Optiskā šķiedra: definīcija, darbības princips un pielietojumi telekomunikācijās

Optiskā šķiedra ir plāna stikla vai plastmasas šķiedra, kas var pārnest gaismu no viena gala uz otru. Optisko šķiedru pētniecību sauc par šķiedru optiku, kas ir lietišķās zinātnes un inženierzinātņu daļa.

Optiskās šķiedras galvenokārt izmanto telekomunikācijās, taču tās izmanto arī apgaismojumam, sensoriem, rotaļlietām un speciālām kamerām, lai redzētu mazas telpas. Tās dažkārt izmanto medicīnā, lai redzētu cilvēka iekšpusi, piemēram, kaklā.

Darbības princips

Optiskā šķiedra sastāv no divām galvenajām daļām: serdi (core), caur kuru vada gaismu, un apkārtējā apvalka (cladding) ar mazāku lūmenus rādītāju. Gaisma tiek vadīta, pateicoties pilnīgas iekšējās atstarošanas parādībai — ja gaismas stari trāpīs uz robežas starp serdi un apvalku ar pietiekami lielu leņķi, tie atstarosies iekšā nevis izkliedēsies.

Svarīgi jēdzieni:

• Numerical aperture (NA) — nosaka šķiedras spēju uztvert un vadīt gaismu (pieņemšanas leņķi).
• Vienrežīna (single-mode) un daudzrežīna (multimode) šķiedras — vienrežīna nodrošina lielāku pārvades attālumu un platjoslas kapacitāti, multimode ir lētāka un paredzēta īsākiem attālumiem.
• Vēji un dispersija — signāla izplatīšanās ātruma atšķirības dažādos viļņa garumos limitē datu pārraides attālumu un ātrumu.

Galvenie tehniskie parametri

• Viļņa garumi: telekomunikācijās parasti izmanto 850 nm (multimode), 1310 nm un 1550 nm (single-mode). 1550 nm josla ir populāra, jo tajā ir zema slāpēšana un iespējami optiskie pastiprinātāji.
• Slāpēšana (atténuation): mēra dB/km — jo mazāka, jo labāk garu attālumu pārraidei.
• Izkliede (dispersion): ietekmē signāla izplūšanu un maksimālo bitu ātrumu.

Pielietojumi telekomunikācijās

Optiskā šķiedra ir pamattehnoloģija mūsdienu plaša mēroga datu pārraidei:

• Backbone tīklu (mugurkaula) savienojumi: starptautiskās un reģionālās datu plūsmas parasti iet pa optiskajām šķiedrām, tostarp zemjūras kabelos.
• FTTx (Fiber to the Home/Building): optika līdz mājai vai ēkai nodrošina ļoti ātru interneta pieslēgumu.
• Datacentri un lokālie tīkli: savieno serverus ar lielu caurlaidību un zemu latentumu.
• Optiskie pastiprinātāji un WDM: tehnoloģijas kā EDFA un wavelength-division multiplexing ļauj pārraidīt daudz kanālu uz viena šķiedras un pastiprināt signālu bez elektriskās demodulācijas.

Praktiskie aspekti: uzstādīšana un uzturēšana

• Savienojumi: populāri savienotāju tipi ir SC, LC un ST. Savienojumu kvalitāte būtiski ietekmē zudumus.
• Šuves un lokšanos: šķiedru var salikt ar precīzu metināšanu (splicing) vai izmantot savienotājus; jāievēro minimālais liekšanas rādiuss, lai nerastos lieli zudumi.
• Testēšana: instruments kā OTDR (optical time-domain reflectometer) palīdz atrast bojājumus un noteikt slāpēšanu pa posmiem.
• Drošība: stikla šķiedras gali var būt asi — jāuzmanās, un rada mazāku risku elektromagnētisko traucējumu dēļ salīdzinājumā ar metāla vadiem.

Priekšrocības un ierobežojumi

Priekšrocības: liela joslas platība, zemi zaudējumi, imunitāte pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, drošība (grūtāk noklausīties bez redzamas iejaukšanās) un mazāka svars salīdzinājumā ar vara kabeļiem.

Ierobežojumi: sarežģītāka uzstādīšana un savienošana, materiāla trauslums (stikla šķiedra), nepieciešami kvalificēti tehniķi, kā arī sākotnējās izmaksas var būt augstākas nekā vara instalācijām mazā mērogā.

