Fortgeschrittenenpraktikum III:

Lichtleitung in Glasfasern Tutor: Prof. Dr. Fedor Mitschke Version: 6. M¨arz 2013

¨ Uberblick Fr¨ uher wurden Nachrichten im Normalfall u ¨ber Kupferkabel als elektrische Signale transportiert. Inzwischen ist zumindest auf l¨angeren Strecken eine ¨ Ubertragung als optische Signale u ¨ber Glasfasern der Regelfall. Ein g¨angiges Verfahren geht wie folgt: Die Daten (z.B. ein Telefonat, Telefax etc.) wird elektronisch in ein bin¨ares Digitalformat gewandelt und liegt dadurch als Sequenz von Nullen“ und Einsen“ vor. Mit einem festen Zeittakt ” ” wird dann f¨ ur jede Eins“ ein kurzer Lichtblitz aus einem Laser in eine Glas” faser geschickt und am anderen Ende durch einen Fotodetektor registriert. F¨ ur eine Null“ entf¨allt im betreffenden Zeitfenster des Taktes der Puls. ” F¨ ur diese Technik ist Voraussetzung, dass sowohl geeignete Lichtquellen und als auch Lichtempf¨anger bereitstehen. Es ist aber ebenso zentral erforderlich, dass geeignete Glasfasern als Lichtleiter zur Verf¨ ugung stehen. Seit etwa zwanzig Jahren erf¨ ullen Glasfasern die wesentlichen Anforderungen, auch wenn es weiterhin Fortentwicklungen gibt. Die Anforderungen sind: Geringe Verluste: Nach einer gegebenen Strecke soll ein m¨oglichst großer Teil der Energie des Lichtpulses noch ankommen. Wenn nach Entfernungen von einigen 10 km der Puls nicht mehr nachweisbar w¨are, w¨ urde 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. Wellenl¨ange abh¨angt, breiten sich verschiedene Fourierkomponenten des Pulses etwas unterschiedlich schnell aus. Als Resultat er¨ reicht ein zeitlich breit geflossener Puls ein Empf¨anger. Uberschreitet die Verbreiterung den durch den Zeittakt vorgegebenen Rahmen, wird das Signal unlesbar. uteter Laborumgebung, sonHaltbarkeit: Die Fasern werden nicht in beh¨ dern draußen in der rauen Wirklichkeit verlegt. Sie m¨ ussen mechanischen, thermischen und anderen Belastungen standhalten.

2 Geringer Preis: Es werden erhebliche Mengen an Faser gebraucht: Weltweit wurden allein 2003 immerhin 55 Millionen km Glasfaser verlegt. Das ist nur m¨oglich, weil der Meter Standard-Glasfaser bei Großeinkauf inzwischen nur noch einige Cent kostet.

Versuchsaufbau Zur Verf¨ ugung stehen Ihnen folgende Ger¨ate: • 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 Anzeigeger¨at zum quantitativen Nachweis • Ein St¨ uck Standard-Glasfaser, wie sie f¨ ur Telekommunikation benutzt wird. Daten: Stufenindexfaser mit Außendurchmesser 125 µm, Kerndurchmesser 2a = 8.2 µm, normierter Brechzahldifferenz ∆ = 0.0032, umh¨ ullt von einem Kunststoff-Schutzmantel (Außendurchmesser ca. 250 µm). • Ein St¨ uck einer Multimode-Faser. Der Außendurchmesser ist wieder 125 µm, der Kerndurchmesser 2a = 50 µm. Das Ganze ist umh¨ ullt von einem ¨ahnlichen Kunststoff-Schutzmantel wie zuvor. Sie erhalten ferner Zugang zu einer Zange zur Entfernung des Kunststoffmantels, einem Faserbrechger¨at zur Erzeugung von Schnitten mit Schnittfl¨achen von optischer Qualit¨at, und einem Mikroskop zur Inspektion der Schnittfl¨achen. Weitere Hilfsmittel k¨onnen Sie, falls erforderlich, nach Absprache erhalten.

