1 Licht in einem Glasfaserinterferometer
1.4 Experimenteller Aufbau des MZI in Glasfaserkabel
Im Gegensatz zum prinzipiellen und idealisierten Aufbau des MZI weiter oben, erfolgt die Anordnung, wie der Name sagt, ausschließlich in Glasfaserkabeln. Dies erleichtert den Aufbau erheblich, da keine aufwendige Feinjustierung der Lichtstrahlen gemacht werden muss, was in üblichen MZI-Experimenten normalerweise nötig ist. Nachteil ist dabei sicherlich, dass der Aufbau nicht die übersichtliche Form von Abb. 2 besitzt. Als Lichtquelle wird ein Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 632nm und einer Leistung von 1mW betrieben. Als Strahlteiler fungieren 2 2x2 Single Mode Fused Fiber Optic Coupler (50:50) für eine Wellenlänge von 632nm. Ein 2x2 Single Mode Fused Fiber Optic Coupler besteht im Prinzip aus zwei Glasfaserkabeln, deren optische Kerne auf einem Teilstück so nah aneinander gebracht werden, dass ein Übertritt von einer Faser in die andere möglich ist, in diesem Fall mit der Wahrscheinlichkeit von 50%.3 Weitere Elemente des
3 Die prinzipielle Erzeugung eines solchen Couplers ist recht einfach erklärt, die Faserkerne werden miteinander verdreht und im Zentrum verschmolzen, während dieses Vorgangs wird Licht in die Faser geleitet und in den
13 Versuchsaufbaus sind die Glasfaserkabeln selbst und ein Polarisationskompensationselement (Fiber Paddle Controller), das dazu dient auftretende Unterschiede zwischen der Polarisation des Lichts in den unterschiedlichen Wegen auszugleichen.4
Ausgängen die Intensität gemessen, sobald das richtige Verhältnis erreicht wird, stoppt man den Schmelzvorgang. Siehe [15] S. 205f und vgl. mit [16] S. 143.
4 Polarisation wird im Detail weiter unten im Experiment Licht trifft auf einen Polarisator behandelt. Die hier angesprochenen Unterschiede in der Polarisation können durch Biegen und Krümmung der Glasfasern entstehen, für eine ausführliche Erklärung dieses Effekts siehe [13], für eine Darstellung der Funktionsweise eines Polarisationskompensationselement siehe [14].
Abb. 4: schematische Darstellung des Versuchsaufbaus und des sichtbaren Ergebnisses in den beiden Ausgängen.
14 Der gesamte Versuchsaufbau ist auf einem Breadboard montiert und mit einer Plexiglashülle geschützt, die ein ausgeschnittenes Fenster besitzt, bei dem eine Hand über die Fasern gelegt werden kann. Zusätzlich ist eine Glühlampe montiert, die auf den „roten Weg“ gerichtet ist. Der Aufbau ist in Abb. 4 und Abb. 5 ersichtlich.
Das kontinuierliche Licht des Lasers wird direkt in die Faser eingekoppelt und so zum 1. Strahlteiler geleitet und dort aufgeteilt. Es folgt zwei unterschiedlichen Wegen (rot und blau), trifft jeweils auf den 2. Strahlteiler und teilt sich wiederum auf zwei Ausgänge auf. Die beiden Ausgänge werden mit je einer Linse auf einem Schirm abgebildet. Das Ergebnis des Experiments ist in Abb. 4 ersichtlich. Es entstehen zwei komplementäre Interferenzbilder. Wir erhalten mit unserem Aufbau damit praktisch den oben beschriebenen Fall eines idealisierten MZI. Dies wird dank der perfekten Justierung durch die Glasfasern erreicht und der Tatsache, dass die Fehler der optischen Komponenten bei der verwendeten Intensität des Lichts vernachlässigt werden können. Bei genauer Betrachtung eines einzelnen Ausgangs können sehr schwach ausgeprägte Interferenzringe erkannt werden, die
1. Strahlteiler 2. Strahlteiler
blauer Weg roter Weg
1. Ausgang
2. Ausgang
Abb. 5: Aufbau des Glasfaserinterferometers. Picture 23-05-2012 (c) Lois Lammerhuber
15 vermutlich durch zusätzliche Reflexionen an den beiden Ausgängen der Fasern hervorgerufen werden.5
Die komplementären Interferenzbilder in den beiden Ausgängen sind jedoch nicht stabil. Die Bilder schwanken leicht, das bedeutet, dass einmal das Bild des 1. Ausgangs heller ist und einmal das Bild des 2. Ausgangs. Diese Veränderungen sind natürlich perfekt komplementär, sodass die Gesamtintensität beider Ausgänge zusammen immer gleich groß bleibt. Erklären lässt sich diese Beobachtung, wenn wir nun die Weglängen der beiden Wege (in Abb. 4 und Abb. 5 als roter bzw.
blauer Weg gekennzeichnet) in Betracht ziehen. Bisher haben wir angenommen, dass beide Wege exakt gleich lang sind. Der Zusammenhang zwischen Weglänge und der Phasenverschiebung ist gegeben mit der Wellenlänge als . Eine Verschiebung von entspricht einer völligen Intensitätsverschiebung zwischen den beiden Ausgängen. Die ist bereits erreicht, wenn das Verhältnis von Weglänge zu Wellenlänge beträgt. Bei der gegebenen Wellenlänge von oder reicht also ein relativer Unterschied der beiden Weglängen von aus, um eine Phasenverschiebung von zu erreichen. Dieses Verhalten ist auch anschaulich in Abb. 6 dargestellt.
Die extreme Sensibilität auf Weglängenveränderungen erklärt das leichte Schwanken der Interferenzbilder. Leichte Temperaturschwankungen reichen aus, um den Brechungsindex und damit die Lichtgeschwindigkeit im Material zu ändern, dies entspricht de facto einer
„Weglängenänderung“. Recht eindrucksvoll lassen sich diese Schwankungen durch Berühren einer
5 Dass Reflexionen an den Ausgängen/bei den Linsen entstehen kann auch in Abb. 5 daran erkannt werden, dass am 1. Strahlteiler, der ebenfalls zwei Eingänge hat, das offene Ende unter der langen Belichtungszeit rot leuchtet.
Abb. 6: schematische Darstellung der Interferenz mit idealisierten 2 dimensionalen Wellen in Abhängigkeit der Längen- und damit Phasendifferenz.
16 Faser eines Weges verstärken. Aus diesem Grund ist im Versuchsaufbau, wie oben beschrieben, auch ein Fenster in der Plexiglasabdeckung eingelassen und zusätzlich eine Glühlampe montiert, die auf den roten Weg zielt und ihn stark erhitzen kann. Die übertragene Wärme der Hand bzw. der Glühlampe reicht aus, um die Temperatur der Faser in diesem Bereich zu erhöhen und damit auch ihre „Länge“ zu verändern.