Optinis pluoštas — apibrėžimas, veikimo principas ir panaudojimas

Sužinokite, kas yra optinis pluoštas, kaip jis veikia ir kur naudojamas — telekomunikacijos, medicina, jutikliai ir apšvietimas. Paprasta ir aiški apžvalga.

Optinis pluoštas - tai plonas stiklo arba plastiko pluoštas, kuriuo šviesa gali sklisti iš vieno galo į kitą. Šviesolaidžių tyrimas vadinamas šviesolaidine optika, kuri yra taikomųjų mokslų ir inžinerijos dalis.

Optiniai pluoštai daugiausia naudojami telekomunikacijose, tačiau jie taip pat naudojami apšvietimui, jutikliams, žaislams ir specialioms kameroms, kuriomis galima matyti mažų erdvių vidų. Kartais jie naudojami medicinoje, kad būtų galima matyti žmogaus vidų, pavyzdžiui, gerklę.

Kaip tai veikia

Optinio pluošto veikimo pagrindas yra visiškas vidinis atspindys. Pluoštas turi bent du sluoksnius: centrinį branduolį (core) ir išorinį sluoksnį apvalkalą (cladding) su mažesniu lūžio rodikliu. Kai šviesos spindulys patenka į branduolį ir pasiekia ribą su apvalkalu didesniu kampu nei kritinis kampas, jis atsimuša atgal į branduolį ir sklinda toliau be reikšmingų nuostolių.

Konstruction ir tipai

• Branduolys (core): dažniausiai iš gryno silicio stiklo arba plastiko (PMMA). Jo skersmuo lemia pluošto tipą.
• Apvalkalas (cladding): turi mažesnį lūžio rodiklį, todėl užtikrina visą vidinį atspindį.
• Apsauginis sluoksnis: dažnai dedamas papildomas buferis arba palta, apsauganti pluoštą nuo drėgmės ir mechaninių pažeidimų.
• Vienamodė (single-mode): turi mažą branduolio skersmenį (~8–10 µm) ir leidžia perduoti signalus labai tolimais atstumais be didelės dispersijos.
• Daugiamodė (multimode): didesnis branduolys (50–62.5 µm), pigesnė įranga, tinkama trumpesniems atstumams, bet jautresnė modalinei dispersijai.

Pagrindiniai parametrai

• Slopinimas (attenuation): matuojamas dB/km. Modernūs stikliniai pluoštai turi labai mažą slopinimą (pvz., ~0.2 dB/km ties 1550 nm), tuo tarpu plastikiniai pluoštai turi didesnius nuostolius.
• Dispersija: chromatinė ir modalinė dispersija riboja duomenų perdavimo spartą bei atstumą. Vienamodėse linijose dominuoja chromatinė dispersija, daugiamodėse — modalinė.
• Bendras pralaidumas (bandwidth): priklauso nuo pluošto tipo ir bangos ilgio; vienamodės linijos suteikia didesnį nuotolinį pralaidumą.
• Lenkimo spindulys: per didelis lenkimas gali sukelti nuostolius arba net sulaužyti pluoštą.

Privalumai ir trūkumai

• Privalumai: labai didelė pralaidumo sparta, mažas slopinimas, atsparumas elektromagnetiniams trukdžiams, lengvesnis ir plonesnis už varinius kabelius, saugesnis — neperduoda elektros.
• Trūkumai: jautrumas mechaniniams pažeidimams, reikalinga speciali sujungimo įranga (fuzijos sujungimas, jungtys), didesnės pradines investicijos į įrangą ir diegimą, lazerių saugos reikalavimai.

Panaudojimo sritys

• Telekomunikacijos ir internetas: magistraliniai tinklai, duomenų centrai, FTTH (fiber-to-the-home) sprendimai.
• Medicinos prietaisai: endoskopai, optiniai instrumentai vidaus apžiūroms, lazerinė chirurgija.
• Jutikliai: temperatūros, įtempimo ir cheminių parametrų stebėjimas — optiniai jutikliai veikia net esant stipriam elektromagnetiniam triukšmui.
• Pramonė ir saugumas: laidų ryšio tinklai, sensoriai konstrukcijų stebėsenai, pramoniniai matavimo prietaisai.
• Transportas ir automobilių pramonė: vidaus apšvietimas, duomenų ryšys tarp valdymo modulių.
• Pramogos ir dekoratyvinis apšvietimas: apšvietimo sprendimai, žaislai ir meno instaliacijos.
• Karinės ir kosminės programos: saugus, mažas ir efektyvus duomenų perdavimas ilgu atstumu.

