Fassung vom 04. März 2019 Optische Signalübertragung
Überwachungskamera und Fernbedienung: Anwendungen von Infrarot-LEDs 1.1 Überwachungskamera Um nachts sehen zu können, bedient man sich verschiedener Techniken. Die meisten Überwachungskameras für den nächtlichen Einsatz arbeiten nicht, wie oft vermutet wird, wie Nachtsichtgeräte oder Wärmebildkameras. Nachtsichtgeräte (wie z.b. vom Militär verwendete) arbeiten mit Restlichtverstärkern. Wärmebildkameras sind sehr teuer und detektieren IR- Wärmestrahlung. Für die billigste und einfachste Methode in der Überwachungstechnik verwendet man jedoch ganz gewöhnliche Digitalkameras, da deren Chips auch sensitiv für den nahen IR- Bereich sind, und leuchtet die Umgebung einfach mit Infrarotlicht aus. Aufgabe 1a: Wie arbeiten Restlichtverstärker? Welche Wellenlängen sind hier relevant? Aufgabe 1b: Wie und bei welchen Wellenlängen arbeiten im Unterschied dazu Wärmebildkameras? Aufgabe 1c: Welche Vor- und Nachteile sehen Sie beim Vergleich von Restlichtverstärkern, Nah-IR- Kameras und Wärmebildkameras? In diesem Versuchsteil sollen Sie dieses Prinzip kennenlernen, indem Sie mit einer ganz einfachen Digitalkamera Gegenstände in der Dunkelheit aufnehmen, die Sie mit einem Array von IR- Leuchtdioden beleuchten. Versuch 1a: Verdunkeln Sie den Raum und stecken Sie den IR-Diodenstrahler ein (Wellenlänge ca. 950nm, s. Abb. 1a). Achtung: Der Strahler wird nur bei ausreichender Dunkelheit aktiviert, ein Sensor in der Mitte misst die vorhandene Lichtintensität. Können Sie mit bloßem Auge erkennen, ob die LEDs leuchten? Betrachten Sie den Strahler nun durch ein Handy (ohne IR-Filter!). Beleuchten Sie dann Gegenstände im dunklen Raum mit dem Strahler und beobachten Sie die beleuchteten Gegenstände mit bloßem Auge sowie mit dem Handy. Versuch 1b: Besorgen Sie sich frisches Pflanzenmaterial (grüne Blätter etc.) und beleuchten Sie es mit dem IR-Strahler. Was beobachten Sie und warum? 1.2 Fernbedienung Infrarotfernbedienungen enthalten eine IR-LED, die im Bereich von ca. 900nm arbeitet. Die Signalübertragung funktioniert nach einem einfachen Prinzip. Ist die LED eingeschaltet, ist sie auf eine Trägerfrequenz im khz-bereich (typischerweise 36 khz - 42 khz) moduliert. Aufgabe 1d: Können Sie sich vorstellen, welchen Zweck diese Trägerfrequenz erfüllt? Nun muss natürlich noch die eigentliche Information auf dieser Trägerwelle übermittelt werden. Dies geschieht meist durch Pulsbreitenmodulation, d.h. es werden Pulse ( Diode an ) verschiedener Länge mit Pausen ( Diode aus ) in entsprechenden Sequenzen ausgesendet. Jede Taste der Fernbedienung sendet also eine bestimmte Pulssequenz aus, die der Empfänger dekodiert und die entsprechende Funktion ausführt. Im Grunde wird also ein Binärcode aus Nullen ( Diode aus ) und Einsen ( Diode an ) übermittelt. 1
Das Signal eines Tastendrucks sieht dann so aus: Zunächst leitet ein Startimpuls die Übertragung ein. Er signalisiert dem Empfänger, dass nun eine Information folgt. Dann folgt das Signal aus binären Bits, sie bestehen aus sog. Bursts und Pausen. Ein Burst ist eine Phase, in der die Diode für eine definierte Anzahl an Wellenzügen der Trägerfrequenz an ist. Ein Burst und eine darauffolgende Pause gleicher Länge definiert eine 1, ein Burst und eine doppelt so lange Pause eine 0. Schließlich folgt noch ein Endpuls, der den Schluss der Übertragung angibt. Aufbau, s. Abb. 1b) a) b) Abb.1a: IR-Strahler; 1b: Versuchsaufbau Fernbedienung Der Aufbau ist denkbar einfach: An das Digitaloszilloskop wird ein handelsüblicher Receiver direkt an Kanal 1 