Glasfaser
So gehst du vor
- 1Ziehe die Lichtquelle um die Stirnfläche der Faser. Beobachte, wann das Licht im Kern bleibt.
- 2Ändere die Brechzahlen oder wähle einen anderen Fasertyp. Achte auf den Akzeptanzkegel.
- 3Tippe „Lichtpulse starten“: Ein Puls läuft auf der Achse, einer auf der Zickzackbahn.
- 4Stelle im unteren Teil Länge und Datenrate ein. Vergleiche gesendete und empfangene Bits.
Der Längsschnitt ist nicht maßstäblich: Ein echter Kern ist nur etwa 0,05 mm dick, das Licht wird auf jedem Meter viele Tausend Mal reflektiert. Die Winkel im Bild stimmen. Dunkler Punkt: Puls auf der Achse; roter Punkt: Puls auf der Zickzackbahn.
| Winkel zur Achse im Kern θK | 6,7° |
| Einfallswinkel am Mantel φ | 83,3° |
| Grenzwinkel φG | 80,6° |
| Umweg gegenüber der Achse | 0,70 % |
Fasertyp
Brechzahl Kern n1
1,48Brechzahl Mantel n2
1,46Einfallswinkel in Luft θ
10,0 °Das Signal am Ende der Faser
Grau: gesendet. Farbig: empfangen, Zeit ab der Ankunft des schnellsten Lichts. P ist die Lichtleistung, 1 bedeutet volle Leistung. Die Verbreiterung Δt ist der Laufzeitunterschied zwischen steilster und gerader Bahn. Kreuze: Abtaststellen des Empfängers; über der Schwelle 0,5 erkennt er eine 1. Das Modell verteilt das Licht gleichmäßig auf alle Bahnen und lässt die Dämpfung weg.
| Gesendet | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| Empfangen | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
Länge L
1,0 kmDatenrate in Megabit je Sekunde
Lichtquelle
Aufträge
- Bestimme für die Nachrichtenfaser den Akzeptanzwinkel durch Ausprobieren: Bei welchem Winkel θ kippt die Anzeige von Totalreflexion zu Verlust? Vergleiche mit der Anzeige.
- Erkläre mit dem Bild: Warum zählt für die Totalreflexion ein kleiner Winkel zur Achse, obwohl am Mantel ein großer Einfallswinkel nötig ist?
- Vergleiche die drei Fasertypen. Wie hängt der Akzeptanzwinkel vom Unterschied der Brechzahlen ab? Was ist der Nachteil einer Faser, die viel Licht einsammelt?
- Starte die Lichtpulse bei θ = 14° und danach in der Kunststofffaser bei θ = 28°. Berechne für die Nachrichtenfaser: Um wie viele Meter ist die steilste Bahn auf 1 km länger? Wie viel später kommt das Licht an, wenn es im Kern 203 000 km je Sekunde schnell ist?
- Nachrichtenfaser, Leuchtdiode, 10 Megabit je Sekunde: Verlängere die Faser, bis Bitfehler auftreten. Notiere L, Δt und die Bitdauer. Wie weit kommst du mit 20 und mit 50 Megabit je Sekunde? Was fällt dir am Produkt aus Länge und Datenrate auf?
- Schalte auf den Laser um. Wie weit kommst du jetzt mit 100 Megabit je Sekunde? Warum hilft die schmale Lichtquelle?
Brechung und Totalreflexion kennst du aus der Optik. Die Rechnung für den Akzeptanzwinkel θmax ergibt sin θmax = √(n1² − n2²).