Untersuchung eines optischen Halbleiterverstärkers mittels Simulation im Hinblick auf den Einsatz in Systemen

Diplomarbeit aus dem Jahr 1997 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Nachrichtentechnik / Kommunikationstechnik, Note: 1,0, Technische Universität Kaiserslautern (Unbekannt), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Mit einem weltweit stetig zusammenwachsendem Wirtschaftsmarkt einhergehend ist ein ansteigender Informationsaustausch.
Zur Gewährleistung dieses Austausches gewinnt die optische Signalübertragung zunehmend an Bedeutung. Vorteil dieser Form der Übertragung sind die geringe Anfälligkeit gegenüber elektrischen und magnetischen Störungen zum einen, zum anderen sind größere Übertragungsraten im Vergleich zur drahtgebundenen Signalübertragung möglich.
Die Signalübertragung über optische Strecken erfolgt zur Zeit bevorzugt im Wellenlängenbereich um 1.3 mikrom. Vorteil der Verwendung dieser Wellenlängen ist die dort relativ geringe Dispersion von ca. 0.8 - 1 ps/km nm . Die Dispersion beschreibt die zeitliche Veränderung eines das Übertragungsystem durchlaufenden Wellenpaketes. Die Gruppengeschwindigkeit eines Wellenpaketes ist von seiner Wellenlänge abhängig, es zerläuft während seiner räumlichen und zeitlichen Übertragung.
Bei der Übertragung bei Wellenlängen um 1.3 mikrom tritt eine Dämpfung des Signales auf. Diese beträgt ca. 0.4 db/km Übertragungstrecke. Zum Ausgleich dieser Dämpfung müssen die Signale in gewissen Abständen verstärkt werden.
Die meisten sich zur Zeit in Betrieb befindlichen optischen Übertragungssysteme enthalten keine optischen Verstärker. Das Signal, welches durch einen intensitätsmodulierten Sender in die als Übertragungsstrecke verwendete Glasfaser eingekoppelt wird, wird in ein elektrisches Signal gewandelt, dieses wird verstärkt, regeniert, in ein optisches Signal zurückgewandelt und erneut synchronisiert. Die Verstärkung erfolgt im Basisbandbereich. Diese Methode setzt voraus, dass die Modulation nicht mit der Lichtquelle interferiert und dass die Detektoren rauschbegrenzt sind. Falls die Wellenlänge des Signales aufgrund von Schwankungen während der Impulsdauer nicht konstant bleibt, tritt ein Problem bei der Synchronisation der Modulation dieses Signales auf.
Um diese Problematik zu umgehen, können optische Halbleiterverstärker verwendet werden.
In dieser Arbeit werden sie mit OSA für Optical Semiconductor Amplifier bezeichnet. Durch Verwendung der OSA entfällt die Modulation und somit die Problematik der Synchronisation. Dies ermöglicht des weiteren eine gleichzeitige Übertragung von Signalen mit unterschiedlichen Modulationsarten. Die reine optische Verstärkung ermöglicht weiterhin die Verstärkung von sehr hohen Frequenzen.
Ein OSA wandelt elektrische Energie, Strom, in optische Energie, Photonen, um. Der OSA verstärkt mit Hilfe der stimulierten Emission Signalwellen, welche die aktive Schicht durchlaufen. Dabei stimulieren die eingestrahlten Signalphotonen das aktive Medium zur Aussendung von weiteren Photonen mit gleicher Richtung, Phase und Frequenz. Diese neuen Photonen regen dann ihrerseits die Aussendung weiterer Photonen an, so daß die Intensität der Signalwellen beim Durchlauf durch das aktive Medium exponentiell anwächst. Zum Erreichen der stimulierten Emission ist eine Inversion der Energieniveaus notwendig. Inversion bedeutet, dass das energetisch höhere Niveau (Leitungsband) der Atome des Halbleiters innerhalb der aktiven Schicht mehr Elektronen enthalten muss als das darunter energetisch tieferliegende Niveau des Grundzustandes (Valenzband). Erreicht wird diese Inversion durch Anlegen einer einen Pumpstrom bewirkenden Spannung.
Zusätzlich zur stimulierten Emission tritt die spontane Emission auf. Diese spontane Emission ist ein nicht zu vernachlässigender Störeffekt. Sie trägt ebenfalls zur Verstärkung bei, jedoch kommt es hierbei zu einer inkohärenten Verstärkung. Auch Photonen mit keiner festen Phasen und Amplitudenbeziehung zur ...