Οπτική ίνα

Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτά νήματα από πλαστικό ή γυαλί, με διάμετρο μικρότερη των 10 μικρόμετρων (μm), διαμέσου των οποίων μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα υπό μορφή φωτός. Συνήθως τις συναντάμε συγκεντρωμένες σε δέσμες, που σχηματίζουν τα λεγόμενα οπτικά καλώδια. Ένα καλώδιο οπτικών ινών αποτελείται από δεκάδες ή και εκατοντάδες πολύ λεπτές τέτοιες οπτικές ίνες με διάμετρο μικρότερη και από μία τρίχα. Με τις ακτίνες λέιζερ ένα σήμα μπορεί να μεταδοθεί δια μέσου οπτικών ινών σε απόσταση μεγαλύτερη από 50 χιλιόμετρα. Υπάρχει ιδιαίτερος κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με έρευνα για τις δυνατότητες και εφαρμογές τους. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται κυρίως σε δίκτυα επικοινωνιών και επιτρέπουν τη μετάδοση φωτεινών σημάτων σε μεγαλύτερες αποστάσεις και σε υψηλότερη ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων σε σχέση με άλλες μορφές μετάδοσης σημάτων, όπως ο χαλκός, ενώ η ταχύτητα μετάδοσης πλησιάζει αυτή με την οποία διαδίδεται το φως. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται αντί των μεταλλικών καλωδίων, διότι τα σήματα μεταφέρονται με μικρότερη απώλεια και δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται επίσης για φωτισμό. Επιπλέον μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά εικόνων, επιτρέποντας έτσι την προβολή σε στενούς χώρους. Τέλος ειδικά σχεδιασμένες οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται και για πολλές άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων λέιζερ.

 Με την πάροδο των ετών έχουν αναπτυχθεί πολλοί τύποι οπτικών ινών οι οποίοι υποστηρίζουν τις ιδιαίτερες απαιτήσεις διάφορων τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών. Για όλους τους τύπους των οπτικών ινών υπάρχουν διεθνή πρότυπα στα οποία προδιαγράφονται τα χαρακτηριστικά μετάδοσης καθώς και τα γεωμετρικά, μηχανικά και άλλα χαρακτηριστικά αυτών. Οι οπτικές ίνες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το αν υποστηρίζουν έναν ή πολλούς ρυθμούς μετάδοσης: στις οπτικές ίνες απλού τύπου και στις οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου αντίστοιχα. Οι οπτικές ίνες απλού τύπου ή μονοτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις μέχρι 10 μικρομέτρων. Τα κύματα φωτός ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή και μπορούμε να στείλουμε δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις. Η μικρή αυτή διάμετρος του πυρήνα επιτρέπει τη διέλευση σε ένα περιορισμένο πλήθος ακτίνων, ουσιαστικά μόνο σε ακτίνες που προσπίπτουν κάθετα στην επιφάνεια της διατομής των οπτικών ινών. Οι ίνες αυτές χαρακτηρίζονται συνήθως ως ίνες με βηματική κατανομή. Οι οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου έχουν διαστάσεις από 50 − 100 μικρομέτρων, είναι πιο χοντρές από τις απλού τύπου, αλλά μπορούν να στείλουν ταυτόχρονα, σε ξεχωριστό μονοπάτι, πολλά κύματα φωτός. Το κάθε κύμα