Mik az optikai szál?

Definíció

Az optikai szál egy hengeres, rugalmas szál, melyet üveg (szilika) vagy műanyagból készítünk, és kifejezetten fényjelzékek továbbítására tervezünk. Bár finoman tűnik, az optikai szál átmérője általában nagyobb, mint az emberi hajszálé.

PONTOSABBAN, az optikai szál függvényezi, hogy elektromos hullámokat, formájukban a fényt, optikus frekvencián továbbítsa. Ez a jellemző lehetővé teszi, hogy a szál hatékonyan és minimális jel elvesztéssel adatokat közvetít nagy távolságokon, ami a modern kommunikációs technológiák alapja.

Az optikai szál szerkezete

Az optikai szál lényegében két kulcsfontosságú összetevőből áll: a magból és a burkolóból. A mag, amely egy hengeres dielektrikus szerkezet, főleg üvegből készült, a fényhullámok utvonalaként szolgál. Itt, ezen központi régióban haladnak végig az optikai jelzékek, a teljes belső visszaverődés elve szerint. A mag körül található a burkoló, általában műanyagból készült. A burkoló kulcsfontosságú szerepet játszik abban, hogy a fényt a magban tartja, biztosítva, hogy az optikai jelzések megmaradjanak és hosszú távolságokon is továbbíthatók legyenek jelentős elvesztés vagy romlás nélkül.

A következő ábra részletesen mutatja az optikai szál szerkezetét, kiemelve a mag és a burkoló különböző rétegeit, valamint azok szerepét a hatékony fénytovábbításban.

Szerkezeti és funkcionális részletek

Az optikai szál teljes szerkezete egy rugalmas borítóban van, ami védelmi rétegként működik. Ez a borító védetté teszi a szált fizikai sérülésektől, környezeti tényezőktől és mechanikai stresszektől, garantálva integritását a telepítés, működés és kezelés során.

Fontos megjegyezni, hogy az optikai szálaknál a burkoló nem közvetlenül járul hozzá a fényhullámok továbbításához; a fény kizárólag a magon keresztül halad. Azonban a mag és a burkoló kombinációja létfontosságú a jelzés elvesztésének minimalizálásához, mivel a két összetevő közötti törésmutató eltérés lehetővé teszi a fény hatékony irányítását. Konkrétan, a mag törésmutatója nagyobbnak kell lennie, mint a burkolónak. Ez a törésmutató-eltérés az alapvető elv, ami lehetővé teszi a fény hatékony továbbítását a szálban.

Fény továbbítása az optikai szálakban

Az optikai szálak úgy tervezettek, hogy fényformában (fotonok) adják tovább a jelzéseket. A kérdés tehát, hogyan halad a fény az optikai szálban? A válasz a teljes belső visszaverődés jelenségében rejlik.

Amikor a fény bekerül az optikai szálba, a magon keresztül halad, folyamatosan visszaverődve a burkolótól. Ezek a visszaverődések teljes belső visszaverődések, melyek meghatározott feltételek mellett történnek. Ahogyan korábban említettük a teljes belső visszaverődés kontextusában, ez a jelenség akkor lép fel, amikor a fény egy magasabb törésmutatójú (sűrűbb mag) médiumból egy alacsonyabb törésmutatójú (ritkább burkoló) médiumba halad, a befelé eső szög nagyobb, mint a kritikus szög.

Ez a befelé eső szög miatt, a fény nem a burkolóba tér, hanem a magon keresztül halad, folyamatosan visszaverődve. A mag hengeres formája, a relatíve kis átmérője biztosítja, hogy csak minimális mennyiségű fény visszaverődik a mag - burkoló interfészről. Ez, természetesen, garantálja, hogy a fény sugarának befelé eső szöge konzisztensen nagyobb, mint a kritikus szög, lehetővé téve a fény hatékony irányítását a szál hosszán.

Továbbítási módok az optikai szálakban

Amikor a fény az optikai száln keresztül halad, egyetlen vagy több úton is továbbítható a magon keresztül. Lényegében a "módok" arra utalnak, hogy hány különböző út mentén haladhat a fény a szálban. Főleg két alapvető továbbítási mód létezik az optikai szálakban:

Egymódus szál

Az egymódus szálban a fény sugarak csak egy úton haladnak a szálban. Ez az egyetlen út jelentősen csökkenti a jelzés torzulását a továbbítás során. Mivel nincs több út a fény sugarak számára, a jelzés integritása hosszú távolságokon is fenntartható, biztosítva a magas minőségű kommunikációt.

Az egymódus szál magjának átmérője nagyon kicsi, ami szükségessé teszi a nagyon fókuszált fényforrás használatát. Ezért a láserfényforrások dominánsan alkalmazhatók, mivel ők képesek olyan éles, koherens sugarakat kiadni, melyek hatékonyan haladhatnak a szűk magon keresztül jelentős divergencia vagy szóródás nélkül.

