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9. Optische Fasern
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Optische Fasern – physikalische Grundlagen und Anwendungen
Axel Donges, Isny im Allgäu
Die zunehmende Nutzung von Online
Video, Internet-TV und Cloud-Services
(z. B. Dropbox) befeuert die Nachfrage nach
superschnellen
Breitbandverbindungen.
Die herkömmlichen kupferkabelbasierten
Netze mit maximalen Geschwindigkeiten
von 12–16 Mbit/s werden dem steigenden
Kapazitätsbedarf schon lange nicht mehr
gerecht. Hingegen bieten Glasfasernetze
Bandbreiten mit Geschwindigkeiten von 0,1
bis zu 1 Gbit/s.
© Pearl GmbH
Behandeln Sie, um der Bedeutung der
Glasfaser – nicht nur für die heutige Nachrichtentechnik, sondern z. B. auch für die
Medizin (Endoskopie) – gerecht zu werden,
das Thema „optische Faser“ in Ihrem
Unterricht.
II/D
T
H
C
I
S
N
A
R
O
V
Abb. 1: Faserlampe
Mehr als 90 % aller Daten werden
in Glasfasern transportiert.
Pro Sekunde werden weltweit mehr als
1 km Glasfaserkabel neu verlegt!
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 10–12
Inhalt:
Dauer:
• Reflexion, Transmission, Totalreflexion
4 Stunden
Ihr Plus:
• Stufenindex- und Gradientenfaser
üAktuelles Thema
• Single- und Multimodefaser
üFachübergreifender Unterricht
(Erdkunde, Biologie)
• TAT-14
• Endoskop
40 RAAbits Physik August 2015
9. Optische Fasern
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Manfred Börner (1929–1996) realisierte ein optisches Weitverkehrs-Übertragungssystem,
das Laserdioden (als Sender), Glasfasern (als Übertragungsmedium) und Laserdioden (als
Empfänger) nutzte und das 1966 zum Patent angemeldet wurde. 1966 entdeckten Charles
Kuen Kao (geb. 1933) und George Hockham (1938–2013), dass Unreinheiten im Glas zu
Verlusten bei der Übertragung führen. Dafür erhielt Charles Kuen Kao 2009 den Nobelpreis
für Physik. 1970 entwickelte und produzierte das amerikanische Unternehmen Corning
Inc. eine optische Faser, mit der Licht über eine längere Strecke ohne größere Verluste
übertragen werden konnte. Die optischen Fasern wurden stetig verbessert. 1985 übertrug
die British Telecom erstmals Signale ohne Zwischenverstärkung über eine Strecke von
250 km. Heute erreichen optische Fasern im nahen Infrarot-Bereich Dämpfungen von
weniger als 0,2 dB/km. Das bedeutet: Bei einer Faserlänge von 1 km kommen noch mehr
als 98 % der eingespeisten Leistung am Faserende an.
II/D
Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts
Einstieg
In dieser Unterrichtseinheit bildet den Einstieg eine Farbfolie (M 1) mit Anwendungsbeispielen von Glasfasern. Werfen Sie sie mit dem OHP an die Wand und fragen Sie Ihre
Schüler, ob sie erkennen können, was dargestellt ist. Vielleicht kennt der ein oder andere
Schüler die Endoskopie. Dann erklären Sie, wie diese funktioniert.
T
H
C
I
S
N
Aufbau der Unterrichtseinheit
Anschließend wiederholen Ihre Schüler zunächst im Material M 2 die Reflexion und
Brechung an dielektrischen Grenzschichten. Sie erarbeiten sich im Material M 3 das physikalische Phänomen Totalreflexion. Zum besseren Verständnis führen sie drei Demonstrationsexperimente zur Totalrelexion durch (M 4).
A
R
O
In den Materialien M 5 und M 6 wird die Funktionsweise der Stufenindex- und der Gradientenfaser geometrisch-optisch erklärt. Material M 7 erläutert den Unterschied zwischen
Single- und Multimodefasern. In den Materialien M 8 und M 9 stellen wir zwei Anwendungen vor. M 8 hat ein Tiefseekabel, das Europa und Nordamerika verbindet, zum Gegenstand. Dieses Material kann auch außerhalb des Physik-Unterrichts (Erdkunde, Gemeinschaftskunde etc.) behandelt werden. Material M 9 stellt das Endoskop vor, was auch für
den Biologie-Unterricht interessant sein dürfte.
V
Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz
Allg.
physikalische
Kompetenz
F 1, F 3, E 4
Inhaltsbezogene Kompetenzen
Die Schüler …
Anforderungsbereich
… wiederholen die Phänomene Reflexion und
Brechung,
I, II
F 1, F 3, F 4, E 1,
E 3, E 4, E 7
… erarbeiten sich die Totalreflexion,
I–III
F 1, F 3, F 4, E 1,
E 3, E 4
… verstehen die Funktionsweise von optischen
Fasern,
I–III
… üben sich im Experimentieren.
