Optiskā šķiedra

Optiskā šķiedra ir caurspīdīga, elastīga dielektriska materiāla šķiedra, kas izgatavota, stiepjot stiklu (silīcija dioksīdu) vai plastmasu diametrā, kas ir nedaudz biezāka nekā cilvēka mats. Optiskā šķiedra pamatā tiek izmantota kā līdzeklis gaismas pārraidīšanai starp abiem šķiedras galiem un tiek plaši pielietota optiskajos sakaru tīklos, kur tā ļauj pārraidīt datus lielākos attālumos un ar lielāku joslas platumu nekā tas ir elektriskajos kabeļos. Metāla vadu vietā tiek izmantotas šķiedras, jo signāls pārvietojas pa tām ar mazākiem zudumiem, turklāt šķiedras ir imūnas pret elektromagnētiskiem traucējumiem — problēmu, no kuras cieš metāla vadi. Šķiedras tiek izmantotas arī apgaismošanai un attēlveidošanai, kur tās bieži tiek izmantotas saišķos, lai varētu izmantot gaismas vadīšanai vai attēliem no slēgtām telpām, kā tas ir fibroskopam. Īpaši izstrādātas šķiedras tiek izmantotas arī dažādiem citiem pielietojumiem, daži no tiem ir optisko šķiedru sensori un šķiedru lāzeri.

Optiskās šķiedras parasti satur serdeni, kuru ieskauj caurspīdīgs apšuvuma materiāls ar zemāku refrakcijas indeksu. Gaisma kodolā saglabājas pateicoties pilnīgai iekšējās atstarošanās parādībai, kas liek šķiedrai darboties kā viļņu vadam. Šķiedras, kas atbalsta daudzus izplatīšanās ceļus vai šķērsvirziena režīmus, sauc par daudzmodu šķiedrām, savukārt šķiedras, kas atbalsta vienotu režīmu, sauc par vienmoda šķiedrām (SMF). Daudzrežīmu šķiedrām parasti ir lielāks serdes diametrs, un tās tiek izmantotas neliela attāluma sakaru savienojumiem un lietojumiem, kur jāpārraida liela jauda. Vienmoda šķiedras tiek izmantotas lielākajai daļai sakaru savienojumu, kas garāki par 1000 metriem (3300 pēdām).

Spēja pievienoties optiskajām šķiedrām ar nelielu zudumu ir liela nozīme optisko šķiedru komunikācijā. Tas ir sarežģītāk nekā savienojums ar elektrisko vadu vai kabeli un ietver rūpīgu šķiedru šķelšanu, precīzu šķiedru serdeņu izlīdzināšanu un to savienošanu. Lietojumprogrammām, kurām nepieciešams pastāvīgs savienojums, izplatīta saplūšanas shēma. Šajā tehnikā šķiedru galus kopā izkausē, izmantojot elektrisko loku. Vēl viena izplatīta metode ir mehāniskā savienošana, kurā šķiedru galus savieno ar mehānisku spēku. Pagaidu vai daļēji pastāvīgus savienojumus izveido, izmantojot specializētus optisko šķiedru savienotājus.

Lietišķās zinātnes un inženierzinātņu joma, kas saistīta ar optisko šķiedru dizainu un pielietošanu, ir pazīstama kā šķiedru optika. Terminu izgudroja indiāņu-amerikāņu fiziķis Narinders Singhs Kapanijs, kurš tiek plaši atzīts par optiskās šķiedras tēvu.

Optiskie tīkli 
Optiskā komunikācija ir metode informācijas pārsūtīšanai no vienas vietas uz otru, caur optisko šķiedru nosūtot infrasarkanās gaismas impulsus. Gaisma veido elektromagnētisko nesēja vilni, kas ir modulēts, lai pārnēsātu informāciju.

Optiskā šķiedra tiek izmantota kā līdzeklis telekomunikāciju un datoru tīkla izveidošanai, jo tā ir elastīga un to var savienot kā kabeļus. Tas ir īpaši izdevīgi liela attāluma sakaru nodrošināšanā, jo infrasarkanā gaisma izplatās caur šķiedru ar daudz zemākiem zudumiem salīdzinājumā ar elektriskajiem kabeļiem. Tas ļauj veidot tīkla savienojumu lielos attālumos tikai ar dažiem signāla pastiprinātājiem. Piemēram, pasaulē garākais optiskais zemūdens tīkls SEA-ME-WE3, kas stiepjas 39 000 kilometru garumā (24 000 jūdzes) no Ziemeļvācijas līdz Austrālijai un Japānai, tajā tiek izmantota viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanas (WDM) tehnoloģija ar sinhronās digitālās hierarhijas (SDH) pārraidi, lai palielinātu signāla ietilpību un uzlabotu kvalitāti, īpaši lielos attālumos.

