Kaj je svetlobna vlakna?

Definicija

Optična vlakna so tanka in gibka nit iz stekla (silika) ali plastike, specifično zasnovana za prenos optičnih (svetlobnih) signalov. Kljub njenemu delikatnemu videzu je optično vlakno tipično širše od človeške lasice.

Natančneje rečeno, optično vlakno deluje kot valovod, ki omogoča prenos elektromagnetnih valov v obliki svetlobe na optičnih frekvencah. Ta edinstvena lastnost mu omogoča, da nosi informacije na daljše razdalje z visoko učinkovitostjo in minimalnim izgubljanjem signala, kar ga pravi ključnim elementom sodobnih komunikacijskih tehnologij.

Struktura optičnega vlakna

Optično vlakno se sestoji iz dveh ključnih komponent: jedra in plasti. Jedro, cilindrična dielektrična struktura, predvsem iz stekla, služi kot pot za širitev svetlobe. V tem centralnem območju se gredo optični signali, ki jih usmerja princip popolne notranje refleksije. Okoli jedra je plasta, tipično iz plastike. Plasta igra ključno vlogo pri omejevanju svetlobe znotraj jedra, s tem zagotavlja, da optični signali ostanejo nedotaknjeni in se lahko prenašajo na daljše razdalje brez značilnega utrku ali degradacije.

Slika spodaj prikazuje podrobno strukturo optičnega vlakna, ki poudarja ločene sloje jedra in plaste ter njune vloge pri učinkovitem prenosu svetlobe.

Podrobnosti strukture in funkcionalnosti

Celotna skupina optičnega vlakna je obdela z elastično ogrado, ki služi kot zaščitni sloj. Ta ograda varuje vlakno pred fizičnimi poškodbe, okoljskimi dejavnikami in mehaničnim stresom, s tem zagotavlja njegovo celovitost med namestitvijo, delovanjem in rabilo.

Je pomembno opozoriti, da plasta v optičnih vlaknih neposredno ne prispeva k prenosu svetlobnih valov; namesto tega svetloba potuje izključno skozi jedro. Vendar je kombinacija jedra in plaste bistvena za zmanjševanje izgub signala, povzročenih razprševanjem. To je zaradi razlike v lomnih indeksih med dvema komponentama, ki omogočata učinkovito usmerjanje svetlobe. Specifično, lomni indeks jedra mora biti višji od plaste. Ta razlika v lomnih indeksih je osnovni princip, ki omogoča učinkovit prenos svetlobe znotraj vlakna.

Širitev svetlobe v optičnih vlaknih

Optična vlakna so zasnovana za prenos signalov v obliki svetlobe (fotonov). Tukaj se postavlja vprašanje: kako se resnično svetloba premika skozi optično vlakno? Odgovor leži v pojavi popolne notranje refleksije.

Ko svetloba vkroči v optično vlakno, se giblje skozi jedro, hkrati pa se neprekinjeno odseva od plaste. Te odseve so popolne notranje refleksije, ki se dogajajo pod določenimi pogoji. Kot smo že omenili v kontekstu popolne notranje refleksije, ta pojav nastane, ko svetloba potuje iz sredstva z višjim lomnim indeksom (gosteje jedro) v sredstvo z nižjim lomnim indeksom (redkejša plasta) pod kotom padanja, večjim od kritičnega kota.

Z takšnim kotom padanja, namesto, da bi bila svetloba refraktirana v plast, nadaljuje svojo propagacijo skozi jedro z zaporednimi odsevi. Cilindrična oblika jedra, s svojo relativno majhno premerom, zagotavlja, da se le minimalno količina svetlobe odsega stran od meje jedro - plasta. To, na drugi strani, zagotavlja, da kot padanja svetlobnega žarka ostane konstantno večji od kritičnega kota, kar omogoča, da se svetloba učinkovito usmerja vzdolž dolžine vlakna.

Načini propagacije v optičnih vlaknih

Ko svetloba potuje skozi optično vlakno, lahko sledi buš eni ali več potem, dokler prehaja skozi jedro. V bistvu, "načini" propagacije se nanašajo na število različnih poti, ki jih lahko svetlobni žarek sprejme, dokler se giblje skozi vlakno. Obstajata predvsem dva temeljna načina propagacije v optičnih vlaknih:

Enonavensko vlakno

V enonavenskem vlaknu se svetlobni žarki gibljejo skozi vlakno samo po eni poti. Ta ena pot valovne propagacije znatno zmanjša izkrivljanje signala med prenosom. Ker ni več poti, po katerih bi se lahko gibljena svetlobni žarki, se celovitost signala lahko ohranja na daljše razdalje, s tem zagotavlja visokoversko komunikacijo.

