Laserdioden, Modulation und optische Kommunikation

Neben Glasfaser und einem optischen Empfänger ist der optische Sender eine der Schlüsselkomponenten jedes Glasfaserkommunikationssystems. Der Sender dient zur Umwandlung eines elektrischen Signals in ein optisches Signal und hat üblicherweise die Form einer LED oder einer Laserdiode – einem Halbleiterbauelement, an dessen Verbindungsstelle ein Laserstrahl erzeugt wird.

Die Fähigkeiten des Senders hängen weitgehend von seinem Design ab. LEDs, die inkohärentes Licht mit großer Spektralbreite erzeugen, sind ineffizient und unterliegen bei der Übertragung über Glasfaser einer Streuung; Aufgrund des einfachen Designs und der geringen Kosten eignen sie sich jedoch für Anwendungen mit geringer Geschwindigkeit über kurze Distanzen, beispielsweise in lokalen Netzwerken (LANs). Sie haben eine Reichweite von etwa einigen Kilometern und Bitraten von 10 bis 100 Mbit/s. Ähnliche Kosten bei verbesserter Funktionalität bieten oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSELs), ein Laserdiodentyp, der in vielen Bereichen LEDs abgelöst hat.

Für andere Arten von Glasfaseranwendungen ist möglicherweise ein robusterer Laserdiodentyp erforderlich. Einer der am häufigsten verwendeten Typen ist der Distributed-Feedback-Laser (DFB), der kohärentes Licht mit einer schmalen Spektralbreite liefert. Sein gerichteter Ausgang lässt sich problemlos in die Glasfaser einkoppeln und sein geringerer Dispersionsgrad eignet sich gut für Anwendungen über größere Entfernungen und höhere Geschwindigkeiten. 

Um Informationen zu übertragen, muss die Lichtausgabe eines beliebigen Senders manipuliert werden. Laserdioden können direkt moduliert werden, indem Strom direkt an das Gerät angelegt wird. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist jedoch die Möglichkeit eines signalverschlechternden Phänomens, das als „Chirp“ bekannt ist und besonders problematisch ist, wenn Daten über große Entfernungen übertragen werden. Daher eignen sich direkt modulierte Laserdioden (DMLs) am besten für Reichweiten von 2 bis 10 km und Geschwindigkeiten von 25 Gbit/s oder weniger.

Für eine größere Reichweite und höhere Geschwindigkeit wird ein externer Modulationsansatz angewendet. Dabei werden der Laserstrahl im Dauerstrich übertragen und Spannungs-Ein-/Ausschaltsignale an einen Elektroabsorptionsmodulator (EAM) angelegt. EAMs eignen sich gut für den Einsatz in der Glasfaserkommunikation, da sie mit niedrigen Spannungen und sehr hohen Geschwindigkeiten betrieben werden können und außerdem Modulationsbandbreiten von mehreren zehn Gigahertz erzeugen. Sie werden typischerweise in Form von Wellenleitern hergestellt – Strukturen, die wie optische Fasern selbst darauf ausgelegt sind, Energie zu sparen, indem sie die Lichtwellenausbreitung einschränken.

Dieses Prinzip kann auch innerhalb einer photonischen integrierten Schaltung angewendet werden, um einen extern modulierten Laser (EML) zu erzeugen. Dieser Gerätetyp kombiniert einen externen Modulator mit einer DFB-Laserdiode (Distributed Feedback) auf einem einzigen Chip.

Es können auch optische Transceiver entwickelt werden, die sowohl Sender als auch Empfänger in einem einzigen Gehäuse vereinen DML- oder EML-Optik. Weitere Informationen zur gesamten Palette optischer Transceiver finden Sie unter Präzisionsoptische Technologien oder Kontaktieren Sie unser Expertenteam.