Optické vlákno: definícia, princíp fungovania a využitie v telekomunikáciách

Optické vlákno: definícia, princíp fungovania a využitie v telekomunikáciách, medicíne a senzorike — rýchle a spoľahlivé prenosy dát.

Optické vlákno je tenké sklenené alebo plastové vlákno, ktoré prenáša svetlo z jedného konca na druhý. Štúdium optických vlákien sa nazýva optika vlákien, ktorá je súčasťou aplikovanej vedy a techniky.

Optické vlákna sa využívajú najmä v telekomunikáciách, ale používajú sa aj na osvetlenie, senzory, hračky a špeciálne kamery na videnie v malých priestoroch. Niekedy sa používajú v medicíne na videnie do vnútra človeka, napríklad do jeho hrdla.

Základná stavba a typy vláken

Typické optické vlákno má tri hlavné vrstvy:

• Jadro (core) – stredová časť, ktorou sa vedie svetlo. Má vyšší index lomu než okolité vrstvy.
• Plášť (cladding) – obalujúca vrstva s nižším indexom lomu, ktorý zabezpečuje odrážanie svetla späť do jadra.
• Ochranný plášť a obal – mechanická ochrana vlákená, zvýšenie odolnosti proti ohybu, vlhkosti a poškodeniu počas inštalácie.

Podľa konštrukcie a použitia rozlišujeme najmä:

• Jednomódové vlákno (single‑mode) – veľmi úzke jadro (~8–10 μm), umožňuje vedenie jedného módového svetelného paprsku. Používa sa na dlhé trasy a v telekomunikačných páteřiach. Má nízky útlm (napr. ~0,2 dB/km pri 1550 nm) a vysokú priepustnosť.
• Mnohomódové vlákno (multimode) – väčšie jadro (typicky 50 alebo 62,5 μm), vedie viac módov. Jednoduchšie na napájanie (lacnejšie lasery/LED), vhodné pre krátke vzdialenosti (LAN, data centrá). Trpí väčšou disperziou a vyšším útlmom než jednomódové.
• Plastové optické vlákno (POF) – lacnejšie a pružnejšie, ale s podstatne vyšším útlmom; vhodné pre krátke aplikácie, osvetlenie a hračky.

Princíp fungovania

Optické vlákno prenáša svetlo na princípe úplného vnútorného odrazu (total internal reflection). Keď svetlo vstupuje do jadra s vyšším indexom lomu a dopadá na rozhranie jadro–plášť pod uhlom väčším než kritický uhol, je celé odrazené späť do jadra. To umožňuje, aby svetelný lúč putoval veľkými vzdialenosťami s minimálnymi stratami.

Dôležité parametre vedenia sú:

• Index lomu jadra a plášťa (určuje kritický uhol).
• Numerická apertúra (NA) – určuje schopnosť vlákna prijímať svetlo.
• Útlm (attenuation) – strata signálu v dB/km; závisí od vlnovej dĺžky, materiálu a kvality vlákna.
• Disperzia – rozmazávanie impulzov v čase; zahŕňa modalnú disperziu (viac módov), chromatic dispersion (rôzne vlnové dĺžky sa šíria rôzne) a materiálovú disperziu.

Výroba a spájanie

Výroba skleneného optického vlákna začína tzv. preformou – veľkým skleneným valcom s požadovanou kompozíciou indexu lomu. Z preformy sa na drawing tower „tiahne“ tenké vlákno, ktoré sa potom pokrýva ochrannými vrstvami. Pre plastové vlákna sú používané iné postupy podobnej koncepcii.

Spájanie a pripojovanie:

• Fusion splicing – zváranie koncov vlákien dohromady pomocou elektrického výboja; poskytuje veľmi nízky útlm a je štandardom pre trvalé spoje.
• Mechanické spoje a konektory – rýchlejšie a použiteľné v sieťach; bežné typy konektorov sú LC, SC, ST a FC.

Využitie v telekomunikáciách

V telekomunikáciách sú optické vlákna kľúčové pre prenos dát na veľké vzdialenosti s vysokou kapacitou. Typické aplikácie:

• Medzimestské a medzinárodné trasy – vrátane podmorských káblov, kde vlákna tvoria chrbticu globálneho prenosu dát.
• Metropolitné siete a páteřné siete operátorov – vysokorýchlostné spoje medzi dátovými centrami a uzlami.
• FTTx (Fiber to the Home/Building) – pripojenie domácností a firiem priamo optikou pre internet, TV a telefonovanie s veľmi vysokou rýchlosťou a nízkou latenciou.
• Data centrá – vysoko husté spojenia medzi servermi, prepínačmi a úložiskami za pomoci optických káblov a spojov DWDM/WDM.

