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1(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Lichtwellenleiter
Lernziele:• Bauformen von LWL kennen.• Signalveränderungen durch Moden- und
chromatische Dispersion erklären können.• Die Dämpfung von Signalen berechnen
können.
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2(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Brechung und Totalreflexion
Brechung und Totalfreflexion bestimmen die Ausbreitung von Licht in einem Lichtwellenleiter
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3(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Typen und Bauformen von LWL
• Multimode-LWL- Stufenprofilfaser- Gradientenprofilfaser
• Monomode-LWL
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4(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Die Stufenprofilfaser
Ein Kern ist von einem optisch dünneren Medium umgeben. An der Grenzfläche tritt Totalreflexion ein.
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5(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Die Gradientenprofilfaser
Der Brechungsindex nimmt von der Faserachse nach aussen hin ab. Das Licht ändert kontinu-ierlich die Richtung.
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6(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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.
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7(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Modendispersion
Im Multimode-LW: gleichzeitig einige tausend verschiedene Moden = Strahlen mit verschiedenen
Einkopplungswinkeln Die Modendispersion ist Ursache für nachteilige
Signalveränderungen.
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8(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Monomodefaser
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9(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Vorteile der Monomodefaser
• keine Modendispersion -> gössere Bandbreite über grosse
Entfernungen• konkret: Erhaltung der Impulsform• Modendispersion bedeutet Laufzeitunterschied
verschiedener Wellen
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10(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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
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11(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Bandbreite und Übertragungsrate
ct,max = maximale Übertragungsrate
b = Bandbreite in HzNmax = Übertragungsleistung für Signale
Nst = mittler Störleistung
€
c t,max = b ⋅2 log 1+ Nmax
Nst
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟
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12(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Bandbreite
Die Bandbreite b ist jene Frequenz, bei der die Signalamplitude am Ausgang auf 50% des Eingangswertes abgefallen ist.
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13(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Dämpfung
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14(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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.
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15(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Dämpfung von Signalen
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16(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
TransmissionsfensterBei LWL treten "Transmissions-fenster", d.h. Wellenlängenbereiche mit besonders guter Durchlässigkeit auf.
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17(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Dämpfung
€
Paus = Pein ⋅e−k⋅L
L = Leiterlänge
k = α10 ⋅lg c
= 0.2303 α
α heisst Dämpfungskonstante
Die Lichtleistung im LWL nimmt exponentiell mit der Leiterlänge ab.
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18(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Aufgabe
Die Dämpfungskonstante eines LWL sei = 0.5 dB/km. Nach welcher Strecke L ist die Leistung auf 10% des Eingangswertes abgefallen?
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19(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Zwischenverstärker
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20(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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)
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21(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Bandbreite-Länge-Produkt
Das Bandbreite-Länge-Produkt ist definiert als:
€
BL = 12ΔtL
ΔtL = die in s/km gemessene längenbezogene Dispersion
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22(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Aufgabe
Welche Bandbreite kann man bei einem Band-breite-Länge-Produkt von BL = 6.25 GHz•km über eine Übertragungsstrecke von 5 km realisieren?
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23(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Genaueres zur Modendispersion:
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24(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Aufgabe
Wie gross ist der Laufzeitunteschied zwischen einem parallel zum LWL laufenden und einem unter dem Winkel 10° eingekoppeltem Lichtstrahl?
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25(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Modendispersion: Impulsform
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26(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
Modemdispersion: Impulsform und Ineinanderfliessen
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27(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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.
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28(C) 2002, Hermann Knoll, HTW Chur, Fachhochschule Ostschweiz
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!