Warnhinweis Dringender Sicherheitshinweis: Laserstrahlung kann Ihre Augen gef¨ ahrden

NIEMALS direkt in den Strahl sehen! Bedenken Sie auch, dass sogar Reflexe an spiegelnden Oberfl¨achen an Ihr Auge gelangen und dieses gef¨ahrden k¨onnen.

3

Versuchsdurchfu ¨ hrung 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 zweckm¨aßig heraus, am Versuchstag einen Taschenrechner mitbringen. Viele bisherige Teilnehmer haben u ¨brigens Fotos von den Helligkeitsmustern auf dem Schirm (s.u.) angefertigt. Falls Sie die technische M¨oglichkeit haben, k¨onnen Sie das gerne auch tun. • Bereiten Sie saubere Endfl¨achen der Fasern vor. • Koppeln Sie den Laserstrahl in jede der beiden Glasfasern so ein, dass Sie jeweils die h¨ochstm¨ogliche Leistung am anderen Faserende erhalten. Wenn anfangs die transmittierte Leistung noch sehr gering ist, spricht das Leistungsmessger¨at 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 pr¨azise Justierung in allen f¨ unf 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 Leistungsmessger¨at hat lineare und Dezibel-Skalen. Machen Sie sich die jeweilige Bedeutung klar. • Die verwendeten Fasern haben bei der Wellenl¨ange des verwendeten Lasers eine Extinktion (Leistungsverlust) von ca. 5 dB/km. Diskutieren Sie, ob damit Ihre Messwerte erkl¨art werden k¨onnen. Dazu m¨ ussen 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. Andert sich die transmittierte Leistung? Warum? • Betrachten und beschreiben Sie das Profil des Strahls, der am Faserende austritt und auf einen Schirm gelangt. H¨angt das Strahlprofil von der Justierung der Einkopplung ab? Vergleichen Sie dies f¨ ur die beiden Fasern. Achten Sie auch darauf, ob die enge Schlaufe des vorigen Punktes einen Einfluss hat. • Informieren Sie sich u ¨ber die Moden der Ausbreitung in einem Wellenleiter. Angaben dazu finden Sie in Lehrb¨ uchern der Optik oder Nachrichtentechnik wie dem unten angegebenen, oder aus der Vorlesung von Prof. Mitschke. Begr¨ unden Sie kurz, warum eine Faser unter bestimmten Verh¨altnissen nur eine Mode unterst¨ utzt.

4 • Wie viele Moden erwarten Sie bei den beiden hier verwendeten Fasern? Bei dieser Betrachtung k¨onnen die beiden hier beigegebenen Abbildungen hilfreich sein. • Was m¨ usste man tun, damit nur eine einzige Mode geleitet wird? K¨onnte man dazu einen Laser einer anderen Wellenl¨ange einsetzen?

01

02

03

11

LP-Moden LP modes

12 21

22 31 41

51

8

w

6

4

2

0 0

2

4

6

8

u Abbildung 1: Die u-w-Ebene bis V = 8. Entnommen aus F. Mitschke, Glasfasern. Physik und Technologie, Elsevier Spektrum 2005

M¨ogliche Zusatzaufgaben: • Schlagen Sie ein Experiment vor, mit dem man tats¨achlich die Extinktion der Faser sinnvoll messen k¨onnte. • 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).

6

Literaturhinweis Es gibt zahlreiche geeignete B¨ ucher. Es sei hier nur genannt: F. Mitschke, Glasfasern Physik und Technologie, Elsevier Spektrum 2005

M¨ ogliche Kontrollfragen zum Verst¨ andnis Seien Sie darauf gefasst, dass Ihre Vorkenntnisse zum Beispiel zu den folgenden Punkten abgerufen werden: • Erl¨autern Sie das r¨aumliche Aufl¨osungsverm¨ogen einer optischen Abbildung, z.B. im Mikroskop. • Erl¨autern Sie, warum eine Glasoberfl¨ache Licht reflektiert. • Erl¨autern Sie den Polarisationszustand des Lichts. Welche M¨oglichkeiten gibt es? • Erl¨autern Sie die Maßeinheit Dezibel“. ” • Erl¨autern Sie, was die Moden“ in einer Glasfaser sind. ”

Bericht ¨ Uber 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.