Jedro enonavenskega vlakna ima zelo majhen premer, kar zahteva uporabo zelo fokusiranega svetlobnega žarka. Zaradi tega se najpogosteje uporabljajo laserji, saj lahko emitirajo ostr, koherenten žarek, ki se lahko učinkovito giblje skozi ozko jedro brez značilnega razprševanja ali divergiranja.

Večnavensko vlakno

Večnavenska vlakna imajo jedro z premerom, ki je zelo veliko večji v primerjavi s premerom enonavenskih vlaknih. Ta širše jedro omogoča, da se svetlobni žarki gibljejo skozi več poti znotraj jedra. Čeprav ta lastnost omogoča, da vlakno nosi več svetlobe hkrati, povečuje tudi možnost disperzije in zmanjševanja signala. Disperzija nastopa, ker različni svetlobni žarki, ki se gibljejo po različnih potih znotraj jedra, prispeta na cilj v malo drugačnem času, s tem razmazujejo signal. Zmanjševanje, ali oslabljanje signala, je tudi bolj izrazito v večnavenskih vlaknih zaradi dejavnikov, kot so razprševanje in absorpcija znotraj večjega jedra. Vendar širši premer jedra ponuja prednost, da lahko obdeluje več propagecijskih poti za svetlobne valove, kar ga pravi primernim za uporabo, kjer je enostavnost in nižja cena prednostna pred zelo dolgo razdaljo, visokopropusno prenosem.

Kaj so steklena vlakna?

Steklo je amorfnega trda telesa, karakterizirana z njegovim trdnostjo, prosojnostjo in krhilom. Ustvarjeno je z topnino kombinacije materialov, nato pa hitro ohladitvijo (ohladitvijo). Nasprotno kot kristalna trda telesa, steklo nima dobro definirane, redne molekularne strukture. Namesto tega so njegove molekule razpostavljene v nenavadnem, poljubnem vzorcu.

Steklo ima edinstveno značilnost: spreminjanje njegove sestave materiala vodi do ustrezne spremembe njegovih lastnosti. Ta spremenljivost lastnosti stekla ga naredi prilagodljivim materialom, še posebej kadar gre za izdelavo optičnih vlaknih z prilagojenimi lastnostmi delovanja.

Prednosti optičnih vlaknih

• Prenos signala, odporen na izkrivljanje: Optična vlakna omogočajo propagacijo svetlobnih valov, s tem omogočajo prenos signalov z znamenito odpornostjo na izkrivljanje. To zagotavlja, da celovitost informacij, ki se prenašajo, ostane nedotaknjena, tudi na daljših razdaljah.

• Varni in dolgoročni komunikacijski sistem: Ti vlakni nudijo varno metodo prenosa podatkov na daljše razdalje. Priročje prenosa svetlobnih valov znotraj vlakna omejuje signal, zmanjšuje tveganje za preslepljenje in motnje, kar ga pravi idealnim za uporabo, kjer je varnost podatkov najpomembnejša.

• Podaljšan življenjski čas: V primerjavi z drugimi vrstami prenosnih kabelov imajo optična vlakna znatno daljši servisni življenjski čas. Njihova trdnost in odpornost na opadanje in slabo stanje prispevata k njihovi sposobnosti, da ohranjajo zanesljivo delovanje v daljšem času, zmanjšujejo potrebo po pogostih zamenjavah.

Nedostatki optičnih vlaknih

• Visoke stroške namestitve in vzdrževanja: Začetni namestek in trajno vzdrževanje sistemov optičnih vlaknih lahko pride z relativno visokimi stroški. To vključuje stroške specializiranega opreme, strokovnega dela za namestitev in rednega vzdrževanja, da se zagotovi optimalno delovanje.

• Razumljivost za okoljske dejavnike: Zaradi njihove krhke narave optična vlakna zahtevajo izboljšano zaščito pred okoljskimi pogoji. Izpostavljenost fizičnemu stresu, ekstremnim temperaturam, vlage in drugih okoljskih elementov lahko potencialno poškoduje vlakna in moti prenos signala.

• Potreba po ponovilnikih: Čeprav optična vlakna lahko prenašajo signale na daljše razdalje z minimalnim izkrivljanjem, je pogosto potrebno uporabiti ponovilnike med prenosom signala. Ti ponovilniki pospešijo in regenerirajo signal, da kompenzirajo kakršnekoli degradacije, ki se pojavijo na razdalji, s tem dodajo kompleksnost in stroške celotnemu sistemu.

Optična vlakna so pogosto izdelana iz silika zaradi njenih superiornih operativnih lastnosti. Silika je kemikalno stabilen material, ki mu omogoča, da izdrži surova okoljska pogoja brez značilnega degradiranja. Njegova stabilnost in optične lastnosti ga naredijo izborno snov za uporabo v optičnih komunikacijskih aplikacijah, s tem zagotavljajo zanesljiv in učinkovit prenos signala.