Optiese vesel

'n Optiese vesel is 'n glas- of plastiekvesel wat lig langs die lengte daarvan dra. Die ontwikkeling van optiese vesel het eers in 1965 in alle erns begin. In daardie stadium was die beginsels van optiese vesel reeds gevestig, maar as gevolg van hoë verliese was die tegnologie aanvanklik nie kommersieel lewensvatbaar nie.

Charles K. Cao en George A. Hockham, navorsers van die Britse maatskappy Standard Telephone and Cables, het met die idee vorendag gekom dat verliese van minder as 20 dB per kilometer moontlik is. Hulle het die teorie gehad dat verliese deur onsuiwerhede veroorsaak word, en dat dit verwyder kan word, maar nie deur fisiese effekte soos dispersie (oftewel skifting, strooiing of pulsverbreding) nie.

In 1970 is die kritieke vlak van 20 dB per kilometer bereik deur navorsers van Corning Glass Works, tans bekend as Corning Incorporated. Hulle het die verlies beperk tot 17 dB per kilometer deur silikaglas met titaan te behandel. 'n Paar jaar later het hulle die prestasie verbeter tot slegs 4 dB per kilometer. Tans is die verliese 0,19 dB per kilometer by die 1550 nm golflengte.

Optiese vesel word vervaardig van glas of plastiek. Dit lyk amper soos 'n mens se hare, maar is dunner en kan lig gelei. In koperkabels word elektrisiteit gelei deur elektrone maar in optiese vesel word lig voortgeplant as fotone. Die glas wat gebruik word, is suiwer silikon en word deur middel van ’n chemiese proses vervaardig. Glas-optiese vesel word veral in die telekommunikasie-industrie gebruik.

Optiese vesel van plastiek het beperkte gebruik en word hoofsaaklik vir multimodusprodukte gebruik.

Optiese vesel word veral gebruik vir kommunikasie, aangesien dit ’n groot bandwydte kan hanteer. Bandwydte word in bisse per sekonde of bis/s gemeet. Hedendaagse bandwydtes van 40 Gbis/s is alledaags, en 1 Tbis/s is op die horison. Optiese vesel het koperkabel vir ’n paar redes vervang. Eerstens kan optiese vesel seine met minder verlies gelei — dus verder reik; en tweedens is dit immuun teen elektromagnetiese steurings.

Standaarde 
Die ITU (International Telecommunication Union) is verantwoordelik om standaarde vir optiese vesel op te stel en te reguleer. Die standaarde vir optiese vesel bestaan uit 'n reeks dokumente, naamlik G.65x.

Optiese vesel 

Optiese vesel bestaan uit ’n glaskern wat omring word deur 'n glasdeklaag. Die deklaag word omring deur die bekleding wat die vesel versterk. Die bekleding bestaan uit akrilaat. Dit beïnvloed egter glad nie die werking van die vesel nie, aangesien die lig slegs in die kern en die deklaag gedra word. Die kern is tipies 8,5 μm in deursnee, terwyl die deklaag 125 μm in deursnee is. Saam met die bekleding is die vesel 250 μm in deursnee.

Refleksie 
Wanneer lig ’n voorwerp tref en daarvan kaats en nie deur die voorwerp beweeg nie, word die proses weerkaatsing of refleksie genoem. Wanneer lig weerkaats word vanaf ’n oppervlakte wat veroorsaak word deur twee mediums wat ontmoet met verskillende digthede kom die kritieke hoek ter sprake.

Wanneer die lig wat die oppervlakte tref groter as ø kritiek is, sal die lig reflekteer; indien die hoek kleiner as ø kritiek is, sal die lig breek. Dit sal slegs gebeur indien n2 > n1, dit wil sê as die ligbrekingsindeks van die kern groter is as die deklaag.

Ligbreking 

Wanneer lig op ’n glas water met ’n lepel daarin val, lyk dit asof die lepel gebuig is waar dit in die water ingaan. Die verskynsel staan bekend as ligbreking of as refraksie. Dit gebeur weens die feit dat die lig teen verskillende snelhede deur die twee mediums beweeg, aangesien die digthede van die mediums verskil. Die twee mediums het dus twee verskillende ligbrekingsindekse.

Net so breek lig wanneer dit van die kern na die bekleding in optiese vesel beweeg. Dié verskynsel volg Snel se wet.

Ligbrekingsindeks 
Die ligbrekingsindeks is die spoed van lig, c, in 'n vakuum, in verhouding tot die spoed van lig in enige ander medium. Dit word voorgestel deur:

waar n=ligbrekingsindeks, c = spoed van lig in vakuum en v spoed van lig in ander medium is.

Die ligbrekingsindeks vir glas is 1,44 wat beteken dat lig 1,44 keer vinniger in 'n vakuum as in glas beweeg.

Voortplantingsbeginsels 
Lig word in die kern gehou deur die proses van interne refleksie (of interne weerkaatsing). Dit veroorsaak dat die optiese vesel as ’n golfleier dien.

Om te verseker dat die lig in die kern bly, moet die ligbrekingsindeks van die kern groter wees as dié van die bekleding. Dit verseker dat die sein terug “buig“ (of breek) na die kern wanneer dit in die bekleding in beweeg.

Die ligbrekingsindeks van die kern word verhoog deur dit met germanium te behandel. Die bekleding bestaan uit suiwer silikon.