Lietojumi ārpus telekomunikācijām

• Medicina: endoskopija un citi diagnostikas instrumenti, kas ļauj skatīt organisma iekšpusi.
• Sensori: šķiedras var reaģēt uz temperatūras, spiediena vai sprieguma izmaiņām, izmantojot to kā sensoru tīklus.
• Apgaismojums un dekoratīvas lietas: optiskās šķiedras izmanto gaismas vadīšanai kokonos, kolektīvos apgaismojuma risinājumos un rotaļlietās.
• Drošība un militārās pielietošanas: signālu nodošana bez elektromagnētiskā trokšņa un grūtāka noklausīšanās.

Nākotnes virzieni

Optisko šķiedru tehnoloģija turpina attīstīties: attīstās augstākas caurlaides metodes (space-division multiplexing), uzlabotas šķiedras ar zemāku slāpēšanu (piemēram, hollow-core fibers) un fotonikas integrācija, kas ļauj optiku tieši sapludināt ar mikroelektroniku. Tas nozīmē lielāku ātrumu, mazāku enerģijas patēriņu un jaunas lietojumu iespējas.

Kopsavilkums: optiskā šķiedra ir kritiska mūsdienu sakaru infrastruktūrai — tā nodrošina ātru, drošu un efektīvu datu pārraidi, un tās pielietojums paplašinās arī citās jomās, piemēram, medicīnā un sensoru tehnoloģijās.

Vēsture

Gaismas vadīšanu ar iekšējo atstarošanu, kas ir princips, kas ļauj izmantot šķiedru optiku, 1840. gadu sākumā Parīzē pirmo reizi demonstrēja Daniels Koladons un Žaks Babē. Pēc 12 gadiem fiziķis Džons Tindols (John Tyndall) to demonstrēja savās publiskajās lekcijās Londonā.

Pirmo reizi šo principu iekšējiem medicīniskiem izmeklējumiem 20. gadsimta 30. gados izmantoja Heinrihs Lamms. Modernās optiskās šķiedras, kurās stikla šķiedra ir pārklāta ar caurspīdīgu apvalku, lai nodrošinātu piemērotāku refrakcijas koeficientu, parādījās vēlāk desmitgadē.

1965. gadā Čārlzs K. Kao (Charles K. Kao) un Džordžs A. Hokems (George A. Hockham) no britu uzņēmuma Standard Telephones and Cables (STC) pirmie parādīja, ka intensitātes zudumus optiskajās šķiedrās var samazināt, padarot šķiedras par praktisku sakaru līdzekli. Viņi ierosināja, ka tolaik pieejamo šķiedru defektus rada piemaisījumi, kurus var novērst. Viņi norādīja, kādu materiālu izmantot šādām šķiedrām, piemēram, silīcija dioksīda stiklu, kam ir augsta tīrības pakāpe. Par šo atklājumu Kao 2009. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.

Šo "gaismas strūklaku" jeb "gaismas cauruli" Daniels Koladons pirmo reizi aprakstīja 1842. gada rakstā "Par gaismas stara atstarošanos paraboliskā šķidruma plūsmā". Šī konkrētā ilustrācija ir no vēlāka Koladona raksta 1884. gadā.

Kā tas darbojas

Optiskā šķiedra ir garš, plāns caurspīdīga materiāla pavediens. Tās forma parasti ir līdzīga cilindram. Tās centrā ir serde. Apkārt serdeņam ir slānis, ko sauc par apvalku. Kodols un apšuvums ir izgatavoti no dažāda veida stikla vai plastmasas, tāpēc gaisma kodolā pārvietojas lēnāk nekā apšuvumā. Ja gaisma kodolā nonāk uz apšuvuma malas nelielā leņķī, tā atstarojas. Gaisma var pārvietoties serdes iekšpusē un atlēkt no apšuvuma. Līdz šķiedras galam gaisma neizkļūst, ja vien šķiedra nav strauji izliekta vai izstiepta.

Ja šķiedras apvalks ir saskrāpēts, tas var salūzt. Apvalku pārklāj plastmasas pārklājums, ko sauc par buferi, lai to aizsargātu. Bieži vien buferšķiedru ievieto vēl cietākā slānī, ko sauc par apvalku. Tas atvieglo šķiedras lietošanu, to nesalaužot.

Slāņi viena veida optiskās šķiedras. 1.- Kodols 8 µm2.- Apvalks 125 µm3. - Buferis 250 µm4 .- Apvalks 400 µm

Izmanto

Optisko šķiedru komunikācija

Galvenais optiskās šķiedras pielietojums ir saziņā (telekomunikācijās). Optisko šķiedru komunikācija pārraida informāciju no vienas vietas uz citu, nosūtot gaismas impulsus pa optisko šķiedru. Gaisma veido elektromagnētisko nesošo vilni, kas tiek modulēts, lai pārnestu informāciju. Optisko šķiedru sakaru sistēmas, kas pirmo reizi tika izstrādātas pagājušā gadsimta 70. gados, ir revolucionizējušas telekomunikāciju nozari un palīdzējušas informācijas laikmeta attīstībai.

