Vortrag zum Thema Lichtwellenleiter

von Stanislaw NickelUniversität Bielefeld Proseminar SS 2010

Inhalt

1. Motivation und Geschichte2. Physikalische Grundlagen2.1 Arten und Aufbau2.2 Wellenoptische Behandlung3. Verluste4. Herstellung5. Anwendung5.1 Sensoren

1.Motivation und Geschichte

● Handzeichen, Winken, Feuer und Rauchzeichen waren und sind elementare Verständigungsmittel

● Übertragung ist sehr von äußeren Umständen abhängig

● Die ersten staatlichen optischen Telegraphen gab es 1791 in Frankreich

● Später hatte das aufgebaute Netz eine Gesamtlänge von 4800km

1.Motivation und Geschichte

1.Motivation und Geschichte● Elektrische Telegrafie setze sich um 1860 durch, da

diese weniger störanfällig war

● Ersten "Glasfaser" wurden um 1900 eingeführt;Die damals bekannten transparenten Materialien hatten einen zu hohen Dämpfungsgrad

● 1966 macht Charles K. Kao eine Vorhersage, die ihm 2009 den Nobelpreis einbrachte.

1.Motivation und Geschichte● Die starke Dämpfung, die um diese Zeit bei etwa

1000dB/km lag, ist keine intrinsische Eigenschaft der Gläser

● Seiner Rechnung zur Folge sei die Dämpfung auf 20dB/km reduzierbar

● Innerhalb von 10 Jahren intensiver Forschung wurden Verfahren entwickelt, mit denen es möglich wurde chemisch hoch reines Quarzglas herstellen zu können

1.Motivation und Geschichte

Charles K. Kao Willard S. Boyle George E. Smith

1.Motivation und Geschichte

● Heute ist ein Dämpfungsgrad von 0,2 dB/km erreicht

● Glasfaser werden heute nahezu überall eingesetzt

● Bieten zur elektrischen Datenübertragung viele Vorteile:

● Ausgangsmaterial billig

● Arbeitskosten gering, da Produktion automatisiert.

2. Physikalische Grundlagen

2.1 Aufbau und Eigenschaften

● kostengünstig● Einsatz im Nahbereich

● höhere Übertragungs-kapazität

2.1 Aufbau und EigenschaftenSnellius'sche Gesetze:

nL⋅sin=nK⋅sin

nK⋅sin=nM⋅sin

max=arcsin nK2 −nM2

2. Physikalische Grundlagen

● numerische Apertur NA als Maß für die Auflösung

NA=nK2 −nM2

2.1 Aufbau und Eigenschaften

● Strahlen haben Laufzeitunterschiede

● Destruktive Interferenz: Modendispersion

2.1 Aufbau und Eigenschaften

● "Scharfe" Signale bei Telefonie wichtig

2.1 Aufbau und Eigenschaften

● Geometrische Optik unzureichend um Propagation des Lichtes zu beschreiben

● Wellenoptik erklärt die Phänomene die bisher ungelöst blieben

2.2 Wellenoptische BehandlungMaxwell-Gleichungen

∇⋅D=

∇⋅B=0

∇× H=J D t

∇×E=− B t

2.2 Wellenoptische Behandlung

Vereinfachungen: ● Es gibt keine freien Ladungen ● Es gibt keine Ströme ● Es gibt keine Magnetisierung

● Allgemeine Lösung der Wellengleichung:

=0J=0M=0

=C K J M ur /a cos m phi0: r≤a

=CM J M wr /acos mphi0: ra

2.2 Wellenoptische Behandlung

2.2 Wellenoptische Behandlung

● Die Lösungen der Wellegleichung sind die Nullstellen der Besselschen Differenzialgleichungen:

2.2 Wellenoptische Behandlung● Die x-Achse beschreibt eine Konstante die die

Eigenschaft der Faser beschreibt:

● Diese Größe heißt "normierte Frequenz" oder V-Zahl

● Um Verluste minimal zu halten versucht man V unter 2,405 zu halten

V=20

⋅a⋅nK2 −nM2

3. Verluste

● Verluste durch Verunreinigungen sind heute nahezu eliminiert

● Die Grenze der Verluste ist durch 3 fundamentale Einflüsse gegeben:

● 1. Materialresonanzen im Ultravioletten an elektrischen Übergängen

● 2. Materialresonanzen im Infraroten durch Molekülschwingungen

● 3. Rayleighstreuung aufgrund der statistischen Struktur des Glases

3.Verluste

4. Herstellung der Preform

● Glas und Dotierung wird auf einen Stab aus Aluminium-oxid gedampft; Stab wird herausgezogen

● Durch erhitzen "kollabiert" die Preform zu einem massiven Stab

4. Herstellung

● Ziehen der Faser aus der Preform:

● Innerhalb von 1,5 Stundenlassen sich so 40km Faser herstellen

4.1 Bauelemente

● Damit Glasfaser dauerhaft benutzt werden können, müssen sie vor Umwelteinflüssen geschützt werden

4.1 Bauelemente

● Als Lichtquelle werden meist LEDs(bei kurzen Stecken) oder Laserdioden verwendet

● Laserdioden strahlen kohärentes Licht ab, welches einfacher einzukoppeln ist.

4.1 Bauelemente

● Etwa alle 40 km muss das Signal verstärkt werden

● Dies geschieht durch optische Verstärker, die das Signal nicht erst in ein elektrischen Umwandeln müssen

● Die Verstärkung beruht auf der stimulierte Emission, die durch das zu verstärkende Signal hervorgerufen wird

5. Anwendung● Glasfaserkabel sind in der Telekommunikation Standard

● Das letzte transatlantische Kabel TAT-14 wurde 2001 verlegt

● Es kostete 1,5 Milliarden US$ und führt von Deutschland bis in die USA

● Die Übertragungskapazität von 64 x10 Gbit/s (entspricht 8 Millionen Telefonaten), wird bis heute nicht völlig ausgeschöpft

5. Anwendung

5. Anwendung

● Spezielle Glasfaser können dazu eingesetzt werden Licht von Hochleistungslaser zu führen

● In der Medizin kann man daher zuvor unerreichbare stellen erreichen ohne Schnitte setzen zu müssen

6. Sensoren

● Sensoren können direkt in die Glasfaser integriert werden, wodurch mehrdimensionale Messungen möglich sind

● Druck, Temperatur, Abstand, Kraft, also praktisch fast alle physikalische(immer mehr chemische) Größen messbar

● Es wird keine elektrische Spannung mehr benötigt: keine Brandgefahr mehr (z.B. bei Pipelines)

● Glasfaser sind billiger und deutlich leichter: Einsatz im Flugzeugen oder gar Raumfahrzeugen

6. Sensoren

6. Sensoren

● Faser und Sensoren sind chemisch Beständig und fast gegen jegliche Störungen immun z. B. elektromagnetische Felder

● Messungen sind unter extremen Bedingungen durchführbar:Außerhalb eines Flugzeugs oder in einer Mikrowelle

● Funktionsweise: Messung von Wellenlänge, Phase, Amplitude, Polarisation

Quellen

● http://www.rp-photonics.com/fibers.html● http://www.madehow.com/Volume-1/Optical-Fiber.html● http://www.skycontrol.net/uav/ikhana-uav-gives-nasa-new-

science-and-technology-capabilities/● http://de.wikipedia.org/wiki/Glasfaser● http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtwellenleiter● http://en.wikipedia.org/wiki/Fiberglass● http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber● Fedor Mitschke: Glasfaser, Physik und Technologie

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Danke für die Aufmerksamkeit!