Optické vlákno

Z PanWiki

Přejít na: navigace, hledání

Optické vlákno je tenké vlákno ze skla nebo ve speciálních případech z průhledného plastu, které je schopné přenášet po své délce světelné záření, a to i na značné vzdálenosti.

V dnešní době nachází optická vlákna využití zejména v telekomunikacích (tvoří naprostou většinu dálkových telekomunikačních sítí a brzy se rozšíří i do místních sítí) a v medicíně, ale jejich využití se rychle rozšiřuje i do jiných oblastí lidské činnosti.

Obsah

Historie

První pokusy s použitím principů, na kterých je založeno optické vlákno provedl již John Tyndall kolem roku 1850, když předváděl vedení slunečního světla trubicí s vodou prostrčenou skrz střechu domu. Nicméně skutečná optická vlákna začala vznikat až zhruba o sto let později.

První pokusy se skutečným optickým vláknem realizoval fyzik Narinder Singh Kapany v roce 1952. Vlákna blízká jejich dnešní podobě se skleněným jádrem a pláštěm ovšem vznikla ještě o pár let později. Vyvinuli je Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, a Lawrence E. Curtiss na Michiganské Univerzitě v roce 1956, když pomocí nich sestavili první gastroendoskop. Brzy potom již následovala celá řada dalších aplikací přenosu obrazu optickými vlákny.

V roce 1965 dokázali pracovníci britské firmy Standard Telephones and Cables, že útlum v do té doby používaných vláknech je zapříčiněn nečistotami, které je možné částečně odstranit. Tvrdili, že vlákno bude možné využít v telekomunikacích, pokud se podaří jeho útlum snížit na 20 dB na km. Toho se poprvé podařilo dosáhnout v roce 1970 americké firmě Corning Inc., když demonstrovali vlákno s útlumem 17 dB/km., které vzniklo dopováním křemenného skla titanem. O několik let později vyrobili vlákno s útlumem 4 dB/km jehož jádro už bylo dopováno germániem, jako je tomu u většiny dnešních vláken. To byl zlomový okamžik, který umožnil obrovský boom optických vláken v telekomunikační technice.

Dnešní optická vlákna dosahují s těmito historickými neporovnatelných parametrů. Jejich útlum se běžně pohybuje běžně i pod 0,2 dB/km, mají téměř nulovou disperzi a dokáží běžně překlenovat vzdálenosti do 200 km, ve speciálních případech ovšem i daleko větší.

Princip fungování

Základním principem fungování optických vláken je fyzikální jev nazývaný totální reflexe. K tomu dochází pokud světlo prochází z opticky hustšího prostředí do opticky řidšího a rozhraní mezi těmito dvěma prostředími dosáhne pod úhlem menším než kritickým. V takovém případě se veškerá světelná energie odrazí zpět do opticky hustšího prostředí. Velikost kritického úhlu závisí na poměru indexů lomu obou prostředí. Sklo má index lomu výrazně vyšší než vzduch a je tedy opticky hustší. Proto už obyčejné skleněné vlákno funguje jako světlovod, a také tak skutečně byla konstruována úplně první optická vlákna.

Problém této konstrukce ovšem spočívá v tom, že:

  1. poměr indexů lomu vlákna a okolí je příliš velký
  2. poměr indexů lomu se mění s měnícím se okolím vlákna (např. pokud je povrch vlákna něčím znečištěn atd.)

Proto se již od roku 1956 vyrábí všechna vlákna s jádrem s vyšším indexem lomu obklopeném pláštěm s pouze malinko nižším indexem lomu. Výjimku tvoří pouze některá specializovaná detekční vlákna u kterých je naopak žádoucí, aby se detekovaná látka přímo dotýkala jádra.

Princip fungování optického vlákna
Na obrázku je znázorněn základní princip fungování optického vlákna. To je tvořeno jádrem z materiálu s vyšším indexem lomu, které obklopuje plášť z materiálu s nižším indexem lomu. Materiálem jádra a pláště je typicky velmi čisté křemenné sklo, ale existují i vlákna z průhledných plastů nebo kombinace skla a plastu. Aby mohlo docházet mezi jádrem a pláštěm k totální reflexi, musí paprsek na jejich rozhraní dorazit pod úhlem menším než kritickým. Na obrázku splňuje tuto podmínku červeně znázorněný paprsek. Paprsek, který dorazí na rozhraní pod větším úhlem se odrazí jen částečně, zbytek energie se zlomí do pláště a z pláště ven. Proto energie odraženého paprsku slábne a během několika takových odrazů se prakticky všechna vyváže z vlákna ven. Na obrázku je takový paprsek znázorněn modrou barvou. Pro úspěšný přenos světla vláknem je tedy nutno do něj navazovat paprsky pouze v rozmezí úhlů do maximálního prostorového úhlu θ na obrázku znázorněném růžovým lichoběžníkem.

Velikost tohoto úhlu závisí na velikosti indexů lomu okolního prostředí a jádra a pláště optického vlákna a vypočítá se podle vztahu:

n \sin \theta = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}

Tento důležitý parametr optického vlákna nazýváme Numerická Apertura a značíme NA.

\mathrm{NA} = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}

Používané materiály a vlnové délky světla

Závislost útlumu na vlnové délce použitého světla
Převážná většina optických vláken se vyrábí z ultračistého křemenného skla. Podíváme-li se na závislost útlumu takového skla na vlnové délce světla, zjistíme, že na ní působí dva hlavní vlivy. Směrem ke kratším vlnovým délkám útlum roste vlivem Rayleighova rozptylu, směrem k delším vlnovým délkám díky infračervené absorbci. Jeho absolutní minimum leží v oblasti 1550 nm a dnešní vlákna zde dosahují hodnot kolem 0,2 dB/km.

Směrem ke kratším vlnovým délkám se na útlumové charakteristice navíc vyskytuje několik lokálních maxim, která jsou zapříčiněna obsahem OH- iontů obsažených ve skle. OH- ionty se do skla částečně dostávají během výrobního procesu, ale také z vody působící na vlákno zevnějšku. Proto musí mít každé vlákno už z výroby tzv. primární ochranu, jejímž hlavním úkolem je zabránit přístupu vzdušné vlhkosti ke sklu. V oblastech mezi těmito OH- lokálními maximy se nacházejí takzvaná křemenná okna, t.j. oblasti vlnových délek s malým útlumem vhodné pro přenos. Na obrázku jsou jednotlivá křemenná okna vyznačena barevnými oblastmi v pořadí zelená, žlutá, modrá, oranžová.

První křemenné okno 
leží v oblasti 850 nm a bylo historicky první používanou oblastí vlnových délek. Dnes se používá pouze u mnohavidových vláken pro přenos na krátké vzdálenosti.
Druhé křemenné okno 
leží v oblasti 1300 nm a používá se u jednovidových vláken na dálkové přenosy. Jeho nevýhodou je větší útlum, výhodou menší citlivost útlumu na ohyb vlákna.
Třetí křemenné okno 
leží v oblasti 1550 nm a je díky minimálnímu útlumu dnes nejvíce používáno pro přenosy na dlouhé vzdálenosti.
Čtvrté křemenné okno 
leží v oblasti 1625 nm a začíná se čím dál tím více používat pro dálkové přenosy.

Podle norem ITU-T jsou oblasti pro přenos děleny ještě jemněji a označují se různými písmeny.

Používané typy vláken

Mnohavidové vlákno

Gradientní vlákno

Jednovidové vlákno

Speciální vlákna

Podívejte se také

Citováno z „http://panwiki.panska.cz/index.php/Optick%C3%A9_vl%C3%A1kno“