Hochfrequenztechnik (Medical Engineering)

Current fiber optic backhaul systems using linear transmission formats are expected to reach the capacity limit due to the fiber’s inherent Kerr nonlinearity in near future. Nonlinear transmission formats, able of integrating this effect into signal design, are a promising approach to extend the capacity imitation. The Nonlinear Fourier Transformation as an extension of eigenvalue communication using coherent transmission technology enables such a nonlinear transmission format and provides two different kinds of spectra, a continuous and a discrete one. Different theoretical assumptions as prerequisites of the integrability of the nonlinear Schrödinger equation like a lossless and noisefree transmission are violated in realistic transmission setups. Therefore, the influences of fiber attenuation and amplifier noise of different fiber and amplifier configurations are investigated in simulations and experiments. The discrete spectrum with a variable number of eigenvalues and related discrete spectral amplitudes is used for transmission applying different modulation schemes, partly using polarization multiplexing. Design parameters for the different modulation formats are chromatic dispersion, the effective nonlinearity of the fiber and limited resolution and bandwidth of the transmitter and receiver components. A setup based on a recirculating fiber loop to evaluate different transmission distances of the signal is used for experiments. The fiber section within the loop consists of the optical fiber span and different optical amplifiers for loss compensation. Discrete or lumped amplification was realized with an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) after each fiber span while alternatively distributed Raman amplification using the first Stokes order with co- and counter-propagating pump waves was applied. The usage of counter-propagating Raman amplification significantly improved the transmission quality and extended the transmission range compared to the EDFA. A further reduction of the signal power variation along the fiber span results from bi-directional Raman amplification and is expected to result in superior performance. Transmission experiments using a commercial off-the-shelf Raman amplifier and a prototype led to a severe degradation of the transmission quality. The well-established model for relative intensity noise (RIN) transfer between pump waves and signal falls short as it does not take all nonlinear effects of the pump waves into account. Measurements of the evolution of the pump spectra can be explained by an influence of modulation instability. Real transmissions in fiber optic systems are affected by loss and noise leading to a coupling between the nonlinear modes of the discrete spectrum and additionally to the continuous spectrum. The interactions were investigated in simulations of different amplifier configurations and verified experimentally for counter-propagating Raman amplification. The usability of these interactions for integration in equalizers was investigated as well as their influence on the choice of coding schemes. In this doctoral thesis the possible benefits of the application of distributed amplification were validated. At the same fundamental challenges for the realization of the theoretically presumed ideal Raman amplification, leading to a uniform signal power distribution along the fiber span, using prevalent telecommunication equipment are identified. Therefore, a consideration of the signal power variation of these nonlinear transmission formats is required in future as well. Depending on the modulation format transmission up to 20 Gbps and range up to 5030 km were realized proving the ability of this transmission format, resting upon a balance of dispersion and nonlinear effects, to extend the capacity of existing fiber optic backhaul systems.

Public key cryptography is a cornerstone of today’s private communication. As quantum computing is a major threat for the privacy of public key cryptography, the development of appropriate alternatives is of critical importance. One promising alternative to achieve security against quantum computer attacks is symmetric encryption, whereby the secret key is established using quantum key distribution (QKD). Especially interesting for a wide application are continuous-variable QKD (CV-QKD) systems, as these can potentially be implemented using standard components of coherent optical communications. However, a major challenge for implementing CV-QKD is to achieve phase noise mitigation of the optical quantum signal with a received power of less than 1 photon per symbol. In this thesis, two different approaches for implementing CV-QKD systems and to overcome this challenge are proposed and investigated. To achieve phase noise mitigation, a key element of both systems is the use of Bayesian inference methods in the digital signal processing. Both systems rely on standard components and are therefore promising for a practical implementation. Based on the experimental results, the suitability for CV-QKD is confirmed, limiting factors are identified and the achievable performance is discussed. Additionally, the compatibility of CV-QKD with existing optical networks is investigated based on system experiments with a CV-QKD channel embedded in a commercial C band WDM system.

