Hvad er en fiberoptisk tråd?

Definition

Et optisk fiber er en smal, fleksibel tråd lavet af glas (silica) eller plast, specielt designet til transmission af optiske (lys) signaler. Trods sin delikate udseende har et optisk fiber typisk en større diameter end et menneskehår.

Nøjagtigere set fungerer et optisk fiber som en bølgeguide, der gør det muligt at overføre elektromagnetiske bølger i form af lys ved optiske frekvenser. Denne unikke egenskab gør det muligt at transportere information over lange afstande med høj effektivitet og minimalt signalfstab, hvilket gør det til en grundlæggende del af moderne kommunikationsteknologier.

Struktur af Optisk Fiber

Et optisk fiber består i princippet af to vigtige komponenter: kernen og kladdingen. Kernen, en cylindrisk dielektrisk struktur hovedsageligt lavet af glas, fungerer som vej for lyspropagation. Det er i denne centrale region, at de optiske signaler bevæger sig, ledet af principperne for total indre refleksion. Omkring kernen ligger kladdingen, typisk lavet af plast. Kladdingen spiller en afgørende rolle i at koncentrere lyset i kernen, hvilket sikrer, at de optiske signaler forbliver intakte og kan transmitteres over forlængede afstande uden betydelig ledbort- eller forringelse.

Figuren nedenfor viser den detaljerede struktur af et optisk fiber, hvor de forskellige lag af kernen og kladdingen og deres respektive roller i at fremme effektiv lystransmission understregnes.

Struktur og Funktionalitetsdetaljer

Den hele optiske fibermontering er omgivet af en elastisk jakke, der fungerer som en beskyttende lag. Denne jakke beskytter fibren mod fysisk skade, miljøfaktorer og mekanisk stress, hvilket sikrer dens integritet under installation, drift og håndtering.

Det er vigtigt at bemærke, at i optiske fibrer bidrager kladdingen ikke direkte til transmission af lysbølger; i stedet rejser lyset udelukkende gennem kernen. Men kombinationen af kernen og kladdingen er afgørende for at minimere signalfstab, der skyldes spredning. Dette skyldes, at forskellen i brydningsindeks mellem de to komponenter gør det muligt at effektivt lede lys. Specifikt skal brydningsindeks i kernen være højere end i kladdingen. Dette brydningsindeksforskelle er det fundamentale princip, der gør det muligt at effektivt overføre lys i fibren.

Propagation af Lys i Optiske Fibre

Optiske fibre er designet til at overføre signaler i form af lys (fotoner). Spørgsmålet opstår: hvordan rejser lyset faktisk gennem et optisk fiber? Svaret ligger i fænomenet total indre refleksion.

Når lys indgår i et optisk fiber, rejser det gennem kernen mens det udsættes for kontinuerlige refleksioner fra kladdingen. Disse refleksioner er totale interne refleksioner, der finder sted under specifikke forhold. Som tidligere diskuteret i sammenhæng med total indre refleksion, finder dette fænomen sted, når lys rejser fra et medium med et højere brydningsindeks (den tætre kjerne) til et medium med et lavere brydningsindeks (den sjældnere kladding) på en indfaldsvinkel, der er større end den kritiske vinkel.

Med en sådan indfaldsvinkel fortsætter lyset med at propagere gennem kernen ved at udføre successive refleksioner, i stedet for at blive refraktet ind i kladdingen. Den cylindriske form af kernen, med sin relativt lille diameter, sikrer, at kun en minimal mængde lys reflekteres væk fra kernen - kladdinggrænsen. Dette garanterer, at den indfaldsvinkel for lysstrålen konsekvent forbliver større end den kritiske vinkel, hvilket gør det muligt at effektivt lede lyset langs længden af fibren.

Propagationstilstande i Optiske Fibre

Når lys rejser langs et optisk fiber, kan det følge enten en enkelt rute eller flere ruter, mens det traverserer kernen. I virkeligheden refererer "tilstande" af propagation til antallet af forskellige ruter, som en lysstråle kan tage, mens den rejser gennem fibren. Der findes primært to fundamentale propagationstilstande i optiske fibre:

Enkeltmodus Fiber

I en enkeltmodus fiber rejser lysstråler gennem fibren kun via en enkelt rute. Denne eneste rute for bølgeoverførsel reducerer betydeligt signalforgyldning under overførselsprocessen. Eftersom der ikke findes flere ruter for lysstrålene at rejse, kan integriteten af signalet opretholdes over lange afstande, hvilket sikrer højkvalitet kommunikation.