Ďalšie významné aplikácie

• Medicína – endoskopy na zobrazovanie vnútorných orgánov, laserové operácie a prenos svetla do ťažko prístupných miest.
• Senzory – meranie teploty, tlaku, deformácie a chemických parametrov (napr. fiber Bragg grating, distribuované snímače teploty a napätia).
• Osvetlenie a dekorácie – pružné vlákna pre nasvietenie priestorov, umelecké inštalácie a hračky.
• Priemysel a bezpečnosť – prenos signálov v prostrediach s vysokým elektromagnetickým rušením, schnazované monitorovanie potrubí a mostov.
• Vojenské a vesmírne aplikácie – komunikácia a senzory odolné voči rušeniu a elektromagnetickému zásahu.

Výhody a nevýhody

• Výhody: veľmi vysoká priepustnosť dát, nízky útlm na dlhé vzdialenosti, imunita voči elektromagnetickému rušeniu, bezpečnosť (ťažšie odpočúvanie), nízka hmotnosť a malé rozmery kábla.
• Nevýhody: vyššie počiatočné náklady na materiál a inštaláciu (najmä pri prechode zo starších technológií), potreba špeciálneho vybavenia pre spájanie a meranie, citlivosť na ostré ohyby (bending loss) a mechanické poškodenie.

Inštalácia, údržba a bezpečnosť

Pri inštalácii treba dbať na minimálny polomer ohybu, čistenie konektorov a presné spájanie. Meranie kvality spojov a káblov sa vykonáva OTDR (optical time-domain reflectometer) a meraním útlmu. Bezpečnostné upozornenie: nikdy sa nepozerajte priamo do aktívneho optického vlákna alebo konektora pri zapnutom zdroji svetla (lasery alebo silné LED), pretože to môže poškodiť zrak.

Trendy a budúcnosť

Medzi hlavné trendy patrí rozširovanie FTTH, zvyšovanie kapacity cez WDM/DWDM technológie, integrácia fotoniky na čipoch (photonic integrated circuits) a vývoj nových materiálov a spôsobov prenosu pre ešte nižší útlm a vyššie rýchlosti. Optické vlákna zostanú jadrom infraštruktúry pre rýchly a spoľahlivý prenos dát v najbližších desaťročiach.

História

Vedenie svetla vnútorným odrazom, princíp, ktorý umožňuje optické vlákna, prvýkrát demonštrovali Daniel Colladon a Jacques Babinet v Paríži začiatkom 40. rokov 19. storočia. O 12 rokov neskôr ho fyzik John Tyndall demonštroval na svojich verejných prednáškach v Londýne.

Tento princíp prvýkrát použil na interné lekárske vyšetrenia Heinrich Lamm v 30. rokoch 20. storočia. Moderné optické vlákna, v ktorých je sklenené vlákno potiahnuté priehľadným plášťom, ktorý ponúka vhodnejší index lomu, sa objavili neskôr v tomto desaťročí.

V roku 1965 Charles K. Kao a George A. Hockham z britskej spoločnosti Standard Telephones and Cables (STC) ako prví ukázali, že straty intenzity v optických vláknach možno znížiť, čím sa vlákna stali praktickým komunikačným médiom. Navrhli, že chyby vo vláknach, ktoré boli v tom čase k dispozícii, boli spôsobené nečistotami, ktoré by sa dali odstrániť. Poukázali na správny materiál, ktorý sa má použiť na takéto vlákna, napríklad kremičité sklo, ktoré má vysokú čistotu. Za tento objav získal Kao v roku 2009 Nobelovu cenu za fyziku.

Daniel Colladon prvýkrát opísal túto "svetelnú fontánu" alebo "svetelnú rúru" v článku z roku 1842 s názvom On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Táto konkrétna ilustrácia pochádza z neskoršieho Colladonovho článku z roku 1884.

Ako to funguje

Optické vlákno je dlhé, tenké vlákno z priehľadného materiálu. Jeho tvar je zvyčajne podobný valcu. V strede má jadro. Okolo jadra je vrstva nazývaná plášť. Jadro a plášť sú vyrobené z rôznych druhov skla alebo plastu, takže svetlo sa v jadre šíri pomalšie ako v plášti. Ak svetlo v jadre dopadne na okraj plášťa pod malým uhlom, odrazí sa. Svetlo sa môže pohybovať vo vnútri jadra a odrážať sa od plášťa. Žiadne svetlo neunikne, kým nedosiahne koniec vlákna, pokiaľ nie je vlákno prudko ohnuté alebo natiahnuté.

