Technischer Hintergrund

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1 Technischer Hintergrund zu Modul 01: Lichtsignale Heutzutage können wir uns das Leben ohne Computer nicht mehr vorstellen. Nachrichten an Freunde schreiben, im Internet surfen, Musik und Videos runterladen oder einfach Spiele spielen - das alles gehört zu unserem täglichen Leben dazu. Aber wissen wir auch, was alles dahintersteckt? Das Internet verbindet die Menschen wie die Straßen Das Internet ist ein riesiges Netzwerk, das Millionen von Menschen verbindet. Man kann sich es wie unser Straßennetz vorstellen. Häuser, wo wir wohnen, sind die Computer im Netzwerk und die Straßen verbinden die Häuser genauso, wie die Kabel alle Computer miteinander verbinden. Autos, die auf den Straßen fahren, sind Informationen, die wir versenden oder runterladen. Abb.1.1: Straßenverbindung versus Netzwerk. Das einfachste Netzwerk besteht aus zwei Computern, die miteinander mit einem elektrischen Kabel verbunden sind (Abb. 1.2, Point-to-point Netzwerk). Alle Informationen (Daten) werden dann in Form von elektrischen Signalen zwischen den Computern übertragen. Egal ob eine , ein Lied oder ein Foto, alle werden zuerst im Computer in sogenannte Bits kodiert (in Computersprache übersetzt), d.h. bestehen aus vielen 0 und 1 (so genannter Binär-Code). Jedem Bit wird dann ein elektrisches Signal (logische 1) oder kein Signal (logische 0) zugeordnet und über das Kabel verschickt. Den ersten Computer nennt man auch Sender, weil er die Daten sendet. Der zweite Computer, der Empfänger, dekodiert dann die empfangenen Daten wieder in einen Text, ein Lied oder ein Foto. Point-to-point Netzwerk Point-to-multipoint Dear Daniela Dear Daniela Abb. 1.2: Point-to-point und point-to-multipoint Netzwerk. Solange nur zwei Computer an einem Kabel hängen, ist die Datenübertragung sehr schnell. Wenn sich aber mehrere Computer ein Kommunikationskabel teilen müssen (Abb. 1.2, Technical background on Light signals page 1 of 8

2 point-to-multipoint oder sogar multipoint-to-multipoint Netzwerk), wird die Übertragung immer langsamer. Die größte Herausforderung liegt aber in den Kommunikationskabeln, die Städte, Länder und sogar Kontinente verbinden. Dazu reicht nicht nur eine Einbahnstraße ein elektrisches Kabel, da muss eine Autobahn mit vielen Fahrspuren gebaut werden. So können viele Autos (Daten) gleichzeitig fahren (übertragen werden). Aber wie geht es? Lichtsignale bringen die Lösung Die Lösung dieses Problems liegt in der Anwendung einer neuen Technologie, die anstatt elektrischer Signale optische Signale zur Übertragung verwendet. Dafür muss unser Kommunikationssystem, das nur aus zwei Computern besteht (Abb. 1.2), erweitert werden (Abb. 1.3). Zuerst müssen elektrische Signale (die aus dem elektrischen Teil des Netzwerks kommen) in optische Signale konvertiert werden. Dazu verwendet man Lichtquellen wie eine Licht emittierende Diode (LED) oder ein Laser (Transmitter). Diese Quelle wird moduliert, das heißt, ein- oder ausgeschaltet, um die binären Ziffern (1 und 0) vom elektrischen Teil der Netzwerks darzustellen. Eine Glasfaser in einem Lichtleitkabel (Fiber optic cable) überträgt dann die optischen Signale (Lichtpulse) über weitere Strecken. Und weil Computer nur mir elektrischen Signalen arbeiten können, werden empfangene optische Signale wieder in elektrische Signale umgewandelt. Dafür benötigt man Photodetektoren (Receiver). Als Photodetektoren werden lichtempfindliche Dioden Photodioden verwendet. Die Ausgabe sind wieder elektrische Impulse zur Weitergabe von Informationen in Form von Bits. Der letzte Teil unseres optischen Kommunikationssystems ist der Regenerator. Wenn das Lichtsignal in einer Glasfaser über längere Strecken übertragen werden muss, wird es gedämpft und beginnt seine Form zu verlieren. Das führt dazu, dass das Signal am Empfangsende nicht zu erkennen ist. Hier kommen sogenannte Regeneratoren zum Einsatz, die das Signal nur verstärken können (Verstärker) oder komplett regenerieren, das heißt das optische Signal wird wieder in ein elektrisches Signal konvertiert, neu dargestellt und dann wieder in ein optisches Signal konvertiert. Abb. 1.3: Point-to-point optisches System. Fiber Optics: eine neue Technologie revolutioniert das Internet Diese neue Technologie nennt man Fiber Optics : Optics weil man Lichtsignale als Informationsmedium verwendet und Fiber, weil Glasfasern in den Lichtleitkabeln als Übertragungsmedium dienen. Im Modellbild unserer Straßen sind Lichtsignale fahrende Autos und die Glasfaser wie eine virtuelle Autobahn, in welcher man die Anzahl der Spuren Technical background on Light signals page 2 of 8

