Optično vlakno: definicija, delovanje in glavne uporabe

Optično vlakno: definicija, delovanje in glavne uporabe — hitro razumevanje vloge v telekomunikacijah, medicini, senzorjih in razsvetljavi za hitrejši prenos podatkov.

Optično vlakno je tanko vlakno iz stekla ali plastike, ki lahko prenaša svetlobo z enega konca na drugega. Študij optičnih vlaken se imenuje optika vlaken, ki je del uporabne znanosti in inženirstva. Optična vlakna omogočajo prenos informacij v obliki svetlobnih signalov z zelo veliko hitrostjo in nizkimi izgubami v primerjavi s klasičnimi kovinskimi prevodniki.

Kako deluje

Delovanje optičnega vlakna temelji na pojavu popolne notranje refleksije. Svetloba, vnesena v vlakno pod primernim kotom, se znotraj jedra odbija od stene medija (plašča) in tako potuje vzdolž vlakna. Razlika v lomnem količniku med jedrom in plaščem preprečuje, da bi svetloba uhajala ven.

Gradnja optičnega vlakna

Tipično optično vlakno sestavljajo:

• Jedro – osrednji del, po katerem potuje svetloba; narejeno je iz visoko prečiščenega stekla ali plastike.
• Plašč – plast z nižjim lomnim količnikom, ki obkroža jedro in zagotavlja notranjo refleksijo.
• Zaščitni plašč in prevleka – mehanske zaščitne plasti, ki varujejo vlakno pred poškodbami, vlago in obrabo.

Vrste optičnih vlaken

• Enomodna (single-mode) – majhno jedro, omogoča prenos enega modalnega načina; uporablja se za dolge razdalje in velike hitrosti (npr. medkrajevni prenos).
• Večmodna (multimode) – večje jedro, prenaša več modalnih načinov; primerna za krajše razdalje, kot so lokalna omrežja in podatkovni centri.

Glavne prednosti in omejitve

• Prednosti:
  • Velika pasovna širina in hitrost prenosa podatkov.
  • Nizke izgube na dolge razdalje in manjša potreba po ojačevalnikih kot pri bakrenih kablih.
  • Imunost proti elektromagnetnim motnjam in premikom zemeljskega potenciala.
  • Manjša masa in premer v primerjavi s kovinskimi kabli za enako zmogljivost.
• Omejitve:
  • Večja krhkost; vlakna so občutljiva na močne upogne in fizične poškodbe.
  • Za namestitev in spajanje so potrebna posebna orodja in oprema (spajkalniki, spojke, končni konektorji).
  • Razpršenje in lomne izgube omejujejo učinkovit prenos na izbrane valovne dolžine; potrebni so ojačevalniki oziroma regeneracija za zelo dolge povezave.

Tehnični pojmi, ki jih je dobro poznati

• Attenuacija (oslabljenje) – izguba moči signala na enoto dolžine, običajno izražena v dB/km.
• Disperzija – širjenje svetlobnega pulza med prenosom, kar lahko omeji hitrost in razdaljo brez regeneracije signala.
• Valovne dolžine – standardne okna za prenos so okoli 850 nm, 1310 nm in 1550 nm; 1550 nm ima pogosto najmanjše izgube v steklenih vlaknih.

Glavne uporabe

Optična vlakna se večinoma uporabljajo v telekomunikacijah, uporabljajo pa se tudi za razsvetljavo, senzorje, igrače in posebne kamere za opazovanje notranjosti majhnih prostorov. Včasih se uporabljajo tudi v medicini, kjer omogočajo vpogled v notranjost ljudi, na primer v njihovo grlo.

Dodatne pomembne uporabe vključujejo:

• Internetni hrbtenici in omrežja za prenos velike količine podatkov (FTTx – fiber to the x).
• Podmorski kabli, ki povezujejo kontinente.
• Podatkovni centri in visoko zmogljiva računalniška omrežja.
• Endoskopija in medicinske optične instrumenti za kirurgijo ter diagnostiko.
• Senzorika – merjenje temperature, napetosti, raztezanja in kemičnih parametrov v industriji ter infrastrukturi.
• Vojaške in varnostne aplikacije, optični radarji ter omrežja za varovanje.