Die Dissertation beschäftigt sich mit dem Ansatz der optischen Signalentzerrung durch ein Delay-Line-Filter, das als planare Wellenleiterstruktur realisiert wurde. Aufbauend auf den Erkenntnissen serieller Filterstrukturen erweitert der hier untersuchte Ansatz die Flexibilität im Filterdesign durch die Einführung von paralleler Signalverarbeitung. Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Möglichkeiten und Grenzen dieses neuartigen Ansatzes zur adaptiven Kompensation von chromatischer Dispersion. Neben theoretischen Analysen und Simulationen zum Filterverhalten wurde ebenfalls die Realisierung der entworfenen Struktur in Silicon-on-Insulator vorgestellt. Die Struktur der Arbeit gliedert sich wie folgt: Einleitend wird der Einfluss der Pulsverzerrung im optischen Übertragungssystem angesprochen und die Auswirkung von chromatischer Dispersion auf das Datensignal untersucht. Eine Möglichkeit der Kompensation der Entzerrung kann mit Hilfe eines Finite-Impulse-Response Filters erfolgen, dessen Aufbau und Wirkungsweise beschrieben wird. Die such anschließenden Kapitel beinhalten darüber hinaus Ausführungen zum Einsatz des Filters im WDM-System, die Herangehensweisen zur Bestimmung der Filterkoeffizienten sowie eine Untersuchung zu den Möglichkeiten und Grenzen der Entzerrung mit einem Finite-Impulse-Response Filter geringer Ordnung. Das darauffolgende Kapitel behandelt die Umsetzung des Finite-Impulse-Response-Filters in optischer, planarer Filterstruktur in Silicon-on-Insulator. Es werden die Grundbausteine des Filters vorgestellt, sowie auf den Effekt der Doppelbrechung eingegangen. Da mehrere Möglichkeiten existieren, wie ein Filter mit einer festgelegten Ordnung zusammengesetzt werden kann, müssen die verschiedenen Varianten bezüglich ihrer Robustheit und Anfälligkeit untersucht werden. Hieran schließt sich die Vorstellung der schrittweisen Realisierung der ausgewählten Variante der planaren Struktur an. Neben Ausführungen zum Design und Layout beinhaltet dieser Abschnitt Untersuchungen zum charakteristischen Verhalten der Filterschaltung sowie Analysen der Performance als Entzerrer von chromatischer Dispersion. Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing ist eine spezielle Form der Mehrkanal-Modulation und wird bereits seit langer Zeit in der digitalen Datenübertragung eingesetzt. Durch die steigende Nachfrage nach Übertragungssystemen mit einer hohen spektralen Effizienz wurde damit begonnen, diesen Ansatz auch für die optische Übermittlung zu nutzen. Das sich hiermit befassende Kapitel stellt diesen Ansatz zunächst vor und erläutert anschließend die Motivation einer optischen Realisierung des Multi- und Demultiplexers, die zur Erzeugung und Auftrennung des Mehrkanalsignals notwendig sind. Hierauf folgen Anmerkungen zur prinzipiellen Wirkungsweise eines optischen Finite-Impulse-Response-Filters zur Realisierung eines Demultiplexers. Die Entwurfsschritte zur Verknüpfung der Filtergrundelemente und Wahl der Parameter für das Design einer rein-parallelen Filterstruktur werden dargelegt. Da sich auch in diesem Fall hieraus verschiedene Demultiplexerstrukturen zur Auftrennung eines OFDM-Signals ergeben, beinhaltet die Dissertation ebenfalls eine Vergleichsanalyse der aufgezeigten Varianten zur Untersuchung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede bezüglich verschiedener Faktoren. Hierzu gehören die Analyse des Energieverbrauches, der Vergleich der Komplexität jedes Filteransatzes, sowie die Auswirkung von Phasen- und Betragsabweichungen in den Koppelelementen der Filterstruktur. Eine Korrektur der Phasenoffsets auf den Wellenleitern wird angesprochen. Die exemplarische Realisierung eines 8-Kanal-Demultiplexers in Silicon-on-Insulator wird ebenfalls vorgestellt. Anhand der Charakterisierung des Übertragungsverhaltens wird in einer Simulation auf die Performance als Demultiplexer geschlossen. Somit umfasst die Arbeit eine umfangreiche Ansammlung von Analysen und Untersuchungen zum Design und dem Verhalten planarer Filterstrukturen für den Einsatz in hochbitratigen Übertragungssystemen.