Meßbrücken
Lichtwellenleiter
Inhaltsverzeichnis:
1. Physikalische Grundlagen Seite 3
1.1. Brechungsindex Seite3
1.2. Lichtbrechung Seite3
1.
3. Brechungsgesetz Seite4
1.4. Totalreflexion Seite4
2. Lichtwellenleiterdefinitionen Seite5
2.1.
Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke Seite5
2.2. Aufbau und prinzipielle Wirkungsweise eines Lichtwellenleiters Seite5
2.3. Akzeptanzwinkel und Numerische Apertur Seite6
2.4.
Moden Seite8
3. Dispersion bei Lichtwellenleitern Seite8
3.1. Modendispersion Seite9
3.2. Materialdispersion Seite10
3.
3. Wellenleiterdispersion Seite11
3.4. Profildispersion Seite11
4. Dämpfung von Lichtwellenleitern Seite11
4.1.
Absorbtion Seite12
4.2. Streuung Seite12
4.3. Strahlungsverluste Seite12
4.4.
Zusammenfassung der drei Dämpfungsarten Seite13
5. Typen von Lichtwellenleitern Seite13
5.1. Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil Seite14
5.2. Mehrmodenlichtwellenleiter mit Gradientenprofil Seite15
5.
3. Einmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil Seite16
6. Vorteile von Lichtwellenleitern allgemein Seite16
7. Wandler Seite17
7.1. Elektro-optischer Wandler (Sender) Seite17
7.
2. Optisch-elektrischer Wandler (Empfänger) Seite18
8. Literaturverzeichnis Seite21
1. Physikalische Grundlagen:
1.1. Brechungsindex:
Die Dichte eines optischen Mediums wird mit dem Brechungsindex n angegeben.
Der Brechungsindex n bezeichnet den Faktor, um den sich Licht im betreffenden Medium langsamer ausbreitet als im Vakuum. In einem optisch dünneren Medium ist die Lichtgeschwindigkeit größer als in einem optisch dichteren Medium. Der Brechungsindex n ist eine Materialkonstante.
c...
.Lichtgeschwindigkeit im Medium
c0...Lichtgeschwindigkeit in Luft
n..
..Brechzahl
Beispiele für n:
Medium
n
Luft
1
Wasser
1,33
Glas
1,5
Diamant
2,4
1.2. Lichtbrechung:
Licht wird an der Grenzfläche zweier optisch verschiedener Medien gebrochen, da die Lichtgeschwindigkeit in den Medien unterschiedlich ist. Tritt das Licht vom optisch dünneren ins optisch dichtere Medium, so wird der Lichtstrahl zum Lot der Grenzfläche gebrochen, wie in Bild 1 dargestellt.
1.3. Brechungsgesetz:
Für die Lichtbrechung gilt das Brechungsgesetz:
c1...Lichtgeschwindigkeit in Material 1
c2.
..Lichtgeschwindigkeit in Material 2
1.4. Totalreflexion:
Tritt das Licht vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium, so wird der Lichtstrahl vom Lot der Grenzfläche weg gebrochen. Wenn der Einfallswinkel den Wert ag erreicht, so bildet der ausfallende Strahl mit dem Lot einen Winkel von 90° (streifender Ausfall).
Überschreitet der Einfallswinkel a den Wert des Grenzwinkels ag, so würde das Brechungsgesetz einen Brechungswinkel fordern, dessen Sinus größer als 1 ist. Diesen Winkel gibt es nicht, es kann daher keine Brechung stattfinden. Die gesamte Lichtenergie wird reflektiert, es kommt es zur Totalreflexion, wie in Bild 2 dargestellt. Der Grenzwinkel errechnet sich folgendermaßen:
Bei der Totalreflexion gilt: Einfallswinkel = Ausfallswinkel
Anwendung beim Lichtwellenleiter:
Die physikalische Tatsache der Totalreflexion dient als Grundlage für den Bau eines Lichtwellenleiters. Der Faserkern wird aus einem optisch dichterem Material als die Hülle (Mantel) hergestellt. Die Fortpflanzung des Lichtes im Faserkern beruht allein auf der Totalreflexion.
