Ein Foto geht auf Reise
Wenn du einen Text, eine Sprachnachricht, ein Foto oder ein Video verschicken möchtest, gibt es viele Wege, die deine Nachricht nehmen könnte, je nachdem welche Geräte und Netze zum Einsatz kommen.
Im Schema unten siehst du einen der vielen Wege, die ein Handyfoto gehen könnte, wenn du es vom Handy an jemand anderen verschickst.
Arbeitsauftrag 1
- Sieh dir das Schema an. Im Text darunter findest du die Beschreibung des Wegs, den ein Foto vom Handy des Senders zum Laptop der Empfängerin nimmt. Wähle jeweils die richtige Formulierung aus.
Die Kamera im Handy wandelt das einfallende Licht zunächst in um. Dazu muss die analoge Information (das Licht) in digitale Informationen übersetzt werden. Wird das Foto versendet, werden die Fotoinformationen in Form von an einen Mobilfunkmast weitergeleitet.
In der Mobilfunkanlage werden die Bildinformationen mittels Laser in ein Glasfaserkabel eingespeist. Die Signale werden durch die Glasfasern in Form weiter transportiert.
Die Daten werden durch das Glasfasernetz geleitet. Die Wege können eher kurz sein oder auch Kontinente übergreifen, je nachdem, wo Sender und Empfänger sich befinden.
Die Informationen haben den Verteilerkasten in der Nähe der Empfängerin erreicht. Hier werden die Daten aus der Glasfaser in ein Kupfernetz transferiert und in Signale umgewandelt.
Die empfangenen Daten wandelt der Router nun in um und sendet sie über das hausinterne WLAN an den Laptop. Im Laptop werden die Daten erneut umgewandelt und schließlich vom Bildschirm wieder als optisches Bild dargestellt.
Wie funktioniert ein Lichtleiter?
Wenn Daten versendet werden, wird die weiteste Strecke heute meist von Glasfaserkabeln übernommen.
Glasfasern werden auch Lichtleiter genannt. Sie leiten Licht nahezu verlustfrei durch eine lange, dünne
Faser hindurch.
Durch das Licht ist es möglich, Texte, Bilder, Musik, Videos usw. zu übertragen. Dazu werden die Medien
zunächst in
elektrische Signale und anschließend in Lichtimpulse umgewandelt. Der Umwandlungsschritt von elektrischen
Signalen in
Lichtimpulse geschieht in elektro-optischen Wandlern.
Diese Lichtimpulse werden in den Lichtleiter – das Glasfaserkabel – eingespeist, durchlaufen ihn und treffen
am Ende auf
den opto-elektrischen Wandler, in dem die Lichtimpulse wieder in elektrische Signale zurückgewandelt
werden.
Totalreflexion
Licht kann nur dann in einer Glasfaser transportiert werden, wenn es diese Faser nicht verlässt sondern darin „gefangen“ bleibt. Dies ist möglich, indem Glasfasern sich ein Prinzip zunutze machen, das man Totalreflexion nennt.
Totalreflexion
Beim Übergang von einem optisch dichten in ein optisch dünneres Medium kann ein besonderes Phänomen auftreten: die Totalreflexion. Trifft ein Lichtstrahl, der ein optisch dichteres Medium durchdrungen hat, oberhalb eines bestimmten Einfallswinkels auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium, wird das gesamte Licht in das optische dichtere Medium zurückreflektiert.
Dieser Vorgang wird als Totalreflexion bezeichnet.
Die Winkelgröße, oberhalb derer Totalreflexion auftritt, hängt vom Brechungsindex der zwei Medien ab. Dieser bestimmt den Grenzwinkel der Totalreflexion. Bei einem Brechungswinkel von 90° gelangt das Licht gar nicht mehr in den zweiten Stoff, es verläuft entlang der Grenzfläche.
Arbeitsauftrag 2
- Unten siehst du einen schematischen Ausschnitt aus einer Glasfaser mit Kern- und Mantelglas. Bewege den Regler, um den Einfallswinkel des Lichtstrahls in die Glasfaser zu ändern.
- Schau dir die folgenden Bilder an. Alle haben etwas mit Totalreflexion zu tun. Überlege, worin der Zusammenhang jeweils besteht, und notiere deine Vermutung im Schreibfeld. Drehe die Fotos um, falls du einen Hinweis benötigst.
An der Wasseroberfläche treffen Wasser und Luft aufeinander.
Diamanten im Brilliantschliff beeindrucken durch ihr Funkeln.
An heißen Tagen bilden sich unterschiedlich warme Luftschichten.
Der Regensensor im Auto schaltet die Scheibenwischer ein, sobald Regen auf die Windschutzscheibe fällt.
Eine Sprache für alle: Der Binärcode
Die Informationen, die im Computer verarbeitet und über Kupfer- und Lichtleitungen verteilt werden, sind in Form von Nullen und Einsen codiert. Diesen Code nennt man Binärcode.
Die Zahl 11 entspricht etwa der Folge:
1 0 1 1
Das große M würde dargestellt als:
0 1 0 0 1 1 0 1
Durch die Kombination entsprechend vieler Einheiten aus Nullen und Einsen lassen sich mit der Computersprache hochkomplexe Informationen darstellen.
Arbeitsauftrag 3
- Lies den Infotext zum Binärcode. Was bedeuten die Nullen und Einsen, wenn die Information mittels Strom und Licht transportiert werden? Wähle aus.
Strom
Eine 0 wird codiert als als .
Eine 1 wird codier als .
Licht
Eine 0 wird codiert als als .
Eine 1 wird codiert als .
Singlemode und Multimode
Es gibt zwei grundsätzliche Typen von Glasfasern, die Binärcode-Signale mittels Licht auf die Reise bringen: Multimode-Fasern und die Singlemode-Fasern. Moden sind die verschiedenen Wege, denen die Photonen des Lichts innerhalb der Faser folgen können. Multimode-Fasern können viele Moden unterstützen, Singlemode-Fasern nur eine einzige.
Das Kernglas in Multimode-Fasern hat einen deutlich größeren Durchmesser (50 µm) als das einer
Singlemode-Phaser (9 µm).
In Multimode-Fasern wird das Licht im Frequenzbereich von 850 nm bis 1300 nm mit Hilfe von LEDs eingespeist,
in
Singlemode-Fasern wird das Licht von einem Laser erzeugt. Das Laserlicht hat einen Frequenzbereich von 1310 nm
bis 1550 nm.
Singlemode-Glasfaserkabel ermöglichen nur eine einzige Lichtwellenlänge im Faserkern. In Multimode-Fasern
nimmt das
Licht verschiedene Ausbreitungswege.
Arbeitsauftrag 4
- Oben siehst du den Eingangsimpuls, den die LED und der Laser in die Singlemode bzw. Multimode-Faser einspeisen (LICHT AN AUS AN). Darunter siehst du das Signal, das am Ende der Faser ankommt. Ordne zu: Welches Signal gehört zur Multimode-Faser, welches zur Singlemode-Faser?
Eingangsimpuls
Signal am Faserende
- Begründe deine Zuordnung und erkläre, welchen der beiden Fasertypen du nur für lange Strecken einsetzen würdest. Tipp
