Lichtleitung in Glasfasern

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1 Fortgeschrittenenpraktikum III: Lichtleitung in Glasfasern Tutor: Prof. Dr. Fedor Mitschke Version: 6. März 2013 Überblick Früher wurden Nachrichten im Normalfall über Kupferkabel als elektrische Signale transportiert. Inzwischen ist zumindest auf längeren Strecken eine Übertragung als optische Signale über Glasfasern der Regelfall. Ein gängiges Verfahren geht wie folgt: Die Daten (z.b. ein Telefonat, Telefax etc.) wird elektronisch in ein binäres Digitalformat gewandelt und liegt dadurch als Sequenz von Nullen und Einsen vor. Mit einem festen Zeittakt wird dann für jede Eins ein kurzer Lichtblitz aus einem Laser in eine Glasfaser geschickt und am anderen Ende durch einen Fotodetektor registriert. Für eine Null entfällt im betreffenden Zeitfenster des Taktes der Puls. Für diese Technik ist Voraussetzung, dass sowohl geeignete Lichtquellen und als auch Lichtempfänger bereitstehen. Es ist aber ebenso zentral erforderlich, dass geeignete Glasfasern als Lichtleiter zur Verfügung stehen. Seit etwa zwanzig Jahren erfüllen Glasfasern die wesentlichen Anforderungen, auch wenn es weiterhin Fortentwicklungen gibt. Die Anforderungen sind: Geringe Verluste: Nach einer gegebenen Strecke soll ein möglichst großer Teil der Energie des Lichtpulses noch ankommen. Wenn nach Entfernungen von einigen 10 km der Puls nicht mehr nachweisbar wäre, würde man diese Faser nicht verwenden wollen. Geringe Dispersion der Gruppengeschwindigkeit: Da ein kurzer Puls nach Fourier notwendig eine gewisse spektrale Breite beansprucht und da andererseits der Brechungsindex eines jeden Materials von der Frequenz bzw. Wellenlänge abhängt, breiten sich verschiedene Fourierkomponenten des Pulses etwas unterschiedlich schnell aus. Als Resultat erreicht ein zeitlich breit geflossener Puls ein Empfänger. Überschreitet die Verbreiterung den durch den Zeittakt vorgegebenen Rahmen, wird das Signal unlesbar. Haltbarkeit: Die Fasern werden nicht in behüteter Laborumgebung, sondern draußen in der rauen Wirklichkeit verlegt. Sie müssen mechanischen, thermischen und anderen Belastungen standhalten.

2 2 Geringer Preis: Es werden erhebliche Mengen an Faser gebraucht: Weltweit wurden allein 2003 immerhin 55 Millionen km Glasfaser verlegt. Das ist nur möglich, weil der Meter Standard-Glasfaser bei Großeinkauf inzwischen nur noch einige Cent kostet. Versuchsaufbau Zur Verfügung stehen Ihnen folgende Geräte: Ein Helium-Neon-Laser (λ = 632, 8 nm, linear polarisiert) als Lichtquelle Umlenkspiegel und ein Verschiebetisch zur Einkopplung des Laserstrahls in die Faser Ein Fotodetektor mit Anzeigegerät zum quantitativen Nachweis Ein Stück Standard-Glasfaser, wie sie für Telekommunikation benutzt wird. Daten: Stufenindexfaser mit Außendurchmesser 125 µm, Kerndurchmesser 2a = 8.2 µm, normierter Brechzahldifferenz = , umhüllt von einem Kunststoff-Schutzmantel (Außendurchmesser ca. 250 µm). Ein Stück einer Multimode-Faser. Der Außendurchmesser ist wieder 125 µm, der Kerndurchmesser 2a = 50 µm. Das Ganze ist umhüllt von einem ähnlichen Kunststoff-Schutzmantel wie zuvor. Sie erhalten ferner Zugang zu einer Zange zur Entfernung des Kunststoffmantels, einem Faserbrechgerät zur Erzeugung von Schnitten mit Schnittflächen von optischer Qualität, und einem Mikroskop zur Inspektion der Schnittflächen. Weitere Hilfsmittel können Sie, falls erforderlich, nach Absprache erhalten. Warnhinweis Dringender Sicherheitshinweis: Laserstrahlung kann Ihre Augen gefährden NIEMALS direkt in den Strahl sehen! Bedenken Sie auch, dass sogar Reflexe an spiegelnden Oberflächen an Ihr Auge gelangen und dieses gefährden können.

