Vom optischen Signal zum digitalen Messwert

Wie lassen sich mehrere optische Signale gleichzeitig übertragen und anschließend wieder voneinander trennen? Genau diese Frage stand im Mittelpunkt eines Experiments im QuantumLab der DHBW Stuttgart. In einem von Herrn Bernd Hänsch-Rosenberger aufgebauten und geleiteten Versuchsaufbau wurde ein Wellenlängenmultiplex erzeugt, übertragen und anschließend optisch demoduliert.

Die zentrale Idee

Mehrere Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlänge werden gemeinsam übertragen. Nach der Übertragung werden sie mit Hilfe eines Beugungsgitters wieder spektral aufgespalten. Die einzelnen Wellenlängen erscheinen dadurch an unterschiedlichen Positionen. An dieser Stelle kommt die EDU-Version unserer Zeilenkameraplatine ins Spiel: Sie wandelt die räumlich getrennten optischen Signale in elektrische bzw. digitale Messwerte um.

Damit wird aus einem optischen Multiplexsignal ein direkt auswertbares digitales Signal. Für Studierende wird auf diese Weise sehr anschaulich, wie optische Übertragung, spektrale Zerlegung, Detektion und digitale Signalverarbeitung ineinandergreifen.

Das QuantumLab der DHBW Stuttgart

Das QuantumLab der DHBW Stuttgart ist ein interdisziplinär ausgerichtetes Labor für moderne Quantentechnologien. Es richtet sich insbesondere an Studierende technischer Studiengänge und verfolgt einen klaren Hands-on-Ansatz: Quantenphysikalische und photoniknahe Konzepte sollen nicht nur theoretisch behandelt, sondern im Experiment erfahrbar gemacht werden.

Im QuantumLab werden unter anderem Experimente zu Einzelphotonen, photonischen Qubits, Polarisation, Interferenz, Quanteninformation und Quantensensorik durchgeführt. Die Ausstattung und die Versuchskonzepte schlagen damit eine Brücke zwischen physikalischen Grundlagen und ingenieurwissenschaftlicher Anwendung.

Genau solche Einrichtungen hatten wir bei der Entwicklung unserer EDU-Zeilenkameraplatinen im Blick: Lehrlabore, Praktika und studentische Projekte, in denen robuste, verständliche und gut integrierbare Sensortechnik benötigt wird. Die Studierenden sollen nicht nur ein fertiges Messgerät bedienen, sondern den Signalweg nachvollziehen können – vom Licht über den Sensor bis zur digitalen Auswertung.

Das Experiment: optisches Wellenlängenmultiplex

Beim Wellenlängenmultiplex werden mehrere Informationen gleichzeitig über unterschiedliche Wellenlängen übertragen. Das Prinzip ist aus der optischen Nachrichtentechnik bekannt: Statt für jedes Signal einen eigenen Übertragungskanal zu verwenden, werden verschiedene spektrale Kanäle gemeinsam über einen optischen Pfad geführt.

Im Versuch wird ein solches Multiplexsignal erzeugt und anschließend wieder in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Dazu wird das Licht auf ein Beugungsgitter geleitet. Das Gitter lenkt die verschiedenen Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln ab. Aus dem ursprünglich gemeinsam übertragenen Lichtbündel entsteht dadurch eine räumliche Verteilung: Jede Wellenlänge fällt an einer anderen Position auf den Detektor.

Eine Zeilenkamera ist für diese Aufgabe besonders geeignet. Sie besitzt viele Pixel entlang einer Linie und kann die Intensitätsverteilung über diese Linie gleichzeitig erfassen. Dadurch wird die spektrale Information direkt in ein ortsaufgelöstes elektrisches Signal übersetzt.

Das Messprinzip lässt sich vereinfacht so beschreiben:

• Licht unterschiedlicher Wellenlängen wird gemeinsam übertragen.
• Ein Beugungsgitter trennt die Wellenlängen räumlich voneinander.
• Die Zeilenkamera erfasst die Intensitätsverteilung entlang der Spektrallinie.
• Die Elektronik wandelt die Sensorsignale in digitale Messdaten um.
• Die einzelnen Kanäle können anschließend am PC ausgewertet werden.

Damit wird sehr anschaulich sichtbar, wie aus einem optischen Signal ein digitales Signal entsteht. Für die Lehre ist genau dieser Übergang besonders wertvoll: Studierende können die physikalische Wirkung des Gitters, die Funktion des Sensors und die digitale Auswertung in einem zusammenhängenden Experiment erleben.

Die Rolle der EDU-Zeilenkamera

Die verwendete EDU-Zeilenkameraplatine übernimmt im Experiment die Wandlung der optischen Domäne in die elektrische und digitale Domäne. Sie ist damit nicht nur ein Detektor, sondern ein zentrales Element der Signalverarbeitungskette.

Im Gegensatz zu einem geschlossenen Spektrometer oder einem fertigen Messsystem bleibt der Aufbau transparent. Die Studierenden können erkennen, wo das Licht auf den Sensor fällt, wie sich verschiedene Wellenlängen räumlich trennen und wie daraus ein digitales Profil entsteht. Verschiebt sich eine Wellenlänge oder ändert sich ihre Intensität, wird dies direkt in der Messkurve sichtbar.

Gerade für Lehrlabore ist diese Transparenz wichtig. Die EDU-Version der Zeilenkamera wurde so entwickelt, dass sie sich gut in Praktikumsversuche, Demonstrationsaufbauten und studentische Projekte integrieren lässt. Sie bietet einen praxisnahen Einstieg in optische Messtechnik, ohne dass der eigentliche Messprozess hinter einer Blackbox verschwindet.

Typische Lernziele eines solchen Experiments

• Verständnis des Wellenlängenmultiplex-Prinzips
• Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Beugungswinkel und Detektorposition
• Aufnahme eines ortsaufgelösten Intensitätsprofils
• Interpretation einzelner spektraler Kanäle
• Einblick in die Wandlung optischer Signale in digitale Daten
• Grundlagen der optischen Nachrichtentechnik und Spektrometrie

Fazit

Das begleitende Plakat der DHBW Stuttgart ordnet den hier gezeigten Versuch in den größeren Kontext des QuantumLab ein und gibt einen kompakten Überblick über weitere Experimente und Themenfelder des Labors.

Der Einsatz der EDU-Zeilenkameraplatinen im QuantumLab der DHBW Stuttgart zeigt sehr schön, wofür diese Produktlinie entwickelt wurde: für praxisnahe Lehre, verständliche optische Experimente und den direkten Übergang von physikalischen Effekten zu digitalen Messdaten.

Im Wellenlängenmultiplex-Experiment übernimmt die Zeilenkamera eine Schlüsselrolle. Sie macht die spektrale Demodulation sichtbar, messbar und auswertbar. Gleichzeitig bleibt der Aufbau offen genug, damit Studierende die zugrunde liegenden Prinzipien verstehen und selbst weiterentwickeln können.

Damit ist das Experiment ein gelungenes Beispiel für moderne technische Ausbildung: anschaulich, interdisziplinär und nah an realen Anwendungen der Photonik, optischen Messtechnik und Quantentechnologie.

Sie planen ein Praktikum, Lehrlabor oder studentisches Projekt mit optischer Messtechnik? Unsere EDU-Zeilenkameraplatinen lassen sich flexibel in eigene Aufbauten integrieren – von einfachen Spektrometerexperimenten bis zu photonischen Lehrversuchen.