Оптичко влакно

Оптичко влакно — светлоспроводлив материјал кој се употребува за пренос на податоци со големи брзини (до 1 терабит во секунда). Тоа е е тенко, свитливо, проѕирно влакно кое се однесува како брановод или „светлосна цевка“ за да пренесе светлина помеѓу двата краја на влакното. Често се користат во комуникациите затоа што дозволуваат пренос на големи далечини со поголем пропусен опсег од другите комуникации, затоа што сигналот може да се пренесува на огромни далечини без притоа да има потреба од засилување. Влакната се користат наместо метални жици, затоа што сигналите патуваат низ нив со помалку загуба и исто така имаат огромна отпорност во однос на електромагнетни пречки (како на пример: радио сигнали, електромотори или близина на далноводи). Влакната исто така се користат и за осветлување, обвиткани во снопови за да можат да пренесуваат слики. Специјално дизајнирани влакна се користат за разни други апликации, вклучувајќи сензори и ласери.
Оптичкото влакно типично се состои од проѕирно јадро обвиткано од обложен слој со понизок показател на прекршување. Светлината се чува во јадрото со целосна внатрешна рефлексија. Ова предизвикува влакното да ја пренесува светлината во брановидна форма. Влакното кое поддржува повеќе разновидни патеки или дијагонален режим се нарекува влакно со повеќе режими или мултимодно влакно (MMF, Multimode Fibre), додека оние кои поддржуваат единичен режим се нарекуваат влакна со еден режим или мономодни влакна (SMF, Single Mode Fibre). Влакната со повеќе режими имаат поголем пречник на јадрото и се користат за комуникациски врски на помала далечина и апликации каде мора да биде пренесена висока моќност. Влакната со единичен режим се користат за повеќето комуникациски врски, подолги од 1.050 метри.
Спојувњето на оптичките влакна е покомплексно од спојувањето на електрични жици. Краевите на влакното мора да бидат внимателно раздвоени, а потоа споени механички или со загревање. Специјални приклучоци за оптички влакна се користат за да се направи пренослива врска.
1 Историја
Оптичките влакна, кои се користат масовно во модерниот свет е релативно едноставна и стара технологија. Водени од прекршувањето на светлината Даниел Коладон и Жак Бабине во Париз во 1840 година за првпат го демонстрирале и докажале дека е можен принципот на оптичко влакно. Неколку години подоцна Џон Тиндал вклучил демонстрација за оптичко влакно во неговото јавно предавање во Лондон. Тиндал исто така во 1870 година напишал книга во која се осврнал на целосната внатрешна рефлексија и природата на светлината, меѓу што напишал: „Кога светлината преминува од воздух во вода, зраците нормално се прекршуваат... Кога зраците преминуваат од вода во воздух се свиткани под прав агол... Ако аголот каде зракот ја допира површината на водата е поголем од 48°, тогаш зракот нема да влезе во водата воопшто, тој ќе биде целосно одбиен од површината. Аголот која ја означува границата на целосната рефлексија се нарекува ограничувачки агол на медиумот. За вода тој агол е 48°27’, за стакло е 38°41’, додека за дијамант овој агол е 23°42’. ”
Преносот на слики низ цевки бил претставен независно од Кларенс Хансел (Clarence Hansell) и телевизискиот пионер Џон Лоџи Берд (John Logie Baird) во 1920 година. Принципот првично бил искористен во медицината во следната декада. Во 1952 година, физичарот Нариндер Синг Капани (Narinder Singh Kapany) извел серија експерименти кои довеле до изумот за оптичкото влакно.
Модерните оптички влакна каде стаклото е обложено со проѕирен слој за да се постигне поголем показател на прекршување се појавиле во следната деценија. Развојот тогаш се насочил кон сноповите од влакна за пренос на слики. Првиот гастроскоп кој работел со помош на оптичките влакна бил измислен и патентиран од Базил Хиршовиц, Вилбур Петерс и Лоренс Кертис (Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters и Lawrence E. Curtiss), истражувачи од Универзитетот во Мичиген во 1956 година. Во овој процес на развој на гастроскопот Кертис (Curtiss) го создал првото влакно обложено со стакло, дотогаш влакната се произведувале со обложување од материјали како масла и восоци. Александар Бел го измислил „фотофонот“ за пренос на говорни сигнали низ светлосен сноп.
Британската компанија Стандард Телефоунс енд Кејблс (Standard Telephones and Cables, STC) била првата што ја промовирала идејата за намалување на слабеењето на сигналот во оптичките влакна на 20 децибели за километар (dB/km), дозволувајќи му на оптичкото влакно да се претвори во практичен медиум за комуникација. Тие откриле дека слабеењето во влакното е предизвикано од нечистотиите кои можат да бидат отстранети со мала искра која ќе се создаде. Точно и систематизирано ги докажале својствата на влакното и неговата загуба на сигналот и го посочиле вистинскиот материјал за производство на влакно со подобри перформанси - стакло од силика со голема чистота. Ова подоцна, во 2009 година, им ја донело Нобеловата награда за физика.