I–III
F 1, F 4, E 7
Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, inden Sie
auf der beiliegenden CD-ROM 40.
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9. Optische Fasern
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Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
SV = Schülerversuch
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
· D = Durchführungszeit
LV = Lehrerversuch
Fo = Folie
WH = Wiederholungsblatt
M1
Fo
Beispiele für die Anwendung von Glasfasern – Einstieg
M2
WH
Reflexion und Brechung – frische dein Wissen auf!
· D: 30 min
M3
Ab
Die Totalreflexion
· D: 45 min
II/D
M4
SV
Demonstrationsexperimente zur Totalreflexion
· V: 15 min
rHalbzylinder aus Plexiglas
mit Haltevorrichtung
rGebogener zylindrischer
Stab aus Plexiglas
rRechtwinkliges Prisma aus
Plexiglas
rLaserpointer
· D: 15 min
M5
Ab
T
H
C
Die Stufenindexfaser
· D: 30 min
M6
Ab, LV
Die Gradientenfaser
· V: 15 min
rZuckerlösung
rWasser
· D: 5 min
I
S
N
A
R
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M7
Ab
Single- und Multimodefasern
· D: 30 min
M8
V
M9
rKüvette
rLaser
Ab
TAT-14 – ein gigantisches Tiefseekabel
· D: 15 min
Ab
Endoskopie – ein Blick ins Körperinnere
· D: 30 min
Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 14.
Mediathek
Internet-Adressen
zu M 1 und M 2:
http://www.walter-fendt.de/ph14d/brechung.htm
zu M 3 und M 4:
http://www.wfu.edu/physics/demolabs/demos/avimov/optics/iber_optics/lighttie.mpg
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9. Optische Fasern
M1
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Beispiele für die Anwendung von Glasfasern – Einstieg
Optische Fasern werden heute hauptsächlich
– zu Beleuchtungszwecken (a),
– zur Bildübertragung (b),
– in der Messtechnik (c) oder
– in der optischen Nachrichtentechnik (d) eingesetzt.
Dabei bildet das zuletzt genannte Gebiet den Anwendungsschwerpunkt.
II/D
A
R
O
Abb. 4: Beispiel zu a: Faserlampe
© Foto: fos4X
V
Abb. 5: Beispiel zu b: Anwendung optischer Fasern
in der Endoskopie
© Rainer Grothues – Fotolia.com
© Pearl GmbH
I
S
N
Abb. 6: Beispiel zu c: Ein Faser-Bragg-Sensor (Glasfaser mit integrierten Bragg-Relektoren) verändert
sein wellenlängenabhängiges Relexionsvermögen,
wenn er einer mechanischen Zugbelastung ausgesetzt wird.
© Thinkstock/Hemera
T
H
C
Abb. 7: Beispiel zu d: Ohne Lichtwellenleiter wäre der
heutige Datenverkehr nicht mehr zu bewältigen.
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9. Optische Fasern
M3
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Die Totalreflexion
1. Aufgabe
Ein Lichtstrahl, der sich zunächst in Glas (n1 = 1,5)
ausbreitet, tritt aus der Glasplatte aus und läuft dann
in Luft (n2 = 1,0) weiter. Berechnen Sie für die Einfallswinkel α1 = 0o, 10o, 20o, 30o, 40o, 50o, 60o, 70o und 80o
(im Glas) die zugehörigen Winkel α2 der gebrochenen
Strahlen (in Luft). Ist das für alle Winkel möglich? Stellen
Sie das Ergebnis grafisch in einem α1- α2-Diagramm dar.
α1
Glas
Luft
α2
Abb. 9: Brechung eines Lichtstrahls beim
Übergang von einem optisch dichteren
zu einem optisch dünneren Medium
Schlussfolgerungen
T
H
C
Die von Ihnen zuvor bearbeitete Aufgabe zeigt:
• Für die Winkel α1 = 10o, 20o, 30o und 40o ist der zugehörige Winkel α2 stets größer
als α1.
I
S
N
• Für die Winkel α1 = 50 , 60 , 70 und 80 kann kein zugehöriger Winkel α2 berechnet
werden (der Taschenrechner zeigt „Error“ an).
n
• Wird das Brechungsgesetz nach sin(α2) aufgelöst, ergibt sich: sin(α 2 ) = 1 sin(α1) . Da
n2
n
n
sin(α 2 ) = 1 sin(α1) ≤ 1 sein muss, muss auch stets sin(α1) ≤ 2 gelten. Für den größten
n2
n1
Einfallswinkel α1, für den sich im Fall n2 < n1 noch ein Winkel α2 berechnen lässt, gilt
o
o
o
o
A
R
O
somit
V
sin(α1,max ) =
II/D
n2
<1 .
n1
• Übersteigt der Einfallswinkel α1 den Winkel α1,max, so kann der Lichtstrahl nicht vom
Glas in die Luft übertreten. Der einfallende Lichtstrahl wird dann vollständig reflektiert.