2. Lichtwellenleiterdefinitionen:
2.1. Lichtwellenleiter-Übertragungsstrecke:
Sender: elektro-optischer Wandler
Empfänger: optisch-elektrischer Wandler
Übertragungsstrecke: Lichtwellenleiter (Übertragungsmedium)
Stecker: lösbare Verbindung
2.2. Aufbau und prinzipielle Wirkungsweise eines Lichtwellenleiters:
Bild 4 zeigt den Aufbau eines solchen Lichtwellenleiters.
Wie man erkennen kann, besteht der Lichtwellenleiter aus einem Mantel und einem Kern. Mantel und Kern bestehen jeweils aus einem Glasmaterial mit unterschiedlichem Brechungsindex, wobei der Kern einen größeren Brechungsindex als der Mantel hat. Dies ist deshalb nötig, um den Lichtstrahl an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel totalreflektieren zu können, sodaß sich der Lichtstrahl innerhalb des Kerns fortpflanzen kann, wie in Bild 4 dargestellt.
2.3. Akzeptanzwinkel und Numerische Apertur:
Ein Lichtstrahl kann sich wie oben erwähnt im Kern nur fortpflanzen, wenn er an der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel totalreflektiert wird.
Dies geschieht jedoch nur, wenn der Grenzwinkel Qg zum Lot der Grenzschicht überschritten wird.
Nun muß der Lichtstrahl jedoch zuerst einmal in den Kern des Lichtwellenleiters eingekoppelt werden. Diese Einkopplung muß innerhalb eines bestimmten Einkoppelwinkels Qe (Akzeptanzwinkel) geschehen, um zu gewährleisten, daß der Grenzwinkel Qc überschritten wird und so die Totalreflektion ermöglicht wird. Bei dieser Überlegung muß man allerdings auch berücksichtigen, daß der Lichtstrahl bei der Einkopplung an der Grenzschicht zwischen Luft und Kern gebrochen wird (Hier wird angenommen, wie allgemein in der optischen Nachrichtentechnik üblich, daß der Lichtstrahl von Luft in den Kern eingekoppelt wird.). Bild 5 zeigt die zur Berechnung des Akzeptanzwinkels notwendige Skizze einer Einkopplung.
Laut Berechnung des Grenzwinkels für die Totalreflektion gilt:
nm...Brechungsindex des Mantelmaterials
nk...
.Brechungsindex des Kernmaterials
Nun muß die Formel umgeformt werden:
Für die Einkopplung des Lichtstrahls gilt das Brechungsgesetz:
Qe...maximaler Einkopplungswinkel (Akzeptanzwinkel)
Setzt man für cosQg den oben berechneten Ausdruck ein, so erhält man:
Die Numerische Apertur ist nun als der Sinus des maximalen Akzeptanzwinkels definiert:
AN..
.Numerische Apertur
Die Numerische Apertur ist zusammen mit dem Durchmesser des Faserkerns dafür maßgebend, wieviel Licht aus einer Quelle in den Kern eines Lichtwellenleiters eingekoppelt werden kann. Daher wäre es an sich wünschenswert, beide Werte möglichst groß zu machen. Das ist nur beschränkt möglich, da die Herstellungskosten mit zunehmendem Kerndurchmesser wachsen. Große Brechzahlunterschiede sind auch nur begrenzt möglich, da dies höchst dämpfende Gläser erfordern würde. Es ist bei Übertragungssystemen jedoch wichtiger, eine niedrige Dämpfung zu erhalten als eine hohe eingekoppelte Lichtleistung.
Typische Werte für die Numerische Apertur liegen zwischen 0,2 und 0,5. Diese Werte entsprechen einem maximalen Akzeptanzwinkel von 11,5° beziehungsweise 30°.
2.4. Moden:
Wie oben erwähnt, ist es möglich, daß ein Lichtstrahl innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs eingekoppelt wird. Dies hat einen unterschiedlichen Winkel bei der Totalreflexion an der Kern-Mantelgrenzschicht zur Folge, wodurch sich für unterschiedlich eingekoppelte Lichtstrahlen unterschiedliche „Lichtstrahlführungen“ (Moden) ergeben, wie man in Bild 6 erkennen kann.
Später werden wir zwischen Ein- und Mehrmodenlichtwellenleitern unterscheiden.
3. Dispersion bei Lichtwellenleitern:
Unter Dispersion versteht man im allgemeinen Effekte, die Laufzeitunterschiede bei der Übertragung von Licht in Lichtwellenleitern hervorrufen. Man unterscheidet prinzipiell vier verschiedene Arten von Dispersion, wobei die Moden- und die Materialdispersion die wichtigeren sind. Wellenleiter- und Profildispersion spielen eine untergeordnete Rolle.
