Wat is een glasvezel?

Definitie

Een glasvezel is een slanke, flexibele draad gemaakt van glas (silica) of plastic, speciaal ontworpen voor de overdracht van optische (licht) signalen. Ondanks zijn delicate uiterlijk heeft een glasvezel meestal een diameter die groter is dan die van een menselijk haar.

Nauwkeuriger gezegd fungeert een glasvezel als een golfleider, waardoor elektromagnetische golven in de vorm van licht op optische frequenties kunnen worden overgebracht. Deze unieke eigenschap stelt het in staat om informatie over grote afstanden met hoge efficiëntie en minimale signaalverlies te transporteren, waardoor het een hoeksteen van moderne communicatietechnologieën is.

Structuur van Glasvezel

Een glasvezel bestaat eigenlijk uit twee belangrijke componenten: de kern en de mantel. De kern, een cilindrische dielectrische structuur gemaakt van voornamelijk glas, dient als pad voor lichtvoortplanting. Het is binnen deze centrale regio dat optische signalen reizen, geleid door de principes van totale interne reflectie. Rondom de kern bevindt zich de mantel, meestal gemaakt van plastic. De mantel speelt een cruciale rol bij het beperken van het licht binnen de kern, waardoor de optische signalen intact blijven en over grote afstanden kunnen worden overgebracht zonder significante lekkage of degradatie.

De figuur hieronder illustreert de gedetailleerde structuur van een glasvezel, waarbij de verschillende lagen van de kern en de mantel en hun respectieve rollen in het faciliteren van efficiënte lichtoverdracht worden benadrukt.

Structuur en Functioneel Detail

Het hele glasvezelmontage wordt omhuld door een elastische jas, die als beschermende laag fungeert. Deze jas beschermt de vezel tegen fysieke schade, milieuinvloeden en mechanische spanning, waardoor de integriteit tijdens installatie, bedrijf en handeling wordt gewaarborgd.

Het is belangrijk op te merken dat in glasvezels de mantel niet direct bijdraagt aan de overdracht van lichtgolven; in plaats daarvan reist het licht uitsluitend door de kern. Echter, de combinatie van de kern en de mantel is essentieel voor het minimaliseren van signaalverliezen veroorzaakt door verstrooiing. Dit komt doordat het verschil in brekingsindices tussen de twee componenten de efficiënte geleiding van licht mogelijk maakt. Specifieker, de brekingsindex van de kern moet hoger zijn dan die van de mantel. Dit verschil in brekingsindices is het fundamentele principe dat de effectieve overdracht van licht binnen de vezel mogelijk maakt.

Voortplanting van Licht in Glasvezels

Glasvezels zijn ontworpen om signalen in de vorm van licht (fotonen) te overbrengen. De vraag rijst: hoe reist licht eigenlijk door een glasvezel? Het antwoord ligt in het fenomeen van totale interne reflectie.

Wanneer licht een glasvezel binnengaat, reist het door de kern terwijl het voortdurend wordt weerspiegeld door de mantel. Deze reflecties zijn totale interne reflecties, die onder specifieke omstandigheden plaatsvinden. Zoals eerder besproken in de context van totale interne reflectie, vindt dit fenomeen plaats wanneer licht van een medium met een hogere brekingsindex (de dikkere kern) naar een medium met een lagere brekingsindex (de dunner mantel) reist met een invalshoek die groter is dan de kritische hoek.

Met zo'n invalshoek wordt het licht, in plaats van in de mantel te worden gebroken, door de kern verder gevoerd door opeenvolgende reflecties. De cilindrische vorm van de kern, met zijn relatief kleine diameter, zorgt ervoor dat slechts een minimale hoeveelheid licht van de kern-mantelgrens wordt weerspiegeld. Dit garandeert dat de invalshoek van de lichtstraal consistent groter blijft dan de kritische hoek, waardoor het licht effectief langs de lengte van de vezel kan worden geleid.

Propagatiemodi in Glasvezels

Wanneer licht langs een glasvezel reist, kan het één pad volgen of meerdere paden als het de kern doorkruist. In wezen verwijzen de "modi" van propagatie naar het aantal verschillende paden dat een lichtstraal kan nemen terwijl het door de vezel reist. Er zijn voornamelijk twee fundamentele modi van propagatie in glasvezels:

Enkelmodusvezel

In een enkelmodusvezel reizen lichtstralen langs de vezel via slechts één pad. Dit ene pad van golfvoortplanting vermindert significant signaalvervorming tijdens het overdrachtsproces. Aangezien er geen meerdere paden zijn voor de lichtstralen om te reizen, kan de integriteit van het signaal over lange afstanden behouden blijven, wat hoge trouwcommunicatie garandeert.

