Što je optički vlakno?

Definicija

Optički vlakno je tanko, gibko nitko izrađeno od stakla (kvartza) ili plastike, dizajnirano specifično za prijenos optičkih (svjetlosnih) signala. Unatoč svom tankom izgledu, optičko vlakno obično ima promjer veći od ljudskog kosa.

Točnije rečeno, optičko vlakno funkcioniše kao valovod, omogućujući prijenos elektromagnetskih valova u obliku svjetlosti na optičkim frekvenzama. Ova jedinstvena svojstva omogućuju visoko učinkoviti prijenos informacija na velike udaljenosti s minimalnim gubitkom signala, čime postaje ključni element modernih komunikacijskih tehnologija.

Struktura optičkog vlakna

Optičko vlakno se temeljno sastoji od dviju ključnih komponenti: jezgra i poklopca. Jezgro, cilindrična dielektrična struktura uglavnom izrađena od stakla, služi kao putanju za širenje svjetlosti. U tom centralnom području se optički signali kreću, vodeni principima potpune unutarnje refleksije. Okružuje jezgro poklopec, obično izrađen od plastike. Poklopec igra ključnu ulogu u zadržavanju svjetlosti unutar jezgra, osiguravajući da optički signal ostane integran i može se prenositi na proširene udaljenosti bez značajnog isijevanja ili degradacije.

Slika ispod ilustrira detaljanu strukturu optičkog vlakna, ističući različite slojeve jezgra i poklopca te njihove odgovarajuće uloge u pomoći učinkovitom prenosu svjetlosti.

Detalji o strukturi i funkcionalnosti

Cijela skupina optičkog vlakna je opremljena elastičnom jaknom, koje služi kao zaštitni sloj. Ovo jakno štiti vlakno od fizičkog oštećenja, okolišnih faktora i mehaničkog stresa, osiguravajući njegovu integritet tijekom instalacije, operacije i rukovanja.

Važno je napomenuti da u optičkim vlaknama poklopec ne direktno doprinosi prijenosu svjetlosnih valova; umjesto toga, svjetlost se kreće isključivo kroz jezgro. Međutim, kombinacija jezgra i poklopca bitna je za smanjenje gubitaka signala uzrokovanih raspršenjem. To je zbog razlike u lomnim indeksima između ta dva komponenta, što omogućuje učinkovito vodiljstvo svjetlosti. Konkretno, lomni indeks jezgra mora biti veći od lomnog indeksa poklopca. Ova razlika u lomnim indeksima je fundamentalni princip koji omogućuje učinkoviti prijenos svjetlosti unutar vlakna.

Širenje svjetlosti u optičkim vlaknama

Optička vlakna su dizajnirana da prenose signale u obliku svjetlosti (fotona). Postavlja se pitanje: kako točno svjetlost putuje kroz optičko vlakno? Odgovor leži u fenomenu potpune unutarnje refleksije.

Kada svjetlost uđe u optičko vlakno, ona se kreće kroz jezgro dok neprekidno reflektira s poklopca. Ove refleksije su potpune unutrasnje refleksije, koje se događaju pod određenim uvjetima. Kao što je ranije objašnjeno u kontekstu potpune unutrasnje refleksije, ovaj fenomen se javlja kada svjetlost putuje iz sredine s višim lomnim indeksom (gušće jezgro) u sredinu s nižim lomnim indeksom (ređi poklopec) pod kutom padanja većim od kritičnog kuta.

Sa takvim kutom padanja, umjesto da se refraktira u poklopec, svjetlost nastavlja se širiti kroz jezgro putem uzastopnih refleksija. Cilindrični oblik jezgra, s relativno malim promjerom, osigurava da se samo minimalna količina svjetlosti reflektira s granice jezgro - poklopc. To, na svoj red, garantira da se kut padanja svjetlosnog zraka konstantno održava veći od kritičnog kuta, omogućujući da se svjetlost učinkovito vodi duž duljine vlakna.

Načini širenja u optičkim vlaknama

Kada svjetlost putuje duž optičkog vlakna, može pratiti ili jednu ili više putanja dok prolazi kroz jezgro. U suštini, "modi" širenja odnose se na broj različitih putanja koje svjetlosni zrak može prati kroz vlakno. Postoje primarno dva temeljna načina širenja u optičkim vlaknama:

Jednomodalno vlakno

U jednomodalnom vlaknu, svjetlosni zraci se šire kroz vlakno samo po jednoj putanji. Ova jedina putanja prijenosa valova značajno smanjuje distorziju signala tijekom procesa prijenosa. Budući da nema više putanja za svjetlosne zrace, integritet signala može se održati na velike udaljenosti, osiguravajući visokofidelitetnu komunikaciju.

