Optické vlákno

Optické vlákno je optický vlnovod, vyrobený v tvare dlhého vlákna. Svetlo, ktoré vchádza do jedného konca optického vlákna, je vedené vláknom a vychádza druhým koncom.

Princíp

Optické vlákno je skonštruované ako valcové jadro priemeru niekoľkých jednotiek až desiatok μm z materiálu s určitým indexom lomu, pokryté obalom z materiálu s menším indexom lomu. Pri dopade svetelného lúča na rozhranie jadra a obalu pod dostatočne veľkým uhlom dopadu (dostatočne „plocho“ či „tupo“), nastáva úplný odraz. Sériou takýchto odrazov sa lúč šíri z jedného konca vlákna na druhé.
Z tohoto princípu vyplývajú niektoré technologické obmedzenia pri použití optických vlákien. Predovšetkým ide o ohyb: keďže v ohnutom vlákne dopadá lúč na rozhranie jadro/obal pod iným uhlom ako v rovnom vlákne je možné, že nastane len čiastočný odraz a časť svetla unikne (čo sa pre prenesené svetlo prejaví ako zvýšený útlm). Preto je dôležité dodržať minimálny predpísaný polomer ohybu pre dané vlákno (toto pochopiteľne závisí od pomeru indexov lomu jadra a obalu, takže neexistuje univerzálna hodnota pre všetky vlákna).
Ďalším javom je uhol, v ktorom je potrebné umiestniť zdroj svetla, aby jeho svetlo bolo nadviazané do vlákna tak, aby sa ďalej šírilo vláknom (tzv. numerická apertúra, úhlová apertúra). Tento tiež závisí od rozdielov indexov lomu jadra a obalu a tiež od priemeru jadra a býva pomerne malý, z čoho vyplýva náročnosť polohovania zdroja svetla a detektora voči koncom vlákna.

Materiály

Pre diaľkové optické komunikácie sa používa kremičité sklo (SiO₂). Minimum útlmu leží v infračervenej oblasti okolo 1550 nm, ďalšie minimum s o niečo väčším útlmom je okolo 1 300 nm. Toto sú teda vlnové dĺžky, pre ktoré sú konštruované lasery a fotodiódy pre tieto vlákna.
Pre kratšie vzdialenosti sa používajú plastové vlákna, alebo vlákna so skleným jadrom a plastovým obalom. Tieto majú väčší útlm ako celosklenené vlákna, ale sú lacnejšie.

Jednovidové alebo mnohovidové vlákno

Ak má jadro dostatočne veľký priemer, umožňuje šírenie svetla vo viacerých tzv. vidoch (módoch), a takéto vlákno sa nazýva mnohovidové alebo viacvidové (multimódové). Tento režim je však nežiaduci pre diaľkové vysokorýchlostné spoje, keďže svetlo sa v jednotlivých vidoch (módoch) šíri rozličnou rýchlosťou a tak dochádza k „rozťahovaniu“ svetelných pulzov pri ich prechode vláknom. Preto sa pre diaľkové spoje používa tzv. jednovidové (monomódové, singlemódové) vlákno s menším priemerom jadra a jedným nosným svetelným lúčom. Keďže výroba takéhoto vlákna je zložitejšie a kvôli zmenšenej numerickej apertúre je aj obťažnejšie ho nadviazať na laser a detektor, pre menej náročné aplikácie sa používa viacvidové vlákno.

Výroba

Pri výrobe optických vlákien je dôležitá čistota použitých materiálov, keďže prímesi spôsobujú vznik miest kde sa fotóny môžu absorbovať či rozptýliť, a aj malé zvýšenie útlmu je pri veľkých dĺžkach vlákna citeľné. Požadovaná čistota je porovnateľná s čistotou materiálov použitých pri výrobe polovodičov, a pripravujú sa podobnými metódami.
Samotná výroba vlákna začína výrobou tzv. preformy, čo je dutý valec s priemerom niekoľko desiatok mm z materiálu obalu vlákna, na ktorý je znútra nanesený materiál jadra vlákna. Táto preforma je potom na jednom konci zahrievaná a je z nej presne kontrolovaným spôsobom vyťahované vlákno, ktoré sa po obalení sekundárnym a/alebo ochranným obalom navíja a ďalej spracováva (napr. na kábel).

Telekomunikačné prenosy

- na zemi, pod vodou (trans-oceánske komunikačné káble a linky), taktiež v elektrotechnických prístrojoch a zariadeniach, či v elektronike. Najdôležitejšou aplikáciou optických vlákien je prenos údajov v telekomunikačnej technike. Využíva sa takmer neobmedzená prenosová kapacita, možnosť prenášať informáciu na viacerých vlnových dĺžkach súčasne a najmä odolnosť voči vonkajším elektromagnetickým vplyvom (čo znamená aj nulový presluch medzi jednotlivými vláknami v kábli).
Optické vlákna sa spolu s prípadnými elektrickými vodičmi (pre napájanie prípadných zosilňovačov) a lanami (zabezpečujúcimi mechanickú odolnosť) kompletujú do káblov. Tieto káble sú ukladané v šachtách, pod zemou, vzdušným vedením príp. pod morom podobne, ako klasické komunikačné vedenia.
V poslednom čase technológia optických komunikácií zlacnela natoľko, že je už pomerne bežné riešiť niektoré úseky LAN sietí pomocou optických vlákien.

Osvetlenie

Optické vlákna je možné použiť aj na privedenie svetla na miesta, kam nie je možné priamo umiestniť zdroj svetla, a aj na dekoračné účely.

Prenos obrazu v temnote

Pomerne kurióznou aplikáciou optických vlákien je endoskopia, kde sa obraz z nedostupného miesta prenáša tenkým ohybným zväzkom optických vlákien. Často slúži niektoré z vlákien aj na prenos svetla na pozorované miesto. Endoskopia sa využíva v medicíne aj v technike.