Namestitev in vzdrževanje

Pri nameščanju je treba upoštevati minimalne radije upogiba, uporabljati primerne konektorje in spoje ter zagotoviti pravilno zaščito kabla. Spajanje optičnih vlaken se izvaja s toplotnim spajanjem (fusion splice) ali mehanskimi spojkami; obe metodi zahtevata natančnost za minimalne izgube.

Prihodnost in razvoj

Razvoj optičnih vlaken in pripadajoče opreme napreduje hitro: višje prenosne hitrosti, boljša optična vlakna z manjšimi izgubami, integracija s fotonskimi vezji in uporaba novih valovnih pasov povečujejo možnosti uporabe. Optični prenos ostaja temelj sodobne komunikacijske infrastrukture in bo ključen za prihodnje omrežne zahteve, kot so 5G/6G, internet stvari in obsežni prenos podatkov v oblaku.

Če želite izvedeti več o osnovnih gradnikih in vrstah vlaken ali o postopkih spajanja in merjenja, lahko poiščete dodatne vire ali se posvetujete s strokovnjakom za optične komunikacije.

Zgodovina

Vodenje svetlobe z notranjim odbojem, načelo, ki omogoča optična vlakna, sta v začetku štiridesetih let 19. stoletja v Parizu prvič pokazala Daniel Colladon in Jacques Babinet. Fizik John Tyndall je 12 let pozneje v svojih javnih predavanjih v Londonu predstavil to metodo.

Načelo je v tridesetih letih prejšnjega stoletja za notranje zdravstvene preglede prvič uporabil Heinrich Lamm. Sodobna optična vlakna, pri katerih so steklena vlakna prevlečena s prozorno oblogo, ki zagotavlja ustreznejši lomni količnik, so se pojavila kasneje v desetletju.

Leta 1965 sta Charles K. Kao in George A. Hockham iz britanskega podjetja Standard Telephones and Cables (STC) prva pokazala, da je mogoče zmanjšati izgubo intenzivnosti v optičnih vlaknih, s čimer so vlakna postala praktičen komunikacijski medij. Predlagala sta, da so napake v vlaknih, ki so bila takrat na voljo, posledica nečistoč, ki jih je mogoče odstraniti. Opozorili so na pravi material, ki ga je treba uporabiti za takšna vlakna, na primer silicijevo steklo, ki ima visoko čistost. Za to odkritje je Kao leta 2009 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.

Daniel Colladon je "svetlobni vodnjak" ali "svetlobno cev" prvič opisal v članku iz leta 1842 z naslovom On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Ta posebna ilustracija izhaja iz kasnejšega Colladonovega članka iz leta 1884.

Kako deluje

Optično vlakno je dolg, tanek pramen prozornega materiala. Njegova oblika je običajno podobna valju. V sredini ima jedro. Okoli jedra je plast, ki se imenuje obloga. Jedro in obloga sta izdelana iz različnih vrst stekla ali plastike, zato svetloba v jedru potuje počasneje kot v oblogi. Če svetloba v jedru pade na rob obloge pod majhnim kotom, se odbije. Svetloba lahko potuje znotraj jedra in se odbije od obloge. Svetloba ne uide, dokler ne pride do konca vlakna, razen če je vlakno močno upognjeno ali raztegnjeno.

Če se obloga vlakna opraska, se lahko zlomi. Plastična prevleka, imenovana pufer, prekriva oblogo in jo ščiti. Pogosto je vlakno s pufrom vstavljeno v še trdnejšo plast, imenovano plašč. To omogoča, da vlakno enostavno uporabljamo, ne da bi ga zlomili.