φωτός, εισέρχεται στην οπτική ίνα υπό ελαφρώς διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα, και ακολουθεί το δικό του μονοπάτι μέσα της, μέσω των διαδοχικών ανακλάσεων στο περίβλημα. Αυτό συμβαίνει παράλληλα με πολλά κύματα φωτός (όλα σε διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα) κι έτσι μπορούμε να στείλουμε ταυτόχρονα, τεράστιο όγκο δεδομένων. Στην πιο απλή μορφή της, μία οπτική ίνα αποτελείται από έναν κυλινδρικό πυρήνα από γυαλί πυριτίου, ο οποίος περιβάλλεται από ένα περίβλημα με δείκτη διάθλασης μικρότερο από εκείνο του πυρήνα. Εξαιτίας της απότομης αλλαγής του δείκτη διάθλασης στην επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος, οι ίνες αυτές ονομάζονται ίνες κλιμακωτού δείκτη διάθλασης. Στις ίνες βαθμιαίου δείκτη διάθλασης, η ίνα περιβάλλεται από ένα περίβλημα με δείκτη διάθλασης μικρότερο από εκείνο του πυρήνα. Ακόμα, ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα στις ίνες βαθμιαίου δείκτη δεν είναι σταθερός, αλλά μειώνεται σταδιακά από την τιμή του δείκτη n1 στο κέντρο του πυρήνα, ως την ελάχιστη τιμή του n2 στην επιφάνεια επαφής πυρήνα-περιβλήματος. Στην πράξη χρησιμοποιούμε δέσμη οπτικών ινών. Αν οι ίνες αποτελούνταν μόνο από ένα υλικό, τότε το φως που “ταξιδεύει” στο εσωτερικό τους θα περνούσε, όταν θα έρχονταν σε επαφή, από την μια ίνα στην άλλη. Γι΄ αυτό κάθε ίνα επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα υλικού μικρότερου δείκτη διάθλασης ή με πολλά λεπτά στρώματα, έτσι ώστε κάθε επόμενο στρώμα να έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον προηγούμενο. Επίσης στο σύστημα της γυάλινης ίνας τοποθετείται ένα περίβλημα που την προστατεύει και την κάνει πιο ανθεκτική σε μηχανικές καταπονήσεις. Κάθε οπτική ίνα αποτελείται από τα εξής τρία μέρη: Την κεντρική γυάλινη κυλινδρική ίνα, που ονομάζεται πυρήνας και είναι το τμήμα στο οποίο διαδίδεται το φως. Την επικάλυψη (απλή ή πολλαπλή), που είναι ένας ομόκεντρος με τον πυρήνα κύλινδρος. Έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα λόγω της διαφορετικότητας του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο, ώστε να κρατάει τα κύματα φωτός, με ολικές ανακλάσεις, μέσα στον πυρήνα και να συνεχίζουν το ταξίδι τους μέσω αυτού. Η επικάλυψη αυτή ονομάζεται μανδύας. Το περίβλημα, που είναι ένα αδιαφανές πλαστικό.Στις οπτικές ίνες που απαρτίζουν ένα οπτικό καλώδιο, ουσιαστικά υπάρχει και ένα τέταρτο, εξωτερικό, στρώμα που είναι το έγχρωμο μελάνι που εφαρμόζεται για την αναγνώριση των ινών. Η δομή ενός καλωδίου οπτικών ινών είναι τέτοια, ώστε να αποτρέπει τις εξωτερικές φθορές, αλλά και την απώλεια σήματος, που θα προέκυπτε κατά τη διαρροή της φωτεινής ακτινοβολίας στο εξωτερικό του. Τα τμήματα ενός καλωδίου οπτικών ινών από το κέντρο προς το εξωτερικό του, είναι τα εξής: Πυρήνας: Βρίσκεται στο κέντρο του καλωδίου. Αποτελείται από μία δέσμη οπτικών ινών, που αναλαμβάνουν τη μετάδοση των φωτεινών σημάτων. Εσωτερική επένδυση: Είναι το υλικό που