НАСА (NASA) ги користи оптичките влакна во телевизиските камери кои ги праќа на Месечината, што ги докажува големите перформанси на оптичкото влакно.
Слабеењето на сигналот во модерните оптички кабли е далеку помало од она во електричните кабли што доведува до поврзувања на оптичките влакна на големи растојанија, користење на повторувачи (репетитори) на 70-150 километри.
Во 1991 година, усовршувањето на фотонските кристалите, довело до развој на влакна засновани на овој материјал при што овие влакна ја спроведуваат светлината со дифракција од периодична структура наместо со целосна внатрешна рефлексија. Првото вакво влакно било произведено во 2.000 година и може да пренесе многу повеќе моќност од обичното оптичко влакно, а својствата кои зависат од пропусниот опсег може да се дотеруваат за да се подобрат перформансите.
2 Комуникации со оптички влакна
Оптичкото влакно се користи како медиум во телекомуникациите и компјутерските мрежи затоа што е флексибилно и може да се формира кабли. Особена предност оптичкото влакно има во комуникациите на долги растојанија затоа што светлината се движи низ влакното со мало слабеење во споредба со она во електричните кабли. Тоа овозможува големи далечини да бидат поминати со неколку повторувачи (репетитори). Секое влакно може да носи повеќе независни канали, притоа секој користејќи различна бранова должина од светлината. Од 2011 година рекордот е 101 Tbit/s (370 канали секој со брзина од 273 Gbit/s).
За апликации на помали далечини, како мрежа во деловна зграда, оптичкото влакно може да се искористи за да се заштеди простор во кабловодите. Ова е така затоа што едно оптичко влакно има многу поголем проток отколку повеќе електрични кабли, на пример стандардни етернет кабли каде типично протокот е од 100 Mbit/s до 1 Gbit/s. Влакното е исто така отпорно на електрични интерференции, нема преслушување на сигналите од различните кабли во снопот и не е под влијание од надворешниот шум. Може да се користат и во средини каде има експлозивни гасови без опасност од палење.
3 Начин на работа
Оптичкото влакно е цилиндрично диелектрично влакно кое пренесува светлина низ неговата оска со целосна внатрешна рефлексија. Се состои од јадро обвиткано со обложен слој и двата направени од диелектрични материјали. За да го задржат сигналот во јадрото, показателот на прекршување на јадрото мора да биде поголем од оној на обложниот слој.
3.1 Показател на прекршување
Показателот на прекршување е показател со чија помош може да се измери брзината на светлината во материјалот. Светлината патува побрзо во вакуум отколку во друг простор. Брзината на светлината во вакуум е околку 300.000 километри во секунда. Показателот на прекршување се пресметува делејќи ја брзината на светлината во вакуум со брзината во некоја друга средина. По дефиниција индексот на рефракциија во вакуум изнесува 1. Вредноста за обложниот слој на оптичкото влакно е 1,52, а вредноста на јадрото е 1,62. Колку е поголем показателот на прекршување, толку побавно патува светлината во средината. Од оваа информација произлегува правилото дека сигналот кој користи оптичко влакно за комуникација ќе патува отприлика со 200 милиони метри во секунда. Така телефонски повик кој се одвива преку оптичко влакно помеѓу Сиднеј и Њујорк на 16.000 километри оддалеченост, ќе се пренесе со минимално задоцнување од 80 милисекунди. Но сепак треба да се напомене дека ќе се јави дополнително доцнење од комуникациската опрема како комутација и кодери и декодери кои го претвораат говорот во сигнал погоден за пренос низ оптичкото влакно и обратно.
3.2 Целосна внатрешна рефлексија
Целосна внатрешна рефлексија - кога светлината се пренесува низ медиум удира во границите под остар агол и целосно се одбива. Овој принцип се користи и во оптичките влакна за да се задржи светлината во јадрото. Затоа што светлината мора да удри во границите со агол поголем од критичниот, само светлината која влегува во влакното под определен агол може да патува низ него без протекување. Овие агли се нарекуваат прифатлив конус на влакното. Големината на овој прифатлив конус е функција од индексот на рефлексија. Значи постои максимален агол за оската на влакното под кој треба да влезе светлината во него за да може да се движи односно да патува во јадрото на оптичкото влакно.
4 Механизми за слабеење
Слабеењето на сигналот во оптичкото влакно уште познато и како загуба во пренос, е намалување на интензитетот на светлинскиот зрак или сигналот во однос на далечината помината низ медиумот за пренос. Коефициентот на слабеење во оптичкото влакно обично ја користи мерката dB/km што се должи на релативно високиот квалитет на транспарентност на модерните оптички медиуми. Слабеењето е важен фактор затоа што е лимитирачки фактор на преносот на дигиталните сигнали на големи релации. Истражувањата покажале дека слабеењето се должи на расејувањето и апсорпцијата.
