Optické vlákno

Svazek optických vláken

Optické vlákno je tenké průhledné vlákno vyrobené z křemíku nebo z plastu používané především v telekomunikacích pro vysokorychlostní přenosy.

[editovat] Princip

Optické vlákno je dielektrický vlnovod, ve kterém se šíří elektromagnetické vlny (zpravidla světlo či infračervené záření) ve směru osy s využitím principu totálního odrazu na rozhraní dvou prostředí s rozdílným indexem lomu. Vnitřní část vlákna se nazývá jádro, okolo jádra je plášť a primární ochrana. U optických vláken používaných v datových sítích se udává průměr jádra a pláště v mikrometrech a používají se mnohavidová vlákna (MM) o průměrech 50/125 μm (standardizováno ITU-T podle G.651) nebo 62,5/125 μm (používá se především v USA). V telekomunikacích se dnes výhradně používají jednovidová vlákna (SM) o průměru 9/125 μm. Jedná se především o standardy G.652, G653, G.655 a G. 657.

[editovat] Typy vláken

[editovat] Mnohavidové vlákno

Monohavidové vlákno (vícevidové, zkratka MM, anglicky multi mode) se od jednovidových liší zejména průměrem jádra, které může být až 1000x větší. S velkým jádrem se zvětšuje i počet drah po nichž paprsky procházejí. Proto se vlákna nazývají mnohavidová.

[editovat] Se skokovým indexem lomu

• SI – step index (skokový index lomu)
  • do vlákna vstupují vidy (paprsky) pod mnoha úhly, šíří se totálním odrazem, vytváří mnohavidový způsob šíření signálu
  • používá se na krátké vzdálenosti
  • nevýhoda: vidová disperze = rozptyl, což omezuje šířku přenášeného pásma

[editovat] Gradientní vlákno

U gradientních vláken (anglicky graded-index) se index lomu zvyšuje se vzdáleností od středu vlákna. Paprsek opisuje sinusovou křivku, což snižuje vidovou disperzi.

• GI – gradientní index (plynulá změna indexu lomu)
  • vlákno je tvořeno s tisíce tenkých vrstev, které se liší indexem lomu. Čím je paprsek dál dál od osy jádra tím je index lomu menší až paprsek přejde do kolmice a nakonec se vrátí k ose jádra
  • výhoda: eliminace vidové disperze = menší zkreslení, jednotlivé vidy dojdou na konec vlákna zhruba ve stejném časovém okamžiku
  • velmi často používané v datových aplikacích

[editovat] Jednovidové vlákno

Jednovidová vlákna (zkratka SI, anglicky single mode) vykazují nejlepší parametry optické přenosové cesty. Mají nejmenší průměr jádra do 10 mikro-metrů. Takto malé jádro má za následek velký úhel odrazu ve vlákně, to vede k menšímu prodloužení dráhy paprsku. Základní charakteristiky:

• signál tvořen jedním videm, který se šíří podél osy jádra, při ohybu se odráží od jádra
• nemá vidovou disperzi pouze chromatickou a polarizační vidovou disperzi.
• nejrozšířenější vlákno v telekomunikacích
• výroba z homogenní skloviny

Základní parametry SI vláken je optický útlum, chromatické disperze, polarizační vidová disperze a průměr vidového pole.

[editovat] Vlastnosti

[editovat] Útlum

Hodnota útlumu u křemíkových vláken se řádově pohybuje v desetinách decibelu na kilometr. Plastová vlákna mají útlum přibližně 50-100 dB/km.

