Eberhard Herter / Martin Graf

Optische Nachrichtentechnik mit 184 Bildern

Carl Hanser Verlag München Wien

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

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1 Einführung

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2 Das nachrichtentechnische Umfeld

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2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Nachrichtentechnik und Informationstheorie Analoge und digitale Übermittlung Aufgaben von Modulation und Codierung Von der elektrischen zur optoelektrischen Übertragung Nachrichtennetze und Vermittlungsprinzipien Digitale Multiplexsysteme Teilnehmeranschluß im ISDN und B-ISDN Asynchronous Transfer Mode (ATM) und Fast Packet Switching (FPS)

3 Einige physikalische Grundlagen 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.4 3.4

Einführung Licht als Welle Wellenoptik Holografie Geometrische Optik Licht als Teilchen Bändermodell und Besetzungswahrscheinlichkeit Wechselwirkungen zwischen Atom und Strahlung Laserprinzip Optisch gepumpte Laser LED und Halbleiterlaser Streuung (Brillouin- und Ramanstreuung) Kleines Lexikon physikalischer Begriffe

4 Komponenten der optischen Nachrichtentechnik 4.1 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3 4.2.2.4 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4

Einführung Lichtwellenleiter (LWL) Fasertypen und Eigenschaften Mehrmodenfasern (MM-Fasern) Einmodenfasern (SM-Fasern) Übertragungseigenschaften Dispersion Dämpfung eines LWL Modenkopplung Fasernichtlinearitäten LWL-Kabel Sender Allgemeines Lichtemittierende Diode (LED) Laser-Diode Der Resonator im Halbleiterlaser

13 14 15 16 19 22 24 24 27 27 29 29 31 32 34 34 35 37 37 38 39 40 43 43 43 43 44 45 45 45 46 48 48 49 49 49 50 52 54

6

Inhaltsverzeichnis 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3

Empfänger (optoelektrische Wandler) PIN-Photodiode Avalanche-Photodiode (APD) Empfängerprinzipien Verbindungstechniken Allgemeines Kopplung und Verluste Optische Spleiße Optische Steckverbindungen Einige spezielle Komponenten Übersicht Frequenzselektive Bauelemente Polarisatoren Verzweiger und Wellenlängenmultiplexer Dämpfungsmessungen an Glasfasern Einkoppelbedingungen Zweipunktverfahren (Durchgangsmessung) Rückstreuverfahren OTDR

5 Optische 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.6 5.6.1 5.6.2

Übertragung auf Lichtwellenleitern Übersicht Übertragung mit Intensitätsmodulation Einige Eigenschaften der optischen Übertragungsstrecke Vorteile des Lichtwellenleiters Bandbreite Grenzen vierpoltheoretischer Betrachtungen Verbesserungsversuche zur Modulation Störungen bei optischen Übertragungen o . Vergleich mit den Störungen auf Kupferleitungen Rauschbeiträge bei optischer Übertragung Kohärenter Empfang Begriffsbestimmungen anhand „elektrischer" Übertragungsverfahren . Probleme und Lösungswege bei kohärenten optischen Übertragungsverfahren 5.6.3 Systembeispiele 5.7 Optische Multiplexbildung und Richtungstrennung 5.8 Solitonen 5.9 Übertragungsverfahren mit Unterstützung durch die Dispersion (DST). 5.10 Systemplanung 5.10.1 • Übliche Aufgabenstellungen 5.10.2 Einige grundlegende Zusammenhänge 5.10.3 Planungshilfsmittel

6 Nachrichtennetze auf LWL-Basis 6.1 Einführung 6.2 LAN/MAN der 2. Generation 6.2.1 Übersicht : 6.2.2 FDDI 6.2.3 DQDB 6.3 LAN/MAN der 3. Generation 6.3.1 Einführung 6.3.2 Beispiele aktueller Verfahren der Hochleistungs-Rechnerkommunikation über LWL 6.3.2.1 SerialHIPPI

56 56 57 58 59 59 60 61 64 65 65 66 68 69 71 71 72 72 74 74 74 75 75 75 76 77 79 79 80 80 80 82 84 85 86 87 89 89 89 89 91 91 92 92 92 95 96 96 97 97

