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Technische Universität München

Coherent Optics for Communication, Security and Sensing

Vortragende/r (Mitwirkende/r)
Tobias Fehenberger
Utku Akin
Daniel Plabst
Nummer 0000003681
Art Vorlesung mit integrierten Übungen
Umfang 4 SWS
Semester Sommersemester 2025
Unterrichtssprache Englisch
Stellung in Studienplänen Siehe TUMonline
Termine Siehe TUMonline

Teilnahmekriterien

Siehe TUMonline

Lernziele

Am Ende des Moduls haben die Studierenden einen fundierten Einblick gewonnen, wie elektro-optische Komponenten und digitale Signalverarbeitungstechniken in optischen Fasersystemen eingesetzt werden, um folgende Anwendungsfälle zu realisieren:
i) Übertragung großer Datenmengen über lange Strecken;
ii) eine quantensichere Verteilung von Chiffrierschlüsseln (QKD: quantum key distribution);
iii) hochauflösendes Sensing über optische Fasern (coherent optical time-domain reflectometry).
Die Studierenden werden in der Lage sein, die zugrunde liegenden Prinzipien der kohärenten Optik und der digitalen Signalverarbeitung (DSP: digital signal processing) zu analysieren und zu bewerten, sowie ausgewählte angewandte DSP-Methoden in Python zu implementieren. Mit ihrem fundierten Verständnis des Themas können die Studierenden faserbasierte Kommunikations-, Sicherheits- und Sensoriksysteme, die auf den Prinzipien der kohärenten Optik basieren, auf Systemsicht analysieren und bewerten.

Beschreibung

Überblick über die zentralen Bausteine kohärenter optischer Systeme (Laser, Modulator, optische Faser, Photodiode, kohärenter optischer Empfänger, DAC und ADC, digitale Signalverarbeitung)
Überblick über Verzerrungen in faserbasierten optischen Systemen (Taktverzerrungen, Laser-Phasenrauschen, chromatische Dispersion, Polarisationsmodendispersion)
Digitale Signalverarbeitungsmethoden zur Kompensation dieser Verzerrungen (Taktrückgewinnung, Schätzungen von Trägerphase und Frequenzversatz, adaptive Entzerrung, etc.)
Anwendung dieser Methoden auf Datenkommunikation, QKD-Systeme und verteilte Fasersensoren.

Inhaltliche Voraussetzungen

Kenntnisse über digitale Kommunikationssysteme (Signale und Systeme, Zeit- und Frequenzbereich, Abtasttheorem)
Grundkenntnisse über elektro-optische Komponenten und optische Faserübertragung
Die Vorlesung „Optische Kommunikationssysteme“ von Prof. Hanik ist vorteilhaft
Erfahrung mit Python ist vorteilhaft.

Lehr- und Lernmethoden

Zusätzlich zu den individuellen Methoden der Studenten wird fundiertes Wissen durch wiederholten Unterricht in Übungen und Tutorien sowie durch individuelle Programmieraufgaben erlangt.

Während der Vorlesungen werden die Studierenden in einem lehrerzentrierten Stil unterrichtet, d.h. mittels Präsentationen, die von Erklärungen an der Tafel unterstützt werden.
Das jeweilige Material einschließlich Folien sowie das Simulationsframework sind auf einer Webseite verfügbar.
Die Übungen werden schülerzentriert gehalten, mit anschaulichen Beispielen und praktischen Programmierübungen für die DSP-Teile. Für die Programmierübungen wird ein Framework bereitgestellt, in dem die Studierenden die erforderlichen Funktionalitäten implementieren. Nach jeder Übung wird eine Musterlösung verfügbar gemacht.

Studien-, Prüfungsleistung

Eine schriftliche Prüfung (90 Minuten) wird am Ende des Semesters abgehalten, in der das Wissen der Studenten über die Prinzipien der kohärenten Optik, welche auf Kommunikationssysteme, Sicherheit durch Quantenschlüsselverteilung und Fasersensorik eingesetzt werden, geprüft wird. Die Prüfung basiert auf Berechnungen und offene (Verständnis-)Fragen.

Empfohlene Literatur

J. Proakis, Digital communications
S. Haykin, Digital communication systems: A modern introduction
G. Agrawal, Fiber-optic communication systems
G. Agrawal, Lightwave technology systems

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