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die theoretische und experimentelle Untersuchung von zeitvarianten optisch induzierten DBR-Filtern auf halbleiterbasierten Koplanarleitungen für den Mikro- und Millimeterwellenbereich. Im Vordergrund der Untersuchungen stehen dabei, als Weiterentwicklung von statischen zeitinvarianten Wellenleitergittern, die Ermittlung und Analyse der Eigenschaften und Möglichkeiten dynamischer zeitveränderlicher DBR-Gitter, und diesjeweils theoretisch quantitativ als auch experimentell. --- Es werden die theoretischen Grundlagen optisch induzierter Wellenleitergitter hergeleitet und um eine Analyse auf Basis des aus der Mikro- und Millimeterwellentechnik bekannten Streuparameter-Konzeptes ergänzt. Es folgt eine grundlegende Darstellung der prinzipiellen Möglichkeiten der Zeitvarianz optisch induzierter DBR-Filter, wobei der Fokus auf zwei Varianten gelegt wird, die auf der Basis bewegter Filtermasken eine zeitliche Veränderung der Filterparameter ermöglichen. --- Zum einen wird eine räumliche Änderung einer Konstantgitterstruktur in longitudinaler Richtung in oder entgegen der Wellenausbreitungsrichtung zur Erzeugung eines Dopplereffektes initiiert. Nach einer kurzen Herleitung der Grundlagen des Dopplereffektes von Mikrowellensignalen in Koplanarleitungen, werden im Folgenden ausführlich die besonderen Effekte eines sich longitudinal bewegenden lichtinduzierten Plasmagitters im Halbleiter einer koplanaren Wellenführungsstruktur analytisch behandelt. Hierbei wird im Besonderen der Einfluss auf den Doppler-Reflexionsfaktorverlauf herausgearbeitet, indem die Theorie sukzessive von einem idealisierten abrupten Plasmaprofil über ein verlustbehaftetes abruptes Plasmagitter hin zu einem realen verschliffenen Plasmaprofil in Abhängigkeit der Trägerlebensdauer des Halbleitermaterials entwickelt wird. Die Abhängigkeit von der Maskengeschwindigkeit eines späteren experimentellen Aufbaus findet in der Analyse bereits Berücksichtigung. --- Des Weiteren wird die Variation der Gitterperiode dazu genutzt, ein DBR-Filter bezüglich seiner Filtermittenfrequenz abstimmbar zu machen. Basierend auf der Verwendung von symmetrischen und asymmetrischen Fächerspaltmasken werden die Eigenschaften transversal bewegter DBR-Filtermasken untersucht, wobei im Speziellen die zeitlichen und räumlichen Effekte von schrägstehenden Plasmadiskontinuitäten auf den Reflexionsfaktorverlauf sowie die Filterparameter wie Filtermittenfrequenz und -bandbreite im Detail diskutiert werden. --- Eine messtechnische Charakterisierung der verwendeten Koplanarleitungen sowie eine Gegenüberstellung verschiedener koaxialer und planarer Kalibrierverfahren leiten den praktischen Teil dieser Arbeit ein. --- Folgend wird der Aufbau eines Doppler-DBR-Filtermessplatzes skizziert und die Messergebnisse Doppler-verschobener Reflexionssignale mit den theoretischen Analysen verglichen. --- Die Vorstellung eines vollautomatisierten DBR-Filtermessplatzes zur Charakterisierung frequenzveränderlicher DBR-Filter schließt sich an, wobei die Darstellung der Messergebnisse anhand von dreidimensionalen Kennlinienfeldern des Reflexionsfaktorbetrages in Abhängigkeit von verschiedenen Maskentypen und Maskengeschwindigkeiten eine anschauliche Verifizierung der analytisch ermittelten Ergebnisse ermöglicht. --- Die Arbeit schließt mit einem Vorschlag einer industriell nutzbaren Variante einer DBR-Filterbaugruppe zur einfachen Integration in höchstfrequente Mikro- und Millimeterwellenschaltungen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung breitbandiger Sendeantennen auf Schiffen im erweiterten HF-Band (2-30MHz). Die breitbandige Widerstandsanpassung dieser Fächerdrahtantennen soll durch den Einsatz einer verteilten Bedämpfung verbessert werden. Hierbei werden zunächst allgemeine theoretische Aussagen zur Verwendung und Auswirkung einer ohmschen Bedämpfung bei Monopolantennen getroffen. Dazu wird ein semi-analytisches Verfahren zur exakten Berechnung von Stromverläufen entlang Linearantennen vorgestellt. Dieses bereits bekannte auf einer Fourier-Reihenentwicklung des Stromverlaufes entlang der Antenne basierende Verfahren weist Fehler und Probleme auf, die eine Verwendung verhindern. Diese Probleme und Fehler werden in dieser Arbeit gelöst und das Berechnungsverfahren