Optičo vlakno

Iz MaFiRaWiki

Enlarge
Optično vlakno je zelo tanko vlakno optično čistega materiala, po katerem lahko potuje svetloba. Uporabljamo jih za prenos tako vidne svetlobe kot tudi infrardečega in ultravijoličnega valovanja. Optično vlakno je sestavljeno iz sredice, po kateri potuje svetloba, plašča, ki omejuje svetlobo na sredico, in zaščitne prevleke, ki varuje vlakno pred poškodbami. Razširjanje svetlobe po vlaknu temelji na pojavu totalnega odboja, do katerega pride na meji med sredico z večjim in plaščem z manjšim lomnim količnikom. Optična vlakna na široko uporabljamo v telekomunikacijah, kjer nadomeščajo bakrene vodnike. Njihova prednost je v bistveno večji količini informacij, ki jih je mogoče prenesti po enem vlaknu, majhnih izgubah in neobčutljivosti na elektromagnetne motnje iz okolice. Vlakna so uporabna tudi za osvetljevanje ali prenos slike, na primer v endoskopiji. Posebne izvedbe optičnih vlaken se uporabljajo v vlakenskih laserjih.
Enlarge


Vsebina

Zgodovina

Skica svetlobne fontane Deniela Colladona iz članka On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream iz leta 1842
Enlarge
Skica svetlobne fontane Deniela Colladona iz članka On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream iz leta 1842
Vodenje svetlobe s pomočjo totalnega odboja sta prvič demonstrirala Daniel Colladon in Jacques Babinet v Parizu leta 1842. Colladons je opisal  »svetlobno fontano« v članku iz istega leta z naslovom On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. V posodo z vodo, iz katere je izhajal vodni curek, je posvetil s svetlobo in opazil, da svetloba ostaja ujeta v vodnem curku. S tem je demonstriral pojav totalnega odboja pri prehodu iz snovi z večjim lomnim količnikom (vode) v snov z manjšim lomnim količnikom (zrak).

Prvi primeri uporabe optičnih vlaken so se pojavili v začetku 20. stoletja kot sredstvo za komunikacije na kratke razdalje in za prenos slike v medicini, npr. v zobozdravstvu ali pri pregledovanju želodca. Princip prenašanja slike z optičnimi vlakni sta neodvisno demonstrirala Clarence Hansell in John Logie Baird v dvajsetih letih 20. stoletja. Primer uporabe optičnega vlakna v gastroskopu je bila prvič predstavljena leta 1956.

Prelomni dogodek za uporabo optičnih vlaken za komunikacijo na daljše razdalje se je zgodil leta 1965, ko sta Charles K. Kao in George A. Hockham ugotovila, da so izgube pri prenosu v obstoječih vlaknih v večji meri posledica nečistoč in ne fizikalnih principov, kakršno je na primer [[sipanje|sipanje]. Na ta način bi lahko izgube iz 1,000 dB/km, kolikor so tipično znašale v takrat obstoječih vlaknih, zmanjšali pod 20 dB/km. Ugotovila sta, da je najprimernejši material za izdelavo optičnih vlaken zelo čisto kvarčno steklo. Za to odkritje je Kao dobil Nobelovo nagrado za fiziko leta 2009.

Leta 1970 so pri Corning Glass Works iz New Yorka izdelali optična vlakna s slabitvijo 20 dB/km. Vlakna so bila sicer občutljiva na poškodbe, vendar so poskusi potrdili izredno majhno slabitev svetlobnih žarkov. Nekaj let kasneje so izdelali optično vlakno z izgubami 4 dB/km, kar je omogočilo prenos signalov na daljše razdalje. Današnji kabli iz optičnih vlaken imajo slabitev od 0,2 do 0,3 dB/km, kar omogoča še večje razdalje med ojačevalniki signalov.

Zgradba

Skica zgradbe optičnega vlakna. V sredini se nahaja sredica, okoli nje plašč in ovoj.
Enlarge
Skica zgradbe optičnega vlakna. V sredini se nahaja sredica, okoli nje plašč in ovoj.
Sredica optičnega vlakna ima tipično premer od nekaj mikrometrov do nekaj 100 mikrometrov in je skoraj izključno narejena iz kvarčnega stekla z lomnim količnikom okoli 1,5. Kvarčno steklo dobro prevaja svetlobo na širokem območju valovnih dolžin. Ker večino izgub prispevajo nečistoče, je zelo pomembna čistost kvarčnega stekla, ki mora biti v sredici čim višja. Absorbcija v kvarčnem steklu je še posebej nizka okoli valovnih dolžine 1,5 mikrometra, kjer znašajo izgube okoli 0.2 dB/km. Kvarčno steklo ima tudi dobro mehansko odpornost na nateg in zvijanje, ob tem pa je tudi kemijsko inertno in ni higroskopno.

