Gerhard Schiffner Optische Nachrichtentechnik Physikalische Grundlagen, Entwicklung, moderne Elemente und Systeme
Gerhard Schiffner Optische Nachrichtentechnik Physikalische Grundlagen, Entwicklung, moderne Elemente und Systeme Mit 207 Abbildungen und 28 Tabellen Teubner
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber <http://dnb.ddb.de> abrufbar. Prof. Dr. techno Gerhard Schiffner, 1937 in der Nahe von Wi en geboren, 1955-1961 Studium der elektrischen Nachrichtentechnik an der TU Wien, von 1962 bis 1973 Assistent am dortigen Institut fur Hochfrequenztechnik, 1967 Promotion und 1979 Habilitation. 1969-1971 NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, USA, 1973-1982 Siemens AG, Forschungslaboratorien in Munchen, ab 1982 Ruhr-Universitat Bochum, ab 2002 in Pension. 1. Auflage August 2005 Aile Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag I GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005 Reprint of the original edition 2005 Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. wvvvv.teubner.de Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, wvvvv.corporatedesigngroup.de Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN-13: 978-3-519-00446-2 e-isbn-13: 978-3-322-80061-9 001: 10.1007/978-3-322-80061-9
Vorwort Unser heutiges Leben ist ohne optische Nachrichtenubertragung kaum mehr vorstellbar. Lichtleitfaser-Ubertragungsstrecken sind wichtige Bestandteile der globalen Kommunikationsnetze und die Entwicklung der Faser-Strecken hat die Systeme in der heutigen Form erst ermoglicht. Es ist selbstverstandlich, zu niedrigen Kosten weltweit zu telefonieren, uber das Internet Information aus anderen Kontinenten anzufordern, Daten auszutauschen oder E-Mails zu versenden. Die Netze sind fur viele Bereiche der Wirtschaft, der Wissenschaft, der Offentlichen Verwaltung und fur die private Nutzung essentiell geworden. Es ist absehbar, dass die Zahl von Institutionen, die von einer guten Anbindung an ein leistungsfahiges Netz abhangen, weiter stark anwachsen wird. Nach Mitteilung des VDE versenden derzeit kommerzielle Nutzer taglich eine Informationsmenge, die etwa 100 Milliarden DIN A4-Textseiten entspricht. Es wird geschatzt, dass sich dieses Verkehrsaufkommen jahrlich verdoppeln wird. Ein Beispiel fur eine neue Arbeitsform, die durch leistungsfahige Netze ermoglicht werden konnte, ist das "Follow-the-sun"-Prinzip, bei dem beispielsweise Arbeitsunterlagen nahtlos von europaischen Konstrukteuren zu Arbeitsende an amerikanische Kollegen weitergegeben werden und diese geben sie weiter an japanische Kollegen, die dann ihre Ergebnisse wieder nach Europa transferieren. So konnte z. B. an einer PKW-Konstruktion nahtlos 24 Stunden pro Tag gearbeitet werden. Es laufen auch Bestrebungen, getrennte Netze wie Telefon, Mobilfunk und Internet zu einem moglichst einheitlichen Breitbandnetz zusammenzufassen (Fachausdruck "Konvergenz"). Die daraus resultierenden hohen Anforderungen an die Ubertragungswege lassen sich nur mit optischen Techniken erfullen. Es ist anzunehmen, dass wir erst am Beginn einer Entwicklung stehen, in der eine wesentlich intensivere Nutzung der Netze erfolgen wird. Eine ganz wichtige Aufgabe ist, die Ubertragungskosten weiter deutlich