Оптично влакно: какво е, принцип на работа и приложения
Оптичното влакно е тънко влакно от стъкло или пластмаса, което може да пренася светлина от единия до другия край. Изследването на оптичните влакна се нарича влакнеста оптика, която е част от приложните науки и инженерството.
Оптичните влакна се използват основно в телекомуникациите, но също така се използват за осветление, сензори, играчки и специални камери за наблюдение на малки пространства. Понякога те се използват в медицината, за да се вижда вътрешността на хората, например в гърлото им.
Как работи оптичното влакно
Принципът на работа се базира на пълно вътрешно отражение. Влакното има централна част – ядро (core), и обвивка – обвивка (cladding), чиито показатели на пречупване са различни: ядрото има по-висок коефициент на пречупване от обвивката. Светлинният лъч, въведен под определен ъгъл, се отразява многократно на границата ядро/обвивка и така се предава надълго с минимални загуби.
Ключови понятия:
- Ъгъл на приемане и числено апертурно (NA) – определят под какви ъгли светлината може да бъде захваната от влакното.
- Загуби (attenuation) – измерват се в dB/km; зависят от дължината на вълната и качеството на материала (например ~0.2 dB/km при 1550 nm за добри стъклени влакна).
- Дисперсия – разтягане на импулсите във времето (модална, хроматична, поляризационна), което ограничава скоростта и разстоянието за цифров превод на данни.
Структура и типове влакна
- Ядро (core) – централният повърхностен слой, по който се предава светлината.
- Обвивка (cladding) – слой с по-нисък индекс на пречупване, който задържа светлината в ядрото.
- Защитно покритие (coating) – пластмасово покритие, което предпазва влакното от механични повреди.
По типове предаване:
- Едномодовo (single-mode) – има малко ядро (~8–10 µm), използва се за дълги разстояния и високи скорости; минимална модална дисперсия.
- Многомодово (multi-mode) – по-голямо ядро (50 или 62.5 µm), подходящо за къси разстояния (локални мрежи), по-евтино оборудване, но с по-голяма модална дисперсия.
- Градиентно-индексни – за мултимодови влакна с постепенна промяна на индекса, която намалява модалната дисперсия.
- Фотонно-кристални и микроструктурни влакна – нови типове с контролирани оптични свойства за специални приложения.
Материали
Най-често използвано е силициево стъкло (SiO2) заради ниските загуби и добра температурна устойчивост. За евтини и краткосрочни приложения се използват пластмасови оптични влакна (POF), които са по-дебели и имат по-големи загуби, но са по-лесни за обработка.
Предимства и ограничения
- Предимства: много висока пропускателна способност, малки загуби на сигнал на дълги разстояния, имунитет към електромагнитни смущения, ниска маса и размери.
- Ограничения: крехкост (чувствителност към огъване и натиск), изискване за специални конектори и инструменти за свързване, дисперсия и топлинна чувствителност при някои материали.
Приложения
Оптичните влакна имат много и разнообразни приложения. Основните са:
- Телекомуникации и интернет – магистрални оптични мрежи, междугранича свързване, Fiber-to-the-Home (FTTH).
- Локални и датa-център връзки – високи скорости и големи обеми данни.
- Медицински инструменти – ендоскопия, минимално инвазивна хирургия, осветление в хирургически инструменти.
- Сензори – измерване на температура, напрежение, деформация чрез технологии като Fiber Bragg Gratings (FBG).
- Осветление и декорация – архитектурно осветление, информационни инсталации, играчки.
- Индустриални и военни приложения – комуникации в силно електромагнитно замърсени среди, дистанционно наблюдение, оптични усилватели и датчици.
Монтаж, свързване и поддръжка
Свързването се извършва чрез механични конектори (SC, LC, ST, MPO и др.) или чрез сплайсинг (свещаване). За тестване и диагностика се използват OTDR (optical time-domain reflectometer) и източници/детектори за загуби. Много важно е чистене на връзките — замърсяване на конекторите причинява сериозни загуби.
