Lichtwellenleiter Lernziele: Bauformen von LWL kennen. Signalveränderungen durch Moden- und chromatische Dispersion erklären können. Die Dämpfung von Signalen berechnen können.

Brechung und Totalreflexion Brechung und Totalfreflexion bestimmen die Ausbreitung von Licht in einem Lichtwellenleiter

Typen und Bauformen von LWL Multimode-LWL Stufenprofilfaser Gradientenprofilfaser Monomode-LWL

Die Stufenprofilfaser Ein Kern ist von einem optisch dünneren Medium umgeben. An der Grenzfläche tritt Totalreflexion ein.

Die Gradientenprofilfaser Der Brechungsindex nimmt von der Faserachse nach aussen hin ab. Das Licht ändert kontinu-ierlich die Richtung.

Die Monomodefaser Kerndurchmesser einer Stufenprofilfaser auf ca. 10 Wellenlängen reduziert -> nur noch eine beugungsbegrenzte Lichtwelle -> quasi nur noch ein einziger Lichtstrahl (einwellige Faser oder Monomodefaser, english: single mode fibre). Die Wellenführung einer Monomodefaser läßt sich mit Hilfe der Strahlenoptik nicht mehr anschaulich erklären.

Modendispersion Im Multimode-LW: gleichzeitig einige tausend verschiedene Moden = Strahlen mit verschiedenen Einkopplungswinkeln Die Modendispersion ist Ursache für nachteilige Signalveränderungen.

Monomodefaser

Vorteile der Monomodefaser keine Modendispersion -> gössere Bandbreite über grosse Entfernungen konkret: Erhaltung der Impulsform Modendispersion bedeutet Laufzeitunterschied verschiedener Wellen

Vorteile des LWL: sehr hohe Bandbreite ->Datenraten bis zu mehreren Tbit/s grosse Entfernungen ohne Zwischenverstärkung sehr dünn, sehr leicht und biegsam. aus Quarzsand als Rohmaterial durch elektrische und magnetische Störfelder kaum beeinflussbar kein Nebensprechen von Faser zu Faser und keine Störstrahlung nach aussen

Bandbreite und Übertragungsrate ct,max = maximale Übertragungsrate b = Bandbreite in Hz Nmax = Übertragungsleistung für Signale Nst = mittler Störleistung

Bandbreite Die Bandbreite b ist jene Frequenz, bei der die Signalamplitude am Ausgang auf 50% des Eingangswertes abgefallen ist.

Dämpfung

Dämpfung Die Dämpfung ist frequenz- und längen-abhängig Mit zunehmender Frequenz steigt die Dämpfung stark an. Zur Kompensation der Dämpfung werden in festgelegten Abständen Verstärker eingebaut.

Dämpfung von Signalen

Transmissionsfenster Bei LWL treten "Transmissions-fenster", d.h. Wellenlängenbereiche mit besonders guter Durchlässigkeit auf.

Dämpfung Die Lichtleistung im LWL nimmt exponentiell mit der Leiterlänge ab.

Aufgabe Die Dämpfungskonstante eines LWL sei a = 0.5 dB/km. Nach welcher Strecke L ist die Leistung auf 10% des Eingangswertes abgefallen?

Zwischenverstärker

Dispersion Modemdispersion und chromatische Dispersion führen zu einem "Zerfliessen" der Signale. Dieses Zerfliessen nimmt linear mit der Leiterlänge zu. Die Dispersion wird als Zeitdifferenz pro Leiterlänge definiert (Masseinheit: ns/km)

Bandbreite-Länge-Produkt Das Bandbreite-Länge-Produkt ist definiert als:

Aufgabe Welche Bandbreite kann man bei einem Band-breite-Länge-Produkt von BL = 6.25 GHz•km über eine Übertragungsstrecke von 5 km realisieren?

Genaueres zur Modendispersion:

Aufgabe Wie gross ist der Laufzeitunteschied zwischen einem parallel zum LWL laufenden und einem unter dem Winkel 10° eingekoppeltem Lichtstrahl?

Modendispersion: Impulsform

Modemdispersion: Impulsform und Ineinanderfliessen

Chromatische Dispersion Licht unterschiedlicher Farbe (Frequenz) breitet sich in einem Medium (z.B. LWL) mit unter-schiedlicher Geschwindigkeit aus. Jede Lichtquelle (auch die "monochromatische") erzeugt immer ein bestimmtes Frequenzband. Das führt zu einer Verzerrung der Signale wie bei der Modendispersion.

Lichtquellen Eine 850 nm-Leuchtdiode (LED) emittiert Licht im Frequenzbereich 825 .. 875 nm, Eine 850 nm-Laserdiode im Bereich 849.5 .. 850.5 nm. Berechnen Sie die Frequenzbreiten!