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WPM: Optische Übertragungsstrecke

Optische Übertragungsstrecke

Steve DjempeHanari Probohandityo

WS 2010/11

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Inhalt

Optische Übertragungsstrecke....................................................................................................1Inhalt...........................................................................................................................................21. Einleitung............................................................................................................................42. Theorie................................................................................................................................5

2.1 Laserdiode....................................................................................................................52.2 Modulation von Laserlicht...........................................................................................62.3 Optische Verstärker......................................................................................................72.4 Multiplexer und Demultiplexer....................................................................................8

2.4.1 Verschiedene Arte des Multiplexers und Demultiplexers....................................82.5 Non Linierität der Optische Übertragungsstrecke......................................................10

3. Versuchdurchführung und Messergebnisse......................................................................113.1 Messungen der Spektren der BKtel-sendemodul BOTDW21X08, BOTDW25X08 und BOTDW27X08 und Fabry Perot LASER......................................................................11

3.1.1 Spektrum des BOTDW21X08............................................................................113.1.2 Spektrum des BOTDW25X08............................................................................133.1.3 Spektrum des BOTDW027X08..........................................................................143.1.4 Spektrum eines Fabry Perot LASER..................................................................15

3.2 Messungen der Modulationsgrad der BKtel-sendemodule BOTDW21X08, BOTDW25X08 und BOTDW27X08...................................................................................163.3 Messungen der Frequenzgang des BKtel-SendeModulsBOTDW21X08..................173.4 Messung Frequenzgang des Elektrischen Kabels und am Empfängerausgang.........193.5 Messungen der Dämpfung des Aifotech 4 Kanäle Multiplexers................................23

3.5.1 Messungen der Dämpfung des Multiplexers durch Optical Spectrum Analyzer (OSA) 24

3.6 Messungen des Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)..........................................263.7 Messung der Leistung am Ein-und ausgang des EDFA und an allen 6 BKtel-Sendekanäle..........................................................................................................................263.8 Ermittlung des optischen Verstärkers.......................................................................27

3.8.1 Vor dem Verstärker Messung aus OSA(600-1700nm).......................................283.8.2 Nach dem Verstärker Messung aus dem OSA(600-1700nm).............................29

3.9 Brillouin Streuung......................................................................................................303.9.1 Schaltung der Messung.......................................................................................303.9.2 Doppler Effekt Messung.....................................................................................30

4 Zusammenfassung.............................................................................................................314.1 Optische Sender..........................................................................................................314.2 Multiplexer und Demultiplexer..................................................................................314.3 Optische Verstärker (EDFA)......................................................................................314.4 Brillouin Streuung......................................................................................................31

5 Quelle................................................................................................................................32

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 2-1 Spontane und stimulierte Emission des LASERs........................................................5Abb. 2-2 Digitale elektrische und optische Signale....................................................................6Abb. 2-3 Modulation und P-I-Kennlinie.....................................................................................6Abb. 2-2 Energieschema von Er3+dotiertem Silikatglas.............................................................7Abb. 2-3 Verstärkungsspektrum in Er3+dotierten Glasfasern.....................................................7Abb. 2-4 Blockschaltbild eines EDFA Verstärkers....................................................................8Abb. 2-5 Multiplexer und Demultiplexer...................................................................................8Abb. 2-6 Lichts Ablenkung beim Prisma...................................................................................9Abb. 2-6 Lichts Ablenkung beim Gitter.....................................................................................9Abb. 2-6 Mehrsichtige Dünnsichtfilmfilter................................................................................9Abb. 2-7 Reflektierte des Lichtes wegen der Brillouin Streuung.............................................10Abb. 3-1 Spektrum des BKtel-Sendemoduls BOTDW21X08.................................................11Abb. 3-2 Verschiedene Spektren des BKtel-Sendemoduls BOTDW21X08...........................12Abb. 3-3 Spektrum des BKtel-Sendemoduls BOTDW25X08.................................................13Abb. 3-4 Verschiedene Spektren des BKtel-Sendemoduls BOTDW25X08............................13Abb. 3-5 Spektrum des BKtel-Sendemoduls BOTDW27X08.................................................14Abb. 3-6 Verschiedene Spectren des BKtel-Sendemoduls BOTDW27X08............................15Abb. 3-7 Spektrum des Fabry Perot LASER......................................................................16Abb. 3-8a Frequenzgang Sender 21/Empfänger.......................................................................19Abb. 3-8b Frequenzgang Sender und Empfänger.....................................................................20Abb. 3-8c Frequenzgang des System........................................................................................21Abb. 3-8d Frequenzgang System durch Vector Network Analyzer gemessen.........................21Abb. 3-8d Frequenzgang System durch HP 8595E Spectrum Analyzer gemessen..................22Abb. 3-10 Die Schaltung der Messungen der Dämpfung des Multiplexers.............................23Abb. 3-11a Dämpfung des Multiplexers...................................................................................24Abb. 3-11b Dämpfung des Multiplexers durch OSA gemessen...............................................25Abb. 3-11c Dämpfung des Demultiplexers durch OSA gemessen........................................25Abb. 3-12 Spektrum des Spontan Emission des EDFA..........................................................26Abb. 3-13 Spektrum der Ausgangleistung des MUX / vor dem Verstärker...........................28Abb. 3-14 Spektrum der Ausgangleistung des Verstärker......................................................29

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1. EinleitungHeutzutage steigt der Bedarf an dem Austausch von Informationen mit hoher Bandbreite

und hohe Datenrate an. Deswegen wird eine Technik der Datenübertragung gebraucht, die diese Anforderungen erfüllen kann. Die optische Übertragungstechnik ist eine von verschiedene Arte der Telekommunikation Technik, die hohe Bandbreite und hohe Übertragungsrate entwickelt. Diese Technik benutzt optische Medien als Datenträger. Glasfaser ist quasi das Material, die der Technik unterstützt .Viele Sache in der Welt der Telekommunikation brauchen heutzutage diese Technik. Denn diese Technik hat einige Vorteile, die die vorgegebenen Anforderungen erfüllen können.