Aufgrund der Laufzeitunterschiede wird das Ausgangssignal aus den zeitlich gestaffelt ankommenden Lichtimpulsen zusammengesetzt.
Dadurch erfolgt eine Verformung des Signals, bei einem Impuls zum Beispiel eine Impulsverbreiterung, wie die Zeitdarstellung in Bild 7 zeigt. Dieser Effekt wird als Dispersion bezeichnet.
3.1. Modendispersion:
Wie im Kapitel Moden erwähnt, ergeben sich für unterschiedlich eingekoppelte Lichtstrahlen unterschiedliche Moden. In Bild 8 werden zur Erklärung der Modendispersion noch einmal verschiedene Moden gezeigt.
Die Lichtstrahlen legen in unterschiedlichen Moden unterschiedliche Wege zurück, was zu Laufzeitunterschieden zwischen den Moden führt. In Bild 8 erhält man für die Mode 1 die schnellste Laufzeit. Die Zeitdarstellung in Bild 9 veranschaulicht die Verbreiterung eines Impulses am Ausgang des Lichtwellenleiters verursacht durch die Modendispersion.
Die Laufzeitdifferenz aufgrund der Modendispersion beträgt nach einem Kilometer bei Mehrmodenlichtwellenleitern mit Stufenprofil (näheres siehe Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil) zwischen der schnellsten und der langsamsten Mode etwa 68ns.
Beim Mehrmodenlichtwellenleiter mit Gradientenprofil wird diesem Effekt mit einem von innen nach außen parabelförmig abnehmendem Verlauf von nk entgegengewirkt. Näheres siehe Mehrmodenlichtwellenleiter mit Gradientenprofil.
3.2. Materialdispersion:
Während im Vakuum die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes und damit der Brechungsindex (nLuft=1) für alle Frequenzen dieselbe ist, ist in durchsichtigen Körpern wie Glas die Fortpflanzungsgeschwindigkeit und damit auch der Brechungsindex von der Frequenz abhängig. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist für langwelligeres Licht größer als für kurzwelligeres. Dies bedeutet, daß zum Beispiel rotes Licht eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit hat als blaues Licht. Daraus folgt, daß der Brechungsindex des roten Lichtes kleiner ist als der des blauen.
Diese Abhängigkeit des Brechungsindex eines Stoffes von der Frequenz des Lichtes nennt man Materialdispersion. Die Zeitdarstellung in Bild 10 veranschaulicht die Verbreiterung eines Impulses am Ausgang verursacht durch die Materialdispersion, Frequenz 1 ist die kleinste Frequenz.
Die Materialdispersion kann durch Verwendung eines schmalbandigen Lichts verringert werden. Dieses schmalbandige Licht kann zum Beispiel mit Laserdioden erzeugt werden, welche ein Licht mit einer Spektralbreite von weniger als 5nm erzeugen können, im Gegensatz zu „normalen“ LED’s, deren ausgestrahltes Licht eine Spektralbreite von etwa 40nm hat.
Eine weitere Verringerung der Materialdispersion erreicht man durch die Wahl eines günstigen Wellenlängenbereichs. Die Stärke der Materialdispersion ist nämlich nicht für alle Frequenzen und somit Wellenlängen konstant.
Bei etwa 1300nm ist sie bei den üblichen Glasfasern besonders gering.
3.3. Wellenleiterdispersion:
Die Wellenleiterdispersion wird durch die geringen Wegunterschiede benachbarter Wellenlängen derselben Mode verursacht.
3.4.
Profildispersion:
Die Profildispersion entsteht aufgrund des von der Wellenlänge abhängigen Brechungsindexprofils. Diese Abhängigkeit rührt von den am Aufbau des Lichtwellenleiters beteiligten Glasarten her.
4. Dämpfung von Lichtwellenleitern:
Der Lichtwellenleiter soll Informationen in Form von Lichtsignalen, genauer Lichtleistungssignalen, zwischen zwei Punkten übertragen. Eine dämpfungsfreie Übertragung wäre optimal, um die Informationen über möglichst weite Entfernungen übertragen zu können. Dies scheint einem heute fast schon verwirklicht, denn man erreicht derzeit mit speziellen Quartzgläsern Dämpfungswerte, die kleiner als 1dB pro Kilometer sind, während man noch vor einem Jahrzehnt mit „normalen“ Gläsern nur Werte größer gleich 100dB pro Kilometer erzielte.