Diegimas ir priežiūra

Optinio pluošto kabelių montavimas reikalauja atitinkamos technikos ir kvalifikacijos: reikia apskaičiuoti lenkimo spindulį, užtikrinti tinkamą apsaugą nuo drėgmės ir mechaninių pažeidimų, o sujungimai turi būti atliekami tiksliai (fuzinis sujungimas arba kokybiškos jungtys). Pluošto galai turi būti švarūs — net maži teršalai gali sukelti didelius nuostolius signalui.

Saugos aspektai

Nors optiniai pluoštai neperduoda elektros ir yra elektriškai saugūs, reikia vengti žiūrėjimo tiesiai į veikiančių pluoštų galus — lazerio spindulys gali pažeisti tinklą. Taip pat rūpintis, kad neliktų stiklo šerpetų (jei pluoštas lūžta), nes jie yra pavojingi odai ir akims.

Ateities tendencijos

Tyrimai vyksta link dar mažesnio slopinimo, didesnių pralaidumų ir naujų konstrukcijų, pvz., photonic crystal ir tuščiavidurių (hollow-core) pluoštų, kurie gali sumažinti dispersiją ir leisti dar greitesnį duomenų perdavimą. FTTH, 5G tinklų integracija ir didėjančios duomenų srautų reikmės užtikrina, kad optiniai pluoštai išliks pagrindine infrastruktūros dalimi ateityje.

Jei reikia, galiu pridėti techninių duomenų palyginimą (pvz., tipiniai slopinimo ir dispersijos skaičiai skirtingiems bangos ilgiams) arba trumpą gidą, kaip pasirinkti pluošto tipą konkrečiam projektui.

Istorija

Šviesos nukreipimą vidiniu atspindžiu - principą, kuriuo remiantis tapo įmanoma pluoštinė optika, pirmą kartą 1840 m. pradžioje Paryžiuje pademonstravo Danielis Colladonas ir Jacques'as Babinet. Po 12 metų fizikas Džonas Tyndalas (John Tyndall) jį pademonstravo savo viešose paskaitose Londone.

Pirmą kartą šį principą vidaus medicininiams tyrimams 1930 m. panaudojo Heinrichas Lammas. Šiuolaikiniai optiniai pluoštai, kuriuose stiklo pluoštas padengtas skaidria apvalkalo danga, kad būtų užtikrintas tinkamesnis lūžio rodiklis, pasirodė vėliau.

1965 m. Charlesas K. Kao ir George'as A. Hockhamas iš Didžiosios Britanijos bendrovės "Standard Telephones and Cables" (STC) pirmieji įrodė, kad intensyvumo nuostolius optiniuose pluoštuose galima sumažinti, todėl pluoštai tapo praktiška ryšio priemone. Jie pasiūlė, kad tuo metu turimų skaidulų defektai atsirado dėl priemaišų, kurias galima pašalinti. Jie nurodė tinkamą medžiagą, kurią reikėtų naudoti tokiems pluoštams gaminti, pavyzdžiui, silicio dioksido stiklą, pasižymintį dideliu grynumu. Už šį atradimą 2009 m. Kao buvo paskirta Nobelio fizikos premija.

Šį "šviesos fontaną" arba "šviesos vamzdį" Danielis Colladonas pirmą kartą aprašė 1842 m. straipsnyje "Apie šviesos spindulio atspindžius paraboliniame skysčio sraute". Ši konkreti iliustracija paimta iš vėlesnio 1884 m. Colladono straipsnio.

Kaip tai veikia

Optinis pluoštas - tai ilgas, plonas skaidrios medžiagos pluoštas. Jos forma paprastai būna panaši į cilindro. Jo centre yra šerdis. Aplink šerdį yra sluoksnis, vadinamas apvalkalu. Šerdis ir apvalkalas pagaminti iš skirtingų rūšių stiklo arba plastiko, todėl šviesa šerdimi sklinda lėčiau nei apvalkalu. Jei šviesa šerdyje patenka į apvalkalo kraštą nedideliu kampu, ji atsispindi. Šviesa gali sklisti šerdies viduje ir atsispindėti nuo apvalkalo. Šviesa neišsisklaido, kol nepasiekia pluošto galo, nebent pluoštas būtų smarkiai sulenktas arba ištemptas.

Jei pluošto apvalkalas įbrėžiamas, jis gali nutrūkti. Plastikinė danga, vadinama buferiu, dengia apvalkalą, kad jį apsaugotų. Dažnai buferinis pluoštas dedamas į dar tvirtesnį sluoksnį, vadinamą apvalkalu. Dėl to pluoštą lengva naudoti jo nesulaužant.