Die wesentliche Unterscheidung von Optische Übertragungsstrecke ist, dass sie Licht als Form von Energie moduliert, um die Information Signal zu senden. Wir können aber in dieser Technik nicht alle Licht als Datenträger benutzen. Das Licht muss in diesem Fall als die Repräsentation des elektrischen Signal werden. Und danach kann es auch von optischen Signal wieder in elektrisches Signal umwandeln. Optische Übertragungen in Glasfasernetzen müssen vor allem zwei Bedingungen erfüllen :

Alle Operationen, die man aus der elektrischen Übertragungstechnik kennt, muss man optisch realisieren. Dabei dürfen möglichst keine störenden Zwischenschritte im nichtoptischen Bereich vorhanden sein (all-optical system) und das optische System muss potentiell mehr leisten können als das elektrische.

Das optische und das elektrische System müssen zueinander kompatibel sein, denn bei allem Fortschritt werden auch längere Sicht beide Systeme parallel existieren – z.B. ist es nicht vorstellbar, dass in absehbarer Zeit alle Hausanschlüsse ausschließlich optisch sein werden. Zudem muss auch die Kompatibilität zur Funkübertragung (z.B. über UMTS oder mittels Satellitentechnik) gewährleistet sein.

Zentrales Element der optischen Nachrichtentechnik ist die Glasfaser selbst, die häufig als Ringstruktur, seltener als bidirektionale end-to-end-Verbindung aufgebaut ist. Mittlerweile sind weltweit Millionen Kilometer Glasfaser verlegt. So installierte die Deutsche Telekom 1999 das Trans-Asia-Europe (TAE) Optical Fibre Cable System über 27000 Km durch 20 Staaten für ca. 500 Mio € entlang der früheren Seidenstraße1.

Das ziel dieses Projekt ist eine optische analog Übertragungsstrecke aufzubauen. Für die Realisierung dieser Übertragungsstrecke werden die folgenden Geräte gebraucht, und zwar einige Sendemodule, ein Multiplexer, ein Demultiplexer, ein Verstärker, und ein Empfänger. Dadurch entsteht ein praktischer Umgang mit Laserdioden und ihre Charakterisierung anhand der Aufnahme von Strom-Leistungskennlinien und Emissionsspektren. Aus dieser Bauelemente werden wichtige Eigenschaften wie Emissionswellenlänge, Spektralbreite, Ausgangsleistung, Dämpfung, Modulationsgrad der Geräte gemessen und charakterisiert. Die benutzten Materialen für die Realisierung dieses Projektes stammen alle aus dem Arbeitsmarkt aus.

Am Anfang dieses Projekt wird der Sender, weil er bei diesem Teil der Übertragungsstrecke die wichtige Basis der gesamten Technik ist, analysiert und charakterisiert und seine eigene Eigenschaften gemessen. Danach kommt andere Geräte, die diese optische Übertragungsstrecke unterstützt. Bei dem Multiplexer und Demultiplexer wird Lichts mit unterschiedliche Wellenlänge zusammengekoppelt. Hier wird auch der Verstärker diskutiert. Eine Seite werden die Vorteile von dieser optische Übertragungsstrecke beachten. Andere Seite die Effekte diese Technik werden auch analysiert. Zum Beispiel, Das Non liniere Effekt in Glasfasern. Alle Komponente dieses System wird durch Messungen analysiert, und charakterisiert.

1 Brückner, Volkmar,.. „Optische Nachrichtentechnik Grundlagen und Anwendungen“Teubner.B.G. GmbH,2003.

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2. Theorie

2.1 Laserdiode

Das Wort "Laser" ist die Abkürzung für "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) und bezieht sich auf die Art der Strahlenerzeugung. Das Licht in diesem Fall wird von angeregtes Atom ermittelt.In dem Atom hat jedes Elektron eigentlich seinen festen Platz in der Atomhülle, und bewegt sich auf einer bestimmten Bahn um den Kern. Photon mit Energie E = hf trifft auf Atom be idem Energiediffereny zweier Energieniveaus ΔE = h. f (h ≈ 6,626 10-34Js -Planksches Wirkungsquantum). Mit bestimmte Wahrscheinlichkeit wird Quantum von Elektron absorbiert : Elektron springt auf höheres Energieniveaus. Wenige Sekundenbruchteile angeregtes Atom kehrt nach bestimmter Verweilzeit dabei freiwerdende Energie Form eines Photons mit ΔE = Em - En = h f (En = Unteres Energieniveau; Em = oberes Energieniveau) abgestrahlt.

