Οπτική ίνα

Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτά νήματα από πλαστικό ή γυαλί, με διάμετρο μικρότερη των 10μm όπου από μέσα τους μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα υπό μορφή φωτός. Συνήθως τις συναντάμε συγκεντρωμένες σε δέσμες, που σχηματίζουν τα λεγόμενα οπτικά καλώδια. Ένα καλώδιο οπτικών ινών περιέχει μέσα του 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 χλμ.
Υπάρχει ιδιαίτερος κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με έρευνα για τις δυνατότητες και εφαρμογές τους. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται ευρέως σε δίκτυα επικοινωνιών και επιτρέπουν τη μετάδοση φωτεινών σημάτων σε μεγαλύτερες αποστάσεις και σε υψηλότερο εύρος ζώνης (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 ταξιδεύουν μαζί τους με μικρότερη απώλεια και επίσης δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται επίσης για φωτισμό. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά εικόνων, επιτρέποντας έτσι την προβολή σε στενούς χώρους. Ειδικά σχεδιασμένες οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται και για πολλές άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων λέιζερ.

Είδη οπτικών ινών

Με την πάροδο των ετών έχουν αναπτυχθεί πολλοί τύποι οπτικών ινών που ο κάθε ένας υποστηρίζει 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.

Απλού τύπου (Single mode)

Οι οπτικές ίνες απλού τύπου ή μονοτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις μέχρι 10μm. 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.

Πολλαπλού τύπου (Multi mode)

Οι οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου ή πολυτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις από 50 − 100 μm, 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.

Ίνες Κλιμακωτού Δείκτη

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.

Ίνα βαθμιαίου Δείκτη

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.

Δομή δικτύου οπτικών ινών

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.

Εφαρμογές

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.