angeschlossen, wie in der Abb. gezeigt. Hat man keinen zur Verfügung, so ist die einfachste Methode, eine Photodiode direkt an das Oszilloskop anzuschließen (hier Kanal 2). Wir verwenden hier sogar eine einfache LED, die wir als Photodiode betreiben. Zur Verfügung stehen die Fernbedienung eines DVD-Players und die zum Receiver gehörige. Bauen Sie obige Versuchsanordnung auf und führen Sie folgende Messungen durch: Versuch 1c: Verwenden Sie zunächst nur die Photodiode. Ermitteln Sie die Trägerfrequenz der LED der DVD-Fernbedienung. Denken Sie daran, die Zeitachse sinnvoll einzustellen. Übermitteln Sie nun das Signal der Taste 1 der Fernbedienung Start-/Endpuls: Erkennen Sie den Start- und den Endpuls? Wenn Sie nicht sicher sind, können Sie mit einer anderen Taste vergleichen, Start- und Endpuls sollten immer gleich sein. Wie sehen diese beiden Pulse konkret aus? Information: Wie ist die binäre Pulsfolge für die Taste 1? Versuch 1d: Schließen Sie dann den Receiver an und vergleichen Sie zunächst das Signal der ersten Fernbedienung, testen Sie dann noch die zweite Fernbedienung. 2
2. Datenübertragung mit Licht 2.1 Lichtwellenleiter 2.1.1 Musikübertragung mit LEDs (Schulniveau) Materialien: Lichtwellenleiter (transparent und ummantelt) verschiedenfarbige LEDs Fototransistor - Widerstände 470 Ω, 1 kω Netzgerät zur Spannungsversorgung für Filter: Kondensator 4,7µF, 0,1µF, 10nF; Widerstand 10kΩ Handy/mp3-Player (falls nicht vorhanden, Funktionsgenerator) Multimeter Aktivlautsprecher Achtung: Achten Sie darauf, dass die Schaltung korrekt ist (Polung!), bevor Sie die Spannungsversorgung einschalten und behandeln Sie die Bauteile vorsichtig es gab schon zu viele Opfer! Achten Sie darauf, dass Sie die Lichtwellenleiter nicht zu extrem biegen oder brechen Risse verursachen Lichtaustritt und somit Dämpfung und Qualitätsverlust. Aufgabe 2a: Was sind Vor- und Nachteile der Datenübertragung mit Licht gegenüber elektronischer Übertragung? Aufgabe 2b: Wie funktioniert die Datenübertragung mit Licht? Erklären Sie, welche optischen Phänomene eine Rolle spielen und wie die Vorgänge im Wellenleiter aussehen. Aufgabe 2c: Was ist ein Hoch- bzw. ein Tiefpassfilter und wie berechnet man jeweils deren Grenzfrequenz? Wie müssen Sie die Schaltungen in den Versuchen anpassen, wenn Sie hohe bzw. niedrige Frequenzen herausfiltern möchten? Skizzieren Sie diese. Hinweis: Verwenden Sie einen einfachen, passiven, RC-Hochpass bzw. -Tiefpass. Aufgabe 2d: Für die Filter in der vorherige Aufgabe haben Sie einen 10kOhm-Widerstand sowie einen Kondensator mit 0,1µF und einen mit 10nF zur Verfügung. Berechnen Sie die jeweilige Grenzfrequenz, die Sie damit erreichen können. Welchen Kondensator nehmen Sie also für welchen Filter? Versuch 2a: Bauen Sie Schaltung 1 auf, wie in Abb. 2a abgebildet (Achtung: Diode nie ohne Vorwiderstand betreiben!): Messen Sie die Spannung am Transistor und variieren Sie die Sendedioden bzw. die Wellenleiter. Welche Unterschiede stellen Sie fest? Abb.2a: Schaltung 1 3
Versuch 2b: Sie sollen jetzt mit dem System Tonsignale übertragen. Schalten Sie dazu gemäß Schaltung 2 in die Sendeseite ein Musik- oder Tonsignal aus dem mp3-player oder dem Funktionsgenerator zu (in Abb. 2b durch die 1 symbolisiert). Bei der Verwendung von Aktivlautsprechern ist eine extra Verstärkung in der Regel nicht mehr nötig. Wechseln Sie wieder die Dioden bzw. die Wellenleiter und vergleichen Sie. Abb. 1b: Schaltung 2 (dies ist eine Erweiterung zu Schaltung 1 und stellt nur die Sendeseite dar) Aufgabe 2e: Wozu dient der Kondensator in Schaltung 2? Versuch 