Šta je optički vlakno?

Definicija

Optički vlakana su tanka i fleksibilna nit izrađena od stakla (kremnijev dioksid) ili plastike, dizajnirana specifično za prenos optičkih (svetlosnih) signala. Unatoč svom delikatnom izgledu, optičko vlakno obično ima prečnik veći od ljudskog kose.

Preciznije rečeno, optičko vlakno funkcioniše kao valovod, omogućavajući prenos elektromagnetnih talasa u formi svetlosti na optičkim frekvencijama. Ova jedinstvena osobina omogućava da se informacije prenose na velike rastojanja sa visokim stepenom efikasnosti i minimalnim gubitkom signala, čime postaje ključni element modernih komunikacionih tehnologija.

Struktura optičkog vlakana

Optičko vlakno je esencijalno sastavljeno od dve ključne komponente: jezgra i opljene. Jezgro, cilindrična dielektrična struktura izrađena uglavnom od stakla, služi kao putanju za širenje svetlosti. U ovom centralnom regionu se kreću optički signali, upravljani principima totalnog unutrašnjeg refleksiranja. Okružuje jezgro opljena, obično izrađena od plastike. Opljena igra ključnu ulogu u zadržavanju svetlosti unutar jezgra, obezbeđujući da optički signali ostaju integritetni i mogu biti preneti na prostranoj distanci bez značajnog isijecanja ili degradacije.

Slika ispod ilustruje detaljanu strukturu optičkog vlakana, ističući različite slojeve jezgra i opljene i njihove odgovarajuće uloge u efikasnom prenosu svetlosti.

Detalji strukture i funkcionalnosti

Ceo sklop optičkog vlakana je obložen elastičnom jaknom, koje služi kao zaštitni sloj. Ovo jakno štiti vlakno od fizičkog oštećenja, okružujućih faktora i mehaničkog napona, osiguravajući njegov integritet tokom instalacije, rada i obrade.

Važno je napomenuti da opljena u optičkim vlaknama ne doprinosi direktno prenosu svetlosnih talasa; umesto toga, svetlost se kreće isključivo kroz jezgro. Međutim, kombinacija jezgra i opljene je neophodna za smanjenje gubitaka signala uzrokovanih rasipanjem. To je zbog razlike refraktivnih indeksa između ove dve komponente, što omogućava efikasan vodiljak svetlosti. Konkretno, refraktivni indeks jezgra mora biti veći od refraktivnog indeksa opljene. Ova razlika u refraktivnim indeksima je fundamentalni princip koji omogućava efektivan prenos svetlosti unutar vlakna.

Širenje svetlosti u optičkim vlaknama

Optička vlakna su dizajnirana da prenose signale u formi svetlosti (fotoni). Pitanje se tada postavlja: kako svetlost zapravo putuje kroz optičko vlakno? Odgovor leži u fenomenu totalnog unutrašnjeg refleksiranja.

Kada svetlost ulazi u optičko vlakno, ona putuje kroz jezgro dok se neprekidno reflektuje od opljene. Ovi refleksi su totalni unutrašnji refleksiji, koji se dešavaju pod određenim uslovima. Kao što je ranije diskutovano u kontekstu totalnog unutrašnjeg refleksiranja, ovaj fenomen se dešava kada svetlost putuje od medija sa višim refraktivnim indeksom (gušće jezgro) do medija sa nižim refraktivnim indeksom (ređa opljena) pod uglom padanja većim od kritičnog ugla.

Sa takvim uglom padanja, umjesto da se refraktuje u opljenu, svetlost nastavlja da se širi kroz jezgro uzastopnim refleksijama. Cilindrični oblik jezgra, sa relativno malim prečnikom, osigurava da samo minimalna količina svetlosti bude reflektovana od interfejsa jezgro - opljena. Time se garantuje da ugao padanja svetlosnog zraka ostane konstantno veći od kritičnog ugla, omogućavajući da svetlost bude efektivno vodičena duž dužine vlakna.

Načini širenja u optičkim vlaknama

Kada svetlost putuje duž optičkog vlakna, može pratiti ili jednu putanju ili više putanja dok prolazi kroz jezgro. Suštinski, "modovi" širenja odnose se na broj različitih putanja koje svetlosni zrak može preći kroz vlakno. Postoje primarno dva fundamentalna modusa širenja u optičkim vlaknama:

Jednomodalno vlakno

U jednomodalnom vlaknu, svetlosni zraci se šire kroz vlakno samo jednom putanjom. Ova jedina putanja širenja talasa znatno smanjuje distorziju signala tokom procesa prenosa. Budući da nema više putanja po kojima bi svetlosni zraci mogli da putuju, integritet signala može biti održan na velika rastojanja, osiguravajući visokofidelnu komunikaciju.