Multimodusvesel 
Deur die kern van die vesel groter te maak (byvoorbeeld 50 μm), word die kenmerke van die vesel verander. Die lig het nou etlike paaie of modusse waardeur dit kan voortplant. In multimodusvesel is die ligbron en ontvanger aansienlik goedkoper as enkelmodusvesel. Multimodusvesel se deurlatingsafstand is aansienlik korter (maksimum 2 km) as gevolg van modale dispersie (oftewel skifting, strooiing of pulsverbreding) wat glad nie by enkelmodusvesel voorkom nie.

Verswakking 

Van die lig wat in optiese vesel gelei word, word geabsorbeer as gevolg van absorpsie en Rayleigh-verstrooiing. Rayleigh-verstrooiing vind plaas wanneer die fotone met onsuiwerhede in die vesel bots.  Dit beteken dat daar ’n beperking is op die afstand waaroor die vesel gebruik kan word. Tipiese afstande is 70 km wat gebruik word vir stelselontwerp. Verswakking word in desibel (dB) gemeet.

Grafiek 1 gee 'n tipiese verswakkingskurwe weer vir enkelmodusvesel. Die bult naby die 1400 nm-golflengte staan bekend as die “waterpiek”. Dié verskynsel word veroorsaak deur die lig wat reageer met die waterstofione in die glas.

Dispersie 
Ligpulse wat in die vesel gelei word, word algaande al hoe langer. Die verskynsel word dispersie (oftewel skifting, strooiing of pulsverbreding). Dispersie word veroorsaak deurdat die ligpuls nie net uit een golflengte bestaan nie en deurdat elke golflengte ’n unieke ligbrekingsindeks met die vesel het. Dispersie beperk dus die bandwydte wat gebruik kan word. Dispersie word gemeet in pikosekonde (ps). Die dispersiekoëffisiënt word bereken deur die volgende formule: ps/(nm.km).

Polarisasiemodusdispersie 
Polarisasiemodusdispersie (PMD) is 'n verskynsel wat die werking van stelsels oor optiese veselkabels teen bandwydtes van groter as 2,5 GBisse per sekonde beïnvloed. Aangesien die vesel nie 100% rond is nie en die toestand oor die lengte van die vesel wissel, beweeg die lig teen verskillende snelhede in die verskillende vlakke van die vesel na die eindpunt. Die lig in die verskillende vlakke bereik die ontvanger nie teen dieselfde tyd nie en het dus PMD ondergaan. Dit lei ook tot vervorming van die golf, net soos by dispersie.

Eenvoudige optieseveselstelsel 
In ’n optieseveselstelsel is die vesel die medium tussen die sender en die ontvanger. Die sender kan ’n LD (ligdiode – multimodus ) of laser (enkelmodus) wees. Gekodeerde ligseine word op dié wyse deur die vesel gestuur.

Optieseveselkabels 
’n Optieseveselkabel bestaan uit etlike optiese vesels wat saam gegroepeer word in bondels, tipies ses vesels per bondel. Tipiese kabelgroottes is 12-24 vesels per kabel. Kabels wat 144 of meer vesels bevat, is egter nie ongewoon nie.

Daar is baie tipes optieseveselkabels. Die onderwaterkabels wat die oseane deurkruis, is seker die bekendste. So byvoorbeeld word Suid-Afrika verbind met onderwateroptieseveselkabels vanaf Europa, naamlik SAT-2 en SAT-3 langs die weskus van Afrika. Dit dra tans die meeste van die kommunikasie, byvoorbeeld telefoon-, data-, internet- en videoverkeer tussen Suid-Afrika en Europa. Die SAFE-onderwaterkabel verbind Suid-Afrika met die Ooste, terwyl die SEACOM-kabel Suid-Afrika met Europa verbind langs die ooskus van Afrika.

Daar is ook ondergrondse optieseveselkabels wat direk begrawe of in pype ingeblaas kan word.

Oorhoofse optieseveselkabels word ook op groot skaal gebruik. Dit word op houtpale geïnstalleer, terwyl daar ook 'n ander variant is wat op kraglyne geïnstalleer word.

Optiesevesellas 
Optiese vesel kan nie met die hand gelas word nie; slegs met die hulp van ’n elektroniese toestel. Die proses word smeltlas (ook fusielas) genoem. Die vesel word eers skoongemaak deur dit af te vee met ’n alkohollappie en dan die punte af te sny met ’n veselklower. Vervolgens word die nuwe punte in die lasmasjien geplaas, wat dit versigtig drie-dimensioneel belyn.

Wanneer die masjien gereed is, word die vesels aanmekaar gesweis met ’n elektriese vlam (na regte ’n elektriese vonk). Die las word vervolgens deur die lasmajien getoets deur lig in die vesel te pomp. Indien die verlies deur die las vir een of ander rede te groot is, moet die proses herhaal word. Enige verlies groter as 0,05 dB word normaalweg as te groot geag.

Die gelaste vesel word dan bedek met ’n spesiale omhulsel wat dan in ’n oond binne die lasmasjien gebak word. Dit word alles gedoen om die gelaste vesel te beskerm.

Die optiese vesel word met 'n Optiesevesel Tyddomein Reflektometer (OTDR) getoets. Met behulp van 'n OTDR kan vesels in kabels getoets word, of die vesels van verskeie kabels wat aanmekaar gelas is, kan ook getoets word.

Verwysings

Eksterne skakels 

Veseloptika