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

Diplomarbeit von Götz Körschen

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 Signalwelle haben am Vorgang der Verstärkung Anteil. Die ursprüngliche Signalform wird dadurch in Betrag und Phase verändert, Rauschen tritt auf.

Die bestehenden optischen Übertragungstrecken können bei Verwendung von Signalen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Wellenlängenmultiplex, Wavelength Division Multiplex, WDM) bzw. Frequenzen betrieben werden. Dies bedeutet eine Mehrfachnutzung einer Strecke und eine Kapazitätserweiterung bestehender Strecken. Gleichzeitig bedeutet dies eine Senkung der relativen Betriebskosten pro Übertragungskanal.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Halbleiterverstärker	3
2.1	Aufbau	3
2.1.1	Dotierungsarten	3
2.1.2	Der pn-Übergang	5
3.	Mathematische Beschreibung der Verstärkung	8
3.1	Die Parameter der Ratengleichung	9
3.1.1	Der Diffusionskoeffizient	9
3.1.2	Die Rekombinationsrate	11
3.1.3	Die Ladungsträgerlebenszeit	12
3.1.4	Der Confinement- oder Führungsfaktor	13
3.1.5	Der Verstärkungsfaktor g(N)	15
3.1.6	Die Sättigungsenergie und die Sättigungsleistung	17
3.2	Herleitung der Ratengleichung	19
4.	Die Maxwellschen Gleichungen	25
5.	Das spontane Emissionsrauschen	35
5.1	Auswirkungen der spontanen Emission	35
5.2	Mathematische Beschreibung des spontanen Emissionsrauschens	35
5.3	Die Bestimmung der Rauschleistung	36
6.	Die Simulation eines OSA	42
6.1	Der Sender	42
6.1.1	Modulationsarten	42
6.1.2	Signalformen	43
6.1.3	Technik für WDM	47
6.2	Der optische Halbleiterverstärker	48
6.2.1	Beschreibung des Rauschens	50
6.3	Der Empfänger	52
7.	Die Ergebnisse der Simulation des OSA	53
7.1	Auswirkung der Verstärkung	53
7.1.1	Die Amplitude des Photostromes bei unterschiedlicher Verstärkung	54
7.1.2	Die Auswirkung der Verstärkung auf die spektrale Verteilung der Energie	55
7.1.3	Die Auswirkung der Verstärkung auf die Phase	56
7.1.4	Die Auswirkung der Verstärkung auf die spektrale Verteilung der Phasenänderung	57
7.2	Die Auswirkung der Sättigungsenergie	58
7.2.1	Die Auswirkung der Sättigung auf die Amplitude	58
7.2.2	Die Auswirkung der Sättigung auf die Phasenänderung	59
7.3	Das Verhalten des OSA im Betrieb mit WDM	60
7.4	Der Einfluss des spontanen Emissionsrauschens	61
7.4.1	Der Einfluss des spontanen Emissionsrauschens auf die Amplitude	62
7.4.2	Die Auswirkung des spontanen Emissionsrauschens auf die spektrale Verteilung der Energie der Impulse	64
7.4.3	Die Auswirkung des Rauschens auf die Phasenänderung	65
7.4.4	Die Auswirkung des spontanen Emissionsrauschens auf die spektrale Verteilung der Phasenänderung	66
7.5	Der Chirp	67
7.5.1	Der Chirp eines Solitonen-Impulses	67
7.5.2	Der Chirp eines Gauss-Impulses	68
7.5.3	Der Chirp eines NRZ-Signales	69
7.6	Der Vergleich der Signale hinsichtlich der Frequenzverschiebung	71
7.7	Die gleichzeitige Verstärkung unterscheidlicher Signalformen	72
7.7.1	Die Auswirkung der nicht synchronen Übertragung auf die Impulsleistung	73
7.7.2	Die Auswirkung der nicht synchronen Übertragung auf die Phase	74
7.7.3	Die Auswirkung der nicht synchronen Übertragung den Chirp	74
7.8	Die Auswirkung der Frequenzabhängigkeit der Verstärkung	75
7.8.1	Die Auswirkung der Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bei 4 Kanälen	76
7.9	Die Verstärkung eines NRZ-Signales	78
8.	Zusammenfassung	80
9.	Anhang	82
9.1	Protokoll des Programmes der Simulation unter Verwendung der Amplitude der Impulse	82
9.2	Die Simulation unter Verwendung der Impulsleistung	119
10.	Literatur	141