zu senken und dies ist nur durch innovative Weiterentwicklung optischer Techniken und elektronischer Schaltungen moglich. Die Datenraten werden sich in den kommenden lahren deutlich erhohen. Fur private Nutzer werden Anschliisse mit 100 Mbit/s erforderlich sein und fur Firmen kann mit mehreren Gbit/s gerechnet werden. Bisher waren direkte Anschliisse an das Lichtleitfasernetz meist zu teuer, doch das Ende der Lichtleitfaserstrecken ruckt naher zum Teilnehmer. Der Stand und Aspekte der Weiterent-
VI Vorwort wicklung der Netze werden in einem VDEIITG-Positionspapier "Breitbandige Kommunikationsnetze mit hoher Qualitat" (2004) diskutiert. Optische Ubertragungssysteme lassen sich auch uber geringe Entfemungen innerhalb von Stadten, Gebauden, Fahrzeugen oder Flugzeugen vorteilhaft einsetzen, da die Kabel dunner und leichter als Kupferkabel und weitgehend immun gegen elektromagnetische St6rfelder sind. Allerdings sind optische Verbindungen oft noch teurer als Verbindungen uber Cu-Kabel und daher sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich. Zur geschichtlichen Entwicklung sei angemerkt, dass noch bis zu Beginn der achtziger Jahre Kupfer-Kabel im Einsatz waren und fur Weitverbindungen auch Satelliten und Richtfunkstrecken genutzt wurden. Die verfugbaren Ubertragungskapazitaten waren relativ gering und die Kosten hoch. Etwa Mitte der achtziger Jahre wurde weltweit begonnen, Lichtleitfasem in groj3em Umfang zu verlegen, dies em10glichte erstmals eine kostengunstige Informationsubertragung uber weite Strecken und damit auch den Siegeszug des Intemets. Allerdings werden Satelliten und Richtfunkstrecken weiterhin fur spezielle Zwecke genutzt. Das Hauptgewicht des vorliegenden Bandes liegt auf den physikalischen und technischen Grundlagen, die fur ein Verstandnis der optischen Nachrichtentechnik erforderlich sind. Nach einer Einfuhrung behandeln die Kapitel 2 bis 6 einige Grundlagen der Optik, in den Kapiteln 7 bis 12 werden Bauelemente und in Kapitel 13 Systeme besprochen. Der Band ist aus einer einsemestrigen Vorlesung an der Ruhr-Universitat Bochum, Fakultat fur Elektrotechnik und Informationstechnik, hervorgegangen, die seit 1982 gehalten und mehrfach modemisiert wurde. Der Text richtet sich an Studierende von Universitaten und Fachhochschulen, an in der Industrie und Wirtschaft tatige Mitarbeiter, er kann jedoch auch als Nachschlagewerk dienen. Es ist abzusehen, dass in Zukunft weiterhin Fachleute fur optische Nachrichtenubertragung benotigt werden und dieser Band soli einen Beitrag zur Ausbildung leisten. Meine Studierenden haben durch zahlreiche Fragen zur Verbesserung des Manuskripts beigetragen und die Firmen Infineon Technologies Fiber Optics GmbH, Munchen, und ISIS Multimedia Net GmbH Co. KG, Dusseldorf, haben Unterlagen und Bilder zur Verfugung gestellt, woflir ich sehr danke. Herm Akad. Rat Dr.-Ing. Gerhard Roll danke ich fur Diskussionen sowie fur die Durchsicht des Manuskripts und meinem Nachfolger, Herm Prof. Dr. Peter Awakowicz, fur die Moglichkeit, die Infrastruktur des Lehrstuhls AEPT zu nutzen. Schliel3lich danke ich meiner Frau Adelheid und meinen Kindem fur das entgegengebrachte Verstandnis. Bochum, im Mai 2005 Gerhard Schiffner
