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Diplomarbeit
Das Ziel meiner Diplomarbeit war, die Beschreibung und Erstellung eines Halbleiterlaserverstärkermoduls für "Lucent Technologies", als eine Erweiterung des Simulationsprogramms DICSi (Digital Communication Systems Simulations). Die Arbeiten wurden in der Interpretersprache MATLAB durchgeführt. Für rechenzeitaufwendige Programmteile wurde die Programmiersprache C verwendet.
In der Diplomarbeit wurden mehrere einfache sowie auch ein genaueres mathematisches Modell für einen Hableiterlaserverstärker vorgestellt. Die einfachen Modelle berücksichtigen die Sättigung der Verstärker, die Selbstphasenmodulation wegen zeitlichen Änderungen des Gewinns und das Rauschen der Verstärker. Bei dem genaueren Modell werden zusätzlich berücksichtigt die Orts- und Temperaturabhängigkeit des Gewinns, die vielfache Reflexion an der Vorder- und Rückseite der Verstärker, die inneren Verstärkerverluste sowie der Beitrag der verstärkten spontanen Emission zur Sättigung der Verstärker.
Es wurden insgesamt zwei einfache Wanderwellenverstärkermodelle und ein resonantes Halbleiter- laserverstärkermodell für Kleinsignalbetrieb in MATLAB sowie auch in C programmiert. Die Erstellung von sogenannten MEX-Files (C-Programmteile welche in MATLAB direkt aufrufbar sind) hat sich in der Diplomarbeit gelohnt, da gegenüber der Programmierung in MATLAB, eine Verbesserung der Rechenzeiten um etwa Faktor 20 festgestellt werden konnte.
Für die Überprüfung der implementierten Verstärkermodellen wurde eine Näherungslösung verwendet. Ein Vergleich zwischen Simulation und Messung wurde auch verfolgt. Die Simulationsergebnisse wurden mit Meßergebnissen von dem Experiment an der Technischen Universität Eindhoven (Juli 1996) verglichen. Es konnten durch Simulation ähnliche Zeitverläufe und Augendiagramme wie in der Messung simuliert werden.
Es wurden etliche Übertragungsstrecken mit mehreren Halbleiterlaserverstärkern aufgebaut und untersucht. Dabei wurde hier auch die damals noch bevorstehende Demonstrationsstrecke (für die "CeBit 97") zwischen Kassel-Hannovernäher untersucht.
DICSi
DiCSi ist ein Simulation Tool unter MATLAB mit zahlreichen Modulen, und eignet sich zur Simulation von digitalen Übertragungssystemen. Ein Simulationsmodell kann aus mehreren Modulen zusammengesetzt werden. Jedes Simulationsmodell kann in einer graphischen Benutzeroberfläche durch ein Blockschaltbild erstellt werden. Die benötigten Module können mit Hilfe der Tastatur oder durch einfache Mausbedienung gewählt werden. Die Module für DiCSi sind meist MATLAB-Funktionen aber der Anwender kann seine eigenen Module auch in C oder FORTRAN programmieren. Ein wichtiger Vorteil von DiCSi ist dass alle vordefinierten MATLAB-Funktionen und graphischen Hilfsmittel zur Verfügung stehen. Wegen dem Block orientierten Aufbau, können DiCSi Module im Prinzip beliebig lange Signale verarbeiten.
Beispiel eines mit DiCSi erzeugten Blockschaltbildes:
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Optische Verstärker
Die Übertragungslänge eines optischen Übertragungssystems ist begrenzt durch die Dispersion und Dämpfung der Fasern auf der Übertragungsstrecke. Eine Möglichkeit, die Übertragungslänge zu vergrössern ist die Anwendung von sogenannten Repeatern. Ein Repeater besteht aus einem Empfangsteil, welches das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt und einem Sendeteil, welches das elektrische Signal verstärkt und danach wieder in ein optisches Signal umwandelt. Die Anwendung von Repeatern kann eine sehr kostenintensive Angelegenheit werden. Eine zweite Möglichkeit die Übertragungslänge zu vergrössern, ist die Verwendung von optischen Verstärkern. Diese können das Licht direkt verstärken ohne vorherige Umwandlung in ein elektrisches Signal. Das Prinzip optischer Verstärker ist ähnlich wie das eines Lasers; das Licht wird durch spontane Emission verstärkt.