Többmódus szál

A többmódus szálak nagyobb átmérőjű maggal rendelkeznek, mint az egymódus szálak. Ez a szélesebb mag lehetővé teszi, hogy a fény sugarak több úton haladhassanak a magon keresztül. Habár ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy a szál több fényt továbbíthasson egyszerre, ugyanakkor növeli a jelzés-diszperzió és a jelzés- gyengülés esélyét is. A jelzés-diszperzió akkor lép fel, amikor a különböző fény sugarak, melyek különböző úton haladnak a magon kereszül, kicsit eltérő időkben érik el a céljukat, homályosítva a jelzést. A jelzés-gyengülés, vagy a jelzés gyengülése, a szélesebb magban is erőteljesebb, mert a szóródás és az abszorbálás miatt. Ugyanakkor, a szélesebb mag átmérője előnyben részesíti a több propagáló útvonalat a fényhullámok számára, ami alkalmas olyan alkalmazásokra, ahol a szimpla és olcsó megoldás prioritást élvez, a nagyon messze távolságokon, magas sávszélességű továbbítás felett.

Mik az üvegszálak?

Az üveg egy amorfházú szilárd anyag, melyet keménységével, átlátszóságával és összetörtékenységével jellemezhetünk. Az üveget olyan anyagok olvadószerkezetének gyors hűtése (quenching) folyamatával hozzuk létre. Ellentétben a kristályos szilárd anyagokkal, az üveg nem rendelkezik jól definiált, rendszeres molekuláris szerkezettel. Ehelyett a molekulái diszorganizált, véletlenszerű mintázatban helyezkednek el.

Az üveg egyedülálló jellemzővel rendelkezik: annak anyagi összetételének változtatásával a tulajdonságai is megváltoznak. Ez a tulajdonságvariabilitás az üveget sokoldalú anyaggá teszi, különösen ott, ahol szabott teljesítményi attribútumokkal rendelkező optikai szálak készítésére használják.

Az optikai szál előnyei

• Torzulással szembeni ellenálló jelzés továbbítása: Az optikai szálak lehetővé teszik a fényhullámok továbbítását, amelyek jelzéseket továbbítanak jelentős torzulásmentes ellenállással. Ez biztosítja, hogy a továbbított információ integritása megmaradjon, még hosszú távolságokon is.

• Biztonságos és hosszútávú kommunikáció: Ezek a szálak biztonságos módot nyújtanak az adatok továbbítására hosszú távolságokon. A fényhullámok továbbításának természetisége a szálban a jelzést korlátozza, csökkentve az elfogás és zavar esélyét, ami ideális olyan alkalmazásokra, ahol az adatbiztonság elsődleges.

• Hosszú élettartam: Más típusú továbbító kábeleknél az optikai szálak jelentősen hosszabb szolgálati élettartamot biztosítanak. Az őrzettségük és a viszonylagos hordozhatóságuk hozzájárul a megbízható teljesítményhez hosszú távon, csökkentve a rendszeres cserének szükségességét.

Az optikai szál hátrányai

• Magas telepítési és karbantartási költségek: Az optikai szálrendszer kezdeti telepítése és folyamatos karbantartása viszonylag drága lehet. Ez beleértendő a specializált berendezések, a telepítéshez szükséges képzett munkavállalók, valamint a rendszeres fenntartás költségeit, amelyek garantálják a rendszer optimális működését.

• Környezeti tényezőkkel szembeni sebezhetőség: Az optikai szálak finoman épültek, ezért erős védelemmel igényelnek a környezeti körülményekkel szemben. A fizikai stressz, extrém hőmérséklet, pára és más környezeti elemek expozíciója potenciálisan sértheti a szálakat, és zavarhatja a jelzés továbbítását.

• Iszmerek szükségessége: Bár az optikai szálak minimális torzulással továbbíthatják a jelzéseket hosszú távolságokon, a jelzés továbbításához iszmerek használata szükséges. Ezek az ismerek erősítik és regenerálják a jelzést, kompenzálva a távolság miatti bármilyen romlást, ami növeli a rendszer összetettségét és költségét.

Az optikai szálak gyakran szilikából készülnek, mivel ez a anyag kiváló működési jellemzőkkel rendelkezik. A szilika kémiai stabilitása lehetővé teszi, hogy a szélsőséges környezeti körülmények között is stabil maradjon, anélkül, hogy jelentősen romlanék. A stabilitása és optikai jellemzői miatt a szilika a választott anyag az optikai kommunikációs alkalmazásokhoz, biztosítva a megbízható és hatékony jelzés továbbítását.