Von der Theorie zur Praxis – Internet im Kleinformat: FIS401 baut optische Übertragungsstrecke

Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Temperatur an einem entfernten Ort messen und die Daten in Lichtgeschwindigkeit übertragen. Genau das haben unsere Auszubildenden der Fachinformatik geschafft!

Im Rahmen des Unterrichts haben sich die SchülerInnen der FIS401 mit dem Bau einer optischen Übertragungsstrecke unter der Aufsicht von Herrn Dr. Yahiatène befasst. Dabei wurde das Messignal über einen Lichtwellenleiter (genauer: Lichtwellenleiterkern) mithilfe eines kleinen Lasers von der Messstation zum Empfänger übermittelt.

Grundlagen der Lichtwellenleiter-Technologie

Lichtwellenleiter (LWL) sind dünne Glas- oder Kunststofffasern, die Lichtsignale über große Entfernungen mit minimalem Verlust übertragen können. Diese Technologie basiert auf dem Prinzip der Totalreflexion, bei dem Licht in einem dichten Medium (dem Kern der Faser) gefangen und weitergeleitet wird, selbst wenn die Faser (nicht zu stark!) gebogen ist. In der Optik bezieht sich der Begriff "Mode" auf ein bestimmtes Ausbreitungsmuster von Licht in einem Wellenleiter. Jede Mode stellt eine mögliche Lösung der sog. Helmholtz-Gleichung für die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen im Inneren des Wellenleiters dar. Anschaulich kann man sich eine Mode als einen Lichtstrahl vorstellen, der in einem bestimmten Winkel im Inneren der Faser hin und her reflektiert wird.

Aufbau der Übertragungsstrecke

Die Auszubildenden verwendeten Arduino-Mikrocontroller, um die Laserdiode zu steuern und das empfangene Lichtsignal auszuwerten. Diese kleinen, aber leistungsstarken Computer verwandelten die Temperaturdaten in digitale Signale, die dann als Lichtimpulse durch den LWL gesendet wurden.

Die Übertragungsstrecke besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Der Sender wandelt die Temperatur in ein digitales, optisches Signal um. Der Empfänger konvertiert das optischen Signalpegel (d.h. hohe Lichtintensität = 1Bit und niedrige Intensität = 0Bit) wieder in ein elektrisches Signal um und stellt es fachgerecht dar.

Praktische Erfahrungen und Herausforderungen

Die Auszubildenden haben im Rahmen des Projekts viele praktische Erfahrungen gesammelt. Sie haben gelernt, wie man mit Arduino-Mikrocontrollern umgeht und wie man einfache optische Systeme unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten aufbaut. Bei der Laserdiode handelt es sich um ein zum Arduino kompatiblen Bauteil, das von der Leistung absolut unbedenklich war. Dennoch haben die SchülerInnen den fachkundigen Umgang mit der Laserquelle gelernt und Sicherheitsrichtlinien nach einer persönlichen Unterweisung durch die Lehrkraft angewendet. 

Eine Herausforderung bei dem Projekt war die Justage der optischen Komponenten. In diesem Projekt wurde die sog. Stoßkopplung zur Einspeisung des Lichtsignals in den 750µm (=0.75mm) dünnen LWL-Kern angewendet. Die Laserdiode und der Empfänger mussten exakt aufeinander ausgerichtet werden, um eine optimale Übertragung zu gewährleisten.

Zudem befassten sich die Lernenden softwaretechnisch mit dem Problem, die Daten genau dann an den Empfänger zu senden, wenn dieser auch auf der Leitung horcht (Synchronisationsproblem). Sie mussten sicherstellen, dass keine Bits verloren gehen und die Information vollständig vom Empfänger rekonstruiert wird.

Der Aufbau einer optischen Übertragungsstrecke ist also alles andere als ein Kinderspiel. Die Auszubildenden mussten lernen, wie man:

• Laser und Fotodetektoren präzise ausrichtet (Stoßkopplung).
• Die Dämpfung in Lichtwellenleitern misst und berechnet.
• Die Datenübertragungsrate optimiert.
• Sicherheitsrichtlinien im Umgang mit Lasern einhält.
• Komplexen Synchronisationscode schreibt.

Trotz dieser Herausforderungen meisterten die Auszubildenden das Projekt mit Bravour und sammelten wertvolle Erfahrungen in der optischen Nachrichtentechnik und Programmierung von Arduinos.

Charakterisierung der Übertragungsstrecke

Außer der reinen Übertragung der Temperaturinformation haben die Auszubildenden im Rahmen des Projekts auch die Dämpfung im Lichtwellenleitern untersucht und in dB/m berechnet. Außerdem haben sie die Datenübertragungsrate der Übertragungsstrecke, d.h. die Zeit die die Übertragung der Temperatur als Bitfolge benötigt, gemessen.

Ausblick

Das Projekt hat den Auszubildenden einen Einblick in die Welt der optischen Nachrichtentechnik gegeben. Sie haben gelernt, wie man optische Systeme aufbaut und wie man mit Lichtwellenleitern umgeht. Die erworbenen Kenntnisse können die Auszubildenden in ihrer weiteren Ausbildung und in ihrem späteren Berufsleben anwenden und kennen nun auch die Hintergründe.