Abb. 2-1 Spontane und stimulierte Emission des LASERs

Diese ermittelte Licht wird dann in dem Resonator gekoppelt, so dass das Licht eine stehende Wellenlänge hat. Ein Resonator besteht aus Spiegeln darin, die dazu dient, Licht möglichst oft

hin und her zu reflektieren. In dem optischer Resonator sind nur bestimmte

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Longitudinalmoden ausbreitungfähig – d.h es erfolgt eine schmalbandige Filterung des erzeugten Licht teilweise in das aktive Medium Zurück. Laseremission beginnt erst ab bestimmtem Schwellstrom Ith,. Im Bereich kleiner Injektionsströme findet überwiegend spontane Emissionsprozesse statt. Folgende sind die Eigenschaften des Lasers :

Sehr hohe Einfarbigkeit (Monochromasie) - sie weist genau eine Wellenlänge auf; Kohärenz - die Wellen sind sowohl zeitlich als auch räumlich "in Phase", d.h. sie

schwingen - bildlich gesprochen - genau parallel im gleichen Takt; Starke Strahlenbündelung - der Durchmesser des Strahls ist auch bei großer

Entfernung von der Quelle sehr gering; Hohe Strahlungsdichte - aufgrund der starken Bündelung und der großen Verstärkung

der Strahlung trifft auf eine kleine Fläche Strahlung mit hoher Intensität auf. Die Strahlungsdichte der Sonne kann damit um ein Vielfaches übertroffen werden.

2.2 Modulation von Laserlicht

Daten liegen heutzutage in der Regel als elektrische Signale der elektrischen Spannung U binär vor, d.h. jede Information wird durch eine Kombination von 0 bzw. 1-Bit dargestellt und digital übertragen. Diese Signalen sollen nun in den optischen Bereich übertragen werden, in der einfachsten Form als Modulation der Laserleistung P (Intensitätsmodulation) ; ein 0-Bit entspricht dann im einfachsten Fall der Leistung P nahe Null, während das 1-Bit einer von Null verschiedenen Leistung entspricht. Zu beachten ist ferner, dass im Idealfall aus rechteckförmigen elektrischen Impulsen zwar rechteckförmige optische Impuls (Bits) werden können, diese jedoch nach Ausbreitung in einer bestimmte Faserlänge zu nahezu Gaußförmigen Impulsen verformt werden. Die dafür notwendige Faserlänge L ist umso geringer je kürzer der Impuls ist.

Abb. 2-2 Digitale elektrische und optische Signale

Eine von verschiedene Modulationsverfahren des Lasers ist direkte Modulation. Als direkte Modulation wird die Modulation über den Strom bezeichnet. Da der Strom If für eine entsprechende optische Leistung sorgt, ist die direkte Modulation sehr stark mit der P-I-Kennlinie verbunden. Das Modulierende Signal wird dabei am nichtlinearen Teil der Kennlinie gespiegelt. Der Pegel des modulierten Signal pM hängt mit der Wahl des Arbeitspunktes über den Vorstrom Iv/Ith und den Modulationsgrad ΔI/Ith (jeweils bezogen auf den Schwellstrom Ith) zusammen.

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Abb. 2-3 Modulation und P-I-Kennlinie

2.3 Optische Verstärker

Optische Verstärker haben ausschließlich die Aufgabe, die Lichtleistung zu vergrößern, wobei alle anderen Parameter möglichst unbeeinflusst bleiben sollen. Die Form der Bits sowie ihre Position in der Zeit werden im Allgemeinen durch den Verstärker nicht verändert. Angestrebt ist die vollständige Integration des Verstärkers in das optische Netz, das heißt, keinerlei Wndlung von optischen Signalen in elektrische oder umgekehrt ist zu gelassen. In diesem Projekt wird EDFA (Ebrium Dopped Fiber Ampilfier) benutzt.

Der Erbium dotierte Glasfaserverstärker (EDFA) besteht aus einer speziell präpararierten (Dotierung mit Erbiumionen) Glasfaser jenach Dotierungsgrad von circa 10-50 m Länge.Die seltene Erde Erbium (Er3+) besitzt bestimmte Struktur.

Abb. 2-2 Energieschema von Er3+dotiertem Silikatglas

Von Interesse sind nur das oberste voll mit Elektronen besetzte Band W1 Sowie die Bänder W2 und W3. Dabei enspricht der ergetische Abstand zwischen den Bändern W2 und W1 dem Wellenlängenbereich des dritten optischen Fensters um 1,55 µm. Um eine Verstärkung zu erreichen, müssen ähnlich wie im Laser in W2 mehr Elektronen sein als in W1. Das erreicht man durch optisches Pumpen, indem man mit Lasern einer Wellenlänge im Bereich der Absorption einstrahlt.

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Abb. 2-3 Verstärkungsspektrum in Er3+dotierten Glasfasern

Die Elektronen im Energieband W2 rekombinieren statistisch zurück ins Energieband W1 (Spontane Emission). Liegt eine Umbessetzung vor und passiert nun das zu verstärkende Licht diese optisch gepumpte Faser, erfolgt eine Verstärkung durch stimulierte Emission. Eine Signalverstärkungsbereich (Emsissionslinienbreite) zwischen 1525 nm und 1565 nm. Somit können im EDFA verschiedene, dicht beieinander liegende Wellenlängen Verstärkt werden, was durch Pfeile mit verschiedenen Längen in Abb. 2-3 angedeutet ist. Daraus ergibt sich folgendes Verstärkungsspektrum (Abb 2-3), wobei die Verstärkung natürlich von der Pumpleistung abhängt.

