Vad är en optisk fiber?

Definition

En optisk fiber är en smal och flexibel tråd tillverkad av glas (kvarts) eller plast, speciellt utformad för att överföra optiska (ljus) signaler. Trots sitt fragile utseende har en optisk fiber vanligtvis en diameter som är större än en människohår.

Mer precist fungerar en optisk fiber som en vågguide, vilket möjliggör överföring av elektromagnetiska vågor i form av ljus vid optiska frekvenser. Denna unika egenskap gör det möjligt att transportera information över långa avstånd med hög effektivitet och minimalt signalförlust, vilket gör den till en hörnsten i modern kommunikationsteknik.

Struktur av Optisk Fiber

En optisk fiber består i grunden av två viktiga komponenter: kärnan och klädningen. Kärnan, en cylindrisk dielektrisk struktur främst gjord av glas, fungerar som vägen för ljuspropagering. Det är inom denna centrala region som optiska signaler reser sig, ledda av principen om total intern reflektion. Omkring kärnan ligger klädningen, vanligtvis gjord av plast. Klädningen spelar en avgörande roll för att hålla ljuset inom kärnan, vilket säkerställer att de optiska signalerna behåller sin integritet och kan överföras över långa avstånd utan betydande läckage eller försämring.

Figuren nedan illustrerar den detaljerade strukturen av en optisk fiber, med fokus på de olika lager av kärnan och klädningen samt deras respektive roller för att underlätta effektiv ljusöverföring.

Struktur och Funktionalitetsdetaljer

Hela optiska fibermonteringen är inkapslad i en elastisk jacka, vilken fungerar som ett skyddslager. Denna jacka skyddar fibern från fysisk skada, miljöfaktorer och mekanisk stress, vilket säkerställer dess integritet under installation, drift och hantering.

Det är viktigt att notera att i optiska fibrer bidrar klädningen inte direkt till överföring av ljusvågor; istället reser sig ljuset enbart genom kärnan. Men kombinationen av kärna och klädnad är nödvändig för att minimera signalförluster orsakade av spridning. Detta beror på att skillnaden i brytningsindex mellan de två komponenterna möjliggör effektiv ledning av ljus. Specifikt måste brytningsindexet i kärnan vara högre än i klädningen. Denna brytningsindexskillnad är den grundläggande principen som möjliggör effektiv överföring av ljus inuti fibern.

Ljusöverföring i Optiska Fibers

Optiska fibrer är utformade för att överföra signaler i form av ljus (fotoner). Frågan uppstår då: hur reser sig faktiskt ljuset genom en optisk fiber? Svaret ligger i fenomenet total intern reflektion.

När ljus går in i en optisk fiber reser det sig genom kärnan samtidigt som det genomgår kontinuerliga reflektioner från klädningen. Dessa reflektioner är totala interna reflektioner, vilka inträffar under specifika villkor. Som tidigare diskuterat i sammanhanget med total intern reflektion, inträffar detta fenomen när ljus går från ett medium med ett högre brytningsindex (den tätnade kärnan) till ett medium med ett lägre brytningsindex (den rara klädningen) vid en inkommande vinkel som är större än den kritiska vinkeln.

Vid sådan inkommande vinkel fortsätter ljuset att propagera genom kärnan genom att göra efterföljande reflektioner. Den cylindriska formen av kärnan, med dess relativt små diameter, säkerställer att endast en minimal mängd ljus reflekteras bort från kärna-klädnadsgränssnittet. Detta garanterar att inkommande vinkeln hos ljusrånet konsekvent förblir större än den kritiska vinkeln, vilket möjliggör att ljuset effektivt ledes längs fiberns längd.

Propagationslägen i Optiska Fibers

När ljus reser sig längs en optisk fiber kan det följa antingen en enda väg eller flera vägar genom kärnan. I grunden refererar "lägen" av propagering till antalet distinkta vägar som ett ljusrått kan ta när det reser sig genom fibern. Det finns primärt två fundamentala propagationslägen i optiska fibrer:

Enkel-läge Fiber

I en enkel-läge fiber propagerar ljusrått enbart genom en enda väg. Denna enskilda väg för vågöverföring minskar signalförvrängning under överföringsprocessen betydligt. Eftersom det inte finns flera vägar för ljusrått att resa sig genom, kan signalens integritet bibehållas över långa avstånd, vilket säkerställer högupplöst kommunikation.