Plasti v eni vrsti optičnega vlakna. 1.- jedro 8 µm2.- obloga 125 µm3. - pufer 250 µm4. - plašč 400 µm

Uporablja

Komunikacija z optičnimi vlakni

Glavna uporaba optičnih vlaken je v komunikacijah (telekomunikacijah). Pri komunikaciji z optičnimi vlakni se informacije prenašajo z enega mesta na drugo s pošiljanjem svetlobnih impulzov po optičnem vlaknu. Svetloba tvori elektromagnetno nosilno valovanje, ki se modulira za prenos informacij. Optični komunikacijski sistemi, ki so bili prvič razviti v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so korenito spremenili telekomunikacijsko industrijo in pripomogli k prihodu informacijske dobe.

Zgodnji sistemi so imeli kratek doseg, poznejši pa so uporabljali vlakna, ki so bolj pregledna. Ker svetloba ne uhaja iz vlakna, lahko doseže veliko razdaljo, preden signal postane prešibek. To se uporablja za pošiljanje telefonskih in internetnih signalov znotraj mest in med njimi. Zaradi prednosti pred električnim prenosom so optična vlakna v razvitem svetu v glavnem nadomestila komunikacije z bakrenimi žicami v osrednjih omrežjih.

Večina optičnih komunikacijskih sistemov ima električne povezave. Električni signal krmili oddajnik. Oddajnik pretvori električni signal v svetlobni signal in ga pošlje po vlaknu do sprejemnika. Sprejemnik pretvori svetlobni signal nazaj v električni signal.

Vlakna se včasih uporabljajo tudi za krajše povezave, na primer za prenos zvočnih signalov med predvajalnikom zgoščenk in stereo sprejemnikom. Vlakna, ki se uporabljajo za te kratke povezave, so pogosto izdelana iz plastike, ki je manj prozorna. TOSLINK je najpogostejša vrsta optičnega vtiča za stereofonske sprejemnike.

Druge uporabe

Optična vlakna se lahko uporabljajo kot senzorji. Za to se uporabljajo posebna vlakna, ki ob spremembi v okolici vlakna spremenijo način prepuščanja svetlobe. Takšni senzorji se lahko uporabljajo za zaznavanje sprememb temperature, tlaka in drugih stvari. Ti senzorji so uporabni, ker so majhni in ne potrebujejo električne energije na mestu, kjer se zaznava.

Ta vlakna se uporabljajo tudi za prenos svetlobe, ki jo ljudje vidimo. To se včasih uporablja za dekoracijo, kot so božična drevesca z optičnimi vlakni. Včasih se uporabljajo za razsvetljavo, kadar je priročno, da je žarnica drugje kot tam, kjer mora biti svetloba. Včasih se uporablja v znakih in umetnosti za posebne učinke.

Iz snopa vlaken je mogoče izdelati napravo, imenovano endoskop ali fibroskop. To je dolga tanka sonda, ki jo lahko vstavite v majhno luknjo in ki skozi vlakna pošlje sliko notranjosti v kamero. Endoskope uporabljajo zdravniki, da vidijo notranjost človeškega telesa, včasih pa jih uporabljajo tudi inženirji, da vidijo notranjost tesnih prostorov v strojih.

Optična vlakna (z dodanimi posebnimi kemikalijami) se lahko uporabljajo kot optični ojačevalniki. Tako lahko optični signal potuje dlje med končnimi točkami, ne da bi optični signal pretvorili v električni in nazaj, kar zmanjša skupne stroške komponent. Te optične ojačevalnike je mogoče uporabiti tudi za izdelavo laserjev. Ti se imenujejo laserji iz optičnih vlaken. Ti so lahko zelo močni, saj je dolga tanka vlakna enostavno ohlajati in ustvarjajo kakovosten svetlobni snop.

Vtič TOSLINK


Božično drevo z običajnimi in optičnimi lučkami


Notranjost ure, gledano skozi fibroskop.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je optično vlakno?

V: Kako se imenuje študij optičnih vlaken?

V: Za kaj se optična vlakna večinoma uporabljajo?

V: Kako se optična vlakna včasih uporabljajo v medicini?

V: Ali se optična vlakna poleg telekomunikacij uporabljajo še kako drugače?

V: Ali je mogoče z optičnim vlaknom pogledati v človekovo telo?

V: Ali je preučevanje optičnih vlaken del uporabne znanosti ali inženirstva?

Išči po črki