Abb. 2-4 Blockschaltbild eines EDFA Verstärkers

2.4 Multiplexer und Demultiplexer

In diesem Projekt werden Signale von einige Quellen über eine einzelnen Glasfaser gesendet. Auf diesem Grund ist ein Gerät gebraucht, um die Signale zu kombiniert. Dies wird bei dem Multiplexer gemacht. Unser System benutzt DWDM (Dense Wavelength Division Multiple Access, das heißt, Licht von verschiedenen Wellenlängen wird im Multiplexer zusammengekoppelt. Und dann werden beim Demultiplexer dieses Licht wieder getrennt.

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Abb. 2-5 Multiplexer und Demultiplexer

Multiplexer und Demultiplexer kann sowohl als passiv als auch aktiv werden. Das Passive design ist Prisma, Gitter Diffraktion, oder Filter basiert. Beim aktiven Design wird das Passive Gerät mit dem umstellbaren Filter kombiniert. Bei diesem projekt wird nur das passive Multiplexer und Demultiplexer benutzt.

2.4.1 Verschiedene Arte des Multiplexers und Demultiplexers

Eine einfaches Vervielfachen des Lichts kann bei dem Prisma durchgeführt werden.Eine Parallele Strahlung des Polychromatischen Lichts ist auf dem Prisma gestrahlt. Bei dem Prisma wird die Wellenlänge abgelenkt.

Abb. 2-6 Lichts Ablenkung beim Prisma

Andere Technik des Multiplexer beruht auf den Grundsätzen der Beugung und der optischen Interferenz. Wenn eine polychromatische Lichtquelle auf ein Beugungsgitter trifft, wird jede Wellenlänge in einem anderen Winkel gebeugt und deshalb auf einen anderen Punkt im Raum abgelenkt. Mit einer Linse können diese Wellenlängen auf einzelne Fasern konzentrieren.

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Abb. 2-6 Lichts Ablenkung beim Gitter

Ein filterung System, das Dünnsichtfilmfilter heißt, ist auch eine von dem Multiplex Technik. Dieser Multiplexer besteht aus mehrschichtige Film mit verschiedene optische Charakteristik.Der Dünnschichtfilm lässt nur eine bestimmte wellenlänge durch und reflektiert dia andere wellenlänge.

Abb. 2-6 Mehrsichtige Dünnsichtfilmfilter

2.5 Non Linierität der Optische Übertragungsstrecke

Nichtlinearitäten und nichtöineares Verhalten spielen heute in der Technik eine entschedende große Rolle beim Erreichen immer neuer Grenzen. Als Beispiel für ein nichtlineares Verhalten haben wir bereits das Spektrum eines Lasers kennen gelernt, was zu unterschiedlichen Gruppenbrechzahlen entsprechend Formel und damit zu unterschiedlichen Phasen führt. Das wiederum führt zu unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten verschiedener Wellenlängen des Lichtes. Die Brillouin-Streuung ist eine Art der optischen Streuung, die auf einer Wechselwirkung optischer Wellen mit akustischen Gitterschwingungen (akustische Phononen) oder magnetischen Spinwellen (Magnon) beruht. Leon Brillouin hat diese Art von Streuung zum ersten Mal theoretisch vorhergesagt. 1930 wurde diese Vorhersage experimentell bestätigt.

Abb. 2-7 Reflektierte des Lichtes wegen der Brillouin Streuung

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http://de.wikipedia.org/wiki/Leon_Brillouin


Streuung von Licht wurde bereits im letzten Jahrhundert von J.Tyndall und Lord Rayleigh untersucht. Tyndall beschäftigte sich mit der diffusen Lichstreuung an Partikeln in Flüssigkeiten. Lord Rayleigh fand, daß die Intensität des Lichtes, das an Molekülen in der Atmosphäre gestreut wird, der vierten Potenz der Lichtfrequenz proportional ist (Himmelsblau). L.Brillouin beschreibt erstmals inelastische Lichtstreuung. Er zeigte, daß Licht, das an thermisch erregten Schallwellen gestreut wird, eine Frequenzverschiebung erfährt, die gleich der Frequenz der streuenden Schallwelle ist. Diese Entdeckung ermöglichte es grundsätzlich, auf optischem Wege Schallwellen zu untersuchen, deren Wellenlänge mit der Lichtwellenlänge vergleichbar ist. In Flüssigkeiten oder Festkörpern haben solche Schallwellen Frequenzen, die im GHz-Bereich liegen. Die Frequenzen sind damit um Zehnerpotenzen größer als die Frequenzen, die im Ultraschallbereich erreicht werden können.Eine der ersten Messungen hat R.Rao durchgeführt. Er hat Schallgeschwindigkeiten in Aceton und in Tetrachlorkohlenstoff mit Hilfe einer Quecksilber-Bogenlampe gemessen. Die ersten Messungen wurden jedoch durch die spektrale Verteilung und die geringe Intensität des Lichtes gewöhnlicher Lichtquellen sehr erschwert, und die Meßergebnisse sind im Vergleich zu Ultraschallmessungen ungenau.

Seit der Entwicklung des Lasers steht für Brillouin-Streu-Experimente eine ideale Lichtquelle zur Verfügung, so daß in Verbindung mit hochauflösenden Interferenzspektrometern genaue Messungen durchgeführt werden können. Messungen in Festkörpern geben z.B. Aufschluß über die elastischen- und elastooptischen Konstanten. In den letzten Jahren wurden auch Messungen an Neon-, Argon-, Krypton- und Xenonkristallen gemacht, deren elastische Konstanten von besonderem Interesse sind.