Plašč ima tipično debelino med 125 in 600 mikrometri. Narejen je ravno tako iz kvračnega stekla, ki mu je dodana majhna količina nečistoč, ki spremeni lomni količnik, tako da je le-ta manjši od lomnega količnika jedra. Kot dodatek se pogosto uporabljata bor in fluor. Meja med obema plastema je lahko ostra, lahko pa se lomni količnik postopoma spreminja. Optičnemu vlaknu je dodan še ovoj (debelina 250-1400 mikrometrov), ki ščiti sredico in plašč pred poškodbami.

Princip delovanja

Totalni odboj v optičnem vlaknu in numerična apertura NA
Enlarge
Totalni odboj v optičnem vlaknu in numerična apertura NA

Prenos svetlobe po optičnem vlaknu temelji na totalnem odboju na meji med sredico in plaščem, ki ima nižji lomni količnik kot sredica. Do totalnega odboja pride, kadar svetloba vpada na mejo pod kotom, ki je večji od mejnega kota θc, določenega z zvezo sinθc = n2 / n1. Pri tem je n1 lomni količnik sredice, n2 pa lomni količnik plašča. Zaradi tega pogoja se bo op vlaknu širila le svetloba, ki ga v vlakno vstopila pod primernim kotom. Ta kot mora biti večji od kota totalnega odboja. Količini sin(π / 2 − θc), ki določa največji kot divergence svetlobnega snopa, ki je še ujet v vlaknu, pravimo numerična apertura NA. Razlika lomnih količnikov je navadno majhna, le nekaj stotink, numerična apertura pa ima vrednost okoli desetinke.

Lastna stanja in rodovi v vlaknu

Optično vlakno kot valovni vodnik podpira le določene načine razširjanja svetlobe. Lastne rešitve valovne enačbe popišemo z dvema številoma: azimutalnim številom l, ki pove stopnjo kotne simetrije, in radialnim številom m, ki pove število lokalnih maksimumov na radialni osi. Za vsako kombinacijo (l,m) sta možni dve polarizaciji. Taka lastna stanja imenujemo rodovi. Število rodov, ki se lahko širijo po vlaknu, je odvisno od valovne dolžine, premera sredice d in numerične aperture NA. To odvisnost zapišemo s številom V

V=\frac{\pi d}{\lambda_0}NA

kjer je lambda0 valovna dolžina v vakuumu. Vedno je prisotna vsaj ena rešitev – LP01. Vlakna, po katerih potuje le en rod, imenujemo enorodovna. Če je V večji od prve ničle Besslove funkcije J0 (približno 2,405), se po vlaknu lahko razširja več rodov. Taka vlakna imenujemo večrodovna.

Oblika nekaj prvih rodov pri razširjanju po optičnem vlaknu.
Enlarge
Oblika nekaj prvih rodov pri razširjanju po optičnem vlaknu.

Mehanizmi izgub

Difuzijski odboj na neravni površini.
Enlarge
Difuzijski odboj na neravni površini.

Izgube opišemo kot zmanšanje svetlobnega toka|intenzitete svetlobe pri potovanju vzdolž vlakna in jih merimo v dB/km. Izgube so pomembne predvsem pri prenosu signala na večje razdalje. Raziskave kažejo, da so izgube v največji meri posledica sipanja in absorpcije. Neravne površine namreč povzročijo, da se svetloba siplje v poljubnih smereh. Količina sipane svetlobe je odvisna od valovne dolžine svetlobe in sipalnih centrov na površinah. Vidna svetloba, ki ima valovne dolžine velikosti mikrometra, se najbolj siplje na sipalnih cetrih podobnih dimenzij. Pri visokih intenzitetah svetlobe lahko pride do sipanja kot posledica nelineranih optičnih procesov v vlaknu. Do izgube signala prihaja tudi zaradi absorpcije valovnih dolžin v materialu. Količina absorbirane valovne dolžine v posameznem materialu je odvisna od zgradbe materiala.

Disperzija

O disperziji govorimo, kadar se različne valovne dolžine razširjajo z različnimi hitrostmi. To je posledica odvisnosti lomnega količnika od frekvence svetlobe. Ta pojav podaljšuje sunke svetlobe pri potovanju po vlaknu, kar posledično omejuje količino informacij, ki jo je mogoče poslati po vlaknu dane dolžine. Ločimo tri tipe disperzije: 1) rodovno disperzijo, 2) materialno disperzijo in 3) valovodno disperzijo.

