Signalübertragung mit Lichtstrahlen

Ähnlich wie mit Radiowellen lassen sich auch andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums zur Übertragung von Signalen nützen, z.B. der optische Bereich des Lichts.
Man muß hier zwischen zwei Systemen unterscheiden. Zum einen die Übertragung durch Drähte und die Freiraumübertragung. Bei Licht entspricht die drahtgebundene Kommunikation der Anwendung von Lichtleitern. Ein großer Vorteil der optischen Kommunikation ist die enerme Bandbreite. Je höher die Trägerfrequenz ist um so höher ist auch die maximale Modulationsfrequenz, b.z.w. die Datenrate. Diese Glasfaserkabel werden schon weltweit zur Breitbandübertragung eingesetzt. Freiraumübertragung findet man hingegen nur selten, z.B. Punkt zu Punkt-Übertragung zwischen Hochhäusern die sich ohne große Baumaßnahmen realisieren lassen. Auch Funkamateure verwenden hin- und wieder sogenannte Lichsprechgeräte für ihre QSOs.

Das Modell verwendet als Lichtquelle einen HeNe-Laser. Natürlich muss das Laserlicht auf irgendeine Weise moduliert werden .In der Umsetzung ist die Amplitudenmodulation am einfachsten. Hier kann der Laser selbst beeinflusst werden oder die Modulation verändert den Ausgangsstrahl.
Die erste Variante wird hier verwendet. Es wird einfach die Betriebsspannung des Lasers moduliert. Obwohl der erzielbare Modulationsgrad sehr klein ist wird diese Methode wegen des einfachen Aufbaus verwendet. Der Betriebsstrom einer kleinen Laserröhre beträgt nur einige Milliampere sodass auch bei einem kleinen Trafo keine Gefahr einer Vormagnetisierung des Eisenkerns besteht. Ein kleiner Netztrafo mit der passenden Übersetzung genügt vollauf.

Der Aufbau ist so gestaltet dass sowohl die Übertragung mittels Lichtleiter wie auch die Freiraumübertragung demonstiert wird. Der Strahl des Lasers wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel geteilt. Das durch den Spiegel abgelenkte Teil des Lichts wird mit einer Linse in einen Lichtleiter eingekoppelt. Das am Ausgang des ca. 5m langen Lichtleiters austretende Licht beleuchtet eine Fotodiode in deren Signal sich die gewünschte Modulation findet. Das, den Spiegel passierende Licht wird nach einer Strecke von ein bis zwei Metern von einem Tripelprisma zurück reflektiert und fällt auf eine großflächige Fotodiode( Array aus 4 Einzeldioden) welche ebenfalls die Demodulation des Strahls übernimmt.
Die Schaltung für das Gerät besteht aus zwei Blöcken. Der Modulatorblock moduliert den Laserstrahl nach obigem Schema. Das niederfrequente Signal stammt von einem MP3-Modul welches MP3-Dateien von einer SD-Karte selbstständig abspielt. Das Signal wird mit einer Power-OpAmp (LM 675) verstärkt und mit einem Trafo auf eine Spannung von ca. 300V hoch gespannt und in den Versorgungskreis der Laserröhre eingekoppelt. Im Empfängerblock werden die Signale der durch den Laserstrahl beleuchteten Fotodioden verstärkt und über einen Lautsprecher hörbar gemacht. Mit einem Relais kann zwichen den beiden Empfängern für Freiraum b.z.w. Lichtleiter umgeschaltet werden.
>Schaltung im PDF-Format<

Der reale Aufbau gleicht dem Schema oben.
Ganz oben in das HV-Modul zum Betrieb des Lasers, das wegen der schwarzen Farbe kaum zu sehen ist. Darunter in der Mitte die HeNe-Laserröhre mit dem Modulator und dem blauen Modulationstrafo.
Links vom Laser der Auskoppel- und Umlenkspiegel. Links vom Spiegel die Empfängerdioden für den Freiraumstrahl. Unterm Spiegel die Fokussierlinse zum Einkoppeln in den Lichtleiter. Zwischen Linse und Lichtleiter ist der durch einen Knopf bewegbare Shutter angebracht. Neben dem Shutterknopf der Umschalter für die beiden Empfangszweige.
Das aus dem Lichtleiter austretende Licht fällt auf die Fotodiode des Lichtleiterzweiges.
Rechts in der Mitte die übrige Elektronik mit Mini-MP3-Player und Lautsprecherverstärker. Der Lautsprecher ist rechts im Bild zu sehen.

Das linke MP4-File zeigt die Funktion des Geräts.

Am Anfang steht der Wahlschalter im "Lichtleiter-Modus" aber der Shutter ist geschlossen. Wird der Shutter geöffnet ist das Signal zu hören.
Wird nun auf den Freiraum-Modus umgeschaltet ist das Signal zu hören weil der Laserstrahl vom linken Spiegel reflektiert wird. Wird der Strahl unterbrochen ist das Signal weg, b.z.w. der Netzbrumm durch die Einstreueng der Raumbeleuchtung zu hören.