Agrīnajām sistēmām bija īss darbības rādiuss, bet vēlākajās sistēmās tika izmantotas caurspīdīgākas šķiedras. Tā kā gaisma neizplūst no šķiedras, gaisma var veikt lielu attālumu, pirms signāls kļūst pārāk vājš. To izmanto telefona un interneta signālu sūtīšanai pilsētās un starp pilsētām. Tā kā optiskās šķiedras salīdzinājumā ar elektrisko pārraidi ir izdevīgākas, attīstīto valstu pamattīklos optiskās šķiedras lielā mērā ir aizstājušas vara vadu komunikācijas.

Lielākajai daļai optisko sakaru sistēmu ir elektriskie savienojumi. Elektriskais signāls vada raidītāju. Raidītājs pārveido elektrisko signālu gaismas signālā un pa šķiedru nosūta to uz uztvērēju. Uztvērējs pārveido gaismas signālu atpakaļ elektriskā signālā.

Optisko šķiedru dažkārt izmanto arī īsākiem savienojumiem, piemēram, lai pārraidītu skaņas signālus starp kompaktdisku atskaņotāju un stereo uztvērēju. Šiem īsajiem savienojumiem izmantotās šķiedras bieži vien ir izgatavotas no plastmasas, kas ir mazāk caurspīdīga. TOSLINK ir visizplatītākais stereosistēmām paredzētais optiskais savienotājs.

Citi izmantošanas veidi

Optiskās šķiedras var izmantot kā sensorus. Šim nolūkam tiek izmantotas īpašas šķiedras, kas maina gaismas caurlaidību, ja šķiedras apkārtnē notiek izmaiņas. Šādus sensorus var izmantot, lai noteiktu temperatūras, spiediena un citas izmaiņas. Šie sensori ir noderīgi, jo tie ir mazi un tiem nav nepieciešama elektrība vietā, kur notiek sensora darbības.

Šīs šķiedras tiek izmantotas arī gaismas pārnesei, lai cilvēki varētu redzēt. Dažkārt to izmanto dekorēšanai, piemēram, optisko šķiedru Ziemassvētku eglītēm. Dažkārt to izmanto apgaismojumam, kad ir ērti, ja spuldzīte ir citur, nevis tur, kur gaismai ir jābūt. To dažkārt izmanto zīmēs un mākslā īpašiem efektiem.

No šķiedru kūļa var izveidot ierīci, ko sauc par endoskopu vai fibroskopu. Tā ir gara, plāna zonde, ko var ievietot nelielā caurumā un kas caur šķiedru nosūtīs iekšpusē esošā attēlu uz kameru. Endoskopus izmanto ārsti, lai apskatītu cilvēka ķermeņa iekšpusi, un dažkārt tos izmanto inženieri, lai apskatītu šauras vietas mašīnās.

Optiskās šķiedras (ar speciālu ķīmisko vielu piedevu) var izmantot kā optiskos pastiprinātājus. Tas ļauj optiskajam signālam ceļot tālāk starp galapunktiem, nepārvēršot optisko signālu elektriskā signālā un atpakaļ, tādējādi samazinot kopējās komponentu izmaksas. Šos optiskos pastiprinātājus var izmantot arī lāzeru radīšanai. Tos sauc par šķiedru lāzeriem. Tie var būt ļoti jaudīgi, jo garas, plānas šķiedras ir viegli dzesējamas un veido labas kvalitātes gaismas kūli.

TOSLINK spraudnis


Ziemassvētku eglīte ar parastām un optiskām lampiņām


Pulksteņa iekšpuse, skatoties caur fibroskopu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir optiskā šķiedra?

J: Kā sauc optisko šķiedru pētniecību?

J: Kam galvenokārt izmanto optiskās šķiedras?

J: Kā optiskās šķiedras dažkārt izmanto medicīnā?

J: Vai optiskās šķiedras bez telekomunikācijām var izmantot arī citos nolūkos?

J: Vai ir iespējams izmantot optisko šķiedru, lai ieskatītos cilvēka ķermenī?

J: Vai optisko šķiedru pētniecība ir daļa no lietišķās zinātnes vai inženierzinātnes?

Meklēt pēc burta