2c: Bauen Sie jetzt einmal einen Hochpassfilter und einmal einen Tiefpassfilter in die Empfangsseite mit ein und hören Sie sich das Ergebnis an. 2.1.2 Technische Anwendung In diesem Versuchsteil verwenden Sie einen diodengepumpten Festkörperlaser (DPSS). Das Lasermedium ist ein Kristall, wie er auch in grünen Laserpointern verwendet wird. Er emittiert zwei Wellenlängen: 532nm und 1064nm. Dem Aufbau liegen zwei Filter bei, mit denen Sie jeweils eine Wellenlänge herausfiltern können. Für die ersten Versuche sollten Sie nur den sichtbaren 532nm Strahl benutzen. Der Lasertreiber hat außerdem einen Modulationseingang, an den Sie ein Handy oder einen mp3-player anschließen können (für Versuch 3d). Es wird dabei eine einfache Amplituden- bzw. Intensitätsmodulation verwendet. Zunächst müssen Sie versuchen, möglichst viel Licht in die vorhandenen Glasfasern einzukoppeln. Wenn Sie das erledigt haben, können Sie mit dem Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen Musik übertragen. Aufgabe 3a: Im Anhang A1 finden Sie einige Informationen zu optischen Fasern, lesen Sie diese zunächst durch. Aufgabe 3b: Für das Praktikum stehen zwei Glas-Fasern mit den Kern-Durchmessern 50µm und 550µm zur Verfügung. Deren numerische Apertur beträgt jeweils 0,22. Ist mit diesen Fasern ein Single-Mode-Betrieb möglich, wenn wir Laserlicht der Wellenlänge 532nm darin übertragen wollen? Aufgabe 3c: Welche Verluste/Probleme gibt es bei der Übertragung von Daten durch Glasfasern? Nennen Sie mindestens 3 Beispiele. In diesem Praktikum koppeln wir Licht nur in Multimode-Fasern ein. Durch den extrem kleinen Kerndurchmesser der Singlemode-Fasern ist es nur mit fein einstellbaren Einkoppelmechaniken möglich, überhaupt Licht durch die Faser zu bringen. Sie werden schon einen deutlichen Unterschied zwischen der 50µm und der 550µm Multimode-Faser bemerken. 4
Versuch 3a: Versuchen Sie nun, den Laserstrahl so gut wie möglich in die zur Verfügung stehenden Glasfasern einzukoppeln. Verwenden Sie zuerst die 50µm Faser. Bewerkstelligen Sie das über zwei Spiegel und eine Blende mit Hilfe eines Beam Walks. Eine Anleitung dazu finden Sie im Anhang A2. Prüfen Sie die Ausgangsintensität mit dem Power-Meter und justieren Sie solange, bis Sie nicht mehr Intensität durch die Faser bekommen. Messen Sie auch die Intensität des Lasers VOR der Faser, damit Sie wissen, wieviel Prozent davon Sie durch die Faser bekommen. Setzen Sie dann das Objektiv vor die Fassung und justieren Sie es so, dass der Fasereingang im Objektivfokus liegt. Wieviel Intensität messen Sie nun am Detektor? Versuch 3b: Machen Sie nun dasselbe für die 550µm Faser. Welche Unterschiede stellen Sie fest? Versuch 3c: Bestimmen Sie die numerische Apertur der 550µm Faser. Versuch 3d: Übertragen Sie nun ein Musiksignal über die 550µm Faser, sodass es möglichst laut wieder ausgegeben wird. Verwenden Sie die beiden Filter, um jeweils mit einer anderen Wellenlänge zu übertragen. Was fällt Ihnen beim Anhören der Musik auf? 5
Anhang A1: Lichtausbreitung in optischen Fasern Meist werden mit Lichtwellenleiter Glas- oder Kunststofffasern, die eine optische Signalübertragung ermöglichen, bezeichnet. Dies wird durch eine Variation des Brechungsindex innerhalb des Leiters realisiert. Hier wird unterschieden in Stufenfasern, die aus einem Mantel mit Brechungsindex n 2 und einem Kern mit Index n 1 > n 2 bestehen, was zu einem Stufenprofil des Brechungsindex führt und Gradientenfasern, deren Brechungsindex im Kern kontinuierlich zur Achse hin größer wird. Eine weitere Kategorisierung von Lichtwellenleitern