3 erhöhen kann, ohne neu dazu bauen zu müssen. Man nutzt dabei die Tatsache, dass das Licht farbig ist. Jede Farbe ist wie eine Spur auf der Autobahn (ein eigener Übertragungskanal). Je mehr Farben man verwendet, umso mehr Daten kann man gleichzeitig durch eine einzige Glasfaser verschicken, ohne sich gegenseitig zu stören. Schon bei zwei verschiedenfarbigen Lichtsignalen verdoppeln wir die Übertragungskapazität. Das ist einer der vielen Vorteile dieser Technologie. Um verschiedene optische Signale in einer Glasfaser gleichzeitig übertragen zu können, werden sogenannte optische Multiplexer verwendet (Abb. 1.4). Auf der Empfangsseite werden alle optischen Signale wieder in einzelne Signale, mit Hilfe von optischen Demultiplexern, aufgeteilt. Diese Technik ist als Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) bekannt. Abb. 1.4: DWDM: Multipoint-to-multipoint optisches System. Der nächste wichtige Vorteil bei dieser Technologie ist, dass man optische Signale über Hunderte Kilometer schicken kann. Aber wie ist es möglich, dass das Licht in der Glasfaser gefangen bleibt und nicht verloren geht? Wie funktioniert eine Glasfaser? Die Tatsache, dass das Licht in einer Glasfaser (auch Lichtleitfaser genannt) fast ohne Verluste über Hunderte Kilometer geführt werden kann, basiert auf zwei physikalischen Phänomenen: Reflexion und Brechung des Lichtes an der Grenze zwischen zwei optisch unterschiedlichen Medien. Lichtreflexion Reflexion ist die Änderung in der Richtung eines Lichtstrahls an einer reflektierenden Öberfläche, so dass der Lichtstrahl in das Medium, aus dem es stammt, zurückreflektiert wird (Abb. 1.5). Das Reflexionsgesetz sagt, dass der Winkel, unter dem das Licht auf die Oberfläche fällt (Einfallswinkel), gleich dem Winkel ist, in dem es reflektiert wird (Reflexionswinkel): Θ i = Θ r. Technical background on Light signals page 3 of 8

4 Lichtbrechung Abb. 1.5: Lichtreflexion. Wenn ein Lichtstrahl von einem transparenten Medium in ein anderes übergeht, ändert er seine Richtung wird an der Grenzfläche gebrochen (Abb. 1.6). Wie stark der Lichtstrahl seine Richtung ändert, das heißt wie stark er gebrochen wird, hängt vom Brechungsindex des Mediums ab. Abb. 1.6: Lichtbrechung. Wenn ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren transparenten Medium (kleinere Brechzahl; zb. Luft) in ein optisch dichteres Medium (höhere Brechzahl; zb. Wasser) geht, wird er zur Normalen hin gebrochen (Abb. 1.7, linke Abbildung). Umgekehrt, wenn ein Lichtstrahl von einem optisch dichteren medium in ein optisch dünneres Medium geht, wird er von der Normalen weg gebrochen (Abb. 1.7, rechte Abbildung). Abb. 1.7: Brechungsgesetz. Technical background on Light signals page 4 of 8

