Experiments (8th -13th grade)

Optical Waveguide

Glasfasern oder lichtdurchlässige Kunststoffe übertragen die Informationen im Lichtwellenleiter. Credit: Vodafone
Glasfasern oder lichtdurchlässige Kunststoffe übertragen die Informationen im Lichtwellenleiter. Credit: Vodafone
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Schon aus der Geschichte gibt es Beispiele für optische Informationsübertragungen. Den damaligen Verfahren lagen vorher vereinbarte Rauch- und Blinkzeichen oder Flaggensignale zugrunde. Im 19. Jahrhundert wurde sogar mit Telegraphenmasten experimentiert, an denen verstellbare Signalflügel angebracht waren. Die Vorzüge schneller und sicherer Kommunikation mittels Licht konnten jedoch erst mit der Entwicklung von modulierbaren, intensitätsstarken Lichtquellen, schnell reagierenden, empfindlichen Strahlungsempfängern sowie verlustarm lichtleitenden Stoffen genutzt werden. Der Einsatz der Lichtleitkabel- oder Lichtwellenleitertechnik in der Raumfahrt erfolgt aufgrund ihrer Vorteile gegenüber der klassischen drahtgebundenen Informationsübertragung. Im Nationalen Bodensegment des DLR in Neustrelitz werden die von den Satelliten mittels Parabolantennen empfangenen Fernerkundungsdaten durch Lichtwellenleiter (LWL) in den Empfangsraum des Echtzeitdatenzentrums zur weiteren Verteilung und Verarbeitung übertragen. Auch die für die Experimente im Schülerlabor aufgenommenen Daten (z. B. NOAA 19) kommen über einen Lichtwellenleiter ins DLR_School_Lab und können dort ausgelesen und bearbeitet werden.

Die verschiedenen Übertragungstechniken

Lichtweg beim Durchgang durch einen Lichtwellenleiter. Credit: DLR (CC-BY 3.0)
Lichtweg beim Durchgang durch einen Lichtwellenleiter. Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Die Informationsübertragung per Licht erfolgt prinzipiell nach folgendem einfachen Schema: Am Anfang befindet sich eine Lichtquelle (z. B. eine lichtemittierende Diode (LED) oder ein Laser), die Lichtimpulse aussendet. Der lichtempfindliche Empfänger am anderen Ende des Lichtleitkabels (z.B. Fototransistor oder Fotodiode) wandelt diese Impulse wieder in die ursprünglichen digitalen Signale zurück. Lichtwellenleiter bestehen prinzipiell aus einem zylindrischen, optisch durchlässigen Kern und einem Mantel mit einer geringeren Brechzahl, der den Kern konzentrisch umschließt. Dabei wird zwischen sogenannten Multi- oder Mehrmoden-Fasern und Mono- oder Einmoden-Fasern unterschieden. Im Gegensatz zu den im Kern ca. neun Mikrometer dicken Monomoden-Fasern werden bei den 50 bis 100 Mikrometer dicken Multimoden-Fasern sehr viele diskrete Lichtwellen (Moden) zur Signalübertragung genutzt. Die Lichtanteile verschiedener Farben (Wellenlängen) werden dabei mit unterschiedlichen Einfallswinkeln in diese Faser eingekoppelt (Multiplex-Verfahren). Die Lichtweiterleitung innerhalb einer Faser erfolgt nach dem Prinzip der Totalreflexion.

Die Experimente im Schülerlabor

Untersuchung des Lichtübergangs an der Kontaktstelle zweier Lichtwellenleiter im DLR_School_Lab Neustrelitz. Credit: DLR
Untersuchung des Lichtübergangs an der Kontaktstelle zweier Lichtwellenleiter im DLR_School_Lab Neustrelitz. Credit: DLR

Im DLR_School_Lab können die Schülerinnen und Schüler in verschiedenen Versuchen die Funktionsweisen und Anwendungen von Lichtwellenleitern erforschen. Dabei wird ein Bogen vom historischen Experiment von Tyndall bis hin zur analogen und digitalen Datenübertragung gespannt. Die Jugendlichen untersuchen, wie das Licht durch den Lichtwellenleiter übertragen wird, welchen Einfluss der Biegeradius oder eine unzureichende Glätte und Sauberkeit der Kabelenden auf die Übertragung hat. Sie lernen an praktischen Beispielen die Anwendung von Reflexion und Brechung und den Einfluss der Lichtfarben bzw. der Wellenlängen kennen. Hierbei erleben sie das Zusammenwirken von elektronischen Komponenten mit optischen Bauteilen. Die Besucher erstellen selbst aus vorgegebenen Baugruppen die einzelnen Versuchsanordnungen, nehmen Messungen daran vor, werten diese aus und experimentieren mit verschiedenen Datenquellen.