Vienos rūšies optinio pluošto sluoksniai. 1.- Šerdis 8 µm2.- Plėvelė 125 µm3. - Buferis 250 µm4. - Apvalkalas 400 µm

Naudoja

Šviesolaidinis ryšys

Pagrindinis optinio pluošto panaudojimas - ryšys (telekomunikacijos). Šviesolaidiniu ryšiu informacija iš vienos vietos į kitą perduodama siunčiant šviesos impulsus šviesolaidžiu. Šviesa sudaro elektromagnetinę nešančiąją bangą, kuri moduliuojama, kad būtų galima perduoti informaciją. Pirmą kartą sukurtos XX a. septintajame dešimtmetyje, šviesolaidinio ryšio sistemos sukėlė revoliuciją telekomunikacijų pramonėje ir prisidėjo prie informacijos amžiaus atsiradimo.

Ankstyvosios sistemos buvo trumpojo nuotolio, tačiau vėlesnėse buvo naudojami skaidresni pluoštai. Kadangi šviesa iš pluošto neišsisklaido, šviesa gali nueiti didelį atstumą, kol signalas tampa per silpnas. Tai naudojama telefono ir interneto signalams siųsti miestuose ir tarp miestų. Dėl savo pranašumų, palyginti su elektriniu perdavimu, šviesolaidžiai išsivysčiusiose pasaulio šalyse pagrindiniuose tinkluose iš esmės pakeitė varinių laidų ryšį.

Dauguma optinių ryšių sistemų turi elektrines jungtis. Elektrinis signalas valdo siųstuvą. Siųstuvas elektrinį signalą paverčia šviesos signalu ir šviesolaidžiu siunčia jį į imtuvą. Imtuvas šviesos signalą vėl paverčia elektriniu signalu.

Šviesolaidis kartais naudojamas ir trumpesnėms jungtims, pavyzdžiui, garso signalams tarp kompaktinių diskų grotuvo ir stereofoninio imtuvo perduoti. Šioms trumpoms jungtims naudojamos skaidulos dažnai gaminamos iš plastiko, kuris yra mažiau skaidrus. TOSLINK yra labiausiai paplitęs stereosistemoms skirtas optinis kištukas.

Kiti naudojimo būdai

Optiniai pluoštai gali būti naudojami kaip jutikliai. Tam naudojamos specialios skaidulos, kurios keičia šviesos praleidimo būdą, kai aplink skaidulą įvyksta pokytis. Tokie jutikliai gali būti naudojami temperatūros, slėgio ir kitiems pokyčiams nustatyti. Šie jutikliai naudingi, nes yra maži ir jiems nereikia elektros energijos toje vietoje, kur vyksta jutimas.

Šios skaidulos taip pat naudojamos šviesai pernešti, kad žmonės galėtų matyti. Kartais tai naudojama puošybai, pavyzdžiui, šviesolaidinėms kalėdinėms eglutėms. Kartais jis naudojamas apšvietimui, kai lemputę patogu laikyti ne ten, kur turi būti šviesa. Kartais tai naudojama ženkluose ir mene specialiesiems efektams.

Iš pluoštų pluošto galima pagaminti prietaisą, vadinamą endoskopu arba fibroskopu. Tai yra ilgas plonas zondas, kurį galima įkišti į mažą skylutę ir kuris per pluoštą į kamerą siunčia vaizdą apie tai, kas yra viduje. Endoskopus naudoja gydytojai, norėdami pamatyti žmogaus kūno vidų, o kartais juos naudoja inžinieriai, norėdami pamatyti ankštas mašinų vietas.

Optiniai pluoštai (į kuriuos pridėta specialių cheminių medžiagų) gali būti naudojami kaip optiniai stiprintuvai. Tai leidžia optiniam signalui keliauti toliau tarp galutinių taškų ir nekeičiant optinio signalo į elektrinį ir atgal, todėl sumažėja bendra komponentų kaina. Šie optiniai stiprintuvai taip pat gali būti naudojami lazeriams kurti. Jie vadinami skaiduliniais lazeriais. Jie gali būti labai galingi, nes ilgas plonas pluoštas lengvai atvėsta ir sukuria geros kokybės šviesos spindulį.

TOSLINK kištukas


Kalėdų eglutė su įprastomis ir šviesolaidinėmis lemputėmis


Laikrodžio vidus, žiūrint pro fibroskopą.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra optinis pluoštas?

K: Kaip vadinamas optinių skaidulų tyrimas?

K: Kam dažniausiai naudojamos optinės skaidulos?

K: Kaip optiniai pluoštai kartais naudojami medicinoje?

K: Ar be telekomunikacijų yra dar kokių nors kitų optinių skaidulų panaudojimo būdų?

K.: Ar galima optiniu pluoštu pažvelgti į žmogaus kūno vidų?

K: Ar optinių skaidulų tyrimas yra taikomojo mokslo ar inžinerijos dalis?

Paieška pagal raidę