Technischer Hintergrung - Modul1

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 E-Mail, 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-multipoint
Point-to-point Netzwerk
Dear Daniela
110010101....
Dear Daniela
110010101....
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,
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„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
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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): Θi = Θr.
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Abb. 1.5: Lichtreflexion.
Lichtbrechung
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.
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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): n1.sin(Θ
Θ1) = n2.sin(Θ
Θ2):
n1: Brechungsindex des optisch dichteren Mediums
n2: Brechungsindex des optisch dünneren Mediums
Θ1: Einfallswinkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normale
Θ2: Brechungswinkel zwischen dem Lichtstrahl und der Normale
Abb. 1.8: Snell`s Brechungsgesetz und der kritische Brechungswinkel, θc.
Totalreflexion
Wie in Abb. 1.7 (rechte Abbildung) gezeigt, wenn das Licht von einem optisch dichteren
Medium in ein optisch dünnere Medium übergeht (n1> n2), 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 θc 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
(θc < 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, nc, ist größer als der Brechungsindex des Claddings, ncl (nc > ncl).
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.
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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 (nc > ncl) unter einem Winkel trifft, der größer
als der kritische Winkel (θc < θ) ist, sind beide Bedingungen (nc > ncl, θc < 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 (θc > 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.
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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
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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.
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