3. Versuchdurchführung und Messergebnisse

3.1 Messungen der Spektren der BKtel-sendemodul BOTDW21X08, BOTDW25X08 und BOTDW27X08 und Fabry Perot LASER

Das Ziel dieser Messungen ist das mittlere Spektrum jedes Senders zu ermitteln und das Unterschied zwischen DFB ( Distributed Feedback ) und den Fabry Perot LASER zu finden. Der DFB Laser ist ein Laser, der nur ein Wellenlänge emittieren kann. Was sehr hilfsreich für den Aufbau unserer optsichen Strecke ist. Zum Vergleich mit dem Fabry Perot Laser , der mehrere Wellenlänge erzeugt.

3.1.1 Spektrum des BOTDW21X08

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Während der Durchführung dieses Experiment waren sechs BKtel-Sendemodulen zu Verfügung. Diese waren mit entsprechenden Wellenlängen und Frequenzen. Und zwar:

Kanäle Wellenlänge /nm Frequenzen/ GHz21 1560,61 192,10025 1557,36 192,50027 1555,75 192,70029 1554,13 192,90031 1552,52 193,10035 1549,32 193,500


Abb. 3-1 Spektrum des BKtel-Sendemoduls BOTDW21X08

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Wellenlänge λc: 1560.610 nmKanal : 21Die Breite Δλ: 0,0529 nmWas folgt ist die mehr Spektrenauftritt auf dem Kanal 21. Dies ergibt sich aus der Lichtintensität Änderung, die im Webserver von Bktel eingestellt werden kann.Das heißt je nachdem wird diese Intensität geändert, desto kommt die gleiche Wellenlänge mit unterschiedlichen Verschiebungen. Das Prinzip gilt auch für alle anderen Kanäle


Abb. 3-2 Verschiedene Spektren des BKtel-Sendemoduls BOTDW21X08

21 Kanal 5 Freq's Kennlinie

1559,85

1560,22

1560,61

1561

1561,4

191,95

192

192,05

192,1

192,15

192,2

192,25

1559,5 1560 1560,5 1561 1561,5

Lamda ( nm )

F

(

THz

)


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Die Kanäle können durch verschiedene Frequenzen eingestellt werden.dieses ergibt sich aus der Verschiebung von Spektren der zentralen Wellenlänge.Zum Beispiel der Kanal 21 mit einer Zentrale Wellenlänge λc: 1560nm



Abb. 3-4 Verschiedene Spektren des BKtel-Sendemoduls BOTDW25X08

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1558,19

1557,8

1557,37

1556,97

1556,57

192,35

192,4

192,45

192,5

192,55

192,6

192,65

1556 1556,5 1557 1557,5 1558 1558,5

Lamda (nm)

F (TH

z)



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Abb. 3-6 Verschiedene Spectren des BKtel-Sendemoduls BOTDW27X08


1555,75

1555,36

1556,55

1556,15

1554,97

192,55

192,6

192,65

192,7

192,75

192,8

192,85

1554,5 1555 1555,5 1556 1556,5 1557

Lamda( nm )

F (TH

z)

3.1.4 Spektrum eines Fabry Perot LASER

Fabry Perot Laser ist eine Arte von Laser. Der wird von dem Firma Diamond entwickelt. Fabry-Perot-Laser (FPL) sind Laserdioden, die ihre maximale Leistung bei Wellenlängen von 1.300 nm haben. Die spektrale Breite ihrer Strahlung liegt bei 7 nm. Fabry-Perot-Laser reduzieren durch ihre hohe spektrale Reinheit den Einfluss der chromatischen Dispersion und kommen u.a. bei 10-Gigabit-Ethernet zum Einsatz.

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http://www.itwissen.info/definition/lexikon/10-Gigabit-Ethernet-10GE-10-Gigabit-Ethernet.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Chromatische-Dispersion-CD-chromatic-dispersion.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Chromatische-Dispersion-CD-chromatic-dispersion.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Strahlung-R-radiation.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Wellenlaenge-wavelength.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Leistung-P-power.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Laserdiode-LD-laser-diode.html


Der Fabry Perot Laser ist ein Laser, der mehrere unterschiedliche Wellenlängen emittiert. Diese ergibt sich aus dem nicht so starken reflektierten Spiegeln im Resonator, der hintereinander bei der Laserlicht Emission vielen Wellenlängen durchtreten lässt. Dies führt zu einer wachsenden Zahl von Peak’s (Gipfel). Auf dem folgenden Bild sieht man mehrere Spektren mit ihren Gipfeln (peak’s) Der Breite Δλ: 3,8117 nm sind die Breite, die zwischen die vier höchsten Peak’s existiert

Abb. 3-7 Spektrum des Fabry Perot LASER

3.2 Messungen der Modulationsgrad der BKtel-sendemodule BOTDW21X08, BOTDW25X08 und BOTDW27X08.

Das Ziel dieser Messungen ist um den Gezeigten Modulationsgrad und den echten Modulationsgrad zu vergleichen. Dazu kann man auch den Fehler berechnen. Der Modulationsgrad (m) oder Modulationsindex ist ein Kennwert der Amplitudenmodulation (AM), der meistens in Prozent angegeben wird. Es handelt sich dabei um das Verhältnis der Amplitude des Modulationssignals zur Amplitude der Trägerfrequenz

Modulationsgrad bei 3 Kanäle am Detektor

K21 K25 K27

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http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Traegerfrequenz-CW-carrier-wave-TF.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Amplitude-amplitude.html