Inhaltsverzeichnis 6.3.2.2 6.3.3 6.4 6.5

7

Fibre Channel (FC) Ausblick SONETundSDH ATM und Breitband-ISDN

98 99 99 99

7 An der Schwelle zur zukünftigen Optischen Nachrichtentechnik 7.1 Bestandsaufnahme der optischen Übertragung 7.1.1 Vorbemerkung 7.1.2 Übertragung auf Lichtwellenleitern 7.1.3 Terrestrische Freiraumübertragung 7.1.4 Drahtlose Lokale Netze („Wireless LAN") 7.1.5 Optische Übertragung im Weltraum 7.2 Motivation für eine optische Nachrichtentechnik 7.3 Optoelektronische Integration (OEIC) 7.3.1 Ein einführendes Beispiel 7.3.2 Motivationen für OEIC 7.3.3 Stand der Technik und Realisierungsbeispiele

103 103 103 103 104 104 106 106 107 107 108 108

8 Optische Verstärker 8.1 Einführung 8.2 Halbleiterverstärker 8.3 Faserverstärker 8.3.1 Verstärkungseffekte in undotierten Glasfasern 8.3.2 Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA) 8.4 Halbleiter-und Faserverstärker im Vergleich

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9 Optische Modulatoren 9.1 Einführung 9.2 Lasermodulatoren 9.2.1 DFB-Laser 9.2.2 MQW-Laser(Multiple-Quantum-Well-Laser) 9.2.3 Interne und externe Modulation 9.2.4 Y-Laser 9.3 Passive Modulatoren 9.3.1 Mach-Zehnder Modulator 9.3.2 SEED (Self-Electrooptic Effect Device) 9.3.3 Optisch gesteuerte Modulatoren 9.3.4 Elektrisch gesteuerte Modulatoren 9.4 Räumliche Lichtmodulatoren 9.4.1 Flüssigkristallmodulatoren 9.4.2 Smart Pixel 9.4.2.1 EARS (Exciton Absorption Reflection Switch) (MQW-Smart Pixel) 9.4.2.2 Smart Pixel auf VCSEL-Basis (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 9.4.2.3 VSTEP (Vertical To Surface Transmission Electro-Photonic Device) 9.4.2.4 LAOS (Light Amplifying Optical Switch) 10 Optische Vermittlung 10.1 Einführung 10.2 Wesentliche Grundstrukturen 10.2.1 Vermittlung mit Wellenleiter-Bauelementen 10.2.2 Freiraum-Vermittlung 10.3 Systembeispiele . . .'

118 118 118 119 120 120 123 125 125 126 129 129 130 131 134 . 134 136 . 137 138 139 139 140 140 143 146

8

Inhaltsverzeichnis 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.3.1 10.3.3.2 10.3.3.3 10.4

Vermittlungsbeispiel mit Smart Pixel aus VCSEL's Vermittlungsprinzip mit gegenwärtigen Komponenten für ATM . . . Vermittlungsbeispiel: ATM-Schalter mit Selbsthaltefunktion . . . . Der opto-elektronische Pufferspeicher Die Schaltmatrix mit Selbsthaltekreis Ausblick auf die weitere Entwicklung Verbindungstechnik und Integration

147 148 149 150 151 152 152

11 Optische 11.1 11.2 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 11.3.7

Speicher Einführung Optische Speicherelemente Optische Plattenspeicher Übersicht Aufzeichnungsmethoden Speichertechnologie Aufbau optischer Speicherplatten Aufbau des Schreib-/Lese-Kopfes Einsatzgebiete heutiger Plattenspeicher Weiterführende Entwicklungen

156 156 156 158 158 158 161 161 162 164 165

12 Optische 12.1 12.2 12.3

Computer Einführung Optische Computersysteme Hardware

167 167 168 171

13 Glasfaser 13.1 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.3

bis zum Teilnehmer - Fiber To The Home (FTTH) Einführung Das OPAL-System Netzarchitektur Übertragungsverfahren Schnittstellen zur Vermittlung OPTOPORT-DS: Ein Glasfaserübertragungssystem für Breitbandverteildienste Systemübersicht Übertragungsverfahren Systemkennwerte Netzbeispiel Abschließende Bemerkungen

173 173 173 173 174 176

13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.4 13.4

177 177 177 180 180 181

Literaturverzeichnis

182

Sachwortverzeichnis

190