Jezgro jednomodalnog vlakna ima vrlo mali promjer, što zahtijeva upotrebu visoko fokusiranog svjetlosnog zraka. Zbog toga se uglavnom koriste laserske izvore svjetlosti, jer mogu emitirati oštar, koherentan zrak koji može učinkovito putovati kroz usko jezgro bez značajne divergencije ili raspršenja.

Višemodalno vlakno

Višemodalna vlakna imaju jezgro s promjerom značajno većim u usporedbi s jednomodalnim vlaknama. Ovaj širi jezgro omogućuje svjetlosnim zracima da se šire kroz više putanja unutar jezgra. Iako ovo svojstvo omogućuje vlaknu da nosi više svjetlosti istodobno, također povećava vjerojatnost disperzije i atenuacije signala. Disperzija signala nastupa jer različiti svjetlosni zraci koji se šire kroz različite putanje unutar jezgra stižu na odredište u blago različitim vremenima, zamagljivajući signal. Atenuacija, ili oslabljenje signala, također je izraženija u višemodalnim vlaknama zbog faktora poput raspršenja i apsorbiranja unutar većeg jezgra. Međutim, širi promjer jezgra pruža prednost smještajući više propagirajućih putanja za svjetlosne valove, čime se čini prikladnim za aplikacije gdje je jednostavnost i niža cijena prioritetne u usporedbi s ekstremno dugim udaljenostima i visokim propusnim kapacitetima.

Što su staklena vlakna?

Staklo je amorfnog čvrstog stanja karakterizirano tvrdjošću, prozirnošću i krhotljivošću. Stvara se kroz proces taloženja kombinacije materijala, nakon čega se brzo hladilo (hladnog radnog procesa). Na razliku od kristalnih čvrstih tijela, staklo nema dobro definiranu, regularnu molekularnu strukturu. Umjesto toga, njegove molekule su raspoređene u neurednom, nasumičnom uzorku.

Staklo ima jedinstveno svojstvo: mijenjanje njegovog materijalnog sastava dovodi do odgovarajućih promjena u njegovim svojstvima. Ova fleksibilnost u svojstvima čini staklo savrsenim materijalom, posebno kada je riječ o izradi optičkih vlakana s prilagođenim performansama.

Prednosti optičkih vlakana

• Prijenos signala otporan na distorziju: Optička vlakna omogućuju širenje svjetlosnih valova, omogućujući prijenos signala s izuzetnom imunitetom na distorziju. To osigurava da integritet informacija koje se prenose ostane nepromijenjen, čak i na velike udaljenosti.

• Sigurna i dugoodaljena komunikacija: Ova vlakna pružaju siguran način prenosa podataka na velike udaljenosti. Priroda prenosa svjetlosnih valova unutar vlakna ograničava signal, smanjujući rizik od presretanja i interferencije, čime se čine idealnim za primjene gdje je sigurnost podataka najviši prioritet.

• Produžen životni vijek: U usporedbi s drugim tipovima kabela za prijenos, optička vlakna imaju značajno duži servisni život. Njihova izdržljivost i otpornost na trošenje i oštećenje doprinose njihovoj sposobnosti održavanja pouzdanog performansa tijekom dugo vremena, minimizirajući potrebu za čestim zamjenama.

Nedostaci optičkih vlakana

• Visoke troškove instalacije i održavanja: Početna instalacija i stalno održavanje sustava optičkih vlakana mogu biti relativno skupi. To uključuje troškove specijaliziranog opreme, stručnog rada za instalaciju i redovnog održavanja kako bi se osigurala optimalna performansa.

• Osetljivost na okolišne faktore: Zbog svoje krhotljive prirode, optička vlakna zahtijevaju poboljšanu zaštitu od okolišnih uvjeta. Izlaganje fizičkom stresu, ekstremnim temperaturama, vlazi i drugim okolišnim elementima može potencijalno oštetiti vlakna i prekinuti prijenos signala.

• Potreba za ponavljivačima: Iako optička vlakna mogu prenositi signale na velike udaljenosti s minimalnim distorzijama, često je potrebno korištenje ponavljivača tijekom prijenosa signala. Ovi ponavljivači jače i regeneriraju signal kako bi nadoknadili bilo kakvu degradaciju koja se dogodi tijekom udaljenosti, dodavajući složenost i troškove ukupnom sustavu.

Optička vlakna se često izrađuju od kvartza zbog njegovih superiornih operativnih karakteristika. Kvartaz je hemijski stabilan materijal, što mu omogućuje da izdrži teške okolišne uvjete bez značajne degradacije. Njegova stabilnost i optička svojstva čine ga materijalom odabira za primjene u optičkoj komunikaciji, osiguravajući pouzdani i učinkoviti prijenos signala.