5 Im Jahre 1621 formulierte ein niederländischer Physiker namens Willebrord Snell den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Winkeln des Lichtstrahls und den transparenten Medien (Abb. 1.8, links): n 1.sin(Θ 1 ) = n 2.sin(Θ 2 ): n 1 : Brechungsindex des optisch dichteren Mediums n 2 : Brechungsindex des optisch dünneren Mediums Θ 1 : Einfallswinkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normale Θ 2 : Brechungswinkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normale Totalreflexion Abb. 1.8: Snell`s Brechungsgesetz und der kritische Brechungswinkel, θ c. Wie in Abb. 1.7 (rechte Abbildung) gezeigt, wenn das Licht von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünnere Medium übergeht (n 1 > n 2 ), wird das Licht im zweiten Medium von der Normale weggebrochen (der grüne Lichtstrahl in Abb. 1.8 rechts). Dies hat eine interessante Konsequenz: in einem Winkel, als der kritische Winkel θ c bekannt, wird Licht beim Übergang von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium bei 90 von der Normalen weggebrochen (der rote Lichtstrahl in Abb. 1.8 rechts). Wenn das Licht auf die Oberfläche in einem beliebigen Winkel größer als dieser kritische Winkel trifft (θ c < θ, der blaue Lichtstrahl in Abb. 1.8 rechts), wird es nicht bis ins zweite Medium schaffen. Stattdessen wird das Licht wieder in das erste Medium zurückreflektiert. Dies ist als Totalreflexion bekannt. und wie funktioniert es in den Glasfasern? Im einfachsten Fall besteht ein Lichtleitkabel aus einer Glasfaser und einem Schutzmantel (Overcoat). Eine Glasfaser besteht aus 2 Teilen: einem Core (Kern) und einem Cladding (Abb. 1.9). Der Kern ist der innere Teil der Faser (ca. 9 µm dick), der das Licht leitet (Lichtleiter). Der Brechungsindex des Cores, n c, ist größer als der Brechungsindex des Claddings, n cl (n c > n cl ). Das Cladding umhüllt den Core vollständig und dient als ein Spiegel, der das Licht immer wieder in den Kern zurückreflektiert. Der Schutzmantel dient nur als Schutz für die Glasfaser und beteiligt sich nicht am Lichtleiten. Abb. 1.9: Glasfaser in einem Lichtleitkabel. Technical background on Light signals page 5 of 8

6 Abbildung 1.10 zeigt die Ausbreitung des Lichts in der Glasfaser (der rote Lichtstrahl). Wie dargestellt, wird ein Lichtstrahl in die Glasfaser auf der linken Seite eingekoppelt. Wenn der Lichtstrahl auf die Core-Cladding Grenzfläche (n c > n cl ) unter einem Winkel trifft, der größer als der kritische Winkel (θ c < θ) ist, sind beide Bedingungen (n c > n cl, θ c < θ) für Totalreflexion erfüllt, und der Strahl wird vollständig zurück in den Core reflektiert. Da der Einfallswinkel immer gleich dem Winkel der Reflexion ist, wird das reflektierte Licht immer wieder in den Core reflektiert. Der Lichtstrahl folgt dem ZIK-ZAK Weg über die gesamte Länge der Glasfaser. Abb. 1.10: Totalreflexion in einer Glasfaser. Ist der Einfallswinkel kleiner als der kritische Winkel (θ c > θ), finden sowohl Reflexion als auch Brechung statt (der grüne Lichtstrahl in Abb. 1.11). Das heißt, ein Teil des Lichts wird zurück in den Kern reflektiert und ein Teil wird in den Cladding gebrochen. Dieser durch Brechung aus dem Core nach außen dringende Teil des Lichts wird von der Ummantelung absorbiert, geht also verloren. Der Lichtstrahl wird damit bei jedem solchen Brechungsvorgang etwas gedämpft, bis er nach einer gewissen Distanz vollständig verschwunden ist. Abb. 1.11: Totalreflexion und Lichtbrechung in einer Glasfaser. Technical background on Light signals page 6 of 8