De kern van een enkelmodusvezel heeft een zeer kleine diameter, wat vereist dat een hoog gefocust lichtbundel wordt gebruikt. Daarom worden voornamelijk lasers als lichtbronnen toegepast, omdat ze een scherp, coherent bundel kunnen uitstralen dat effectief door de smalle kern kan reizen zonder significante divergentie of verstrooiing.

Meermodusvezel

Meermodusvezels hebben een kern met een diameter die aanzienlijk groter is vergeleken met die van enkelmodusvezels. Deze bredere kern stelt lichtstralen in staat om via meerdere paden binnen de kern te reizen. Hoewel deze eigenschap de vezel in staat stelt om meer licht gelijktijdig te dragen, neemt ook de kans op signaaldispersie en -verzwakking toe. Signaaldispersie treedt op doordat verschillende lichtstralen die langs diverse paden binnen de kern reizen, op lichtelijk verschillende tijdstippen bij de bestemming aankomen, waardoor het signaal vervaagt. Verzwakking, of het verzwakken van het signaal, is ook meer uitgesproken in meermodusvezels vanwege factoren zoals verstrooiing en absorptie binnen de grotere kern. Echter, de bredere kern doorsnede biedt het voordeel van het huisvesten van verschillende voortplantingspaden voor lichtgolven, waardoor het geschikt is voor toepassingen waar eenvoud en lagere kosten prioriteit hebben boven extreem lange-afstands, hoge-bandbreedte-overdracht.

Wat zijn Glazen Vezels?

Glas is een amorfe vaste stof gekenmerkt door zijn hardheid, transparantie en brosheid. Het wordt gemaakt door een mengsel van materialen te smelten en vervolgens snel af te koelen (quenching). In tegenstelling tot kristallijne vaste stoffen heeft glas geen goed gedefinieerde, regelmatige moleculaire structuur. In plaats daarvan zijn de moleculen in een ongeordende, willekeurige patroon gerangschikt.

Glas heeft een unieke eigenschap: het wijzigen van de materiaalsamenstelling leidt tot overeenkomstige veranderingen in de eigenschappen. Deze flexibiliteit in eigenschappen maakt glas een veelzijdig materiaal, vooral wanneer het gaat om het vervaardigen van glasvezels met aangepaste prestatiekenmerken.

Voordelen van Glasvezels

• Verstoringbestendige Signaaloverdracht: Glasvezels vergemakkelijken de voortplanting van lichtgolven, waardoor signalen met opmerkelijke immuniteit tegen verstoring kunnen worden overgebracht. Dit zorgt ervoor dat de integriteit van de overgedragen informatie intact blijft, zelfs over lange afstanden.

• Veilig en Langbereik Communicatie: Deze vezels bieden een veilige manier om gegevens over lange afstanden te overbrengen. De aard van lichtgolftransmissie binnen de vezel beperkt het signaal, waardoor het risico op onderschepping en storing wordt verminderd, waardoor het ideaal is voor toepassingen waar gegevensbeveiliging van groot belang is.

• Verlengde Levensduur: In vergelijking met andere soorten overdrachtkabels hebben glasvezels een aanzienlijk langere dienstleven. Hun duurzaamheid en weerstand tegen slijtage dragen bij aan hun vermogen om betrouwbare prestaties over een langere periode te behouden, waardoor het nodig is om minder vaak vervangingen uit te voeren.

Nadelen van Glasvezels

• Hoge Installatie- en Onderhoudskosten: De initiële installatie en continu onderhoud van glasvezelsystemen kunnen relatief duur zijn. Dit omvat de kosten van gespecialiseerde apparatuur, geschoolde arbeid voor installatie en regelmatig onderhoud om optimale prestaties te garanderen.

• Kwetsbaarheid voor Milieuinvloeden: Vanwege hun kwetsbare aard hebben glasvezels extra bescherming nodig tegen milieufactoren. Blootstelling aan fysieke stress, extreme temperaturen, vocht en andere milieuelementen kan potentiële schade aan de vezels veroorzaken en de signaaloverdracht verstoren.

• Vereiste voor Herhaalapparaten: Hoewel glasvezels signalen over lange afstanden met minimale verstoring kunnen overbrengen, is het gebruik van herhaalapparaten vaak noodzakelijk tijdens de signaaloverdracht. Deze herhaalapparaten versterken en regenereren het signaal om eventuele degradatie die over afstand optreedt te compenseren, waardoor de complexiteit en kosten van het gehele systeem toenemen.

Glasvezels worden vaak gemaakt van silica vanwege zijn superieure werkeigenschappen. Silica is een chemisch stabiel materiaal, waardoor het in staat is om strenge omgevingsomstandigheden te weerstaan zonder significant te degraderen. Zijn stabiliteit en optische eigenschappen maken het de keuze voor optische communicatie-toepassingen, waardoor betrouwbare en efficiënte signaaloverdracht wordt gegarandeerd.