Einige Arten von optischen Verstärkern sind: der Halbleiterlaserverstärker, der Raman-Verstärker, der Brillouin Verstärker, der Erbium dotierte Faserverstärker (EDFA), der praseodymdotierte Faserverstärker (PDFA) u.a. Die Raman- und Brillouin-Verstärker basieren auf den zwei nichtlinearen nichtelastischen Streuungseffekten, bekannt als Raman- und Brillouin-Streuung. EDFA-Verstärker sind ideale Komponenten eines optischen Übertragungssystems bei einer Wellenlänge 1550 nm. Viele Anwendungen (Videoübertragung und LAN) erfordern eine Wellenlänge nahe bei 1330 nm (in der Nähe der Dispersionsnullstelle). Für die Übertragung im Wellenlängenbereich bei 1300 nm bieten sich zwei Möglichkeiten zur optischen Signalverstärkung, und zwar entweder ein PDFA-Verstärker oder ein Halbleiterlaserverstärker.
Der prinzipielle Aufbau eines Halbleiterlaserverstärkers:
       graphic                                         
Ein Halbleiterlaserverstärker besteht aus einem aktiven Streifenwellenleiter welcher zwischen zwei Spiegeln mit den Reflexionsfaktoren R1 und R2, eingebettet ist. Grundsätzlich können Halbleiterlaserverstärker in zwei Typen eingeteilt werden:
 - Wanderwellenverstärker
 -resonante Verstärker
Man spricht von Wanderwellenverstärkern wenn die Reflexionsfaktoren der Vorder- und Rückseite R1=R2=0. Anderenfalls für R1 != 0 und R2 != 0 spricht man von resonanten Verstärkern. Die Spiegel bewirken in diesem Fall eine Rückkopplung des Ausgangssignals zum Eingang wodurch der Gewinn des Verstärkers beeinflusst wird. In der Praxis gibt es keine idealen Wanderwellenverstärker aber trotzdem spricht man von Wanderwellen- verstärkern wenn die Reflexionsfaktoren R1,R2 < 10^(-4).
Die Anwendungsgebiete optischer Verstärker sind umfangreich. Optische Verstärker werden z.B. als Leistungsverstärker auf der Sendeseite oder als Vorverstärker auf der Empfängerseite eingesetzt. Um die Dämpfungsverluste auf Fasern zu kompensieren werden optische Verstärker als Zwischenverstärker ("in-line"-Verstärker) benutzt. Wegen der Bidirektionalität von optischen Verstärkern sind diese auch in lokalen Netzen geeignet (sogenannte "LAN" Verstärker).
Optische Verstärker sind zukünftige vielversprechende Komponenten für optische Nachrichtensysteme.
 
Strecke Kassel-Hannover
Einige Untersuchungen zur optischen Übertragung auf der Strecke "Kassel-Hannover" berücksichtigen einen in der Praxis erwünschten Fall, und zwar wünscht man es sich, möglichst nicht viel an den Einstellungsmöglichkeiten der Verstärker zu drehen. Wir werden hier als Beispiel den Fall, in welchem alle Zwischenverstärker den gleichen Gewinn erzeugen, untersuchen. Es wurde eine optische Übertragung bei der Wellenlänge von 1312 nm simuliert mit Gauss-Pulsen der Dauer 40 ps, Extinktionsfaktor von 10 % und Spitzenleistung von 25 mW. Die Rauschzahl der Zwischenverstärker wurde 8,5 dB, "Henry"-Faktor wurde 5 und die maximale Frequenzabweichung (Laserchirp) wurde 40 GHz gewählt. Es wurde mit einer Abtastfrequenz von 5,12 THz simuliert, um eine realistische Modellierung des Rauschens zu erreichen.
Es wurden verschiedene Streckenkonfigurationen aufgebaut und untersucht. Es wurden eine Konfiguration mit 4, 5 bzw 6 Verstärkern simuliert. Unten in der Abildung ist das DiCSi Blockschaltbild für eine Konfiguration mit 5 Verstärkern dargestellt. Der maximale Gewinn aller Zwischenverstärker wurden 12 dB gewählt. Dabei wurden hier 3 dB Verluste an jeder Anschlussseite des Verstärkers schon berücksichtigt.
    graphic                                                           
Die simulierte Leistung auf der gesamten Strecke Kassel-Hannover:
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Simulierte Augendiagramme vor und nach dem Empfänger:
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