bietet die Unterscheidung nach im Leiter ausbreitungsfähigen Wellenformen. Man unterscheidet hier die Single-Mode- von der Multi-Mode Faser. Das bedeutet einfach, welche Schwingungsmoden des durchgeleiteten Lichts ausbreitungsfähig sind. In Single-Mode Fasern kann sich nur die Grundmode ausbreiten, die in der Regel eine gaußförmige transversale Intensitätsverteilung aufweist (s. Abb. A1, rechts). Der Kerndurchmesser dieser Fasern ist sehr klein (Größenordnung < 10 µm), wie man auch unten noch sehen wird. Multi- Mode Fasern können aufgrund Ihres großen Kerndurchmessers (> 100 µm) viele Moden übertragen (s. Abb. A1, links)) und physikalisch mit Hilfe der Strahlenoptik beschrieben werden: Abb. A1, links: Strahlquerschnitt eines aus einer Multi-Mode Faser austretenden Lasers - man sieht im Wesentlichen eine Überlagerung vieler Moden (lila/blau bedeutet: niedrige Intensität, rot: hohe Intensität); rechts: Gauß-Profil nach einer Single-Mode Faser Das Phänomen der Totalreflexion an der Grenzfläche zweier Medien mit den Brechungsindizes n 1 > n 2 ist die Grundlage dafür. Die Ausbreitung des Lichts in einer Stufenfaser (s. Abb. A2a) kann auf diese Weise beschrieben werden: Trifft ein Lichtstrahl unter dem Winkel θ A zum Einfallslot auf den Kern der Glasfaser, wird er unter θ 1 zum Lot hin gebrochen (s. Abb. A2b). Es gilt nach Snellius: 1 sin(θ A ) = n 1 sin(θ 1 ) (1) Verfolgt man den Strahl weiter, so trifft er unter dem Winkel θ C auf die Grenzfläche der beiden Medien der Faser. Ist dies der Grenzwinkel der Totalreflexion (oder größer), so kann der Strahl die Faser nicht mehr verlassen. θ A ist dann der Öffnungswinkel des Akzeptanzkegels (oder kurz Akzeptanzwinkel), also der maximale Winkel, unter dem ein Lichtstrahl auf den Lichtwellenleiter treffen darf, um nicht wieder auszutreten. 6
a) b) Abb. A2a: Single-Mode (=Monomode) und Multi-Mode Stufenindexfasern in simpler Skizze (beachte: Single-Mode Fasern sind nicht geometrisch-optisch beschreibbar). Der Brechungsindex ändert sich sprungartig zwischen Kern und Mantel der Faser Abb. A2b: Strahlenoptische Betrachtung in der Stufenfaser Der Sinus des Öffnungswinkels trägt die Bezeichnung numerische Apertur, die meist als charakteristisches Maß für Glasfasern angegeben ist und auch bei der Beschreibung von optischen Geräten im Allgemeinen eine wichtige Rolle spielt. Beim Einkoppeln von Licht in eine Glasfaser ist es optimal, wenn die einkoppelnde Optik (z.b. ein Objektiv), dieselbe numerische Apertur besitzt wie die Faser - nur dann ist der Eintrittswinkel ideal und die eingekoppelte Lichtintensität am größten. Die numerische Apertur lässt sich hier, wie im Folgenden beschrieben wird, aus den Brechungsindizes n 1 und n 2 berechnen. Wiederum nach Snellius folgt für θ C : θ C = sin 1 ( n 2 n 1 ) (2) Da, wie man in Abb. A1 erkennen kann, θ 1 = 90 θ C gilt, folgt mit Gleichung (1): NA = sin(θ A ) = n 1 sin(90 θ C ) = n 1 cos(θ C ) (3) Man kann die numerische Apertur jedoch auch auf einfache Weise bestimmen, indem man den Strahldurchmesser nach dem Austritt aus der Faser in einem bestimmten Abstand misst, daraus den Öffnungswinkel θ A und damit die numerische Apertur über NA = sin(θ A ) ermittelt. Für eine genaue Beschreibung der Lichtausbreitung in Fasern muss die Wellengleichung aufgestellt und gelöst werden. Insbesondere bei den Single-Mode Fasern ist aufgrund Ihrer kleinen Kerndurchmesser eine strahlenoptische Betrachtung gar nicht mehr möglich. Da diese Herleitung sehr komplex ist, soll hier darauf verzichtet werden. Ein wichtiges Ergebnis aus der Lösung der Wellengleichung ist jedoch die sog. V-Zahl oder auch normierte Frequenz: 7
