Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 47

Die Bausteine und Komponenten optischer Netze im Überblick

08.10.2009 | Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Andreas Donner

Schematischer Aufbau einer Leuchtdiode, LED, einer Halbleiter-Strahlungsquelle für optische Netze; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Schematischer Aufbau einer Leuchtdiode, LED, einer Halbleiter-Strahlungsquelle für optische Netze; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels

Dies ist die letzte Folge dieser Grundlagen-Serie zu optischen Netzen. Der Beitrag gibt einen kurzen und prägnanten Überblick über die Bausteine und Komponenten für optische Netzwerke.

In einer ganz frühen Folge dieser Serie habe ich das Thema Lichtwellenleiter bereits gesprochen. Die Dämpfung eines Lichtwellenleiters ist wie bei allen anderen Leitern frequenzabhängig (Wellenlänge des Lichtes). In völligem Gegensatz zu anderen Leitern ist die Dämpfung über die Wellenlänge bei Lichtwellenleitern jedoch nicht linear oder irgendwie exponentiell steigend oder fallend, sondern es gibt vielmehr in Abhängigkeit vom verwendeten Material ausgeprägte Dämpfungsminima und -maxima.

Erstere sind natürlich prädestiniert für die Nachrichtenübertragung, so dass sich die Festlegung des Wellenlängenbereiches für die Übertragung danach richtet. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von so genannten Fenstern, die für die uns interessierenden Komponenten bei 850, 1.300 und 1.550 nm liegen.

Es ist also durchaus nicht jede Strahlungsquelle für ein optisches Übertragungssystem geeignet. Auch die Modulation des Lichtes kann nicht so ohne weiteres vorgenommen werden, sondern muss sich an bestimmten Gegebenheiten orientieren.

Strahlungsquellen

In optischen Datenübertragungssystemen werden in der Regel Halbleiter-Strahlungsquellen eingesetzt, und zwar Lumineszenzdioden und Laserdioden.

Eine Lumineszenz-Diode (Light Emitting Diode, LED) besteht aus einem Halbleiter-Kristall, z.B. Gallium-Arsenid (GaAs), der in zwei Hälften unterteilt ist. Die eine Hälfte ist positiv (p), die andere Hälfte negativ (n) dotiert. Die negative Schicht ist hierbei wesentlich stärker dotiert. Die Lumineszenz-Diode erzeugt im Rahmen einer Spannungsdifferenz an der Grenze der Schichten ein diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem verhältnismäßig großen Winkel abgestrahlt wird. Die Wellenlänge der Strahlung für Gallium-Arsenid (GaAs), einer gebräuchlichen Verbindung, beträgt 850 nm und entspricht einer Lichtstrahlung im infraroten Bereich.

Ferner sind auch Lumineszenz-Dioden erhältlich, die in einem Wellenlängenbereich von ca. 1.300 bis 1.500 nm strahlen. Die mittlere Strahlungsleistung von Lumineszenz-Dioden liegt bei etwa 15 mW. Durch den großen Abstrahlwinkel kann hiervon allerdings nur ein kleiner Teil der Lichtleistung in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Bei Flächenemitter-Dioden, die ihre Energie senkrecht zum pn-Übergang abgeben, beträgt dieser Wert durch den großen Abstrahlwinkel von nahezu 180 Grad im Mittel lediglich ca. 1 mW. Bei Kantenemitter-Dioden, die ihre Strahlung parallel zum pn-Übergang abgeben, kann durch einen schmaleren Austrittswinkel erheblich mehr Lichtleistung in den Lichtwellenleiter eingespeist werden.

Bei einem Halbleiter-Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) tritt aufgrund des Resonatorprinzips kohärentes, d.h. phasengleiches, monochromatisches (einfarbiges) Licht. Hinsichtlich des Lichtaustritts unterschiedet man zwischen Kantenemittern (orthogonal zum pn-Übergang) und Vertikalemittern.

Kantenemitter haben ein elliptisches Strahlprofil, welches die Faserkopplung oder die Kopplung an einen externen Modulator wesentlich erschwert. Außerdem haben sie einen relativ hohen Stromverbrauch und sind auch in integrierter Struktur recht groß. Die Vertikalemitter (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laserdiode) sind hier das bessere Konzept, weil bei ihnen das Licht sozusagen nach oben austritt. Deshalb kann man viele von ihnen auf eine kristalline Struktur integrieren und hat dann leicht abgreif- oder einkoppelbare Lichtstrahlen.

VCSELs werden z.B. auf einem Gallium-Arsenid-.Substrat konstruiert. In Abbildung 4 sieht man über dem Substrat erst einmal eine Reihe von sehr dünnen Schichten. Das sind so genannte Bragg-Reflektoren. Sie haben die Eigenschaft, in Anhängigkeit von der Dotierung bestimmte Lichtwellenlängen zu reflektieren und andere zu absorbieren.

Legt man jetzt viele Bragg-Reflektoren wie in dieser Konstruktion übereinander, entsteht ein Vollspiegel. Über diesem Vollspiegel befindet sich die eigentlich aktive Aluminiumoxid Laserschicht, in der das Licht durch stimulierte Emission erzeugt wird. Über der aktiven Schicht ist wieder eine Ansammlung von Bragg-Reflektoren, die in diesem Fall wie ein Halbspiegel funktioniert. So ist wie bei einem klassischen Rubinlaser die aktive Laserkomponente von einem Voll- und einem Halbspiegel umgeben.

Die Bragg-Reflektoren haben gegenüber einem herkömmlichen Halbspiegel aber noch die zusätzliche Eigenschaft der Filterung, so dass man durch die Dotierung im Rahmen des Fertigungsprozesses die Wellenlänge, in der der VCSEL sendet, genau bestimmen kann. Über dem Halbspiegel liegt ein ringförmiger Kontakt, in dessen Mitte das Laserlicht austreten kann. VCSELs sind auch in verschiedenen anderen Anwendungsbereichen zuhause.

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