7 Was lernen Schüler dabei? Im Modul 01: Lichtsignale lernen Schüler über die optische Kommunikation. ERSTE STUNDE Kapitel 1, WS01.1 ( Valle de la Lumbre ) 1. DAS PROBLEM Entwicklung eines Kommunikationssystems ohne Elektrizität (Seite 3 in Teachers Notes ) Als Erstes müssen Schüler ein eigens Kommunikationssystem ohne Elektrizität entwerfen (weil sie ohne Strom kein Internet verwenden können). 2. WARUM LICHTSIGNALE? Eigenschaften des Lichts (Seite 4 in Teachers Notes ) Nach vielen Vorschlägen kommen Schüler wahrscheinlich darauf, dass optische Signale die beste Lösung für die Kommunikation sind. Deswegen lernen sie im nächsten Schritt über die Eigenschaften des Lichts: 1. Licht wird vom Auge gesehen 2. Licht ist farbig 3. Licht verbreitet sich schnell 4. Licht verbreitet sich geradlinig ZWEITE STUNDE Kapitel 1, WS01.2 ( Licht trifft auf Materie ) 3. NICHTS IST SO SCHLIMM, WIE ES AM ANFANG AUSSIEHT (Seite 8 in Teachers Notes ) Anwendungen von Lichteigenschaften in Kommunikationssystemen In der zweiten Stunde lernen Schüler weitere Eigenschaften des Lichts kennen. Sie lernen, dass sich Licht, wenn es auf unterschiedliche Oberflächen trifft, unterschiedlich verhält und dass reflektierende Oberflächen dazu genutzt werden können, Licht um ein Hindernis herum zu leiten. 4. REFLEXIONSGESETZ (Seite 9 in Teachers Notes ) Aus den verschieden Experimenten, die die Schüler durchführen, sollten sie das Reflexionsgesetzt ableiten. 5. PROBLEM MIT VIELEN SPIEGELN (Seite 12 in Teachers Notes ) Wenn man viele Spiegel verwendet, wird der Lichtstrahl immer schwächer, bis er ganz verschwindet Mit Hilfe des Reflexionsgesetzes und mehreren Spiegeln sollen Schüler dann Licht über weitere Strecken verschicken, wie es ein Kommunikationssystem macht. Sie lernen dabei, dass bei Verwendung vieler Spiegel der Lichtstrahl immer schwächer wird, bis er ganz verschwindet. DRITTE STUNDE Kapitel 2, WS01.3 ( Sag es mit Licht ), FS01.1 ( Lichtleitfaser ) 1. TOTALREFLEXION (Seite 17 in Teachers Notes ) Ihre Anwendung beim Leiten des Lichtes im Wasser In der dritten Stunde lernen die Schüler die Totalreflexion und ihre Anwendung beim Leiten des Lichts im Wasser kennen. Sie verwenden dabei nur das Reflexionsgesetz und die Bedingung, dass das Licht unter einem flachen Winkel (größer als der kritische Winkel) auf Technical background on Light signals page 7 of 8

8 eine Grenzfläche fällt. Sie führen mehrere Experimente durch, in denen sie lernen, dass das Licht genauso in einer Glasfaser geführt wird wie das Licht im Wasser. 2. GLASFASERN (Seite 18 in Teachers Notes ) Dünn wie ein menschliches Haar leiten Glasfasern die Lichtsignale über hunderte Kilometer In der zweiten Hälfte der dritten Stunde lernen die Schüler die Glasfaser und ihre Anwendung in optischen Kommunikationssystemen kennen. 3. KOMMUNIKATION MIT LICHTLEITKABELN (Seite 19 in Teachers Notes ) Moderne optische Netzwerke verwenden das gleiche Prinzip, um unsere Nachrichten an Freunde zu bringen Die Schüler entwickeln eigene Codes, um ihre Nachricht mit Hilfe von Lichtsignalen und Lichtleitkabeln (ohne Elektrizität) an Freunde zu verschicken. Technical background on Light signals page 8 of 8