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/amplitude-modulation-AM-Amplitudenmodulation.html


OMI(Modulationsgrad)eingestellt

±3,0mV ±3,1mV ±4,0mV ±3,1mV ±3,0mV ±3,2mV

10,04%DC/mV M2P/mV DC/mV M2P/mV DC/mV M2P/mV

1806 187,5 1488 143,7 1850 190,610,38%

±0,15%9,66%

±0,19%10,3%

±0,15%

19,8%DC/mV M2P/mV DC/mV M2P/mV DC/mV M2P/mV±6,0mV ±6,2mV ±3,0mV ±3,1mV ±7mV ±6,3mV

1800 393,8 1481 293,7 1819 368,721,9%

±0,29%19,83%±0,17%

20,2%±0,2%

Leistung9 dBm 8dBm 9dBm

3.3 Messungen der Frequenzgang des BKtel-SendeModulsBOTDW21X08

Ziel dieser Messungen ist die Frequenzgang des Sender 21 durch den Empfänger zu ermitteln und auch mit direkter Messung durch koaxial Kabel zu vergleichen.

Direkte Messung Frequenzgang des Kabels

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Die Messungen, die auf der obere Tabelle sind, zeigen eigentlich wie man die Spannung einen Elektrischen Signal durch ein Änderung der Lichtintensität (Modulationsgrad) stark beeinflussen kann. Die Begriffe DC: DC Level des elektrischen Signals M2P: Level von Mitte zur Peak

Hameg

Synthesizer 1Hz - 1GHz

Spectrum Analyzer HP 8595E

9kHz- 6.5GHz

Der Modulation ist der Grad, der beim Prozess der Umwandlung von elektrischem zu optischem Signal gegeben ist, indem man den Winkel des elektrischen Signals durch die stimulierte Emission am Laser Steuert. Mit dem Modulationsgrad „ m “ wird angegeben, wie stark das zu modulierende Nutzsignal die Amplitude des modulierten Signals beeinflusst.

Der Modulationsgrad kann beim BKtel-Chanel setting im Bereich von 5,9 bis 26,41 % eingestellt werden.


Stecker Koax Kabel

( Sender ) 21 25 27 BOR1000-1 (Empfänger)

Messung mit HP 500 MHz Oszilloskop

Sender BOTDW21X08Empfänger BOR1000-1HAMEG Synthesyser 8134 -15dBmDämpfung zwischen Sender und Empfänger 15 dB

Ausgang M Ausgang 1 M Ohm 1 M Ohm 50 Ohm

f /MHz Vp /mV Vp / dBm Vp /mV Vp/ dBm Vp/ mV Vp / dBm100 9,84 -37,92 148,40 -14,36 65,63 -21,44 200 7,34 -40,47 109,40 -17,01 64,06 -21,65 300 5,16 -43,54 96,88 -18,06 62,50 -21,87 400 4,69 -44,37 104,70 -17,39 64,06 -21,65 500 5,31 -43,28 103,10 -17,52 71,87 -20,66 600 4,25 -45,22 62,50 -21,87 50,00 -23,81 700 3,69 -46,45 53,75 -23,18 37,50 -26,31 800 1,88 -52,33 41,25 -25,48 27,50 -29,00 900 1,56 -53,91 31,25 -27,89 16,25 -33,57 1000 1,38 -55,02 23,13 -30,50 11,88 -36,29

19

Hameg



9kHz- 6.5GHz


Frequenzgang Sender21/Empfänger

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

0 200 400 600 800 1000 1200

Fr/MHz

Vp

/ m

V

Ausgang M Empfänger 1 M Ohm

Ausgang Empfänger 1 M OhmAusgang Empfaänger 50 Ohm

Abb. 3-8a Frequenzgang Sender 21/Empfänger

l

3.4 Messung Frequenzgang des Elektrischen Kabels und am Empfängerausgang

HAMEG Synthesyser 8134 -15dBm 1Hz-1GHz

Koax-Kabel 2* 50cm

HP Spektrum Analyser 8595E 9kHz-6,5GHz

Stecker Koax-Kabel

20

Hameg



9kHz- 6.5GHz


( Sender ) 21 25 27 BOR1000-1 (Empfänger)

Nur Messkabel Ausgang Empfänger

50 Ohm 50 Ohm 50 Ohmf /MHz Vp / dBm Vp/ dBm Vp / dBm

10 -14,80 -11,94 20 -14,70 -11,85 50 -15,06 -11,90

100 -15,12 -12,23 200 -15,30 -12,93 500 -15,56 -12,48 1000 -16,20 -15,20

Abb. 3-8b Frequenzgang Sender und Empfänger

21

Hameg



9kHz- 6.5GHz


Frequenzgang System

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 1,00E+10

f/Hz

A/d

B

Abb. 3-8c Frequenzgang des System

Abb. 3-8d Frequenzgang System durch Vector Network Analyzer gemessen

22


Abb. 3-8d Frequenzgang System durch HP 8595E Spectrum Analyzer gemessen

Bei der Messung mit dem Network Analyzer ist die Messung einfacher als mit dem Oszilloskop. Weil hier die Frequenzgang des Systems direkt gezeigt wird. Der Netzwerkanalysator sendet ein Signal (hinlaufende Welle) auf das Messobjekt (DUT). Dessen Frequenz, Amplitude und Phase sind bekannt. Der Prüfling reflektiert ein Teil dieses Signals (weglaufende Welle am Eingang). Der Rest läuft in das Messobjekt, wird dort verändert (gedämpft, verstärkt, phasenverschoben) und tritt am Ausgang des DUT als übertragenes Signal (weglaufende Welle am Ausgang) in Erscheinung.