Viena kanālā gaismas signālu, kas izplatās šķiedrā, 2006.gadā NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) modulēja ar ātrumu līdz pat 111 gigabitiem sekundē (Gbit/s). 2013. gada jūnijā pētnieki parādīja 400 Gbit/s pārraidi vienā kanālā, izmantojot četru režīmu orbitālo leņķisko impulsu multipleksēšanu. Katra šķiedra var pārvadāt daudz neatkarīgu kanālu, katrs izmantojot atšķirīgu gaismas viļņa garumu (viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana (WDM)). Sākot ar 2011. gadu joslas platuma rekords vienā kodolā bija 101 Tbit/s (370 kanāli ar ātrumu 273 Gbit/s). Daudzkodolu šķiedras rekords 2013.gada janvārī bija 1,05 petabiti sekundē (Pbit/s). 2009. gadā Bell Labs pārkāpa 100 (Pbit/s)km barjeru (15.5 Tbit/s ar vienu 7000 km garu šķiedru). Nelielos attālumos, piemēram, tīklu biroju ēkā (sk. Biroja šķiedru), optiskās šķiedras kabeļi var ietaupīt vietu kabeļu kanālos. Tas notiek tāpēc, ka viena šķiedra var pārvadāt daudz vairāk datu nekā vara kabeļi, piemēram, 5.kategorijas Ethernet kabeļi, kas parasti darbojas ar ātrumu 100 Mbit/s vai 1 Gbit/s.

Šķiedra ir arī imūna pret elektriskiem traucējumiem. Starp signāliem dažādos kabeļos nav savstarpējo traucējumu un netiek radīts elektromagnētiskie troksnis apkārtējā vidē. Neapbruņoti šķiedru kabeļi nevada elektrību, kas padara tos par labu risinājumu sakaru ierīču aizsardzībai augstsprieguma vidē, piemēram, enerģijas ražošanas iekārtām vai metāla sakaru konstrukcijām, kurām ir nosliece uz zibens spērieniem, kā arī novērš problēmas ar zemējumu. Tos var izmantot arī vidē, kur ir sprādzienbīstami izgarojumi bez aizdegšanās riskiem. Nesankcionētu savienojumu izveide (šajā gadījumā šķiedru noklausīšanās) ir grūtāka salīdzinājumā ar elektriskajiem savienojumiem. Viens no veidiem, kā noteikt šķiedru noklausīšanos, ir fiksēt signāla kvalitātes samazināšanos (par dažām dB) vietā, kur veikta nesankcionēta pieslēgšanās. Dažas sistēmas var uztvert šķiedru saites pēkšņu vājināšanos un automātiski izsauks trauksmi. Tomēr ir arī tādi pieslēgumu gadījumi, kas darbojas bez ievērojamas signāla vājināšanas. Abos gadījumos ir jāmaina gaismas izkliedes raksturs tajā punktā, ko potenciāli var noteikt. Tomēr pēc tam, kad pieslēgums ir atklāts, tas var būt par vēlu, jo daļa informācijas jau ir noklausīta. ASV pat ir zemūdene "Jimmy Carter", kas aprīkota ar zemūdens kabeļu noklausīšanās sistēmu.Šķiedras bieži izmanto arī neliela attāluma savienojumiem starp ierīcēm. Piemēram, lielākā daļa augstas izšķirtspējas televizoru piedāvā digitālu audio optisko savienojumu. Tas ļauj straumēt audio, izmantojot gaismu, izmantojot TOSLINK protokolu.

Informācija, kas pārvietojas optiskās šķiedras iekšienē, ir pat imūna pret kodolierīču ģenerētajiem elektromagnētiskajiem impulsiem.

Metāla kabeļu sistēmās izmanto lielu daudzumu vara. Atšķirībā no optiskās šķiedras, saistībā ar izejmateriālu ievērojamo cenu kāpumu kopš 2000.gada vara kabeļi tiek pakļauti lielam zādzību riskam.

Atsauces 

Datortīkli