Unter Dämpfung verstehen wir die Leistungsverluste der durch den Lichtwellenleiter gehenden Lichtstrahlen. Sie werden wie bereits erwähnt in deziBel angegeben:
Die Dämpfung pro Kilometer wird als Dämpfungskoeffizient a bezeichnet.
Bei der Dämpfung unterscheiden wir drei verschiedene Erscheinungen:
- die Absorbtion
- die Streuung
- die Strahlungsverluste
Nachfolgend werden die einzelnen Erscheinungen beschrieben
4.1. Absorbtion:
Unter Absorbtion versteht man jegliche Umwandlung von Lichtenergie in eine andere Energieform.
Derzeit werden Lichtwellenleiter fast ausschließlich aus Quartzglas (SiO2) hergestellt.
Die Eigenabsorbtion des reinen Quartzglases ist vernachläßigbar klein. Ausschlaggebend sind Verunreinigungen im Quartzglas, die sich heute bei der Herstellung noch immer nicht ganz vermeiden lassen.
4.2. Streuung:
Unter Streuung versteht man die Zerlegung eines Lichtstrahls, der ursprünglich in eine Richtung verläuft, in mehrere Teilkomponenten, die sich jeweils in eine unterschiedliche Richtung ausbreiten. Für Streuverluste im Lichtwellenleiter gibt es drei mögliche Ursachen:
- Streuung kann an der Kern-Mantelgrenzschicht infolge geometrischer Störungen und Mikrobiegungen erfolgen.
- In zweiter Linie können Faserdämpfungsübergänge, wie zum Beispiel bei Steckern und Spleißungen (Kopplung von zwei getrennten Lichtwellenleitern) der Fall, für Streuungen verantwortlich sein, da bei Übergängen von Glas-Luft-Glas sogenannte Dämpfungssprünge auftreten.
- Schließlich sind es auch sämtliche Mikro- und Makroverunreinigungen im Lichtwellenleiter, Luftbläschen und ähnliches, an denen erhöhte Streuung und Reflexion zu beobachten ist.
4.3. Strahlungsverluste:
Strahlungsverluste entstehen, wenn Lichtstrahlen (sogenannte Leckstrahlen) aus dem Kern in den schlecht isolierten Mantel und dann in den Außenraum austreten. Dadurch geht Energie verloren.
Die Strahlungsverluste sind besonders an den Stellen groß, wo der Lichtwellenleiter gekrümmt ist, weil bei einer Krümmung der Grenzwinkel Qg zur Totalreflexion des Lichtstrahls an der Kern-Mantelgrenzschicht nicht mehr gewährleistet ist.
4.4 Zusammenfassung der drei Dämpfungsarten:
Betrachtet man alle drei Dämpfungsarten zusammengefaßt, so erbibt sich für den Dämpfungskoeffizienten a über der Wellenlänge des übertragenen Lichts ein Diagramm, wie es Bild 11 zeigt.
Die von Anfang an bis etwa 1350nm abfallende Flanke (von zwei „Hügeln“ unterbrochen) enspricht der sogenannten Rayleighstreuung, die drei Hügeln entsprechen einer Absorbtion durch Verunreinigungen und der rasante Anstieg ab 1600nm Wellenlänge des Lichtstrahls entspricht der sogenannten Infrarotabsorbtion. Wie eingezeichnet, ergeben sich drei Fenster, die der optimalen Wellenlänge für eine möglichst geringe Dämpfung entsprechen, sogenannte Übertragungsfenster. Der Teilbereich um 1300nm des zweiten Fensters ist besonders gut geeignet, da es im Umfeld einer Wellenlänge von 1300nm nicht nur eine besonders niedrige Dämpfung gibt, sondern auch die Materialdispersion am geringsten ist, wie im Kapitel Materialdispersion beschrieben.