Безопасност
Не гледайте директно в краищата на оптични влакна, когато към тях са свързани лазерни или LED източници — невидимата инфрачервена светлина може да повреди ретината. Използвайте подходящи защитни мерки при работа със сплайсери и инструменти.
Бъдещи тенденции
Развитията включват още по-високи скоростни стандарти (100 Gbps и нагоре на канал), широкото внедряване на FTTH, интегриране с фотонични схеми и използване на нови материали и структури (напр. фотонни кристални влакна) за специфични приложения и сензорика.
Оптичното влакно остава ключова технология за модерните комуникации и множество други области, като съчетава изключително голям капацитет с надеждност и дълготрайност при правилна инсталация и поддръжка.
Сноп от оптични влакна.
История
Принципът на насочване на светлината чрез вътрешно отражение, който прави оптиката възможна, е демонстриран за първи път от Даниел Коладон и Жак Бабине в Париж в началото на 40-те години на XIX век. Джон Тиндал, физик, го демонстрира по време на публичните си лекции в Лондон 12 години по-късно.
Принципът е използван за първи път за вътрешни медицински прегледи от Хайнрих Лам през 30-те години на миналия век. По-късно през десетилетието се появяват съвременните оптични влакна, при които стъкленото влакно е покрито с прозрачна обвивка, за да предложи по-подходящ индекс на пречупване.
Терминът "влакнеста оптика" е въведен от Нариндер Сингх Капани.
През 1965 г. Чарлз К. Као и Джордж А. Хокъм от британската компания Standard Telephones and Cables (STC) първи показват, че загубата на интензитет в оптичните влакна може да бъде намалена, което прави влакната практична комуникационна среда. Те предлагат дефектите в наличните по това време влакна да се дължат на примеси, които могат да бъдат отстранени. Те посочват подходящия материал, който да се използва за такива влакна, като например силициево стъкло, което има висока чистота. Това откритие донесе на Као Нобелова награда за физика през 2009 г.
Даниел Коладон за първи път описва този "светлинен фонтан" или "светлинна тръба" в статия от 1842 г., озаглавена "Отраженията на светлинен лъч в параболичен поток от течност". Тази конкретна илюстрация е от по-късна статия на Коладон от 1884 г.
Как работи
Оптичното влакно е дълга, тънка нишка от прозрачен материал. Формата му обикновено е подобна на цилиндър. В центъра му има сърцевина. Около сърцевината има слой, наречен облицовка. Сърцевината и обвивката са изработени от различни видове стъкло или пластмаса, така че светлината се движи по-бавно в сърцевината, отколкото в обвивката. Ако светлината в ядрото попадне под малък ъгъл в ръба на облицовката, тя се отразява. Светлината може да се движи вътре в ядрото и да се отразява от облицовката. Светлината не се отделя, докато не стигне до края на влакното, освен ако влакното не е рязко огънато или разтеглено.
Ако обвивката на влакното се надраска, тя може да се счупи. Пластмасово покритие, наречено буфер, покрива обвивката, за да я предпази. Често буферираното влакно се поставя в още по-здрав слой, наречен обвивка. Това улеснява използването на влакното, без то да се счупи.
Слоевете в един вид оптично влакно. 1.- сърцевина 8 µm 2.- обвивка 125 µm 3.- буфер 250 µm 4.- обвивка 400 µm
Използва
Оптична комуникация
Основното приложение на оптичните влакна е в комуникациите (телекомуникациите). Оптичната комуникация предава информация от едно място на друго чрез изпращане на светлинни импулси през оптично влакно. Светлината образува електромагнитна носеща вълна, която се модулира, за да пренася информация. Разработени за първи път през 70-те години на миналия век, влакнесто-оптичните комуникационни системи направиха революция в телекомуникационната индустрия и спомогнаха за настъпването на информационната ера.