Kärnan i en enkel-läge fiber har en mycket liten diameter, vilket kräver användning av en mycket fokuserad ljusstråle. Av denna anledning används laserljuskällor främst, eftersom de kan emittera en skarp, koherent stråle som effektivt kan resa sig genom den smala kärnan utan betydande divergens eller spridning.

Flera-läge Fiber

Flera-läge fibrer har en kärna med en diameter som är betydligt större jämfört med enkel-läge fibrer. Denna bredare kärna tillåter ljusrått att propagera genom flera vägar inom kärnan. Medan denna egenskap möjliggör för fibern att bära mer ljus samtidigt, ökar det också sannolikheten för signaldispersering och dämpning. Signaldispersering inträffar eftersom olika ljusrått som reser sig längs olika vägar inom kärnan anländer till destinationen vid något olika tider, vilket suddar ut signalen. Dämpning, eller svagning av signalen, är också mer framträdande i flera-läge fibrer på grund av faktorer som spridning och absorbering inom den större kärnan. Dock ger den bredare kärnadiametern fördelen att kunna rymma flera propagationsvägar för ljusvågor, vilket gör den lämplig för applikationer där enkelhet och lägre kostnad prioriteras framför extremt långdistans, högbandbreddsöverföring.

Vad är Glasfiber?

Glas är ett amorft fast material kännetecknat av sin hårdhet, transparens och sprödhed. Det skapas genom processen att smälta en kombination av material och sedan snabbkyla (quenching) dem. I motsats till kristallina fasta material har glas inte en väldefinierad, regelbunden molekylär struktur. Istället är dess molekyler ordnade i en oordnad, godtycklig mönster.

Glas har en unik egenskap: ändring av dess materialkomposition leder till motsvarande ändringar i dess egenskaper. Denna malleabilitet i egenskaper gör glas till ett mångsidigt material, särskilt när det gäller att forma optiska fibrer med anpassade prestandaegenskaper.

Fördelar med Optisk Fiber

• Distorsionsresistent Signalöverföring: Optiska fibrer möjliggör propagation av ljusvågor, vilket möjliggör signalöverföring med imponerande immun mot distorsion. Detta säkerställer att integriteten hos den information som överförs bevaras, även över långa avstånd.

• Säker och Långdistans Kommunikation: Dessa fibrer erbjuder ett säkert sätt att överföra data över långa avstånd. Naturen av ljusvågsöverföring inom fibern begränsar signalen, vilket minskar risken för avlyssning och interferens, vilket gör det idealiskt för applikationer där datasekretess är av yttersta vikt.

• Utökad Livslängd: Jämfört med andra typer av överföringskablar har optiska fibrer en betydligt längre tjänsteliv. Deras hållbarhet och resistens mot slitage bidrar till deras förmåga att upprätthålla pålitlig prestanda över en lång period, vilket minimerar behovet av frekventa ersättningar.

Nackdelar med Optisk Fiber

• Hög Installation och Underhållskostnad: Den initiala installationen och det löpande underhållet av optiska fibersystem kan vara relativt dyrt. Detta inkluderar kostnaden för specialiserad utrustning, kvalificerad arbetskraft för installation och regelbundet underhåll för att säkerställa optimal prestanda.

• Sårbarhet för Miljöfaktorer: På grund av sin känsliga natur kräver optiska fibrer förstärkt skydd från miljöförhållanden. Exponering för fysisk stress, extrema temperaturer, fuktighet och andra miljöfaktorer kan potentiellt skada fibrerna och störa signalöverföring.

• Krav på Förstärkare: Även om optiska fibrer kan överföra signaler över långa avstånd med minimal distorsion, är användningen av förstärkare ofta nödvändig under signalöverföring. Dessa förstärkare förstärker och återskapar signalen för att kompensera för eventuell degradierung som uppstår över avstånd, vilket ökar komplexiteten och kostnaden för det hela systemet.

Optiska fibrer tillverkas vanligtvis av kvarts på grund av dess överlägsna driftsegenskaper. Kvarts är ett kemiskt stabilt material, vilket gör att det kan motstå hårda miljöförhållanden utan betydande degradierung. Dess stabilitet och optiska egenskaper gör det till det material som valts för optiska kommunikationsapplikationer, vilket säkerställer pålitlig och effektiv signalöverföring.