Aus dem Verhältnis von reflektiertem zu gesendetem Signal wird die Reflexion des Messobjektes gemessen und aus dem Verhältnis von übertragenem zu gesendetem Signal wird die Transmission des Messobjektes gemessen.

Von der Grafik kann man sehen, dass die Frequenzgang im bereich 5 MHz bis 1,1 GHz ist. Und im bereich 300 MHz ist die Frequenzgang immer auf der hohe Leistung. Das heißt, diese System passt zu die Voraussetzungen des CATV System.

23

http://de.wikipedia.org/wiki/Phasenverschiebung

http://de.wikipedia.org/wiki/Phase_(Schwingung)

http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitude

http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Welle


3.5 Messungen der Dämpfung des Aifotech 4 Kanäle Multiplexers

Jeder Multiplexer hat eigenen Pegel. Diese Messungen haben das Ziel, die Dämpfung des Multiplexer zu ermitteln, damit der Pegel des Multiplexers abgebildet werden kann.Bei dieser Messungen werden zwei Messgeräte benutzt.

Messungen der Dämpfung des Multiplexers durch Optical Power MeterBei dieser Messungen wird eine folgende Schaltung gemacht

Abb. 3-10 Die Schaltung der Messungen der Dämpfung des Multiplexers

Die Messung wird Kanal per Kanal durchgeführt. Verscheidener Frequenz jeden Kanal wird gemessen.

KANAL DIREKT

LEISTUNG /dBm Leistung Durch MULTIPLEXER /dBmFrequenz 192000 192050 192100 192150 192200

21 5.6 -14.7 2.8 3.2 3.1 -9.5Dämpfung /dB -20.3 -2.8 -2.4 -2.5 -15.1

Frequenz 192400 192450 192500 192550 19260025 4.7 -15.9 1.8 2.3 2.1 -11.3

Dämpfung /dB -20.6 -2.9 -2.4 -2.6 -16Frequenz 192600 192650 192700 192750 192800

27 5.5 -6.8 2.5 2.6 2.3 -10.8Dämpfung /dB -12.3 -3 -2.9 -3.2 -16.3

24

K21K21

K25K25

K27K27

MUX

OPMOPM

11 22 33


Abb. 3-11a Dämpfung des Multiplexers

Diese Kennlinie besteht aus einige Punkte. Die die Dämpfung von unterschiedliche Wellenlänge des Sender repräsentiert. Danach wird eine linie durch diese Punkte gemacht.Da kann man sehen, dass es Übersprechen zwischen kanal 25 und 27 gibt.

3.5.1 Messungen der Dämpfung des Multiplexers durch Optical Spectrum Analyzer (OSA)

Der EDFA verstärker hat Laser pumpen. Diese Laser pumpen ermittelt eine spontane Emission und zwar der Rauschquelle dieses Verstärker. Diese Rauschquelle wird hier ausbenutzt, um der Pegel des Multiplexer zu ermitteln

In der Zweite Messungen wird der Dämpfung des Multiplexers durch Optical Spectrum Analyzer gemessen. Die Schaltung ist mit der erste Messung ähnlich, aber hier werden die Kennlinien ermittelt, ohne die Frequenzen zu einstellen

25


Abb. 3-11b Dämpfung des Multiplexers durch OSA gemessen

Abb. 3-11c Dämpfung des Demultiplexers durch OSA gemessen

26


3.6 Messungen des Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)

Erbium Doped Fiber Amplifier ist ein optische Verstärker, der spontane Emission hat.Das Spektrum der spontanen Emission des EDFA wird durch OSA gemessen. Bei dieser Messungen wird das EDFA gerät direkt zum OSA verbindet.

Abb. 3-12 Spektrum des Spontan Emission des EDFA

3.7 Messung der Leistung am Ein-und ausgang des EDFA und an allen 6 BKtel-Sendekanäle

Diese Messung wird mit Hilfe eines OPM (Optical Power Meter), der die Augangsleistungen der 6 Sendekanäle misst. Danach sind die ermittelten Werte mit den Pegeln aus dem Verstärker vergleichen worden. Während dem Experiment mit 1 dBm (Abweichung) am OPM haben wir bemerkt, dass

- beim konstanten Pegel Output am EDFA jede Wellenlänge unterschiedlich verstärkt werden muss

- beim konstanten Gain (15dB) keine Änderung zur vorherigen Werten raus gefunden wurde

- Werten der Dämpfungsmessung am Multiplexer und Demultiplexer (je nachdem der ausgewählten Kanal gegenläufig waren.

Die gesamte Schaltung für diese Messung wird auf der folgenden Seite repräsentiert

27


3.8 Ermittlung des optischen Verstärkers

Diese Messung wird mit Hilfe eines Mux, der am Eingang mit 6 Sendekanäle und am Ausgang mit dem EDFA verbunden ist. Nach dem Verstärker soll eine Veränderung der Spektren durch ein 10 dB Dämpfung beobachtet werden. Die gesamte Schaltung wird so repräsentiert.

28

EDFA ( VERSTÄRKER) 1550nm 21 25 27 29 31 35 IN out OPM

Optical Power Meter (OLP-8) + 23 dBm max

EDFA ( VERSTÄRKER) 1550nm

Optical Spectrum Analyser 21 25 27 29 31 35 MUX OSA (AQ6370B) 600-1700nm


3.8.1 Vor dem Verstärker Messung aus OSA(600-1700nm)

Das folgende Spektrum ist das originale Spektrum jedes Senders. Das hat verschiedene Spektrum von Kanal 21 bis kanal 35.

