Glasfasern: Physik und Technologie
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Heidelberg
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2005
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
I Einleitung
1 Ein erster Überblick 3
II Physikalische Grundlagen
2 Strahlenoptische Behandlung 15
2.1 Wellenleitung durch Totalreflektion 15
2.2 Stufenindexfaser 17
2.3 Modendispersion 20
2.4 Gradientenprofilfasern 22
2.5 Kopplung von Moden 24
2.6 Unzulänglichkeit der Strahlenoptik 24
3 Wellenoptische Behandlung 27
3.1 Maxwellgleichungen 27
3.2 Wellengleichung 29
3.3 Linearer und nichtlinearer Brechungsindex 30
3.3.1 Linearer Fall 30
3.3.2 Nichtlinearer Fall 31
3.4 Separation nach Koordinaten 33
3.5 Moden 35
3.6 Lösungen für m = 0 39
3.7 Lösungen für m = 1 40
3.8 Lösungen für m 1 42
3.9 Feldverteilung in den Moden 43
3.10 Zahlenbeispiel 45
3.11 Anzahl der Moden 46
3.12 Energietransport 47
4 Laufzeitverzerrungen: Dispersion 51
4.1 Materialdispersion 52
4.1.1 Beschreibung per Ableitung nach der Wellenlänge 54
4.1.2 Beschreibung per Ableitung nach der Frequenz 56
4.2 Wellenleiter und Profildispersion 57
4.3 Normale und anomale Dispersion, Nullstelle 58
VIII Inhaltsverzeichnis
4.4 Auswirkung der Dispersion 60
4.5 Dispersionsoptimierung 63
4.5.1 Gradientenindex Fasern 63
4.5.2 W Fasern 64
4.5.3 T Fasern 66
4.5.4 „Quadruple Clad Fasern 67
4.5.5 Dispersionsverschoben oder dispersionsflach? 68
4.6 Polarisationsmodendispersion 68
4.6.1 Beschreibung der Polarisationsmodendispersion 69
4.6.2 Vermeidung der Polarisationsmodendispersion 70
4.7 „Holey Fibers 72
5 Verluste 75
5.1 Biegeverluste 77
5.2 Andere Verluste 80
5.3 Fasern aus anderen Materialien 81
5.3.1 Fluoride 82
5.3.2 Chalkogenide 82
5.3.3 Hohlkernfasern 83
5.3.4 Kunststoff Fasern 84
III Technische Voraussetzungen der Fasertechnologie
6 Herstellung und mechanische Eigenschaften 87
6.1 Der Werkstoff Glas 87
6.1.1 Historisches 87
6.1.2 Struktur 88
6.1.3 Glasbruch 91
6.2 Die Herstellung von Glasfasern 93
6.2.1 Herstellung der Preform 93
6.2.2 Ziehen der Faser aus der Preform 97
6.3 Mechanische Festigkeit von Glasfasern 99
6.3.1 Neues Glas 99
6.3.2 Verringerung der Festigkeit 100
7 Messung wichtiger Faserparameter 103
7.1 Verluste 103
7.2 Dispersion 104
7.3 Geometrie des Faseraufbaus 108
7.4 Geometrie der Feldverteilung 110
7.4.1 Nahfeldmethoden 111
7.4.2 Fernfeldverfahren 113
Inhaltsverzeichnis IX
7.5 Grenzwellenlänge 115
7.6 Messtechnik mit „OTDR 117
8 Bauelemente der Fasertechnologie 119
8.1 Kabelaufbau 119
8.2 Präparation von Faserenden 121
8.3 Verbindungen 122
8.3.1 Lösbare Verbindungen 122
8.3.2 Feste Verbindungen 125
8.4 Elemente zur spektralen Beeinflussung 127
8.4.1 Fabry Perot Filter 127
8.4.2 Faser Bragg Strukturen 127
8.5 Elemente zur Polarisations Beeinflussung 128
8.5.1 Polarisations Stellglicder 128
8.5.2 Polarisatoren 130
8.6 Richtungsabhängige Elemente 130
8.6.1 Isolatoren 130
8.6.2 Zirkulatoren 132
8.7 Elemente zur Kopplung zwischen Fasern 133
8.7.1 Richtkoppler 133
8.7.2 Wellenlängenabhängige Koppler 136
8.8 Optische Verstärker 136
8.8.1 Verstärker mit aktiven Fasern 138
8.8.2 Halbleiterverstärker 141
8.9 Lichtquellen 141
8.9.1 Licht aus Halbleitern 142
8.9.2 Lumineszenzdioden 142
8.9.3 Laserdioden 143
8.9.4 Faserlaser 148
8.10 Lichtempfänger 149
8.10.1 Prinzip der pn und pin Dioden 149
8.10.2 Materialien 151
8.10.3 Geschwindigkeit 152
