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Ein reflektiver elektrooptischer Transceiver für die optische HF-Übertragungstechnik mit Multimodenfasern

Möllers, Ingo

Künftige hoch entwickelte Kommunikationssysteme sollen nicht nur zuverlässig hohe Datenraten transportieren können. Der zunehmende Bedarf an „überall und zu jeder Zeit“ verfügbaren Datenverbindungen in flexiblen Kommunikationssystemen, mit denen zudem verschiedenste Daten und Services transportiert werden sollen, können durch eine Konvergenz von kabelgebundenen und funkbasierten Systemen gerade in Zugangsnetzen und lokalen Netzwerken befriedigt werden. Aufgrund von geringen Stück- und Installationskosten sowie hohen Bandbreiten ist besonders die Multimodenfaser (MMF) ein viel versprechendes Medium zur Übertragung von Funksignalen speziell in Kurzstrecken-Faser-Funk-Netzwerken. Dabei können neue multifunktionale optoelektronische Bauteile für Systeme mit MMF die Flexibilität und die Konvergenz dieser Netzwerke erhöhen und verbessern. In dieser Dissertation wird ein neuartiger reflektiver elektrooptischer Transceiver (REOT) für die optische Übertragungstechnik mit MMF mit dem Ziel entwickelt, als bidirektionale Komponente schnelle elektro-optische Schnittstellen in MMF-Funk-Basisstationen zu ermöglichen. Als Integration eines wellenlängenselektiven und gezielt transparenten, reflektiven Modulators als Sender (Transmitter) und einer Photodiode als Empfänger (Receiver) wird ein Transceiver realisiert, der im Wellenlängenmultiplex eine zeitgleiche bidirektionale (voll-duplex) Übertragung über nur eine MMF ermöglicht. Der vertikale Aufbau des Transceivers kombiniert die Vorteile einer einfachen Faser-Chip-Kopplung mit einer kostengünstigen Herstellung. Das Design basiert auf Simulationen zum elektro-optischen Verhalten der Schichtstruktur. Der Herstellungsprozess mit photolithographischer Strukturierung und Kontaktierung wird detailliert beschrieben. Der Transceivers wird auf Bauteilebene über die statischen und dynamischen elektrischen und elektro-optischen Eigenschaften sowie in analogen optischen Links mit MMF anhand der Übertragungsfähigkeit des Systems charakterisiert. Auf Grundlage dieser Analysen wird nachgewiesen, dass mit dem Transceiver eine Übertragung standardisierter Funksignale für Zugangsnetze und lokale Netzwerke in Faser-Funk-Systemen mit MMF aus Glas und Polymer unterschiedlicher Längen übertragen werden können. Zudem wird erfolgreich gezeigt, dass auch im passiven Betriebsmodus, d.h. in einem Arbeitspunkt des Elektroabsoptionsmodulators von 0V, viele dieser standardisierten Funksignale mit einem optischen MMF-Übertragungssystem mit REOT optisch übertragen werden können. Darüber hinaus wird die Funktionsweise als Voll-duplex-Transceiver demonstriert. Vorausblickend wird ein Einbau des REOTs in eine LTCC-basierte Basisstation konzipiert.

Future advanced communication systems are not only expected to provide high bit rates and reliability. With the increasing demand for “everywhere and anytime” available data connec-tion and on communication systems being highly flexible and capable of transmitting multi-service data, the convergence of fixed and wireless communication systems for access and local area networks is supposed to satisfy these demands. Due to low component and installa-tion costs together with high available bandwidth, especially multimode fiber (MMF) optic systems show promise on transmitting radio signals and serving wireless base stations in short range fiber wireless infrastructure. In particular novel multi-functional optoelectronic devices especially designed for MMF systems will enhance the system flexibility and this conver-gence. In this dissertation a unique reflective electro-optic transceiver (REOT) for optical transmis-sion technology using MMFs is developed with the scope of creating a bi-directional compo-nent for high-speed opto-electrical interfaces such as MMF-wireless base stations. By verti-cally integrating a wavelength selective and partially transparent reflective modulator as transmitter and a photodiode as receiver, the sophisticated transceiver is designed for wave-length division multiplexing (WDM) technique and enables full-duplex transmission – namely bi-directional transmission at the same time – via only one MMF. The vertical integration of the transceiver combines the advantages of easy fiber-chip coupling and low-cost fabrication. The transceiver layout is based on simulations of the layer structure and its resulting electro-optical response. The fabrication process containing the photolithographic structuring and contacting is described in detail. The transceiver is being characterized in terms of the static and dynamic electrical and electro-optical properties and its performance in analog optical links using MMF. Based on these analyses the transceiver is used in radio-over-fiber (RoF) systems with various types and lengths of multimode glass and polymer optical fibers demonstrating its capability of trans-mitting standard wireless access and local area network signals. It is successfully shown that even in passive operation mode at an operating point of 0 V bias voltage of the electro-absorption modulator various wireless standard signals can optically be transmitted using the REOT in a MMF transmission system. In addition, the full-duplex functionality of the REOT is demonstrated. And finally, an assembly of the transceiver into new LTCC-based fiber-wireless base stations is envisaged.

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Möllers, Ingo: Ein reflektiver elektrooptischer Transceiver für die optische HF-Übertragungstechnik mit Multimodenfasern. 2012.

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