Ранните системи са имали малък обсег на действие, но по-късните използват по-прозрачни влакна. Тъй като светлината не изтича от влакното, тя може да измине голямо разстояние, преди сигналът да отслабне твърде много. Това се използва за изпращане на телефонни и интернет сигнали в рамките на градовете и между тях. Поради предимствата си пред електрическия пренос оптичните влакна до голяма степен са заменили комуникациите по медни проводници в опорните мрежи в развитите страни. Подводни кабели с оптични влакна свързват света.
Повечето оптични комуникационни системи имат електрически връзки. Електрическият сигнал управлява предавателя. Предавателят преобразува електрическия сигнал в светлинен и го изпраща по влакното до приемника. Приемникът преобразува светлинния сигнал обратно в електрически сигнал.
Понякога влакната се използват и за по-кратки връзки, например за пренос на звукови сигнали между плейър за компактдискове и стереоприемник. Влакната, използвани за тези къси връзки, често са изработени от пластмаса, която е по-малко прозрачна. TOSLINK е най-разпространеният тип оптичен конектор за стереоуредби.
Други употреби
Оптичните влакна могат да се използват като сензори. За целта се използват специални влакна, които променят начина, по който пропускат светлината, когато настъпи промяна около влакното. Подобни сензори могат да се използват за откриване на промени в температурата, налягането и други неща. Тези сензори са полезни, защото са малки и не се нуждаят от електричество на мястото, където се извършва засичането.
Тези влакна се използват и за пренасяне на светлина, която хората виждат. Понякога това се използва за украса, като например коледни елхи с оптични влакна. Понякога се използват за осветление, когато е удобно крушката да бъде поставена на друго място, а не там, където трябва да бъде светлината. Понякога се използва в знаците и изкуството за специални ефекти.
От сноп влакна може да се направи устройство, наречено ендоскоп или фиброскоп. Това е дълга тънка сонда, която може да се постави в малък отвор и която ще изпрати изображение на това, което се намира вътре, през влакното към камера. Ендоскопите се използват от лекарите, за да видят вътрешността на човешкото тяло, а понякога се използват от инженерите, за да видят вътрешността на тесни пространства в машините.
Оптичните влакна (с добавени специални химикали) могат да се използват като оптични усилватели. Това позволява на оптичния сигнал да пътува по-далеч между крайните точки и без преобразуване на оптичния сигнал в електрически и обратно, което намалява общата цена на компонентите. Тези оптични усилватели могат да се използват и за създаване на лазери. Те се наричат оптични лазери. Те могат да бъдат много мощни, тъй като дългите тънки влакна се поддържат лесно в хладно състояние и правят качествен светлинен лъч.
Коледна елха с обикновени и оптични лампички
Вътрешността на часовник, видяна през фиброскоп.
Щепсел TOSLINK
Въпроси и отговори
В: Какво представлява оптичното влакно?
О: Оптичното влакно е тънко влакно от стъкло или пластмаса, което може да пренася светлина от единия до другия край.
В: Как се нарича изучаването на оптичните влакна?
О: Изучаването на оптичните влакна се нарича оптична техника, която е част от приложните науки и инженерството.
В: За какво се използват основно оптичните влакна?
О: Оптичните влакна се използват главно в телекомуникациите, но също така се използват за осветление, сензори, играчки и специални камери за виждане в малки пространства.
В: Как понякога се използват оптичните влакна в медицината?
О: Понякога те се използват в медицината, за да се вижда вътрешността на хората, например в гърлото им.
В: Има ли други приложения на оптичните влакна освен телекомуникациите?
О: Да, те се използват и за осветление, сензори, играчки и специални камери за наблюдение на малки пространства.
В: Възможно ли е да се използва оптично влакно, за да се погледне вътре в тялото на човек?
О: Да, те могат да се използват в медицината, за да се види вътрешността на човека, например в гърлото му.
В: Изучаването на оптичните влакна част от приложната наука или инженерството ли е?
О: Изследването на оптичните влакна е част от приложните науки и инженерството.
