Lichtwellenleiter (-Technik) / Datentransport per LWL

Einleitung

Heutzutage ist die optische Datenübertragung in vielen Bereichen des tägli- chen Lebens vertreten. Nachdem schon vor langer Zeit Signale mit Hilfe von Spiegeln über große Entfernungen übermittelt wurden, geschieht dies heute über Lichtwellenleitern.

Durch die fortschreitende Entwicklung gelang es, die Dämpfung der Lichtwellen- leiter, von anfänglich 1.000dB/km (1965) auf heutzutage unter 0,2dB/km, zu verringern. Dieses führte in den letzten 15 Jahren zu einem Durchbruch in der optischen Datenübertragung.

Lichtleiter sind sogar bis in die Medizin vorgedrungen und erlauben es Ärzten mit Hilfe von Endoskopen, einem Glasfaserbündel von ca. 20.000 Adern, das Körperinnere bei Operationen auszuleuchten und gleichzeitig ein Bild von dort zu übertragen.

Weitere Entwicklungen in der Halbleitertechnik, vor allem im Bereich der Halbleiterlaser, machten es möglich, Laserdioden mit einer hohen Energie- ausbeutung herzustellen. Wie die Lichtleiter werden die Halbleiterlaser auch in der Medizin angewendet, um z.B. Hornhauttransplantationen am Auge durch- zuführen oder Netzhautablösungen zu behandeln.

In der Nachrichtentechnik ist man inzwischen von der Luminenzdiode (LED) auf die Laserdiode (LD) umgestiegen, da sie ein kohärentes Licht erzeugt.

In unserer Facharbeit wollen wir uns der Lichtwellenleitertechnik, der opti- schen Übertragung und des optischen Datentransports widmen. Diese Techno- logie befindet sich ständig im Umbruch und wird durch immer neue Forschungs- ergebnisse vorangetrieben. So stellte Optishere Networks, eine Tochtergesell- schaft des deutschen Siemens-Konzerns, einen neuen Übertragungsrekord von 3,2 Terabit/s auf (umgerechnet eine Datenflut von 417 Gigabyte pro Sekunde). Diese Leistung gelang durch Multiplexing.

Auch ein braunschweiger Unternehmen stellt Spitzentechnologie für Lichtwellenleiterkommunikation her. Giga, ein Tochterunternehmen von Intel, fertigt derzeit die schnellsten Telekommunikationschips für diesen Bereich. Ihr

Chip ermöglicht eine Datenübertragungsrate von 10 Gigabit/s, das entspricht

beispielsweise 100.000 gleichzeitigen Telefongesprächen.

Um den Rahmen der Facharbeit nicht zu sprengen, mussten wir uns auf ver- schiedene Themenbereiche beschränken und haben daher unsere Arbeit so auf- geteilt, dass sich aus unserer Sicht ein kompletter Übertragungsapparat erklä- ren lässt.

Zuerst gehen wir auf die zur Übertragung benötigten Lichtwellenleiter ein; er- läutern den Aufbau und stellen verschiedene Lichtwellenleitertypen vor.

Auch die Herstellung spielt eine wesentliche Rolle, da hier gezeigt wird, wie eine möglichst geringe Dämpfung realisierbar ist.

Als nächstes beantworten wir die Frage, wie das Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird und sich durch ihn ausbreitet. Die für dieses Thema wichti- gen Größen sind die Numerische Apertur, die Brechung und die Totalreflexion. Nun folgt die Modendispersion, die mit der Dämpfung zusammen die wesent- liche Größe für Reichweitenbegrenzung der Multimodelichtwellenleiter dar- stellt. Vorweg muss dazu jedoch noch der Begriff der Moden geklärt werden. Eine in der Praxis verwendete Möglichkeit zur Erhöhung der Bandbreite ist das Multiplexen, auf das wir, aus Platzgründen, nur kurz eingehen.

Wichtig für uns war auch die kohärente Lichtquelle zur Übertragung eines Si- gnals; wie der Laser und in gewisser Weise auch die LED.

Ferner geben wir noch einen Einblick in die angewandten Netzwerk-/ und Datenübertragungsverfahren aus analogen und digitalen Quellen.

Als experimentellen Teil unserer Facharbeit haben wir eine Sender-/ und eine Empfängerschaltung gebaut, mit denen wir ein akustisches Signal optisch über- tragen haben. Diese Schaltungen haben wir beschrieben und unsere Beobach- tungen im Anhang dokumentiert,

Wir sind der Meinung, auf alle wesentliche Bereiche eingegangen zu sein, um einen weitgehenden Überblick über das Thema zu geben. Weiterhin haben wir versucht, auch auf die Grundlagen der Optik und der Halbleiterphysik einzuge- hen und diese in Ansätzen zu erläutern.