8.10.4 Rauschen 152
8.10.5 Lawinendioden 152
IV Nichtlineare Phänomene in Glasfasern
9 Grundlegendes zu den nichtlinearen Prozessen 157
9.1 Nichtlinearität in Fasern vs. .. in bulk 157
9.2 Kerr Nichtlinearität 159
9.3 Aufstellen der Wellengleichung 160
9.3.1 Hüllkurvengleichung ohne Dispersion 160
X Inhaltsverzeichnis
9.3.2 Dispersion berücksichtigt durch Fouriertechnik 162
9.3.3 Die kanonische Wellengleichung: „NLSG 165
9.3.4 Diskussion der Teilbeiträge zur Wellengleichung 166
9.3.5 Dimensionslose NLSG 168
9.4 Lösungen der NLSG 170
9.4.1 Modulationsinstabilität 170
9.4.2 Das fundamentale Soliton 171
9.4.3 Anregung des fundamentalen Solitons 174
9.4.4 Kollisionen von Solitonen 178
9.4.5 Solitonen höherer Ordnung 179
9.4.6 Dunkelsolitonen 181
9.5 Exkurs: Solitonen in anderen Bereichen der Physik 182
9.6 Weitere x (3) Prozesse 184
9.7 Inelastische Streuprozesse 186
9.7.1 Stimulierte Brillouinstreuung 188
9.7.2 Stimulierte Ramanstreuung 193
10 Ein Katalog nichtlinearer Prozesse 197
10.1 Normale Dispersion 197
10.1.1 Spektrale Verbreiterung 197
10.1.2 Pulskompression 198
10.1.3 „Gechirpte Verstärkung 200
10.1.4 Optisches Wellenbrechen 201
10.2 Anomale Dispersion 203
10.2.1 Modulationsinstabilität 203
10.2.2 Fundamentale Solitonen 203
10.2.3 Solitonenkompression 204
10.2.4 Solitonenlaser und Additiv Puls Modenkopplung 205
10.2.5 Pulswechselwirkung 206
10.2.6 Selbstfrequenzverschiebung 208
10.2.7 Langstreckenübertragung mit Solitonen 210
V Technologische Anwendungen der Glasfasern
11 Anwendungen in der Telekommunikation 213
11.1 Grundzüge der Nachrichtentechnik 213
11.1.1 Signale 213
11.1.2 Modulation 214
11.1.3 Abtastung 218
11.1.4 Codierung 220
11.1.5 TDM und WDM 220
11.1.6 RZ und NRZ 222
11.1.7 Störungen 224
Inhaltsverzeichnis XI
11.1.8 Übertragung und Kanalkapazität 227
11.2 Nichtlineare Übertragung 228
11.2.1 Ein einzelner Wellenlängenmultiplex Kanal 229
11.2.2 Mehrere WDM Kanäle 232
11.2.3 Alternierende Dispersion („Dispersionsmanagement ) 234
11.3 Technisches 237
11.3.1 Betriebsüberwachung 237
11.3.2 Augendiagramm 238
11.3.3 Filterung mit Begrenzung des Bitnebensprechens 239
11.4 Telekommunikation: Eine Wachstumsbranche 240
11.4.1 Historische Entwicklung 240
11.4.2 Die Grenzen des Wachstums 245
12 Faseroptische Sensoren 249
12.1 Warum Sensoren? Warum faseroptisch? 249
12.2 Lokale Messungen 251
12.2.1 Druckmessung 251
12.2.2 Hydrophon 251
12.2.3 Temperaturmessung 253
12.2.4 Dosimetrie 254
12.3 Verteilte Messungen 255
VI Anhänge
A Das Dezibel 261
A.l Definition 261
A.2 Absolutwerte 262
A.3 Mögliche Irritationen 262
A.4 Lichtabsorption in dB 263
B Skineffekt 265
C Besselfunktionen 267
C.l Bezeichnungen der verschiedenen Funktionen 207
C.2 Zusammenhänge zwischen diesen Funktionen 26JS
C.3 Rekursionsformeln 208
C.4 Eigenschaften der Jm und A „, 208
C.5 Xullstellen von Jo. ,1 und J2 269
C.6 Abbildung der gängigsten Funktionen 209
D Optik mit Gauß schen Strahlen 271
D.l Warum Gaußstrahlen? 271
D.2 Formeln für Gaußstrahlen 272
D.3 Gaußstrahlen und Glasfasern 274
XII Inhaltsverzeichnis
E Beziehungen für
Sekans Hyperbolicus 275
F Autokorrelationsmessung 277
F.l Messung ultrakurzer Zeiten 277
F.1.1 Korrelation 277
F.1.2 Autokorrelation 278
F.1.3 Autokorrelationsmessungen 279
F. 1.4 Katalog von Autokorrelationsformen 280
Glossar 283
Literaturverzeichnis 289
Stichwortverzeichnis 297
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