Што е оптичка влакна?

Дефиниција

Оптичката нишка е танка и флексибилна ниска направена од стакло (силициум) или пластик, дизајнирана специјално за пренос на оптички (светлински) сигнали. Независно од нејзината делкат изглед, оптичката нишка обично има пречник поголем од пречникот на човеков кос.

Почитувајќи го точно, оптичката нишка функционира како волновод, што овозможува пренос на електромагнетни бранови во формата на светлина на оптички фреквенции. Оваа уникатна карактеристика ја прави способна да пренесе информации над долг растојание со висока ефикасност и минимална загуба на сигнал, што ја прави основен дел од модерните комуникациски технологии.

Структура на оптичката нишка

Оптичката нишка е суштински состојана од две клучни компоненти: јадрото и облогата. Јадрото, цилиндрична диелектрична структура направена главно од стакло, служи како патека за проширување на светлината. Во овој централен регион светлинските сигнали се движеат, водени од принципите на тотална интерна рефлекција. Околу јадрото е облогата, обично направена од пластик. Облогата игра важна улога во ограничувањето на светлината во јадрото, осигурувајќи дека светлинските сигнали остануваат целостни и можат да се пренесуваат над долг растојание без значајна изтечност или дејградација.

Сликата подолу прикажува деталната структура на оптичката нишка, истакнувајќи ја различните слоеви на јадрото и облогата и нивните респективни улоги во обезбедување на ефикасен пренос на светлина.

Детали на структурата и функционалноста

Целосната оптичка нишка е обвиеана со еластична џепела, која служи како заштитен слој. Оваа џепела го заштитува волокот од физички повреди, екологиски фактори и механички стрес, осигурувајќи неговата целост при инсталација, операција и хендлирање.

Важно е да се забележи дека во оптичките нишки, облогата директно не учествува во преносот на светлински бранови; наместо тоа, светлината се движи само преку јадрото. Меѓутоа, комбинацијата на јадрото и облогата е есенцијална за минимизирање на загубите на сигнал причинети од рассеивање. Ова е затоа што разликата во рефрактивните индекси помеѓу двете компоненти овозможува ефикасно водење на светлината. Специфично, рефрактивниот индекс на јадрото мора да е поголем од рефрактивниот индекс на облогата. Оваа разлика во рефрактивните индекси е фундаменталниот принцип што овозможува ефикасниот пренос на светлина во волокот.

Проширување на светлина во оптичките нишки

Оптичките нишки се дизајнирани за пренос на сигнали во формата на светлина (фотони). Тогаш се поставува прашањето: како светлината всушност се движи преку оптичката нишка? Одговорот лежи во феноменот на тотална интерна рефлекција.

Кога светлината влезе во оптичка нишка, таа се движи преку јадрото додека се случуваат непрекинати рефлекции од облогата. Овие рефлекции се тотални интерни рефлекции, кои се случуваат под специфични услови. Како што претходно беше објаснето во контекстот на тоталната интерна рефлекција, овој феномен се случува кога светлината се движи од средина со поголем рефрактивен индекс (плотното јадро) кон средина со помал рефрактивен индекс (разредната облога) под агол на инциденца поголем од критичкиот агол.

Под таков агол на инциденца, наместо да се рефрактира во облогата, светлината продолжува да се проширува преку јадрото со последователни рефлекции. Цилиндричниот облик на јадрото, со неговиот релативно мал пречник, осигурува дека само минимална количина светлина се рефлектира од границата јадро-облога. Ова, во свој ред, гарантира дека аголот на инциденца на светлинскиот зрачок остани конзистентно поголем од критичкиот агол, што го овозможува ефикасното водење на светлината по должината на волокот.

Модови на проширување во оптичките нишки

Кога светлината се движи по оптичка нишка, таа може да следи еден или повеќе пати додека преминува низ јадрото. Во суштина, „модовите“ на проширување се однесуваат на бројот на различни патишта што светлинскиот зрачок може да ги следи додека се движи низ волокот. Постојат две фундаментални модови на проширување во оптичките нишки:

Едномодална нишка

Во едномодална нишка, светлинските зрачоци се прошируваат низ волокот само по еден пат. Овој единствен пат на проширување на брановите значително ги намалува искривувањата на сигналот токмувајќи го преносот. Бидејќи нема повеќе патишта за светлинските зрачоци да се движеат, целоста на сигналот може да се одржува над долг растојание, осигурувајќи високо-верна комуникација.

