Optická vlákna

Pro přenos světla se užívají optická vlákna – světlovody. Umožňují přenos optického záření v celém spektru vlnových délek. Rozsah vlnových délek, pro něž je vlákno vyráběno, je dán konstrukcí a použitými materiály jádra a pláště světlovodu.

Optická vlákna mají široké spektrum využití, např:

• v průmyslu (např. v technologických linkách pro přenos dat);

• ve zdravotnictví (např. jako součást přístroje pro vyšetření žaludku);

• v telekomunikacích (dálkové i místní sítě – např. rozvod kabelové televize), jsou také nedílnou součástí komunikačních systémů LAN a WAN;

• v  letectví a kosmonautice (např. jako senzory);

• v automobilech (pro přenos signálů v měřicích systémech);

• ve vojenských systémech apod. (mimo jiné pro místní osvětlení).

Přenos informace optickým vláknem nabývá na významu především proto, že umožňuje dosahovat vysokých přenosových rychlostí, umožňuje vyšší spolehlivost přenosových systémů, a to i na dlouhé vzdálenosti díky malému útlumu vláken. Tento způsob přenosu informací je velmi odolný proti rušení. K dalším výhodám patří malé rozměry a hmotnost. Optický kabel umožňuje přenos informací mezi jakkoli vzdálenými místy, lze-li je optickým kabelem propojit.

 

Přenos optického záření je možné uskutečnit:

• optickými vlákny (jádro pro přenos optického záření je tvořeno sklem nebo plastem);

• dutými světlovody – kapilárními trubičkami (optické záření je přenášeno v dutinách vlasově tenkých trubiček);

• kapalinovými světlovody (jádro tvoří kapalina).

Pro optický přenos informace má největší význam oblast vlnových délek světla asi od 1,7 μm do 400 nm. V této oblasti je útlum materiálů používaných pro výrobu vodičů optického záření minimální.

Běžné optické vlákno se skládá ze tří základních částí:

1  - jádro (core) – vnitřní, nejdůležitější vrstva, určená pro vlastní přenos dat.

2  - plášť (někdy též obal jádra – cladding) – střední vrstva, chrání a zpevňuje jádro.

3 - ochrana (rating) – vrchní vrstva, která chrání vlákno před vnějšími vlivy. Nejčastěji je tvořena akrylátovým lakem. V některých případech je vlákno ještě chráněno obalem z plastických hmot (4), které chrání proti mechanickým, případně chemickým vlivům.

Obr. 1: Řez optickým vláknem

Pro přenos optického signálu optickým vláknem je využíván zákon lomu a odrazu optického záření na styku dvou prostředí. Dopadá-li paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi s různými indexy lomu paprsků podle toho, pod jakým úhlem dopadá, se buď odráží a vrací zpět, nebo prostupuje do druhého prostředí. Při vhodně voleném úhlu dopadu paprsku bude docházet převážně jen k odrazům optického záření. Tím bude světelný paprsek ztrácet při odrazech málo energie, a tím víc energie mu zůstane na to, aby doletěl dál.

Světlovody – kapalinové a svazkové

Pevná optická vlákna ve formě svazků jsou používána pro účely osvětlení. Kapalinové světlovody mají vnitřek vlákna zaplněný kapalinou, jsou vyráběny v délce 1 až 5 m, s průměrem jádra 2 až 5 mm.

Porovnání kapalných světlovodů oproti světlovodům z pevných optických vláken:

Kapalné světlovody

• jsou levnější;

• umožňují přenos až UV paprsků;

• mají větší úhel, pod kterým mohou přijímat světelné paprsky, mohou přenášet větší světelnou energii;

• lépe využijí plochu celého světlovou pro přenos optického záření. Svazky pevných optických vláken mají velikost minimálního úhlu ohybu;

• je možné je uspořádat tak, aby výstup měl určitý tvar .

Typy optických vláken se skleněným či plastovým jádrem

Z hlediska způsobu přenosu dělíme optická vlákna na dva základní typy:

• jednovidová;

• mnohovidová.

