Optische Übertragungstechnologie: weitere wichtige Effekte

Kommentieren Drucken
Teil 29 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
Alle Artikel der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung":

In dieser Folge werden kurz weitere Effekte im Sinne eines Überblicks vorgestellt, die wichtige Auswirkungen auf die Übertragung auf Glasfasern und/oder optische Netze haben können, nämlich Polarisation, Interferenz und Brechung. In weiteren Folgen werden wir auf sie im Zusammenhang mit den betrachteten Komponenten wieder zurückkommen.

Polarisation
Wenn der elektrische Feldvektor einer elektromagnetischen Welle, die sich im freien Raum ausbreitet, in einer spezifischen Ebene schwingt, nennt man diese Welle linear polarisiert. Ein realer Lichtstrahl besteht aus vielen unterschiedlichen Wellen und generell sind die Ausbreitungsebenen, in denen die entsprechenden elektrischen Felder schwingen, zufällig ausgerichtet. Ein solcher Lichtstrahl ist unpolarisiert und der resultierende elektrische Feldvektor ändert seine Richtung völlig beliebig über die Zeit. Es ist aber möglich, Lichtstrahlen zu erzeugen, deren elektrische Felder in hohem Maße ausgerichtet sind. Diese Lichtstrahlen nennt man polarisiert. Die einfachste Form ist das linear polarisierte Licht, welches sich ähnlich einer einzelnen Welle ausbreitet. Man kann Licht auf viele verschiedene Arten polarisieren und wir betrachten hier zwei, nämlich Polarisation durch Reflexion und Polarisation durch Absorption. Fällt unpolarisiertes Licht auf eine Materialoberfläche ein, so kann man sehen, dass Licht, dessen Polarisationsvektor senkrecht auf der Einfallsebene steht, im Vergleich zu Licht, welches seinen Polarisationsvektor parallel zur Einfallsebene hat, vorzugsweise reflektiert wird. Wir können den elektrischen Feldvektor jeder Welle in zwei Komponenten zerlegen, die parallel und senkrecht zu jeder gewünschten Richtung stehen. Hier wählen wir die Einfallsebene. Im Rahmen einer Symmetrie können wir uns vorstellen, dass unpolarisiertes Licht aus zwei zueinander orthogonalen Ausbreitungsebenen besteht. Man kann nun weiter sehen, dass die Reflexion an der Oberfläche für die unterschiedlichen orthogonalen Ausbreitungsebenen mit dem Einfallswinkel variiert. Es gibt sogar einen speziellen Einfallswinkel, für den die Reflexion hinsichtlich der zu ihm parallelen Ausbreitungsebene gleich Null ist. Diesen Winkel nennt man auch Brewster Winkel. In diesem Falle wird die gesamte parallele Ausbreitungsebene transportiert und transportierte und reflektierte Strahlen stehen senkrecht aufeinander. Eine einfache Methode der Polarisation des Lichtes besteht darin, sie durch eine Reihe von Glasscheiben zu schicken, die an Brewsters Winkel orientiert sind. Nach sechs Scheiben ist es meistens geschafft. Der Effekt der Polarisation kommt beim Einkoppeln von Licht in Glasfasern und innerhalb von Glasfasern zum Tragen. Laser enthalten oft Oberflächen, die im Brewster Winken geneigt werden, um die optischen Verluste bei der Einkopplung in die Glasfaser durch geeignete Polarisation zu minimieren. Solche Laser emittieren linear polarisiertes Licht. Über die Polarisation kann man auch zeigen, dass der so genannte Conditioned Launch, die Schrägeinkopplung von Licht aus einem Laser in eine Multimodefaser physikalisch gesehen ganz besonders haarsträubender Unfug ist. Bei WDM-Systemen bereiten uns die unterschiedlichen Ausbreitungsebenen der einzelnen Kanäle Kopfschmerzen, weil man dieses Problem nicht so einfach mit einer einheitlichen Polarisierung lösen kann.

Interferenz
Betrachten wir zwei Lichtquellen S1 und S2, die Wellenzüge der gleichen Frequenz emittieren. Durch einen halbdurchlässigen Spiegel mischen wir diese beiden Wellenzüge, so dass sie sich überlagern. Wir machen die folgenden Annahmen über die von S1 und S2 emittierten Wellen: es sind unbegrenzte linear polarisierte Sinuswellen und sie haben dieselbe Frequenz. Außerdem haben die Wellen ab dem Mischpunkt dieselbe Schwingungsebene. Da wir aber keine Annahme über die Phasen gemacht haben, sind diese unterschiedlich und die Differenz ist zeitlich konstant. Für einen bestimmten betrachteten Punkt M kann man nun nach länglichem Rechnen die Intensität der resultierenden Summen-Lichtwelle bestimmen. Diese Lichtintensität hängt tatsächlich von der Phasendifferenz, man könnte auch sagen, vom Gangunterschied, ab. Diesen Effekt, die sog. Interferenz in M, kann man z.B. kreativ für die Modulation von Licht benutzen. Wir betrachten jetzt noch den Fall, dass die Punktquellen unendliche Wellenzüge zufällig emittieren. Zwei Quellen, die Wellen ausstrahlen, deren Phasendifferenz zeitlich konstant bleibt, können Interferenzen erzeugen. In diesem Fall spricht man auch von kohärenten Quellen. Zwei Quellen, die Wellen ausstrahlen, deren Phasendifferenz sich mit der Zeit zufällig ändert, können nicht interferieren. In diesem Fall spricht man von inkohärenten Quellen. Anders könnte man es auch noch formulieren, dass zwei Wellen nur dann interferieren können, wenn sie kohärent sind, die gleiche Wellenlänge und parallele Schwingungsebenen haben.

Brechung
Wird ein durchsichtiges Objekt zwischen einer Lichtquelle und einem Schirm platziert, sieht man, dass der Schatten des Objektes nicht perfekt scharf ist. Also gibt es in der geometrischen Schattenzone Licht. In ähnlicher Weise wird Licht, wenn es durch eine kleine Öffnung fällt, auseinandergespreizt. Diese Unfähigkeit des Lichtes, sich angesichts der besprochenen Hindernisse grade auszubreiten, wird als Brechung bezeichnet. Die Brechung ist eine natürliche Konsequenz der Wellennatur des Lichtes. Die Ausbreitung eines Lichtstrahles kann vorhergesagt werden, indem man annimmt, dass jeder Punkt der Wellenfront als Quelle sekundärer Wellchen fungiert, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Der Umschlag um diese sekundären Wellchen nach einem kurzen Zeitintervall ist die neue Wellenfront. Die Wellchen aus diesen Punktquellen werden nach dem Prinzip der sog. Superposition zusammengesetzt. Das Ganze nennt sich das Prinzip von Huygen. Die quantitative Beschreibung des Prinzips von Huygen ist als Fresnel-Kirchhoff-Formel bekannt. Eigentlich muss man zwischen Fraunhofer- und Fresnel-Brechung unterscheiden. Fraunhofer Brechung tritt auf, wenn die ein- und ausfallenden Wellen eben sind, während bei der Fresnel-Brechung die Kurvennatur der Welle interessant ist. Wir besprechen die Brechung weiter im Zusammenhang mit den Lichtwellenleitern.

« Teil 28: Optische Übertragungstechnologie: zur Natur des Lichts (2)Teil 30: Optische Übertragungstechnologie: Energiebänder in Festkörpern »


zugeordnete Kategorien: LAN
zugeordnete Tags:

Sie fanden diesen Beitrag interessant? Sie können



Anmerkungen, Fragen, Kommentare, Lob und Kritik:

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

*

.