5 Материјали
Стаклените оптички влакна се речиси секогаш направени од силика кое е хемиско соединение на силициумот, но и други материјали како калгогенидно стакло или сафирот кој се користи за апликации со инфрацрвени зраци. Материјалот силика има показател на прекршување околу 1,5 , но некои други материјали имаат и многу поголеми индекси од околу 3 како калгогенидното стакло. Типично разликата помеѓу индексите на јадрото и обложниот слој е помало од 1 процент. Има и пластични оптички влакна кои се користат најчесто за влакната со повеќе режими и имаат пречник на јадрото од 0,5 милиметри. Тие имаат поголем коефициент на слабеење отколку стаклените влакна, околу 1 dB/m или поголем и оваа слабеење го ограничува опсегот на системите засновани на пластични оптички влакна.
6 Оптички кабли
Во пракса, обвивката на влакното е премачкана со слој од смола, кој може да биде понатаму опкружен со заштитен слој од стакло. Овие слоеви му даваат цврстина на влакното, но не придонесуваат за подобрување на неговите одлики. Понекогаш помеѓу влакната кои се врзани во сноп се поставува стакло кое ја апсорбира светлината, таканаречено темно стакло, за да се спречи светлината која може да излезе од едно влакно и да влезе во друго. Ова го спречува преслушувањето на сигналите помеѓу влакната или го намалува одблесокот во снопот од влакна наменети за апликациите со слики.
Модерните оптички кабли доаѓаат со голема разновидност на обвивки наменети за различни потреби како изолација од висок напон, двојно користење за линии кои пренесуваат моќност, антени за телефон, инсталации за подморници или асфалтирани улици.
Оптичките кабли можат да бидат многу флексибилни, но слабеењето во голема мера расте кај влакната свиткани со полупречник помал од 30 мм. Ова создава проблем кога кабелот е свиткан околу аглите или замотан правејќи FTTX инсталации. Каблите кои можат да се виткаат и лесно да се употребуваат за инсталации во домовите се стандардизирани како ITU-T G.657. Овој вид на оптички кабел може да биде свиткан во полупречник од 7,5 мм без негативни последици. Исто така овие кабли може да бидат отпорни на хакери зошто сигналот во влакното може да е неприметно мониториран од истекување.
Друга важна функција на кабелот е издржливоста од хоризонтално применетата сила. Технички се нарекува затегнувачка цврстина дефинирајќи колку сила може да се примени врз кабелот додека трае процесот на инсталација.
7 Поврзување на оптичките кабли
Оптичките влакна се поврзани со терминали и опрема со помош на посебни приклучоци за таа намена. Тие приклучоци се со стандардна форма и се познати како FC, SC, ST, LC и MTRJ.
Оптичките влакна можат да се поврзат меѓусебно со приклучоци или со метод на спојување односно слепување на две влакна заедно за да се формира непрекината брановидна форма на оптичко влакно. Генерално прифатениот метод на спојување е спојување со соединување на лак кое ги топи краевите на влакното заедно, со електричен лак. За побрзо прицврстување се кориси и механичко спојување.
Спојувањето со топење се прави со помош на специјални инструменти кои го прават следново: двата краеви на каблите се прицврстуваат внатрешно со заградување при што на краевите на влакното им се отстранува заштитната обвивка. Краевите се сечат и расцепуваат со голема точност и се ставаат во посебни држачи на приклучокот. Спојувачот користи мали мотори за да ги усогласи краевите заедно и да емитира мала искра меѓу електродите на јазолот за да ги изгори правот и влагата. Потоа спојувачот генерира поголема искра која ја покачува температурата над точката на топење на стаклото, спојувајќи ги краевите трајно. Локацијата и енергијата на спојувачот е внимателно контролирана за да стопеното јадро и обвивката не се спојат, а воедно тоа ја минимизира оптичката загуба. Комплексноста на овој процес го прави спојувањето на оптичките влакна многу потешко отколку спојувањето на бакарните жици.
Механичките спојувања се побрзи, но сепак постои потребата за соголување, внимателнио отстранување и сечење. Краевите на влакната се усогласени и споени со прецизно направена спојка користејќи често и специјален гел за подобрување на преност низ местото каде се споени краевите. Вака направените споеви често имаат поголеми оптички загуби и се помалку стабилни отколку спојките со топење, посебно ако се користел гел. Сите техники на спојување вклучуваат користење на заградување во кое е позиционирана спојката за подоцнежна заштита.
Приклучоците за оптичките влакна имаат форма на цилиндрично буре. Механизмот за спојување може да биде „стави и кликни”, „завртка” или „заврти и заклучи”. Приклучоците се ставаат со претходна подготовка на влакното и вметнување во телото на приклучот. Леплив сет најчесто се користи за влакното да се прицврсти. Откога лепливиот сет ќе се стврдне краевите се полираат до огледален сјај. Овие приклучоци имаат многу поголема загуба отколку приклучоците за преносни сметачи, но во голема мера ја намалуваат и рефлексијата, затоа што светлината која се одбива од аглите истекува од површината на јадрото. Загубата во сигналот се нарекува загуба на спојот.
8 Поврзано
* Оптички кабел
* Оптоелектроника
* Тандерболт