Rozdíl je dán rozměry jádra. Jednovidová mohou přenášet pouze jeden paprsek (vid), mnohovidová přenáší více paprsků (vidů).

Jednovidová vlákna

Jsou používána téměř výhradně pro přenos informací na velké vzdálenosti a také např. pro přenos signálu kabelové televize.

Schopnosti vést jediný paprsek bez odrazů je dosahováno velmi malý průměrem vlákna. Paprsek se vláknem šíří ve směru jeho osy bez odrazů. Dopomáhá tomu také velmi malý poměrný rozdíl indexů lomu jádra pláště.

Průměr jádra jednovidového vlákna je závislý na přenášené vlnové délce světelného paprsku. Materiálem pro výrobu jednovidových vláken, např. pro oblast vlnových délek 850nm až 1600 nm, je sklo dotované vhodnými příměsemi.

Mnohovidová vlákna

Konstrukčně se liší od jednovidových podstatně větším průměrem. Bývají skleněná nebo plastová. Průměr jádra mnohovidového vlákna je mezi 50μm až 2000μm. Výhodou je nižší výrobní cena a snadnější manipulace při spojování vláken a připojování světelných zdrojů.

Podle toho, jak optické vlákno vede paprsek a jak se mění index lomu na přechodu mezi jádrem vlákna a jeho pláštěm, rozdělujeme vlákna:

Vlákna se skokovou změnou indexu lomu

(Na rozhraní jádra a pláště dochází k ostrému lomu. Protože se vláknem šíří paprsky po různých drahách, vykoná různou dráhu paprsek přímý a paprsek s mezním úhlem odrazu. Proto dorazí na konec vlákna postupně (v různém čase), přenos signálu se rozprostře do delšího časového úseku, než byla jeho šířka na vstupu vlákna. Dochází k jevu nazývaném „disperze“).

Obr. 2: Optické vlákno se skokovou změnou indexu lomu

Vlákna s gradientní (postupnou) změnou indexu lomu

V jádru dochází k plynulé změně drah paprsků. Optické záření se šíří rychleji v prostředí s nižším indexem lomu, proto paprsky šířící se blíže plášti, kde je index lomu menší, mají větší rychlost. Celková doba jejich šíření vláknem je téměř shodná s dobou šíření přímého paprsku, který prochází středem jádra. Dochází tak k podstatnému zmenšení disperze.

Obr. 3: Optické vlákno s postupnou změnou indexu lomu

 

K označování optických vláken se užívá zlomek vyjadřující průměr jádra a průměr pláště, dvou nutných součástí optického vlákna. Např. je-li vlákno označeno 9/125 μm, má průměr jádra 9 μm a průměr pláště 125 μm.

Hlavní parametry optických vláken

• šířka pásma 〔MHz . km〕 - udává nejvyšší kmitočet signálu, který může být přenesen na vzdálenost 1 km. Závisí na konstrukci a materiálu optického vlákna;

• numerická apretura (NA) – definuje největší úhel, pod kterým může světelný paprsek vstupovat do optického vlákna tak, aby byl vláknem přenášen. Nejčastěji je odvozena z vyzařovací charakteristiky vlákna;

• disperze - příčina zkreslení přijímaného signálu;

• útlum 〔dB/km〕 - je dán tím, že výkon signálu se vzdáleností od zdroje postupně klesá. Je to měřítko ztrát optické energie ve vlákně;

• minimální poloměr ohybu – je to nejmenší ohyb, který je možné při instalaci vlákna použít. Je závislý na průměru optického vlákna, případně kabelu, a na materiálu, z něhož je vlákno vyrobeno. Čím je průměr vlákna větší, tím je větší i minimální poloměr ohybu;

• obsah OH^- - vyjadřuje zbytkovou vlhkost, která byla ponechána v průběhu výroby.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Řez optickým vláknem, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Optické vlákno se skokovou změnou indexu lomu, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Optické vlákno s postupnou změnou indexu lomu, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009