Kernen i en enkeltmodus fiber har en meget lille diameter, hvilket kræver brug af et meget fokuseret lysstråle. Af denne grund anvendes laserkilder hovedsageligt, da de kan udsende et skarpt, koherent stråle, der kan effektivt rejse gennem den snævre kerner uden betydelig divergens eller spredning.

Multimodus Fiber

Multimodus fibre har en kerner med en diameter, der er betydeligt større sammenlignet med enkeltmodus fibre. Den bredere kerner gør det muligt for lysstråler at propagere gennem flere ruter inden for kernen. Selvom denne egenskab gør det muligt for fibren at transportere mere lys samtidigt, øger det også sandsynligheden for signalforgyldning og affyldning. Signalforgyldning opstår, da forskellige lysstråler, der rejser langs forskellige ruter inden for kernen, ankommer destinationen på lidt forskellige tidspunkter, hvilket slører signalet. Affyldning, eller svækkelsen af signalet, er også mere udtalt i multimodus fibre pga. faktorer som spredning og absorption inden for den større kerner. Dog giver den bredere kernediameter fordelene ved at kunne rumme flere propagationstilstande for lysbølger, hvilket gør det passende til applikationer, hvor enkelhed og lavere omkostninger prioriteres over ekstremt langdistancetransmission med højt bandbredde.

Hvad er Glasfiber?

Glas er et amorft faststof, der karakteriseres ved sin hårthed, gennemsigtighed og sprøjhed. Det skabes gennem processen med at smelte en kombination af materialer og derefter hurtigt køle (kvælstille) dem. I modsætning til kristalline faststoffer har glas ikke en veldefineret, regulær molekylær struktur. I stedet er dets molekyler arrangeret i en uordenlig, vilkårlig mønster.

Glas har en unik karakteristika: ændring af dets materialekomposition fører til tilsvarende ændringer i dets egenskaber. Denne formbarhed i egenskaber gør glas til et versatile materiale, især når det kommer til at skabe optiske fibre med specialdesignede ydeevneattributter.

Fordele ved Optiske Fiber

• Forskydningstolerant Signaltransmission: Optiske fibre gør det muligt at propagere lysbølger, hvilket gør det muligt at overføre signaler med bemærkelsesværdig immunisering mod forgildning. Dette sikrer, at integriteten af den information, der overføres, forbliver intakt, selv over forlængede afstande.

• Sikker og Langdistans Kommunikation: Disse fibre giver en sikker måde at overføre data over lange afstande. Naturen af lysbølgeoverførsel inden for fibren begrænser signalet, hvilket reducerer risikoen for aflytning og forstyrrelse, hvilket gør det ideelt til applikationer, hvor datasikkerhed er afgørende.

• Udvidet Livstid: Sammenlignet med andre typer transmissionskabler har optiske fibre en betydelig længere serviceperiode. Deres holdbarhed og modstandskraft mod slitage bidrager til deres evne til at opretholde pålidelig ydeevne over en forlænget periode, hvilket minimerer behovet for hyppige erstatter.

Ulemper ved Optiske Fiber

• Høje Installation- og Vedligeholdelsesomkostninger: Den initielle installation og det løbende vedligehold af optiske fibersystemer kan være relativt dyrt. Dette inkluderer omkostningerne til specialiseret udstyr, kvalificeret arbejdskraft til installation og regelmæssig vedligeholdelse for at sikre optimal ydeevne.

• Sårbarhed over for Miljøfaktorer: På grund af deres fragile natur kræver optiske fibre forbedret beskyttelse mod miljøforhold. Udsættelse for fysisk stress, ekstreme temperaturer, fugt og andre miljøfaktorer kan potentielt skade fibrene og forstyrre signalets transmission.

• Krav om Gentagere: Selvom optiske fibre kan overføre signaler over lange afstande med minimal forgildning, er det ofte nødvendigt at bruge gentagere under signaltransmission. Disse gentagere forstærker og regenererer signalet for at kompensere for enhver forringelse, der opstår over afstanden, hvilket øger kompleksiteten og omkostningerne til det samlede system.

Optiske fibre er ofte produceret af silica på grund af dets superiore driftsegenskaber. Silica er et kemisk stabilt materiale, der gør det i stand til at modstå hårde miljøforhold uden betydelig forringelse. Dens stabilitet og optiske egenskaber gør det til det foretrukne materiale for optiske kommunikationsapplikationer, hvilket sikrer pålidelig og effektiv signaltransmission.