Jezgro jednomodalnog vlakna ima vrlo mali prečnik, što zahteva korišćenje veoma fokusiranog svetlosnog zraka. Zbog toga se uglavnom koriste laserske izvore svetlosti, jer one mogu emitovati oštar, koherentan zrak koji može efektivno putovati kroz usko jezgro bez značajne divergencije ili rasipanja.

Višemodalno vlakno

Višemodalna vlakna imaju jezgro sa prečnikom koji je značajno veći u poređenju sa prečnikom jednomodalnih vlakana. Ovaj širi prečnik omogućava svetlosnim zracima da se šire kroz više putanja unutar jezgra. Dok ova osobina omogućava da vlakno nosi više svetlosti istovremeno, takođe povećava verovatnoću disperzije i slabevanja signala. Disperzija se dešava jer različiti svetlosni zraci koji se kreću različitim putanjama unutar jezgra dolaze na odredište u blago različitim vremenima, sumirajući signal. Slabevanje, ili oslabanje signala, je takođe izraženije u višemodalnim vlaknama zbog faktora poput rasipanja i apsorbiranja unutar većeg jezgra. Međutim, širi prečnik jezgra pruža prednost smještajući nekoliko propagirajućih putanja za svetlosne talase, čime je prikladno za primene gdje je jednostavnost i niža cena prioriteta u odnosu na ekstremno daleko prenošenje i visoku propusnost.

Šta su staklena vlakna?

Staklo je amorfnja čvrsta materija karakterizovana svojom tvrdoćom, prozirnošću i lomljivosti. Stvara se kroz proces topnje kombinacije materija, nakon čega se brzo hladilo (hladnjača). U suprotnosti sa kristalnim čvrstim materijama, staklo nema dobro definisanu, redovnu molekularnu strukturu. Umjesto toga, njegove molekule su raspoređene u nerednom, nasumičnom obrazcu.

Staklo poseduje jedinstvenu karakteristiku: promena njegovog materijalnog sastava dovodi do odgovarajućih promena njegovih osobina. Ova maleabilnost osobina čini staklo versatilem materijalom, posebno kada je u pitanju izrada optičkih vlakana sa prilagođenim performansama.

Prednosti optičkog vlakna

• Prenos signala otporan na distorziju: Optička vlakna omogućavaju širenje svetlosnih talasa, čime se signali mogu prenositi sa izuzetnom imunitetom na distorziju. To osigurava da integritet informacija koje se prenose ostane nepromenjen, čak i na velika rastojanja.

• Sigurna i daljnja komunikacija: Ova vlakna pružaju siguran način prenosa podataka na velika rastojanja. Priroda prenosa svetlosnih talasa unutar vlakna ograničava signal, smanjujući rizik od presretanja i interferencije, čime je idealno za primene gdje je sigurnost podataka najprioritetnija.

• Prošireni životni vek: U poređenju sa drugim tipovima kabela za prenos, optička vlakna imaju značajno duži vreme servisa. Njihova izdržljivost i otpornost na nošnju i ter dobrodola doprinose njihovoj sposobnosti da održavaju pouzdanu performansu tokom dužeg perioda, minimizirajući potrebu za čestim zamjenama.

Nedostaci optičkog vlakna

• Visoke troškove instalacije i održavanja: Početna instalacija i redovno održavanje sistema optičkog vlakna mogu biti relativno skupi. Ovo uključuje troškove specijalizovanog opreme, stručne radne snage za instalaciju i redovnog održavanja kako bi se osigurala optimalna performansa.

• Osjetljivost na okruženjske faktore: Zbog svoje lomljive prirode, optička vlakna zahtevaju poboljšanu zaštitu od okruženjskih uslova. Izlaganje fizičkom stresu, ekstremnim temperaturama, vlazi i drugim okruženjskim elementima može potencijalno oštetiti vlakna i prekinuti prenos signala.

• Potreba za ponavljivačima: Iako optička vlakna mogu prenositi signale na velika rastojanja sa minimalnim distorzijama, često je potrebno korišćenje ponavljivača tokom prenosa signala. Ovi ponavljivači jače i regenerišu signal kako bi se kompenziralo bilo kakvo slabevanje koje se događa tokom rastojanja, dodajući složenosti i troškovima celokupnog sistema.

Optička vlakna se često proizvode od kremnijevog dioksida zbog njegovih superiornih operativnih karakteristika. Kremnijev dioksid je hemijski stabilan materijal, što mu omogućava da podnese teške okruženjske uslove bez značajnog slabevanja. Njegova stabilnost i optička osobine čine ga materijalom odabira za primene u optičkoj komunikaciji, osiguravajući pouzdani i efikasan prenos signala.