Versuch der Lichttelefonie

Im Rahmen unserer Facharbeit haben wir einen Versuch durchgeführt, mit dem Ziel, ein akustisches Signal optisch zu übertragen. Wir steuerten eine modulierbare Lichtquelle (LED) mit einem Mikrophon über einen zweistu- figen Niederfrequenzverstärker an.

Die auf diese Weise von der LED modulierten Lichtschwankungen wurden durch einem Photowiderstand in der anderen Schaltung in elektrische Schwin- gungen umgewandelt. Diese wurden wie in der Senderschaltung verstärkt und auf einem Lautsprecher ausgegeben.

Als Übertragungsmedium dient hierbei nur die Luft.

V ersuchsaufbau:

Siehe Schaltungen auf Seite 4b.

Funktion der Schaltungen:

Senderschaltung: Die Silizium- und Germaniumtransistoren werden in Emit- ter - Kollektor - Richtung erst ‘durchlässig’, wenn eine bestimmte Span- nung zwischen Emitter und Basis anliegt. Dieser Zustand beschreibt dann den Arbeitspunkt des Transistors, dass bedeutet, dass dies der Punkt ist, an dem der Transistor, wenn die Basisspannung noch weiter erhöht wird in Emitter Kollektor - Richtung ‘durchlässig’ wird. Aus diesem Grund wurden die Widerstände R1 und R3 in die Schaltung eingebaut, um mit der Gleich- spannung die Arbeitspunkte (Basisvorspannung) der Transistoren einzustel- len. Der Kondensator C1 stellt einen großen Widerstand für die Gleich- spannung dar, für die Wechselspannung des Mikrophons ist dieser Wider- stand jedoch gering. Die vom Mikrophon erzeugte Wechselspannung wird über C1 eingekoppelt und steuert die Basis des Siliciumtransistors an. Da- durch wird am Kollektor ein Gleichstrom mit Intensitätswechseln erzeugt, der am Kollektorwiderstand einen wechselnden Spannungsabfall hervorruft. Dieser wechselnde Spannungsabfall ist vergleichbar mit der Wechselspannung des Mikrophons. Das bedeutet, dass wir am Kollektorwiderstand jetzt eine

Wechselspannung mit einer größeren Amplitude erzeugen (verglichen mit dem Maximum der Wechselspannung des Mikrophons). Diese verstärkte ‘Wechselspannung’ wird über den Kondensator C2 an die Basis des Germaniumtransistors angelegt, wodurch die Wechselspannung, die schon in der ersten Transistorstufe verstärkt wurde, hier noch ein zweites mal (wie oben bereits beschrieben) verstärkt wird und anschließend die LED ansteu- ert. Durch die Spannungsänderung ändert sich auch der Strom, der durch die LED fließt; dieser Strom wiederum verändert die Helligkeit der LED proportional zur Mikrophonwechselspannung.

Empfängerschaltung: Die Empfängerschaltung enthält im Prinzip genau die gleiche zweistufige Niederfrequenzverstärkerschaltung wie die Sender- schaltung; allerdings wurden aufgrund des Photowiderstandes, der an die Stelle des Mikrophons gesetzt wurde und des Lautsprechers, der an die Stelle der LED gesetzt wurde einige zusätzliche Komponenten benötigt, deren Bedeutung für die Schaltung im folgenden erläutert werden soll.

Der Widerstand R4 muss in die Schaltung eingebaut werden, da wir in der Empfängerschaltung kein Mikrophon haben, sondern einen Photowiderstand, der wie der Name schon sagt ein Widerstand ist und demnach keine Span- nung erzeugt. Wir haben mit dem Widerstand R4 also einen geschlossenen Stromkreis, über den der Photowiderstand versorgt wird. Dieser Photo- widerstand ändert seinen Widerstand im Rhythmus der Lichtintensität, was zur Folge hat, dass sich auch die Spannungsverteilung am Spannungsteiler Photowiderstand/ R4 ändert. Diese Spannungsänderungen gelangen dann über den Kondensator C1 an die Basis des Siliciumtransistors.

Der Widerstand R5 und der Kondensator C3 dienen der Spannungs- stabilisierung (der Nachsiebung) und sollen kurzfristige Spannungsspitzen ausgleichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Widerstand R6, der im Regelkreis (Basis, Emitter) eingebaut ist, be- wirkt, dass die Kollektorspannung (auch bei Erwärmung des Transistors) weitgehend konstant bleibt. Wenn man zu R6 zusätzlich einen Kondensator parallel schaltet, der den schnellen Stromstärkeänderungen nur einen gerin- gen Widerstand entgegensetzt, kann man die gewünschten Kollektorstrom- änderungen beibehalten.

Lichtwellenleiter (-Technik)/ Datentransport

JBE u. SK

S. 4a

Schaltungen:

Senderschaltung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Empfängerschaltung:

Bemerkung:

Dieser Versuch funktionierte nur unter Ausschluss des Tageslichtes.