Die Dämpfungen am Ende des zweiten Fensters und im dritten Fenster können unterhalb 1dB pro Kilometer liegen
5. Typen von Lichtwellenleitern:
Im wesentlichen unterscheidet man drei Arten von Lichtwellenleitern (Glasfasern):
- Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil
- Mehrmodenlichtwellenleiter mit Gradientenprofil
- Einmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil
Mehrmoden- beziehungsweise Einmodenlichtwellenleiter gibt an, ob nur eine Mode oder mehrere Moden möglich sind. Die Art des Profils gibt den Verlauf des Brechungsindex über dem Querschnitt des Lichtwellenleiters an, wobei sich der Brechungsindex beim Stufenprofil zwischen Mantel und Kern sprunghaft ändert und beim Gradientenprofil von der Faserachse bis zur Mantelschicht parabelförmig abnimmt.
Jede dieser 3 Arten von Lichtwellenleitern hat Vor- und Nachteile. Folgend werden die 3 verschiedenen Arten besprochen.
5.
1. Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil:
Wie oben erwähnt, spielt beim Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil die Modendispersion eine große Rolle. Jede Ausbreitungsmode besitzt eine einer Ausbreitungslänge proportionalen Laufzeit. Zwischen einem Zentralstrahl und einem unter 30° eingekoppelten Lichtstrahl ergeben sich Laufzeitunterschiede von etwa 15%. Absolut ausgedrückt entspricht das nach einem Kilometer einem Laufzeitunterschied zwischen der schnellsten und der langsamsten Mode von etwa 68ns.
Der Vorteil dieses Lichtwellenleiters ist die einfache Handhabung.
Durch die erreichbar großen Numerischen Aperturen ist es einfach möglich eine relativ große Lichtleistung einzukoppeln.
Die Abmessungen dieses Lichtwellenleiters sind wie bei den anderen beiden Arten genormt, sie betragen 50µm Kerndurchmesser und 125µm Manteldurchmesser. Der Brechungsindex des Kerns liegt meistens nur wenige Prozent über dem Brechungsindex des Mantels. Es ergeben sich Numerische Aperturen von rund 0,2 - 0,4. Der Verlauf des Brechungsindex über dem Querschnitt ist in Bild 12 beschrieben.
Mit diesem Lichtwellenleiter lassen sich nur Bitraten bis 1Mbit / Sekunde über eine Strecke von 10 km übertragen.
Für Übertragungen im Bezirks- und Fernnetz mit Bitraten von 8 - 565Mbit / Sekunde ist ein Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil daher nicht geeignet. Für kleinere Anwendungen im industriellen Bereich, wo weder eine große Distanz noch eine hohe Bitrate erforderlich ist, eignet sich dieser Lichtwellenleiter hingegen schon.
5.2. Mehrmodenlichtwellenleiter mit Gradientenprofil:
Im Gegensatz zum Stufenprofil nimmt der Brechungsindex im Kern beim Gradientenprofil von der Faserachse nach außen parabelförmig ab. Die Abmessungen stimmen mit denen des Mehrmodenlichtwellenleiters mit Stufenprofil überein.
Der Kerndurchmesser beträgt 50µm, der Manteldurchmesser 125µm. Es ergeben sich Numerische Aperturen von etwa 0,2. Der Verlauf des Brechungsindex über dem Querschnitt des Lichtwellenleiters ist in Bild 13 dargestellt.
Durch diesen Brechungsindexverlauf ergibt sich ein Modenverlauf, der nicht mehr geradlinig, sondern nahezu sinusförmig um die Faserachse erfolgt, wie in Bild 14 ersichtlich.
Aufgrund der Änderung des Brechungsindex im Kern werden die verschiedenen Moden in unterschiedlicher Entfernung zur Faserachse totalreflektiert. Dadurch ergibt sich der oben gezeigte Verlauf der Moden.
Die Dispersion wird stark reduziert, denn für die äußeren Moden ergibt sich zwar ein längerer Weg, aber aufgrund des niedrigeren Brechungsindex im äußeren Kernbereich ist dort auch die Lichtgeschwindigkeit größer. Damit werden Moden- und Materialdispersion auf ein Minimum reduziert. Es ergeben sich für alle Moden etwa die gleichen Laufzeiten.
Die Herstellung dieses Lichtwellenleiters ist zwar aufwendiger, man kann damit aber wesentlich höhere Bitraten als mit dem Mehrmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil erreichen. Aufgrund dessen wird der Mehrmodenlichtwellenleiter mit Gradientenprofil in unserem Bezirks- und Ortsnetz eingesetzt. Derzeit sind Übertragungsraten von 140Mbit / Sekunde möglich.
