Lichtwellenleiter

Die Lichtführung durch interne Reflexion, das Prinzip, das die Faseroptik ermöglicht, wurde erstmals Anfang der 1840er Jahre von Daniel Colladon und Jacques Babinet in Paris demonstriert. John Tyndall, ein Physiker, führte es 12 Jahre später in seinen öffentlichen Vorträgen in London vor.

Das Prinzip wurde erstmals in den 1930er Jahren von Heinrich Lamm für interne medizinische Untersuchungen eingesetzt. Moderne optische Fasern, bei denen die Glasfaser mit einer transparenten Ummantelung beschichtet ist, um einen geeigneteren Brechungsindex zu bieten, erschienen später in diesem Jahrzehnt.

1965 zeigten Charles K. Kao und George A. Hockham von der britischen Firma Standard Telephones and Cables (STC) als erste, dass der Intensitätsverlust in Glasfasern verringert werden kann, wodurch Glasfasern zu einem praktischen Kommunikationsmedium wurden. Sie schlugen vor, dass die Defekte in den damals verfügbaren Fasern durch Verunreinigungen verursacht wurden, die entfernt werden konnten. Sie wiesen auf das richtige Material hin, das für solche Fasern verwendet werden sollte, wie zum Beispiel Quarzglas, das eine hohe Reinheit aufweist. Diese Entdeckung brachte Kao 2009 den Nobelpreis für Physik ein.

Eine optische Faser ist ein langer, dünner Strang aus klarem Material. Ihre Form ähnelt normalerweise einem Zylinder. In der Mitte hat sie einen Kern. Um den Kern herum befindet sich eine Schicht, die als Mantel bezeichnet wird. Der Kern und der Mantel bestehen aus verschiedenen Arten von Glas oder Kunststoff, so dass sich das Licht im Kern langsamer ausbreitet als im Mantel. Trifft das Licht im Kern in einem flachen Winkel auf den Rand der Hülle, so wird es reflektiert. Licht kann sich im Kern ausbreiten und an der Hülle abprallen. Bis zum Ende der Faser entweicht kein Licht, es sei denn, die Faser wird scharf gebogen oder gedehnt.

Wenn der Mantel der Faser verkratzt wird, kann er brechen. Eine Plastikbeschichtung, die als Puffer bezeichnet wird, bedeckt die Ummantelung, um sie zu schützen. Häufig wird die gepufferte Faser in eine noch härtere Schicht, den sogenannten Mantel, eingebracht. Dadurch kann die Faser leicht verwendet werden, ohne dass sie bricht.

Faseroptische Kommunikation

Die Hauptanwendung von Glasfaser ist die Kommunikation (Telekommunikation). Bei der faseroptischen Kommunikation werden Informationen von einem Ort zum anderen übertragen, indem Lichtimpulse durch eine optische Faser gesendet werden. Das Licht bildet eine elektromagnetische Trägerwelle, die moduliert wird, um Informationen zu übertragen. Faseroptische Kommunikationssysteme, die erstmals in den 1970er Jahren entwickelt wurden, haben die Telekommunikationsindustrie revolutioniert und zur Entstehung des Informationszeitalters beigetragen.

Frühe Systeme hatten eine kurze Reichweite, aber spätere Systeme verwendeten Fasern, die transparenter sind. Da das Licht nicht aus der Faser austritt, kann das Licht eine weite Strecke zurücklegen, bevor das Signal zu schwach wird. Dies wird verwendet, um Telefon- und Internetsignale innerhalb und zwischen Städten zu senden. Wegen ihrer Vorteile gegenüber der elektrischen Übertragung haben Glasfasern die Kommunikation über Kupferdraht in Kernnetzen in der entwickelten Welt weitgehend ersetzt.

Die meisten optischen Kommunikationssysteme haben elektrische Verbindungen. Ein elektrisches Signal steuert einen Sender. Der Sender wandelt das elektrische Signal in ein Lichtsignal um und sendet es durch die Faser zum Empfänger. Der Empfänger wandelt das Lichtsignal wieder in ein elektrisches Signal um.

Glasfaser wird manchmal auch für kürzere Verbindungen verwendet, z.B. zur Übertragung der Tonsignale zwischen einem Compact-Disc-Player und einem Stereoempfänger. Die für diese kurzen Verbindungen verwendeten Fasern bestehen oft aus Kunststoff, der weniger transparent ist. TOSLINK ist die gebräuchlichste Art von optischen Steckern für Stereoanlagen.

Andere Verwendungen

Als Sensoren können optische Fasern verwendet werden. Hierfür werden spezielle Fasern verwendet, die bei einer Veränderung um die Faser herum die Art und Weise ändern, wie sie das Licht durchlassen. Sensoren wie diese können verwendet werden, um Änderungen von Temperatur, Druck und anderen Dingen zu erkennen. Diese Sensoren sind nützlich, weil sie klein sind und an der Stelle, an der die Erfassung stattfindet, keinen Strom benötigen.

Diese Fasern werden auch dazu verwendet, Licht zu transportieren, damit Menschen sehen können. Manchmal werden sie auch zur Dekoration verwendet, wie z.B. faseroptische Weihnachtsbäume. Manchmal wird sie auch zur Beleuchtung verwendet, wenn es praktisch ist, die Glühbirne an einem anderen Ort zu haben als dort, wo das Licht sein muss. Manchmal wird es in Schildern und Kunst für Spezialeffekte verwendet.

Aus einem Bündel von Fasern kann ein Gerät hergestellt werden, das Endoskop oder Fiberskop genannt wird. Dabei handelt es sich um eine lange, dünne Sonde, die in ein kleines Loch gesteckt werden kann und die ein Bild von dem, was sich im Inneren befindet, durch die Faser an eine Kamera sendet. Endoskope werden von Ärzten verwendet, um in das Innere des menschlichen Körpers zu sehen, und werden manchmal von Ingenieuren eingesetzt, um in engen Räumen von Maschinen zu sehen.

Optische Fasern (mit Zusatz von speziellen Chemikalien) können als optische Verstärker verwendet werden. Dadurch kann ein optisches Signal zwischen den Endpunkten weiter transportiert werden, ohne das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und wieder zurück, was die Gesamtkosten der Komponenten reduziert. Diese optischen Verstärker können auch zur Herstellung von Lasern verwendet werden. Diese werden als Faserlaser bezeichnet. Sie können sehr leistungsstark sein, da die lange dünne Faser leicht kühl zu halten ist und einen Lichtstrahl von guter Qualität erzeugt.