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Physik
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Lichtleitkabel (Glasfaseroptik)

Gliederung:

Einleitung  
Glasfaserkabel  
Verwendung  
  in der Datenübertragung
  in der Medizin
Glasfasersensoren  
Zusammenfassung  
Literaturangabe  

Einleitung:

Lichtleitkabel dienen der flexiblen Übertragung von Licht, d.h. die sich geradlinig ausbreitenden Lichtstrahlen werden durch vielfache Reflexion innerhalb eines Kabels dazu gezwungen, sich in ihm auszubreiten und somit der Form des Kabels zu folgen. Für diese Technik wird ein Glasfaserkabel, ein Halbleiterlaser und eine Empfangsdiode benötigt. Das Glasfaserkabel Innerhalb des Kabels findet die Totalreflektion der Lichtstrahlen an dessen Mantel statt. Dies ist möglich, da der Kern des Kabels eine hohe Brechzahl, der Mantel hingegen nur eine sehr geringe Besitzt. Die Brechzahl ist der Quotient aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Medium, z.B. dem Kern des Lichtleitkabels. Durch die große Differenz der Brechzahlen ist die Reflexion innerhalb des Kabels besonders gut, man spricht von Totalreflektion. Die Laserstrahlen bleiben in der Faser und durchlaufen in ihr Zick-Zack-Wege. Diesen Effekt kennt man aus dem Schwimmbad, wenn man taucht und unter einem flachen Winkel gegen die Wasseroberfläche blickt, kann man nicht mehr aus dem Wasser herausschauen.

Glasfaserkabel:

Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Glasfasern, die Stufenfaser und die Gradientenfaser. In der Stufenfaser findet eine direkte Totalreflexion statt, d.h. die Lichtstrahlen werden am Mantel dieser reflektiert. Je kleiner der Reflexionswinkel, desto länger ist der Weg der Lichtstrahlen (bei 1km Faserlänge bis zu 5m) und deren Laufzeit. Im Gegensatz dazu findet in der Gradientenfaser eine indirekte Totalreflexion statt, d.h. in der Faser findet ein kontinuierlicher Übergang der Brechzahl statt, d.h. der Lichtstrahl wird in der Faser gebeugt. Dadurch ergeben sich geringere Laufzeitunterschiede, da der Weg der Lichtstrahlen annähern gleich ist.

Glasfasern werden aus einem Quarzrohr mit einem germaniumoxiddotiertem Kern hergestellt.

Die nutzbare Faserlänge wird durch Dämpfung und Dispersion bestimmt. Dämpfung ist die Absorption und Streuung von Lichtstrahlen in der Glasfaser. Die optimale, d.h. verlustärmste, Wellenlänge für das Licht liegt bei 1,5E-6m. Dispersion ist die Verbreiterung der Signalimpulse in der Glasfaser, durch die sich die Signalimpulse überlappen und es wiederum zu Laufzeitunterschieden kommt. Somit müssen die Signale z.B. bei einer Übertragungsrate von 10Gbit/s nach spätestens 44km Kabellänge in Relaisstationen wieder aufbereitet werden.

Vorteile der Glasfaser gegenüber herkömmlichen Kupferkabeln liegt nicht nur in der hohen Übertragungsrate, sondern auch in der Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Impulsen. Somit versuchen nicht nur die Militärs zunehmend Kupferkabel durch Glasfaserkabel zu ersetzen.

 

Verwendung:

Verwendung der Glasfaser in der Datenübertragung:

Eine Lichtleitkabel besteht aus zwölf Bändern zu je zwölf Fasern. Mit einem solchen Kabel kann man bis zu 100000 Telefongespräche oder einige Fernsehkanäle gleichzeitig übertragen. In einer heutigen Glasfaser wird mit 8kHz eine Folge von 8bit gesendet, das entspricht 64000bit/s wie in den ISDN-Telefonanlagen der Deutschen TELEKOM AG.

Verwendung der Glasfaser in der Medizin:

Glasfaserkabel werden häufig in der Medizin eingesetzt. Bei der Magenspiegelung führt der Arzt ein zweiadriges Glasfaserkabel durch die Speiseröhre in den Magen ein. Durch eine Ader des Glasfaserkabels wird Licht in den Magen geleitet, durch das andere sieht der Arzt das von der Magenwand reflektierte Licht, so dass ein Bild entsteht und er somit die Magenschleimhaut ohne Operation untersuchen kann.

 

Glasfasersensoren:

Die optischen Eigenschaften der Glasfaser werden durch Druck, Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst. Diese Veränderung lässt sich messen, somit kann man durch Glasfasern als Sensorelemente besonders kompakte und zuverlässige Messinstrumente herstellen.

 

Zusammenfassung:

- Glasfasern dienen der flexiblen Übertragung von Licht

- Übertragung durch Totalreflexion innerhalb der Faser

- Vorteile sind: hohe Übertragungsrate; Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Impulsen

- Verwendung in ISDN-Telefonanlagen

- Anwendung in der Medizin (z.B. Magenspiegelung)

- Nutzung in der Meßtechnik

 

 

Literaturangabe:

- Das ABC der Lasertechnik. Stratis Karamanolis. Elektra Verlags GmbH. München. 1990.

- Laser High-Tech mit Licht. Hans Joachim und Jürgen Eichler. Springerverlag. Berlin. 1995.

- Brockhaus ABC Physik. Brockhausverlag. Leipzig. 1973.

 

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