Abb. 3-13 Spektrum der Ausgangleistung des MUX / vor dem Verstärker

29

K21: 0.1 dBmK25: -0.53 dBmK27: 0.95 dBmK29: 0.20 dBmK31: 0.57 dBmK35: 1.57 dBmSind die präzise Ausgangleistungen von Kanäle am Eingang des Mux. Diese mit Hilfe des Optical Spectrum Analyser (OSA) ermittelt.


3.8.2 Nach dem Verstärker Messung aus dem OSA(600-1700nm)

Abb. 3-14 Spektrum der Ausgangleistung des Verstärker

30

K21: 1,81dBmK25: 0,46 dBmK27: 1,14 dBmK29: 0,88 dBmK31: -0,46dBmK35: -1,28dBm:


3.9 Brillouin Streuung

3.9.1 Schaltung der Messung

Diese Messung wird mit folgenden Komponenten durchgeführt.

3.9.2 Doppler Effekt Messung

Wellenlänge verschieben sich

31

OPMP(aus)

OPMP(rück)

OPMP(ein)

X-GlasfaserKoppler

OPMP(aus)

OSA

OPMP(ein)

X-GlasfaserKoppler

Faser

Die Brillouin Streuung ist ein Art der optischen Streuung, die auf einer Wechselwirkung optischer Wellen mit akustischen Gitterschwingungen oder magnetischen Spinwellen beruht.Dieser Effekt spielt ein Rolle in optischen Verstärkern, die in der Lage sind, optische Signale zu Verstärkern, ohne das optische Signal vorher in ein elektrisches zu wandeln.


4 ZusammenfassungAus diesem Projekt wurde die wichtigsten Elemente der optische Übertragungsstrecke

unter Berücksichtigung der Glasfasernetze behandelt. Thematische Schwerpunkte in diesem Projekt sind optische Sender, Modulation von Laserlicht, optische verstärker, Multiplexer und Demultiplexer und Nichtlineare Effekte der optische Übertragungsstrecke.

4.1 Optische Sender

Laser spielt hier eine große Rolle. Der ermittelt das optische Signal, das als datenträger benutzt.

In diesem Projekt werden sechs Sendemodule von BKtel benutzt. Die sind kanal nummer 21, 25, 27, 29, 31 und 35

Statt Fabry Perot Laser, wird von diesen Kanäle DFB Laser benutzt DFB Laser wird hier benutzt wegen seiner Effektivität, schmale Spektrumsbreite, und hohe Leistung.

Der Sender ist hier einstellbar. Jeder Sender hat fünf verschiedene Wellenlänge mit 0.40 nm Abstand, die umgekehrt mit dem Frequenz ist.

Beim Modulationsgrad, je großer der Modulationsgrad desto hoher die Amplitude. Das Spektrum des Frequenzgangsystem hat die Breite von ±5 MHz bis ±1.1 GHz.

Dieses Messergebnis pass zu der Voraussetzung des CATVs, und zwar ±300 MHz.

4.2 Multiplexer und Demultiplexer

In diesem Multiplexer hat jeder Kanal bestimmte Dämpfung, so dass nur bestimmte Wellenlänge durchgehen kann.

Bei der Messung mit OPM kann man nicht die Dämpfung eines Kanals, der Keine Signalquelle hat, ermitteln. Z.B. Kanal 23. Im Gegenteil kann die Messung durch eine Optical Spectrum Analyzer (OSA) den Pegel eines Kanals ohne quelle ermitteln. Weil bei dieser Messung wird ein Verstärker als Quelle benutzt.

4.3 Optische Verstärker (EDFA)

Bei dem EDFA wird das optische Signal verstärkt, ohne in elektrische Signal und wieder in optische Signal umzuwandeln.

Der Verstärker hat Laser Pumpen, die eine Spontane Emission ermitteln. Die Verstärkung wird durch stimulierte Emission durchgeführt.

Mit dem Multiplexer wird gewusst, dass das Mittlere Bereich des EDFA Spektrum nicht richtig flach ist. Das steigt einbischen bei niedrige Kanal Bzw. ab Kanal 25.

4.4 Brillouin Streuung

Aufgrund der Langestrecke ist die Brillouin Streuung passiert. Diese Streuung verursacht eine Rückleistung. Die kommt wegen der Reflektion des

akustischen Signal vor. Andere Effekt von dieser Streuung ist Verringerung der Frequenz circa 1-15 GHz.

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5 Quelle Brückner,Volkmar..,, “Optische Nachrichtentechnik, Grundlagen und

Andwendungen,” Teubner.B.G. GmbH,2003. Papannareddy, R.., “Lightwave Communcation System.” Artech House Publisher,

1997. Azadeh, Mohammad.., “Fiber Optics Engineering,”. Springer, 2009 Schiffner, Gerhard.., “Optische Nachrichtentechnik,” Teubner.B.G. GmbH,2003. http://www.itwissen.info/ http://www.univie.ac.at/mikroskopie/1_grundlagen/mikroskop/licht/

4b_opt_resonator.htm www.wikipedia.org www.energieinfo.de http://www.bktel.com/bktel/de/products/products.htm http://spie.org/x19027.xml?ArticleID=x19027

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