V = d core π λ 0 NA (4) Wobei d core der Kerndurchmesser der Faser ist, λ 0 die Wellenlänge des sich ausbreitenden Lichts und NA die numerische Apertur der Faser. Dieses Ergebnis gilt für die hier betrachteten Stufenindexfasern und die Größe des Parameters V gibt an, ob sich in der Faser nur eine oder mehrere Moden ausbreiten können. Nur für V < 2,4 ist eine einmodige Übertragung, also Single- Mode Betrieb möglich. Single-Mode Fasern sind in der Datenübertragung besonders für die Übertragung über große Entfernungen geeignet, da sie eine sehr geringe Dämpfung (und damit Intensitätsverluste) aufweisen. Multi-Mode Fasern nimmt man häufig für kürzere Entfernungen. Die hier beschriebenen Stufenindexfasern werden z.b. für kurze Datenleitungen (Computer etc.) verwendet. Anhang A2: Einkoppeln des Lasers in die Faser Soll ein Laserstrahl in eine Glasfaser eingebracht werden, so muss er möglichst senkrecht beziehungsweise mit einem kleinen Einfallswinkel auf die Stirnfläche der Faser gerichtet sein und ein großer Teil des Laserlichts sollte auf den Kern der Faser und nicht auf den Mantel oder die Fassung treffen. Dies wird durch zwei justierbare Spiegel realisiert, über die der Laserstrahl umgelenkt wird, bevor er auf die Faser trifft, wie man in Abb. A3 erkennen kann. Zusätzlich ist eine Blende, die mit der Öffnung der Faser in einer Linie ausgerichtet ist, notwendig, um den Strahl genau einzustellen. Mit diesen Hilfsmitteln wird nun ein Beamwalk durchgeführt. Abb. A3: Strahlengang zur Einkopplung eines Laserstrahls in eine Glasfaser Durch die beiden Spiegel zwischen Laserdiode und Blenden ist eine genaue Einstellung des Strahls möglich. Der Laserstrahl wird dabei über zwei Spiegel gelenkt, trifft dann durch eine Blende und weiter hinten auf den Fasereingang. Da der erste Spiegel einen größeren Abstand zu Blende und Fassung hat, verändert er die Position des Strahls bei der Blende bei einer Drehung um einen bestimmten Winkel stärker als der zweite 8
Spiegel. Der erste Spiegel ist also dafür geeignet, die Position des Strahls einzustellen, ohne stark auf den Einfallswinkel einzuwirken. Verwendet man zu dieser Einstellung die Blende, so ist die Genauigkeit wegen des geringeren Abstands kleiner als am Fasereingang. Trotzdem ergibt sich daraus ein praktischer Vorteil: Ist der Strahl durch Einstellen des ersten Spiegels auf die Öffnung der Blende gerichtet, so ist am Fasereingang direkt ersichtlich, ob der Einfallswinkel korrigiert werden muss. Nur wenn Position und Einfallswinkel stimmen, trifft der Strahl genau durch die Blendenöffnung bzw. auf den Fasereingang. Entsprechend wird er nach der ersten Einstellung der Position nicht auf die Öffnung des Fasereingangs treffen, sondern daneben auf der Fassung zu sehen sein. Da es nun möglich ist, den Einfallswinkel durch den zweiten Spiegel zu ändern, ohne an der ersten Blendenöffnung eine große Änderung der Position zu verursachen, kann der Winkel direkt eingestellt werden, indem der Strahl mit Hilfe des zweiten Spiegels auf den Fasereingang gerichtet wird. Dafür ist es notwendig, die Öffnung der Blende zu vergrößern. Durch mehrfaches, abwechselndes Durchführen dieser beiden Schritte, kann der Laserstrahl sehr genau ausgerichtet werden. Betrachtet man die Intensität am Faserausgang mit einem Power-Meter, so kann man überprüfen, ob das Einkoppeln des Lichtes in die Faser funktioniert. Zur besseren Einkopplung kann dann ein Objektiv mit geeigneter numerischer Apertur vor den Fasereingang gesetzt werden. 9