Inhaltsverzei chn is 1 Einfiihrung 1 1.1 Anfange der Nachrichteniibermittlung 1.2 Entwicklung ab 1960 6 1.3 Elektromagnetisches Spektrum 12 1.4 Lichtleitfasem 13 1.5 Optische Ubertragungssysteme 21 31 2 Lichtausbreitung in Dielektrika und in Metallen sowie gefiihrte Wellen 34 2.1 Allgemeines 34 2.2 Materialgleichungen 35 2.3 Zur MAXWELLschen Theorie 38 2.4 Wellengleichung und ebene Wellen 40 2.5 Zu den optischen Eigenschaften von Metallen 48 2.6 Geflihrte Wellen 52 57 3 Polarisationszustande der ebenen elektromagnetischen Welle 58 3.1 Polarisationsellipse 58 3.2 Lineare und zirkulare Polarisation 64 3.3 Charakterisierung des Polarisationszustandes durch STOKESsche 66 Parameter 3.4 Unpolarisiertes und teilweise polarisiertes Licht 70 3.5 Charakterisierung des Polarisationszustandes durch die Polarisationsmat- 71 rix (JONES) 3.6 Zur Polarisationsmodendispersion 73 74 4 Physikalische Effekte bei der Wellenausbreitung und stimulierte 75 Emission 4.1 Materialdispersion 75 4.2 RAYLEIGH-Streuung 86 4.3 Zum BRILLOUIN-Effekt in Quarzglas-Monomodefasem 90 4.4 RAMAN-Streuung in Quarzglas-Fasem 94 4.5 Stimulierte Emission 97 111 5. Wellenausbreitung in optisch anisotropen Stoffen 112 5.1 Doppelbrechende Stoffe 112 5.2 Ausbreitung ebener Wellen und Polarisationseigenschaften 116 5.3 Optische AktiviHit und FARADAY-Effekt 128
VIII 5.4 Photonische Kristalle 6. Grundziige der nichtlinearen Optik 6.1 Uberblick 6.2 H a r r n o ~ i s c h e n e r z e u g u n g 6.3 FUr praktische Anwendungen geeignete nichtlineare Kristalle 6.4 Nichtlineare Effekte in Monomodefasern 6.5 Solitonen Inhaltsverzeichnis 129 130 131 131 134 138 138 139 140 7. Optische Bauelemente 7.1 Polarisatoren 141 7.2 Verzogerungsplatten 146 7.3 Optische Isolatoren 151 7.4 Bauelemente flir Wavelength Division Multiplex (WDM) 153 7.5 Ein- und Auskopplung optischer Strahlung in/aus Lichtwellenleitern 156 159 8. Optische Sender 160 8.1 Einfiihnmg 160 8.2 Optische Eigenschaften und Auswahl von Halbleitern 163 8.3 Aufbau und Eigenschaften von Lasern 165 8.4 Modulation 176 8.5 Einsatzfalle 179 8.6 Ausfiihrungsfotmen und Gehause 180 182 9 Photodioden und optische Empfanger 184 9.1 Ubersicht 184 9.2 Photoeffekt 186 9.3 Sperrschicht-Effekt 190 9.4 Schichtaufbau 194 9.5 Ausfiihrungsfonnen von Photodioden 198 9.6 Ausfiihrungsforrnen von Lawinenphotodioden 201 9.7 Eigenschaften und Betrieb 204 9.8 Schaltungstechnik 207 9.9 Rauschen und Empfindlichkeit optischer Empfanger 212 224 141
Inhaltsverzeichnis 10 Modulation optischer Strahlung 10.1 Einfiihrung 10.2 Modulationsarten 10.3 Elektrooptische Modulatoren 10.4 Integriert-optische Modulatoren 10.5 Elektroaosorptions-Modulatoren 11 Lichtleitfasern 11.1 Materialien 11.2 Quarzglas-Fasem 11.3 Faser-Herstellung 11.4 Wellenausbreitung in Fasem 11.5 Dispersion in Monomode-Fasem 11.6 Begrenzende Effekte in Monomode-Fasem 11.7 Kommerzielle Fasem 11.8 Faserkabel 12 Optische Verstarker 12.1 Ubersicht 12.2 Seltene Erden-Verstarker 12.3 Faser-RAMAN-Verstarker 12.4 Halbleiter-Verstarker, SOA 13 Ubertragungssysteme 13.1 System-Grundlagen 13.2 Systembeispiele Haufig benutze Abkiirzungen Stichwortverzeichnis 226 IX 226 227 236 250 256 259 262 262 266 267 273 279 282 282 286 292 296 296 300 307 310 316 318 320 326 330 332 334