3 3 Versuchsdurchführung Es folgt die Beschreibung Ihrer Aufgaben. Dies ist nicht als mechanisch abzuarbeitende Checkliste zu verstehen; vielmehr benutzen Sie bitte Umsicht und Augenmaß. Es stellt sich als zweckmäßig heraus, am Versuchstag einen Taschenrechner mitbringen. Viele bisherige Teilnehmer haben übrigens Fotos von den Helligkeitsmustern auf dem Schirm (s.u.) angefertigt. Falls Sie die technische Möglichkeit haben, können Sie das gerne auch tun. Bereiten Sie saubere Endflächen der Fasern vor. Koppeln Sie den Laserstrahl in jede der beiden Glasfasern so ein, dass Sie jeweils die höchstmögliche Leistung am anderen Faserende erhalten. Wenn anfangs die transmittierte Leistung noch sehr gering ist, spricht das Leistungsmessgerät u. U. noch nicht an: Lenken Sie dann den Strahl auf ein weißes Blatt Papier, um ihn im abgedunkelten Labor visuell zu beurteilen. Dazu ist eine präzise Justierung in allen fünf Freiheitsgraden (vertikale und horizontale Position und Winkel sowie Fokussierentfernung) erforderlich. Bestimmen Sie als Prozentangabe, wie viel der Leistung vor der Faser noch nach der Faser ankommt. Das Leistungsmessgerät hat lineare und Dezibel-Skalen. Machen Sie sich die jeweilige Bedeutung klar. Die verwendeten Fasern haben bei der Wellenlänge des verwendeten Lasers eine Extinktion (Leistungsverlust) von ca. 5 db/km. Diskutieren Sie, ob damit Ihre Messwerte erklärt werden können. Dazu müssen Sie betrachten, ob systematische Fehler in die Messung eingehen. Falls der gemessene Wert nicht so ist wie erwartet: Woran kann es liegen? Wickeln Sie die Faser um einen geeigneten runden Gegenstand zu einer Schlaufe mit vielleicht 2 cm Durchmesser. Ändert sich die transmittierte Leistung? Warum? Betrachten und beschreiben Sie das Profil des Strahls, der am Faserende austritt und auf einen Schirm gelangt. Hängt das Strahlprofil von der Justierung der Einkopplung ab? Vergleichen Sie dies für die beiden Fasern. Achten Sie auch darauf, ob die enge Schlaufe des vorigen Punktes einen Einfluss hat. Informieren Sie sich über die Moden der Ausbreitung in einem Wellenleiter. Angaben dazu finden Sie in Lehrbüchern der Optik oder Nachrichtentechnik wie dem unten angegebenen, oder aus der Vorlesung von Prof. Mitschke. Begründen Sie kurz, warum eine Faser unter bestimmten Verhältnissen nur eine Mode unterstützt.

4 4 Wie viele Moden erwarten Sie bei den beiden hier verwendeten Fasern? Bei dieser Betrachtung können die beiden hier beigegebenen Abbildungen hilfreich sein. Was müsste man tun, damit nur eine einzige Mode geleitet wird? Könnte man dazu einen Laser einer anderen Wellenlänge einsetzen? LP-Moden LP modes w u Abbildung 1: Die u-w-ebene bis V = 8. Entnommen aus F. Mitschke, Glasfasern. Physik und Technologie, Elsevier Spektrum 2005 Mögliche Zusatzaufgaben: Schlagen Sie ein Experiment vor, mit dem man tatsächlich die Extinktion der Faser sinnvoll messen könnte. Diskutieren Sie, ob und wie die Polarisation des Lichts einen Einfluss auf die bislang erzielten Ergebnisse hat.

5 Abbildung 2: Bilder mehrerer LP-Moden. Entnommen aus R. H. Stolen und W. N. Leibolt, Appl. Opt. 15, 239 (1976). 5

6 6 Literaturhinweis Es gibt zahlreiche geeignete Bücher. Es sei hier nur genannt: F. Mitschke, Glasfasern Physik und Technologie, Elsevier Spektrum 2005 Mögliche Kontrollfragen zum Verständnis Seien Sie darauf gefasst, dass Ihre Vorkenntnisse zum Beispiel zu den folgenden Punkten abgerufen werden: Erläutern Sie das räumliche Auflösungsvermögen einer optischen Abbildung, z.b. im Mikroskop. Erläutern Sie, warum eine Glasoberfläche Licht reflektiert. Erläutern Sie den Polarisationszustand des Lichts. Welche Möglichkeiten gibt es? Erläutern Sie die Maßeinheit Dezibel. Erläutern Sie, was die Moden in einer Glasfaser sind. Bericht Über Verlauf und Ergebnis des Versuchs fertigen Sie bitte ein Protokoll, welches alle Teilnehmer unterschreiben. Reichen Sie das Protokoll binnen 14 Tagen nach Versuchsende bei Prof. Mitschke ein.