5.3. Einmodenlichtwellenleiter mit Stufenprofil:
Während sich das Licht in Mehrmodenlichtwellenleitern mit mehreren Moden fortpflanzt, ist bei diesem Lichtwellenleiter nur eine Mode möglich. Das funktioniert natürlich nur, wenn der Kerndurchmesser sehr klein ist. Genormt wurden für den Kerndurchmesser Werte zwischen 8 und 10µm, für den Manteldurchmesser weiterhin 125µm. Dadurch ergibt sich der Brechungsindexverlauf, wie in Bild 15 dargestellt.
Der Vorteil des Einmodenlichtwellenleiters mit Stufenprofil liegt darin, daß Signale mit einer großen Bandbreite übertragen werden können, weil hier keine Laufzeitunterschiede zwischen verschiedenen Moden auftreten können. Es ergibt sich daher auch für schmale übertragene Impulse keine Impulsverbreiterung. Nachteilig ist der kleine Kerndurchmesser, weil dadurch nur kleine Lichtleistungen in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden können.
6. Vorteile von Lichtwellenleitern allgemein:
Der Lichtwellenleiter hat gegenüber Kupferleitungen folgende Vorteile:
Lichtwellenleiter sind elektrische Nichtleiter
® keine Potential- und Erdungsprobleme
® keine EMV-Probleme (EMV=Elektromagnetische Verträglichkeit)
Geringeres Gewicht, kleinere Querschnitte
® problemlose Verlegung
® bessere Nutzung vorhandener Kabelkanäle
Herstellungsmaterial Quartzglas (SiO2) ist praktisch unbegrenzt verfügbar (die Erdkruste besteht aus SiO2)
® kein Engpaß durch Rohstoff
Größeres Bandbreiten-Längen-Produkt
® Zwischenverstärker auf der Strecke meist nicht erforderlich
Größere Bandbreite ohne Entzerrungsmaßnahmen
7. Wandler
7.
1. Elektro-optischer Wandler (Sender)
Aufgabe eines elektro-optischen Wandlers ist es, eine vorgegebene, meist variable elektrische Eingangsgröße in eine optische Ausgangsgröße umzuwandeln. Ziel ist es, eine zeitgetreue Abbildung zwischen dem Formverlauf der elektrischen Eingangsgröße und der optischen Ausgangsgröße zu erhalten. Weiters sind folgende Anforderungen zu erfüllen:
Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts soll in den Bereichen (Fenstern) günsiger Dämpfung beim Lichtwellenleiter liegen (850nm, 1300nm und 1550nm).
Es soll einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen zügeführtem Strom und abgestrahlter Lichtleistung geben.
Die Spektralbreite des abgestrahlten Lichts soll klein sein, um die Materialdispersion zu minimieren.
Das Sendeelement sollte geringen Temperatur- und Alterseinflüssen unterliegen.
Der elektro-optische Wirkungsgrad soll möglichst hoch sein.
Der Koppelwirkungsgrad soll auch möglichst hoch sein. Dies erzielt man durch eine achsenparallele, auf den Faserkern gebundelte Abstrahlung.
Als Sendeelemente für die Übertragungstechnik haben sich die LED und die Laserdiode (LD) etabliert. In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Kenngrößen dieser beiden Elemente beschrieben.
Kenngröße
LED
LD
Größe der aktiven Strahlungsfröße
» 50µm2
» 10µm2
Strahlungsleistung
< 5mW
10 - 100mW
Spektralbreite
20 - 40nm
0,2 - 5nm
Bandbreite
» 100MHz
» 10GHz
erreichbare Übertragungsrate
10 - 100Mbit/s
> 1Gbit/s
(max. Übertragungsrate von LWL: 140Mbit/s)
Bemerkungen
einfach zu beschalten, großer Temperaturbereich, hohe Lebensdauer,
billig
kleine Abmessungen, hoher Wirkungsgrad, aufwendig zu beschalten, geringe Lebensdauer, teurer als LED
Die Kennlinie einer LED und einer Laserdiode ähnelt der einer „normalen“ Diode, wobei die Flußspannung vom verwendeten Material abhängt und sich um 2V bewegt. Interessanter ist eine Kennlinie, die die abgestrahlte Lichtleistung in Abhängigkeit des Stromes in Durchlaßrichtung zeigt. In Bild 16 ist diese Kennlinie für eine LED und für eine Laserdiode dargestellt:
Bei der LED-Kennlinie kann man erkennen, daß sie bei einem sehr hohen Strom nicht mehr linear verläuft. Die Temperaturabhängigkeit ist gegenüber der Laserdiode vernachläßigbar gering, sodaß man diese bei der Kennlinie der LED vernachläßigen kann.
