 Lichtwellenleiter-Kabel 103 5.1 Anforderungen an das LWL-Kabel 103 5.2 Kabelaufbau nach DIN VDE 0888 104
5.2.1 Allgemeine Bestimmungen 104 5.2.2 Aufbau der Einzelader 106 5.2.3 Aufbau der Bündelader 108 5.2.4 Bezeichnungsschema 108 5.2.5 Anordnung, Kennzeichnung, Zählweise 111 5.2.6 Spezielle Kabelausführungen 112 5.3 Kabelherstellung und Kabeleigenschaften 114 5.3.1 Sekundärbeschichtung 115 5.3.2 Verseilung 116 5.3.3 Aufbringen von Zugelementen 116 5.3.4 Ummantelung 116 5.4 Sonderausführungen 117 6 Sende- und Empfangselemente 119 6.1 Sendedioden 119 6.1.1 LED 120 6.1.2 Laserdiode 122 6.1.3 Kantenemittierende LED (ELED) 125 6.1.4 Einkopplung in die Faser 126 6.2 Empfangsdioden 127 6.2.1 PIN-Fotodiode 128 6.2.2 Lawinen-Fotodiode 129 6.3 Bidirektionaler Transceiver 129 6.4 Übersicht der Komponenten 130 6.4.1 Vergleich zwischen LED und LD 130 6.4.2 Kombination der Komponenten 131 6.5 Optische Verstärker 132 6.5.1 Der»ideale«Verstärker 132 6.5.2 Physik des optischen Verstärkers 132 6.5.3 Systemtechniken 133 6.5.4 Problematik 135 7 Optische Koppler und Schalter 137 7.1 Gewünschte Eigenschaften eines Kopplers 138 7.2 Charakteristische Kenngrößen 139 7.3 Prinzipien für Abzweige 144 7.4 Abzweige mit Stirnflächenkopplung 145 7.4.1 Das Gabelprinzip 145 7.4.2 Das Versatzprinzip 147 7.4.3 Die Linsenkopplung 148 7.5 Oberflächenkopplung 149 7.5.1 Das Taper-Prinzip 149 7.5.2 Abzweige mit gekrümmten Fasern 150 7.5.3 Abzweige mit Gitterkoppler 151
7.6 Beurteilung der vorgestellten Prinzipien 152 7.7 Optische Schalter 152 7.8 Einsatzbereiche 155 7.8.1 Baumstruktur 155 7.8.2 Busstruktur 155 7.8.3 Bidirektionale Übertragung 156 7.8.4 Einsatz in der optischen Meßtechnik 157 7.8.5 Wellenlängenmultiplexer - WDM 157 7.9 Herstellung von Abzweigen (Integrierte Optik) 160 8 Planung und Installation 163 8.1 Strukturierte Verkabelung 163 8.1.1 Hierarchien 163 8.1.2 Topologien 166 8.2 Auswahl der Systeme 171 8.2.1 IP-Schutzarten 171 8.2.2 Das Dämpfungsbudget 172 8.2.3 Planung von Baumstrukturen 173 8.2.4 Faserauswahl 176 8.2.5 Auswahl der Steckverbinder 181 8.2.6 Systemauswahl 181 8.3 Verkabelung 182 8.3.1 Transport und Lagerung 182 8.3.2 Einziehen 182 8.3.3 Verlegung im Erdreich 183 8.3.4 Biegeradius 184 8.3.5 Temperaturbereiche 184 8.3.6 Verbindungsstellen 184 8.3.7 Aufteilung von Bündelkabel 185 8.3.8 Reparaturen an der Kabelinstallation 185 8.4 Steckermontage 186 8.4.1 Sicherheitshinweise 186 8.4.2 Vorbereiten des Kabels 186 8.4.3 Montieren des Steckers 187 8.5 Spleißen 193 8.6 Wartung 196 8.7 Überwachung im Betrieb 196 9 Anwendungen 197 9.1 Meß- und Regeltechnik 197 9.1.1 SERCOS-Interface 197 9.1.2 Strahlenmessung in der Medizin 199 9.1.3 Weitere nutzbare Eigenschaften 199
9.2 Schnittstellen 200 9.2.1 V.ll-Übertragungssystem 201 9.2.2 V.24-Übertragungssystem 202 9.2.3 SCSI : 204 9.2.4 Fibre-Channel 205 9.2.5 Optobus 205 9.3 Feldbusse 205 9.3.1 CAN 207 9.3.2 II/O-System 208 9.3.3 Andere Feldbusse 208 9.4 Lokale Netze - LAN 208 9.4.1 Ethernet 208 9.4.2 FDDI 209 9.4.3 Token Ring 210 9.4.4 Wireless LAN 210 9.4.5 Reichweitenverlängerung bei IBM-Netzen 213 9.5 Verbindung von LANs 214 9.5.1 Brücke 214 9.5.2 Router 214 9.5.3 Switches 215 9.6 Photonische Netze 215 9.6.1 OPAL 216 9.6.2 City-Netze 217 9.6.3 CATV 217 9.6.4 Fernnetze 218 9.7 Sonstige 219 9.7.1 Video-Übertragungssystem RGB 219 9.7.2 Breitband-Übertragungssystem 220 9.7.3 Optische Speicher 221 10 Optische Meßtechnik! 223 10.1 Anregungsbedingungen 223 10.1.1 UMD-Anregung 224 10.1.2 EMD-Anregung 226 10.2 Dämpfungsmessung 230 10.2.1 Dämpfungsmessung an Steckverbindern 235 10.2.2 Rückflußdämpfung von Steckverbindern 241 10.2.3 Dämpfungsmessung an Lichtwellenleitern 243 10.3 Die Rückstreumessung 245 10.4 Das Augendiagramm 251 10.5 Bitfehlermessung und Signal/Stör-Abstand 253 10.6 Messung der Basisbandbreite 254 10.7 Sonstige Messungen 255
201 Inhalt Anhang 257 A.l Mathematischer Exkurs 257 Brechungsgesetz 257 Akzeptanzwinkel 0 258 Numerische Apertur A N 258 Modendispersion 259 A.2 Marktübersichten 260 Steckverbinder 260 LWL-Fasern 261 Montage-Zubehör 261 Spleiße / Spleißgeräte 261 Verteilfelder, Verteilschränke 262 Koppler / Schalter 262 Dioden / Transceiver 262 OTDR 263»Handheld«-Meßgeräte 263 Analysatoren 263 Herstelleradressen 264 A.3 Abkürzungsverzeichnis 268 A.4 Verwendete Formelzeichen 270 A.5 Verwendete Normen 271 A.6 Quellen und weiterführende Literatur 273 Zeitschriften 274 A.7 Glossar 275 A.8 Sachregister 290