Ak sa plášť vlákna poškriabe, môže sa zlomiť. Na ochranu plášťa sa používa plastový povlak nazývaný nárazník. Často sa pufrované vlákno umiestňuje do ešte pevnejšej vrstvy, ktorá sa nazýva plášť. To uľahčuje používanie vlákna bez jeho poškodenia.

Vrstvy v jednom druhu optického vlákna. 1.- jadro 8 µm2. - plášť 125 µm3. - vyrovnávacia vrstva 250 µm4. - plášť 400 µm

Používa

Komunikácia pomocou optických vlákien

Optické vlákno sa využíva najmä v komunikácii (telekomunikáciách). Pri komunikácii pomocou optických vlákien sa informácie prenášajú z jedného miesta na druhé vysielaním svetelných impulzov cez optické vlákno. Svetlo tvorí elektromagnetickú nosnú vlnu, ktorá je modulovaná na prenos informácie. Optické komunikačné systémy, ktoré boli prvýkrát vyvinuté v 70. rokoch 20. storočia, spôsobili revolúciu v telekomunikačnom priemysle a pomohli s nástupom informačného veku.

Prvé systémy mali krátky dosah, ale neskoršie systémy používali vlákna, ktoré sú transparentnejšie. Keďže svetlo z vlákna neuniká, môže sa dostať na veľkú vzdialenosť, kým signál príliš zoslabne. Toto sa používa na prenos telefónnych a internetových signálov v rámci miest a medzi nimi. Vďaka svojim výhodám v porovnaní s elektrickým prenosom optické vlákna vo veľkej miere nahradili medené drôty pri komunikácii v hlavných sieťach vo vyspelých krajinách.

Väčšina optických komunikačných systémov má elektrické pripojenie. Elektrický signál ovláda vysielač. Vysielač premieňa elektrický signál na svetelný signál a posiela ho cez vlákno do prijímača. Prijímač prevádza svetelný signál späť na elektrický signál.

Optické vlákna sa niekedy používajú aj na kratšie spojenia, napríklad na prenos zvukových signálov medzi prehrávačom kompaktných diskov a stereo prijímačom. Vlákna používané na tieto krátke spojenia sú často vyrobené z plastu, ktorý je menej priehľadný. TOSLINK je najbežnejší typ optického konektora pre stereosúpravy.

Iné použitia

Optické vlákna sa môžu používať ako senzory. Používajú sa na to špeciálne vlákna, ktoré pri zmene okolia vlákna zmenia spôsob prechodu svetla. Takéto senzory sa môžu použiť na zisťovanie zmien teploty, tlaku a iných vecí. Tieto snímače sú užitočné, pretože sú malé a nepotrebujú žiadnu elektrinu v mieste, kde sa sníma.

Tieto vlákna sa používajú aj na prenos svetla, ktoré ľudia vidia. Niekedy sa používa na dekoráciu, ako napríklad vianočné stromčeky s optickými vláknami. Niekedy sa používa na osvetlenie, keď je vhodné mať žiarovku na inom mieste, než kde je potrebné svetlo. Niekedy sa používa v nápisoch a umení na špeciálne efekty.

Zo zväzku vlákien možno vytvoriť zariadenie nazývané endoskop alebo fibroskop. Ide o dlhú tenkú sondu, ktorú možno vložiť do malého otvoru a ktorá cez vlákno pošle obraz toho, čo je vnútri, do kamery. Endoskopy používajú lekári, aby videli do vnútra ľudského tela, a niekedy ich používajú inžinieri, aby videli do úzkych priestorov v strojoch.

Optické vlákna (s pridaním špeciálnych chemikálií) sa môžu používať ako optické zosilňovače. To umožňuje optickému signálu cestovať ďalej medzi koncovými bodmi a bez konverzie optického signálu na elektrický a späť, čo znižuje celkové náklady na komponenty. Tieto optické zosilňovače sa môžu použiť aj na vytvorenie laserov. Tieto sa nazývajú vláknové lasery. Môžu byť veľmi výkonné, pretože dlhé tenké vlákno sa ľahko udržiava v chlade a vytvára kvalitný svetelný lúč.

Zástrčka TOSLINK


Vianočný stromček s normálnymi a optickými svetlami


Vnútro hodín pri pohľade cez fibroskop.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to optické vlákno?

Otázka: Ako sa nazýva štúdium optických vlákien?

Otázka: Na čo sa optické vlákna hlavne používajú?

Otázka: Ako sa optické vlákna niekedy používajú v medicíne?

Otázka: Existujú okrem telekomunikácií aj iné spôsoby využitia optických vlákien?

Otázka: Je možné použiť optické vlákno na pohľad do vnútra ľudského tela?

Otázka: Je štúdium optických vlákien súčasťou aplikovanej vedy alebo inžinierstva?

Hľadajte podľa písmena