αντανακλά εσωτερικά το φως, εκμηδενίζοντας παράλληλα το ποσοστό διαφυγής του στο εξωτερικό του καλωδίου. Εξωτερική επένδυση: Ανθεκτικό υλικό, που αποτελείται από καουτσούκ για μικρά καλώδια οικιακής χρήσης, ή από ατσάλι για μεγαλύτερα, που χρησιμοποιούνται σε εξωτερικό περιβάλλον. Προστατεύει το καλώδιο από ζημιές που θα προέκυπταν από τους διάφορους εξωτερικούς παράγοντες. Η δομή ενός δικτύου οπτικών ινών είναι αρκετά απλή. Συγκεκριμένα αποτελείται από τον πομπό, ένα μέσο μεταφοράς, τον ενισχυτή σήματος και τον δέκτη. Ο πομπός μετατρέπει το ψηφιακό σήμα σε φωτεινή πληροφορία και πραγματοποιεί την εκπομπή της. Βρίσκεται σε επαφή με το οπτικό καλώδιο και διαθέτει κατάλληλο φακό, ώστε να διοχετεύει το φως στο εσωτερικό του. Ως μέσο μεταφοράς χρησιμοποιείται το το καλώδιο οπτικών ινών. Ο ενισχυτής σήματος, είναι απαραίτητος μόνο σε συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, επειδή παρατηρείται συχνά εξασθένιση του σήματος και αναλαμβάνει την ενίσχυση του σήματος σε τακτικά διαστήματα. Διαθέτει ειδικά κυκλώματα, τα οποία όταν λάβουν την εξασθενημένη φωτεινή πληροφορία, εκπέμπουν το σήμα εκ νέου, με πλήρη ισχύ. Τέλος ο δέκτης λαμβάνει το φωτεινό σήμα και το μετατρέπει ξανά στην αρχική του μορφή, δηλαδή σε ψηφιακά δεδομένα. Όπως και ο πομπός, βρίσκεται σε άμεση επαφή με το καλώδιο οπτικών ινών και χρησιμοποιεί φωτοδιόδους για ανιχνεύσει το λαμβανόμενο σήμα. Το φως κατά τη διάρκεια του «ταξιδιού» του μέσα στην οπτική ίνα μπορεί να εξασθενήσει. Αυτό μπορεί να συμβεί για κάποιους συγκεκριμένους λόγους: Σκέδαση: Οφείλεται στις ανομοιόμορφες διακυμάνσεις της δομής του γυαλιού, που προκαλούν σκέδαση το φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις. Το φως διεισδύει στο μανδύα και διασκορπίζεται. Αυτό κυρίως παρατηρείται εάν υπάρχουν συνδέσεις στην οπτική ίνα. Απορρόφησης: Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των οπτικών ινών θα πρέπει να είναι εξαιρετικής καθαρότητας και απαλλαγμένα από προσμίξεις ιοντικών μετάλλων που έχουν έντονες ζώνες υπέρυθρης απορρόφησης. Η οπτική ίνα θα πρέπει να είναι κατασκευασμένη από καθαρό γυαλί για να πετυχαίνεται η ολική ανάκλαση. Εάν υπάρχουν ξένες προσμίξεις στο γυαλί τότε το φως απορροφάται από την ίνα οπότε εξασθενεί. Κακή κατασκευή: Η οπτική ίνα θα πρέπει να είναι λεία. Εάν υπάρχουν μικροδιακυμάνσεις στο εσωτερικό της το φως αποδυναμώνεται. Μεγάλη Καμπή της οπτικής ίνας. Οι οπτικές ίνες έχουν πάρα πολλές εφαρμογές στην καθημερινότητά μας. Χρησιμοποιούνται ευρέως για την φωταγώγηση καταστημάτων αλλά και έργων τέχνης, για τον φωτισμό πισίνων, σε συστήματα αρχιτεκτονικού φωτισμού καθώς επίσης και για βιομηχανικό έλεγχο. Μεγάλη εφαρμογή επίσης βρίσκουν και σε συστήματα οικονομικών υπηρεσιών, σε τοπικά και μητροπολιτικά δίκτυα, αλλά κυρίως στην ιατρική και στις τηλεπικοινωνίες. Οι οπτικές ίνες εκτός από τις τηλεπικοινωνίες βρίσκουν εφαρμογές και στην ιατρική Υιοθέτηση ταυτόχρονα με τη χρήση των λέιζερ. Εφαρμογές λέιζερ στις εγχειρήσεις, καυτηριασμούς, φυσιοθεραπείες κ.