wird erweitert, sodass die Berechnung von Stromverläufen entlang Antennenleitern mit beliebiger Bedämpfungsverteilung durchgeführt werden kann. Mithilfe der erarbeiteten erweiterten Theorie werden allgemeine Untersuchungen zur Auswirkung verschiedener Widerstandsbelagverteilungen auf die Eingangsadmittanz einer Monopoldrahtantenne untersucht. Die Theorie erlaubt dabei aufgrund der Struktur des Berechnungsverfahrens die Berechnung sehr vieler Widerstandsbelagverteilungen und somit eine systematische statistische Auswertung. --- Des Weiteren wird eine grundlegende Betrachtung der HF-Schiffsantennen durchgeführt, um die Anforderungen an solche Antennen zu formulieren. Im Anschluss daran wird der Einfluss einer Schiffsstruktur auf die Eingangsadmittanz der Fächerdrahtantenne exemplarisch für ein generisches Schiffsmodell schrittweise mithilfe von 3D-Feldsimulationen untersucht. Dabei wird analysiert, welche Teile des Schiffes einen relevanten Einfluss auf die Eingangsadmittanz und damit auf die Widerstandsanpassung haben. --- Es folgt dann, zunächst exemplarisch für ein generisches Schiffsmodell, die Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens für die Optimierung einer HF-Sendeantenne auf einem Schiff. Dabei werden aus der Betrachtung der einfachen Monopolantenne resultierende Ergebnisse und ein vereinfachtes Modell des Schiffes, das aus der Analyse der Antennen- und Schiffsstruktur gewonnen wurde, herangezogen, um die Bedämpfung der Fächerdrahtantenne für das generische Schiffsmodell zu optimieren. Alle durchgeführten Schritte werden letztlich zu einem allgemeinen Verfahren zur Optimierung von Fächerdrahtantennen auf Schiffen zusammengefasst. --- Die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen und der Simulationen mit dem Schiffsmodell werden an ausgewählten Beispielen experimentell überprüft. Dazu wird ein neues Verfahren zur Herstellung von kleinen, maßstabsgetreu skalierten Schiffsmodellen vorgestellt, welche die Verifizierung der Simulationsergebnisse durch Messungen in einer Absorberkammer ermöglichen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der theoretischen und experimentellen Untersuchungen von optoelektronisch gesteuerten DBR-Filtern auf Silizium-Quarz-Bildleitungen im MMW-Bereich. Nach der Einleitung erfolgt eine Erklärung der Funktionsweise optisch induzierter und damit optisch steuerbarer DBR-Filter auf Basis einer dielektrischen Bildleitung, die entweder vollständig oder nur teilweise aus optoelektronisch steuerbarem Halbleitermaterial besteht. Die Erläuterung findet anhand eines Modells lichtinduzierter Wellenleitergitter statt. Die in diesem Zusammenhang notwendige Diskussion über den Einfluss der Ladungsträgerdiffusion im Halbleitermaterial wird zunächst für vertikale Beleuchtung geführt. Die stark inhomogene, von Diffusionseffekten geprägte stationäre transversale, optisch induzierte Photoladungsträgerverteilung im Halbleitermaterial wird durch die ambipolare dreidimensionale Diffusionsgleichung beschrieben. Dabei ist die x-gerichtete Diffusion vernachlässigbar. Im Gegensatz hierzu müssen die Diffusionen in y- und z-Richtung berücksichtigt werden. Für die Diffusion in y-Richtung, die für geschichtete Bildleitungen und auch Vollsubstratbildleitungen untersucht wird, ist unter bestimmten Voraussetzungen die Verwendung eines homogenen Modells erlaubt. Auf Basis des diffusionskontrollierten Impedanz-Stufenprofilmodells, welches erstmalig in die Theorie der Bildleitung implementiert wird, findet die Berücksichtigung der Ladungsträgerdiffusion in z-Richtung statt. Im nächsten Schritt behandelt der Autor mit Hilfe des Drude-Modells die Auswirkung der Veränderung der Photoladungsträgerdichte auf die Permittivität des Halbleitermaterials und damit auf die Ausbreitungseigenschaften einer sich auf einer Bildleitung ausbreitenden Welle. Anschließend beschreibt die Arbeit einige wichtige Filterkenngrößen. Dazu erfolgt die Vorstellung eines neuen und im Gegensatz zu ALPHONES verbesserten Ansatzes zur Berechnung der Reflexionsfaktors über das Kettenparametermodell. Ebenfalls wird aufgezeigt, welche Änderungen für eine horizontale optische Anregung vorzunehmen sind. Im nächsten Kapitel wird - ausgehend von den Maxwellschen Gleichungen - die Wellenausbreitung auf dielektrischen Bildleitungen diskutiert. Dazu fließt zunächst das homogene Modell zur Beschreibung der Ladungsträgerdichteverteilung und danach auch zum ersten Mal das in y-Richtung inhomogene Profil in die Leitungstheorie der Bildleitung ein, wobei modellabhängig die homogenen bzw. inhomogene Wellengleichung zu lösen ist. Zur Berechnung der Ausbreitungseigenschaften findet die EDC-Methode Berücksichtigung, bei der die Reihenfolge der zu betrachtenden Plattenleiter an die Richtung der Beleuchtung gebunden ist. Erstmalig wird ein optisch gesteuertes DBR-Filter auf Bildleitungsbasis vorgestellt, das im unbeleuchteten Zustand ohne jegliche periodische Struktur auskommt. Das sich anschließende Kapitel beinhaltet die Theorie der Abstrahlung durch periodische Wellenleiterstrukturen. Hier wird im Gegensatz zur herkömmlichen Literatur ein anschaulicher Überblick über das Phänomen der Leckwellenabstrahlung gegeben. Für periodische Strukturen wird gezeigt, wie aus Oberflächenwellen Leckwellen entstehen können. Zusätzlich erfolgt in Hinsicht auf die praktische Untersuchung der Abstrahlung die Herleitung der Richtdiagramme. Das nachfolgende Kapitel startet mit der Diskussion der Ausbreitungseigenschaften einer sich auf der unbeleuchteten Bildleitung ausbreitenden Welle, an die sich eine Diskussion für das Verhalten der beleuchteten Leitung anschließt. Hierbei zeigt sich erstmals, dass Vollsubstrat-Bildleitungen zur optischen Steuerung nicht geeignet sind. Vielmehr bieten sich dazu geschichtete Bildleitung an, die über eine nur dünne Halbleiterschicht (aus Silizium) verfügen. Der Vergleich der Ausbreitungseigenschaften einer sich auf der geschichteten Bildleitung fortschreitenden Welle bei inhomogenem und homogenem Ladungsträgerprofil zeigt, unter welchen Bedingungen die Verwendung des homogenen (approximierten) Modells zu relativ ähnlichen Ergebnissen führt. Ferner folgt eine theoretische Analyse der optisch steuerbaren Filter durch die Variation und Diskussion verschiedener Parameter. Auch hier ergibt sich eine gute Übereinstimmung der Resultate aus homogenem und inhomogenem Modell. Bei der Auswertung findet sich zum ersten Mal eine diffusionslängen- und gitter-dimensionsabhängige optimale Ladungsträgerdichte, die in einem maximalen Reflexionsfaktorbetrag und damit in einer hohen optischen Steuereffizienz resultiert. Diese optimale Trägerdichte folgt aus der erstmaligen Berücksichtigung des Stufenprofilmodell-Einflusses auf die Wellenausbreitung auf der Bildleitung. Parallel hierzu wird die theoretische Untersuchung der Abstrahlung vollzogen, die für solche Strukturen im W-Band nur schwache, verschwindend geringe Abstrahlung aufzeigt - was bislang in der Literatur noch nicht dokumentiert ist. Merkliche Abstrahlung stellt sich erst bei deutlich höheren Frequenzen weit oberhalb des W-Bandes ein. Daran anschließend wird die Messtechnik erläutert. Die Auswertung der Messergebnisse verifiziert die simulativ ermittelten Resultate sowohl für die optisch induzierte Bildleitung als auch erstmalig für das optisch induzierte Filter mit relativ guter Übereinstimmung. Bei der optischen Anregung zeigt sich die vertikale Beleuchtung zur Steuerung der Bildleitung effektiver als die horizontale Anregung. Die Leitungsanalyse liefert eine bisher noch nicht bekannte Absorption im Halbleitermaterial bei einer bestimmten Frequenz und Ladungsträgerdichte, bei der sich auch eine kleine Abstrahlung einstellt. Auch dieses Phänomen wurde bislang im Schrifttum noch nicht dokumentiert. Des Weiteren wird die Existenz der optimalen Ladungsträgerdichte, die entdeckt wurde, beim Filter messtechnisch bestätigt - analog zu den Simulationsergebnissen. Genauso decken sich die für die Filter theoretisch gewonnen Erkenntnisse mit den Messergebnissen bezüglich einer nur schwachen Abstrahlung im W-Band, die zum ersten Mal messtechnisch dokumentiert werden. Das Ziel dieser Arbeit, eine ausschließlich optisch induzierte Filterwirkung im W-Band auf der Grundlage von Bragg-Reflexionen messtechnisch nachzuweisen, ohne dabei andere als optisch angeregte periodische Strukturen zu benutzen, wird erstmalig erreicht.