Die Laserdiodenkennlinie zeigt die starke Temperaturabhängigkeit dieses Bauelements, außerdem kann man die Verflachung der Kennlinie bei Alterung gut erkennen.
7.2. Optisch-elektrischer Wandler (Empfänger)
Aufgabe eines optisch-elektrischen Wandlers ist es, wie beim elektro-optischen Wandler (nur umgekehrt), eine möglichst form- und zeitgetreue Abbildung des ankommenden optischen Signals in Form eines elektrischen Signals zu erzielen. Weiters sind folgende Anforderungen zu erfüllen:
Die Empfindlichkeit soll im Bereich der verwendeten Wellenlängen (w.o.) bei einem geringen Rauschen sehr hoch sein.
Die Empfängerfläche soll so groß sein, daß alle Lichtstrahlen eingefangen werden.
Es soll möglichst wenig empfangenes Licht reflektiert werden.
Eine zumindest teilweise linear verlaufende Lichtleistungs-Strom-Kennlinie ist wünschenswert.
Das Empfangselement sollte eine geringe Temperaturabhängigkeit besitzen, eine hohe Lebensdauer haben und mit möglichst kleinen Strömen und Spannungen zu betreiben sein.
Als Empfangselement hat sich die Photodiode etabliert. Im Gegensatz zu Photowiderständen handelt es sich bei Photodioden um aktive Bauelemente, die Lichtstrahlung in elektrische Energie umwandeln.
Die spektrale Empfindlichkeit ist frequenz- und materialabhängig. Es hat sich ergeben, daß sich Siliziumphotodioden für das erste Übertragungsfenster eignen (850nm), Germaniumphotodioden eignen sich für das zweite und dritte Übertragungsfenster (1300nm und 1550nm).
Man unterscheidet zwei verschiedene Arten von Photodioden, die PIN-Photodiode und die Avalanche-Photodiode. Im folgenden wird nur die PIN-Photodiode behandelt, unter Photodiode wird eine PIN-Photodiode verstanden. Der wesentliche Unterschied ist der, daß die Avalanche-Photodiode knapp unterhalb der Sperrspannung betrieben wird, wobei der sogenannte Lawineneffekt der Ladungsträger ausgenützt wird.
Es bestehen zwei Möglichkeiten eine Photodiode zu betreiben, den Photodiodenbetrieb und den Photoelementbetrieb:
Beim Photodiodenbetrieb wird die Diode in Sperrichtung vorgespannt und arbeitet als Verbraucher.
Die in dieser Schaltungsart erreichbare hohe Linearität und Stabilität wird durch einen Dunkelstrom, der bei Nichtbestrahlung auftritt, beeinträchtigt.
Beim Photoelementbetrieb wird die Diode ohne äußere Spannung Spannung betrieben und arbeitet als Spannungsquelle. In dieser Betriebsart tritt der Dunkelstrom nicht auf, die Schnelligkeit der Diode wird jedoch deutlich vermindert. In Bild 16 sind die zwei Betriebsarten dargestellt.
In der Praxis verwendet man beim Empfänger die Photodiode im Photodiodenbetrieb.
Die Kennlinie einer Photodiode sieht folgendermaßen aus (Bild 18):
Wie man anhand der Photodiodenkennlinie in Bild 18 erkennen kann, bewegt sich der Arbeitspunkt beim Photodiodenbetrieb im dritten Quadranten, beim Photoelementbetrieb im vierten Quadranten der Photodiodenkennlinie.
8. Literaturverzeichnis
H.-G. Unger: Optische Nachrichtentechnik
Hüthig Buch Verlag Heidelberg 1993
Herter, Graf: Optische Nachrichtentechnik
Carl Hanser Verlag München Wien 1994
M. Börner, G. Trommer: Lichtwellenleiter
Teubner Verlag Stuttgart 1989
Svoboda, Trieb: Physik Band 1: Mechanik, Wärmelehre, Optik
R.
Oldenbourg Verlag Wien 1991
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