Јадрото на едномодалната нишка има многу мал пречник, што бара користење на многу фокусиран светлински зрачок. Затоа, предовремено се користат лазерски извори на светлина, бидејќи тие можат да испуштаат остри, когерентни зрачоци што можат ефикасно да се движеат низ узкиот јадор без значајна дивергенција или рассеивање.

Мултимодална нишка

Мултимодалните нишки имаат јадро со пречник значително поголем споредно со едномодалните нишки. Овој поширок јадор овозможува светлинските зрачоци да се прошируваат низ повеќе патишта во јадрото. Иако оваа карактеристика го прави волокот способен да носи повеќе светлина истовремено, таа исто така го зголемува ризикот од дисперзија на сигналот и замрзнување. Дисперзијата на сигналот се случува бидејќи различните светлински зрачоци што се движеат низ различни патишта во јадрото пристигаат на одредницата на мало различни моменти, замаглувајќи го сигналот. Замрзнувањето, или ослабнувањето на сигналот, е исто така повеќе изразено во мултимодалните нишки поради фактори како рассеивање и апсорбиранје во поширокото јадро. Меѓутоа, поширкиот пречник на јадрото дава предност на вклучувањето на неколку пропагандни патишта за светлински бранови, што го прави прифатливо за примените каде што е простотата и понискиот ценовен фактор претпочитани пред екстремно долг растојание, високопропусни преноси.

Што се стаклени нишки?

Стаклото е аморфно тврдо материјал карактеризиран со неговата тврдина, прозрачност и ломливост. Тоа се создава преку процесот на топење на комбинација на материјали и потоа брзо хладење (квенчинг). Споредно со кристални тврди тела, стаклото нема добро дефинирана, редовна молекулска структура. Наместо тоа, неговите молекули се распоредени во недоделена, произволна шема.

Стаклото има уникатна карактеристика: менувањето на неговата материјална композиција доведува до соодветни промени во неговите својства. Оваа изменливост во својствата го прави стаклото многу универсален материјал, особено кога става на создавање на оптички нишки со подесени перформансни карактеристики.

Преимущества на оптичката нишка

• Пренос на сигнал со одбраничивост против искривување: Оптичките нишки овозможуваат проширување на светлински бранови, што го прави можно преносот на сигнали со извонредна имунитет против искривување. Ова гарантира дека целоста на информацијата што се пренесува останува целостна, дури и над долги растојания.

• Сигурна и долгорастојанска комуникација: Овие нишки овозможуваат сигурен начин на пренос на податоци над долги растојания. Природата на преносот на светлински бранови во волокот ограничува сигналот, намалувајќи го ризикот од прехватување и интерференција, што го прави идеален за примените каде што е важна сигурноста на податоците.

• Продолжена временска траење: Споредно со другите видови на кабели за пренос, оптичките нишки имаат значително подолга временска траење. Нивната издржливост и отпорност против износ и трпање допринасуваат до нивната способност да одржуваат релевантна перформанса над долг период, намалувајќи потребата за честа замена.

Недостатоци на оптичката нишка

• Високи трошоци за инсталација и одржба: Појавната инсталација и настојна одржба на системите со оптичка нишка може да бидат релативно скапи. Ова вклучува трошоци за специјализирано опрема, квалифицирана работна сила за инсталација и редовна одржба за осигурување на оптимална перформанса.

• Осетливост на екологиски фактори: Заблагодарени на нивната ломлива природа, оптичките нишки бараат подигнат заштитен мерки од екологиските услови. Изложувањето на физички стрес, екстремни температури, влага и други екологиски елементи може потенцијално да повредат нишките и да прекинат преносот на сигналот.

• Потреба за повторувачи: Иако оптичките нишки можат да пренесуваат сигнали над долги растојания со минимална искривување, користењето на повторувачи е често неопходно токмувајќи го преносот на сигналот. Овие повторувачи усицуваат и регенерираат сигналот за компенсирање на било каква деградација што се случува над растојание, додавајќи на комплексноста и трошоците на целокупниот систем.

Оптичките нишки често се производат од силициум поради неговите супериорни оперативни карактеристики. Силициумот е хемиски стабилен материјал, што му овозможува да издржи жестоки екологиски услови без значајна деградација. Неговата стабилност и оптичките карактеристики го прават материјалот на избор за оптичките комуникациони примените, осигурувајќи надежен и ефикасен пренос на сигналот.