Man spricht dann von Totalreflexion. α1,max heißt Grenzwinkel der Totalreflexion.
2. Aufgabe
Berechnen Sie für n1 = 1,5 und n2 = 1,0 den Grenzwinkel der Totalreflexion.
Merke: Die Totalreflexion
a) Ein Lichtstrahl kann nur dann von einem optisch dichteren in ein
optisch dünneres Medium übertreten, wenn der Einfallswinkel α1
kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion (α1,max) ist.
b) Hierbei ist das optisch dichtere (dünnere) Medium dasjenige Medium
mit der größeren (kleineren) Brechzahl.
c) Beim Übergang des Lichts vom optisch dünneren ins optisch dichtere Medium tritt
das Phänomen der Totalreflexion nicht auf.
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9. Optische Fasern
Endoskopie – ein Blick ins Körperinnere
© Kalumet/Wikimedia Commons. Lizenz: CC BY-SA 3.0
M9
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Bei der Endoskopie (aus dem Altgrie,
chischen endon
: innen; skΟpein
͗
˜ : sehen)
handelt es sich um ein Verfahren, mit dem
das Innere von Hohlräumen – z. B. Magen,
Darm oder auch technische Hohlräume –
untersucht oder gar manipuliert werden
kann. Umgangssprachlich wird eine endoskopische Untersuchung auch als Spiegelung (z. B. Magenspiegelung) bezeichnet.
II/D
Abb. 24: Flexibles Endoskop
Bei der sogenannten lexiblen Endoskopie kommen optische Fasern zum Einsatz. Zum
einen wird das Licht einer Kaltlichtquelle mit optischen Fasern zu Beleuchtungszwecken
in den Hohlraum geführt. Andererseits wird mithilfe von optischen Fasern das Bild des
Hohlrauminneren nach außen geleitet.
T
H
C
Für die Bildübertragung werden dabei sog. Bildleiter verwendet, die aus vielen Tausenden
von Einzelfasern (Durchmesser jeweils 7–10 µm) bestehen. Dabei ist jeweils eine Faser für
einen Bildpunkt (Pixel) zuständig, d. h., die Anzahl der Bildpunkte entspricht der Anzahl
der einzelnen Fasern.
I
S
N
A
R
O
Abb. 25: Funktionsprinzip eines Bildleiters.
Der Gegenstand wird mit einer Linse auf den
Eingang des Bildleiters abgebildet. Das dort
entstehende Bild wird dann in den verschiedenen Fasern weitergeleitet.
© Splarka, Quelle: Splarka/Wimimedia Commons
V
Bildleiter
(Faserbündel)
Linse
Objekt
Abb. 26: Endoskopischer Blicks ins Innere einer
mechanischen Uhr
Die Endoskopie dient jedoch nicht nur der Diagnostik. Sie wird auch zur Therapie eingesetzt. Dazu wird das Endoskop erweitert – z. B. um miniaturisierte Greif- und Schneidewerkzeuge oder einen Laserstrahl, der ebenfalls über eine optische Faser eingekoppelt
wird –, sodass man Operationen (z. B. Blinddarm-OP) durchführen kann (minimal-invasive
Eingriffe).
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9. Optische Fasern
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Erläuterungen und Lösungen
M1
Beispiele für die Anwendung von Glasfasern – Einstieg
Glasfasern spielen im Alltag eine bedeutende Rolle. Zeigen Sie Ihren Schülern, wo.
M2
Relexion und Brechung – frische dein Wissen auf!
sin(α 2 ) =
n 1,0
n1
= 0,6
sin(α1) mit 1 =
n2 1,5
n2
II/D
α1 in °
0
20
40
60
80
α2 in °
0,0
13,2
25,4
35,3
41,1
T
H
C
Winkel des gebrochenen Strahls in Grad
45
I
S
N
40
35
30
25
A
R
O
V
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Winkel des einfallenden Strahls in Grad
Abb.27
M 3
Die Totalrelexion
1.
n1
= 1,5 ; sin (α 2 ) = 1,5 sin (α1)
n2
α1 in °
0
10
20
30
40
50
60
70
80
α2 in °
0,0
15,1
30,9
48,6
74,6
keine
Lösung
keine
Lösung
keine
Lösung
keine
Lösung
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