Optiskā šķiedra: definīcija, darbības princips un pielietojumi telekomunikācijās

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.

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.

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.