Rodovna disperzija se pojavi v večrodovnih vlaknih. Podaljševanje sunka \Delta \Tau = \frac{L}{c_0} (n_1 - n_2) je odvisno od dolžine vlakna ter lomnega količnika sredice in plašča.

Materialna disperzija prevladuje v enorodovnem vlaknu in je odvisna od lomnega količnika za posamezno valovno dolžino. ΔΤ = LDδλ kjer je D = -\frac{\lambda_0}{c_0} \frac{d^2n}{d\lambda ^2}, λ0 centralna valovna dolžina sunka, δλ pa njegova širina.

Valovodna disperizija je odvisna od karakteristične zgradbe posameznega vlakna.

Uporaba

Komunikacije

Optična vlakna so zaradi majhnih izgub primerna za prenos velike količine informacij v obliki svetlobnih pulzov. Za telekomunikacije se uporablja za izvir svetlobe posebna vrsta sunkovnih laserjev, ki oddajajo izredno kratke svetlobne sunke, svetlobo pa nazaj v električni tok pretvorijo fotodiode. Hitrost laserjev lahko izkoristimo za multipleksiranje več telefonskih linij na kabel iz optičnih vlaken. Za primerjavo, na eno bakreno parico lahko spravimo 24 digitalnih telefonskih priključkov (recimo velikosti reda do 30). Na tipičen optični kabel lahko spravimo 32000 digitalnih telefonskih priključkov, na novejših sistemih pa prek 500000. To lahko seveda izkoristimo tudi za večje hitrosti povezav do končnega uporabnika.

Vsako optično vlakno lahko z uporabo različnih valovnih dolžin prenaša informacije po več kanalih naekrat. Tipično lahko prenašajo med 10 in 40 Gb/s. Dosedanji rekord pri prenosu je uspel v laboratorijih Bell, ki jim je uspel prenos po 155 kanalih, vsak od njih pa je prenašal 100 Gb/s.

Prednost prenosa informacij po optičnem kablu na krajše razdalje je v prihranku prostora, saj eno optično vlakno nadomesti več električnih kablov. Na prenos signala po optičnih vlaknih ravno tako ne vplivajo elektične motnje iz okolice. Optična vlakna tudi ne prevajajo električnega toka in tako varujejo komunikacijske naprave pred visoko napetostjo pri npr. udaru strele.

Enlarge

Senzorji na osnovi optičnih vlaken

Optična vlakna se lahko uporabi kot senzorje za merjenje temperature, tlaka ali natega, ki spremenijo lastnosti vlakna tako, da merjena količina spremeni intneziteto, fazo, polarizacijo ali pa valovno dolžino prepuščene svetlobe. Optična vlakna se lahko uporabi tudi zgolj za prenos signala do merilne naprave. S tem omogočajo opravljanje meritev tudi na mestih, ki bi bila drugače za merjenje nedostopna. Primer je npr. meritev temperature v reakcijskih motorjih, kjer optično vlakno prevaja sevanje do pirometra, ki se nahaja zunaj motorja. Podoben princip se uporablja pri meritvi temperature električnih transformatorjev, kjer zaradi močnih elektomagnetnih polj merjenje ni mogoče.

Druge možnosti uporabe

Optična vlakna so uporabna kot izvor svetlobe v medicinskih aplikacijah, kjer objektov ni možno direktno osvetliti. Ravno tako v nekaterih zgradbah s pomočjo tehnologije optičnih vlaken preusmerjajo sončno svetlobo iz streh v njihovo notranjost. Skupek optičnih vlaken se lahko uporablja kot endoskop, ki omogoča opazovanje objektov skozi odprtine. Medicinske izvedbe endoskopov se uporabljajo za minimalno invazivne preglede in opazovanje poteka kirurških operacij. Optična vlakna, dopirana z elementi redkih zemelj kot npr. erbijem, se lahko uporablja kot ojačevalno sredstvo v vlakenskih laserjih.

Viri

  • Saleh, Bahaa E. A. and Teich, Malvin Carl: Fundamentals of Photonics. New York: John Wiley & Sons, (1991)
  • Bass M. et al.: OSA Handbook of optics, vol2, McGraw-Hill,(1995)
  • Encyclopedia of Laser Physics and Technology[1]
  • The Birth of Fiber Optics[2]
  • Izdelav optičnih vlaken [3]

Zunanje povezave

Osebna orodja