Útlum křemíkových vláken je složen z:

• materiálová absorpce - založena na interakci fotonu s atomární strukturou, při které vzniká teplo
  • vlastní - v Si0₂
    • ultrafialová - klesá s rostoucí vlnovou délkou
    • infračervená - roste se zvětšující se vlnovou délkou, omezuje použití optických vláken pro vlnové délky nad 1700 nm
  • nevlastní - na atomech příměsí
• materiálový rozptyl
  • lineární - rozptýlené světlo má stejnou vlnovou délku
    • Rayleighův rozptyl - rozptyl vzniká na mikrozměnách ve vlákně menších než vlnová délka; nepřímo úměrný 4. mocnině vlnové délky; nelze odstranit, ale umožňuje konstrukci zesilovačů [1]
    • Mieův rozptyl - způsoben změnami srovnatelnými s vlnovou délkou
  • nelineární - vzniká při velké intenzitě, rozptýlené světlo má odlišnou vlnovou délku
    • Brillouinův rozptyl - interakce elektromagnetické vlny se změnami indexu lomu materiálu způsobenými akustickým vlněním
    • Raman - posun energie z nižší na vyšší vlnovou délku
• ztráta ohybem
  • mikroskopický ohyb - deformace pláště v řádu milimetru
  • makroskopický ohyb - projevují se především útlumem na vyšších vlnových délkách
• ztráty při spojování a na konektorech

[editovat] Okna

Útlumová charakteristika křemíkových optických vláken vykazuje několik vrcholů a mezi nimi jsou úseky s nižším útlumem, kterým se říká okna. Podle ITU-T jsou definována tato okna (pro jednovidové vlákno):

• O (Original) pro 1260-1310 nm
• E (Extended) 1360-1460 nm
• S (Short wavelength) 1460-1530 nm
• C (Conventional) 1530-1565 nm
• L (Long wavelength) 1565-1625 nm
• U (Ultra) nad 1625 nm

[editovat] Disperze

Disperze je příčinou zkreslení přenášeného signálu, dochází ke zpožďování impulsů a změně jejich tvaru. Druhy disperze v optických vláknech:

• materiálová disperze
• vlnovodná disperze
• vidová - u mnohavidových vláknech rozdílná rychlost a dráha šíření jednotlivých vidů (paprsků) ve vláknu
• chromatická disperze – skládá se z materiálové a vlnovodné disperze

Podrobnější informace naleznete v článku Disperze (světlo).

[editovat] Numerická apertura (NA)

Bezrozměrná veličina (udává se pouze u GI vláken), která vyjadřuje schopnost optického vlákna navázat z okolí do svého jádra optický výkon. S rostoucí NA roste tato schopnost.

Přesnější definice může znít: sinus polovičního úhlu dopadu svazku na plochu vlákna, který ještě vstoupí do prostoru vlákna. Maximální NA je 1 (odpovídající 90^°), ale jde o teoretickou hodnotu, v praxi nedosahovanou.

[editovat] Ztráty numerickou apertutoru

V praxi jsou důležité ztráty numerickou aperutoru. Ty vznikají na místě spojů mezi dvěma vlákny, mezi vláknem a zdrojem světelného toku. Mezi dvěma vlákny dochází k tomu, že pokud vlákno, které přijímá světelný tok má nižší NA, bude maximální úhel, pod kterým mohou paprsky na vlákno dopadat, menší. Paprsky vycházející z prvního vlákna pod úhlem větším než je daný NA příjímajícího vlákna nebudou přenesena a můžeme je zahrnout ke ztrátám. U světelných zdrojů je vyzařovací úhel podstatně vyšší, než NA optického vlákna. Dochází ke ztrátám, ale nejsou to samozřejmě přenosové ztráty.

[editovat] Výhody

Z hlediska použití pro účely přenosu signálu mají optická vlákna následující výhody oproti metalickým vodičům:

• velká šířka pásma
• nízký útlum (delší opakovací úseky, menší počet zesilovačů na optické trase)
• odolnost proti elektromagnetické interferenci a přeslechům
• bezpečnost přenosu (signál nelze jednoduše vyvázat)
• elektrická izolace
• vyrábí se z křemíku, který je dostupný téměř všude (nejde o strategickou surovinu)

[editovat] Externí odkazy

• www.comtel.cz - předmět Optické komunikace