ά. Οι οπτικές ίνες δίνουν τη δυνατότητα μεταφοράς της φωτεινής δέσμης λέιζερ από την πηγή μέχρι τη λαβή, που πρέπει να χειρίζεται ο γιατρός δίπλα στον ασθενή. Στην ιατρική, οι οπτικές ίνες ονομάζονται και φωταγωγοί, όπου χρησιμοποιούνται ευρύτατα και ειδικότερα σε ενδοσκοπήσεις δίνοντας οπτική εικόνα από τον περιορισμένο χώρο των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπινου σώματος. Οι γιατροί μπορούν να δουν την εσωτερική επιφάνεια μέρους του στομάχους ή άλλου οργάνου χρησιμοποιώντας ζεύγος οπτικών ινών. Η μικρή διάσταση του πυρήνα παρέχει τη δυνατότητα μετάδοσης εικόνας ακόμα και χωρίς τη χρήση άλλων οπτικών συστημάτων (π.χ. φακών). Η χρήση των οπτικών ινών στον τομέα τον τηλεπικοινωνιών έφερε την επανάσταση στις επικοινωνίες για πολλούς λόγους: Με την βοήθεια μιας ίνας μπορούμε να μεταφέρουμε ταυτόχρονα και χωρίς παρεμβολές χιλιάδες τηλεφωνήματα και δεκάδες εκπομπές τηλεοπτικών καναλιών. Ένα καλώδιο οπτικών ινών μπορεί να αντικαταστήσει χάλκινο καλώδιο δεκαπλάσιας διαμέτρου και τριακονταπλάσιου βάρους. Κατά την διάρκεια μετάδοσης της πληροφορίας δεν υπάρχουν παράσιτα. Είναι δύσκολη η υποκλοπή των δεδομένων (τοποθέτηση κοριών). Δυνατότητα παραγωγής από κάθε χώρα με αποτέλεσμα η απεξάρτηση από τις χώρες που παράγουν χαλκό. Οι οπτικές ίνες έχουν αρκετά πλεονεκτήματα όπως: Χαμηλό κόστος πρώτης ύλης (γυαλί). Μικρές απαιτήσεις σε ενέργεια. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν παρατηρούνται σημαντικές απώλειες σήματος, καθώς και στον τρόπο μετάδοση δεδομένων, δηλαδή με τη χρήση φωτεινής δέσμης, που απαιτεί πολύ μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, σε σχέση με το ηλεκτρικό σήμα. Μπορούν να μεταφέρουν παράλληλα τεράστιο όγκο δεδομένων σε σύγκριση με τα χάλκινα καλώδια. Είναι πολύ πιο λεπτές και ελαφριές από τα χάλκινα καλώδια. Ένα μικρό και ελαφρύ καλώδιο οπτικών ινών, μεταφέρει πολύ περισσότερα δεδομένα από ένα μεγαλύτερο και πιο βαρύ χάλκινο καλώδιο. Έτσι, απαιτείται πολύ λιγότερος χώρος για την υλοποίηση ενός δικτύου οπτικών ινών Η μεταφορά των δεδομένων είναι πολύ γρήγορη. Τα δεδομένα που ταξιδεύουν μέσα σε αυτές είναι λιγότερο ευάλωτα σε παρεμβολές. Τα δεδομένα μεταδίδονται ψηφιακά άρα έχουμε γρηγορότερη κωδικοποίηση-αποκωδικοποίηση των δεδομένων. Αμιγώς ψηφιακό σήμα, που εξασφαλίζει υψηλότερη ποιότητα επικοινωνίας και αποφυγή προβλημάτων που θα προέκυπταν σε μια αναλογική μετάδοση. Σχεδόν καθόλου απώλειες δεδομένων. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματα που έχουν οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν και κάποια μειονεκτήματα: Είναι πιο ακριβές από τα χάλκινα καλώδια. Επίσης το κόστος των ηλεκτρονικών και οπτικοηλεκτρονικών διατάξεων μπορεί να είναι μεγάλο. Είναι πιο δύσκολη η εγκατάστασή τους. Είναι πολύ εύθραυστες. Δεν είναι αρκετά ευλύγιστες. Θα πρέπει η εγκατάσταση τους να γίνεται με ελαφριά κλίση γιατί διαφορετικά θα υπάρχει απώλεια δεδομένων.