Optické vlákno je flexibilní, transparentní vlákno vyrobené ze skla (např. křemíkového) nebo plastu, mírně silnější než lidský vlas. Optická vlákna se používají jako přenosové medium v telekomunikacích.
Optická vlákna se používají u optických komunikací z důvodu velké šířky přenosového pásma, které umožňuje gigabitové přenosy dat a velkou přenosovou kapacitu. Tisíce informačních kanálů lze multiplexovat v jednom optickém vlákně. Navíc se optická vlákna vyznačují velmi nízkým útlumem (hodnota kolem 0,2 dB/km) a zároveň nízkými finančními náklady. Tyto charakteristiky jsou důvodem velkého zájmu v oblasti optických komunikací na velké vzdálenosti.
Na Obr. 13 je zobrazena struktura optického vlákna. Střed skleněného vlákna tvoří jádro, ve kterém se šíří optická vlna. Vnější optický materiál tvoří plášť, který odráží optickou vlnu zpátky do jádra. Vnější obal tvoří ochrannou vrstvu.
Optické vlákno má prostřední vrstvu – jádro, které má vyšší index lomu n1, než má vrstva kolem něj – plášť, n2. Pokud světlo dopadá na rozhraní pod libovolným úhlem větším než kritický úhel, φ1c, viz podkapitola 2.3, neprojde světlo do pláště a bude se odražené zpět do jádra mechanismem TIR šířit dál ve struktuře jádra optického vlákna.
Optické vlákno má jádro z čistého Si, které má index lomu:
n = 5,57 pro vlnovou délku 0,4 µm a n = 3,78 pro vlnovou délku 0,7 µm.
Vypočítejte čas, za který světlo na obou vlnových délkách urazí vzdálenost 2 km v tomto optickém vlákně.
Rychlost světla na různých vlnových délkách v jádře vlákna je různá z důvodu odlišných hodnot indexu lomu pro tyto vlnové délky. Tato rychlost je daná jako: .
V prvním kroku je třeba spočítat rychlosti pro každou vlnovou délku:
Dále počítáme čas potřebný pro uražení optické dráhy dvou kilometrů:
Mnohovidová optická vlákna jsou vlákna, která mohou přenášet více než jeden vid optického záření na dané vlnové délce. Některá vlákna mají velmi malý průměr jádra a mohou přenášet jeden vid – jedná se o jednovidová vlákna, ve kterých je signál veden přímočaře ve středu jádra. Za účelem dosažení propagace vlny podél vlnovodu je zapotřebí využít konstruktivní interferenci, kdy všechny paprsky vzájemně interferují. Pouze některé hodnoty úhlu jsou přípustné. Každý povolený úhel představuje vid optického záření.
Maximální úhel navázání do vlákna vymezuje kužel světla, který určuje světlo vstupující do vlákna, které se šíří ve vlákně v podobě několika vidů. Polovina úhlu kuželu tvoří úhel navázání, Φmax, který je odvozen pouze od hodnot indexu lomu. Parametr NA (numerická apertura) vlákna je dán následující rovnicí:
kde n je index lomu, ve kterém se světlo šíří dříve, než se naváže do optického vlákna.
Množství vidů optického záření, M, závisí na parametrech optického vlákna:
, kde V je normalizovaná frekvence, definovaná následující rovnicí:
, kde 2a je průměr jádra vlákna.
Pokud V < 2,495, šíří se v optickém vlákně pouze jeden optický vid – základní vid; vlákno je jednovidové, SMF (angl. single mode fibre). Pro hodnoty V > 2,495 je optické vlákno mnohovidové.
Hlavním zdrojem ztrát ve vlákně je absorpce a rozptyl. Rayleighův rozptyl je z důvodu mikroskopických nehomogenit vlákna intrinsickým zdrojem ztrát. Absorpce je způsobena přítomností nečistot v látce, ze které je vlákno vyrobeno. V optickém vlákně vyrobeném z oxidu křemičitého (SiO2) lze pozorovat tři hlavní útlumová maxima z důvodu absorpce způsobené ionty OH- na vlnové délce 1050 nm, 1250 nm a 1380 nm.
Dalším zdrojem ztrát ve vlákně jsou ohyby. Část záření se ztrácí na místech ohybu vlákna. Míra ztrát závisí na poloměru ohybu. Pokud je poloměr ohybu srovnatelný s průměrem vlákna (včetně rozměru pláště), D, hovoříme o mikroohybech; pokud je poloměr ohybu větší než D, jedná se o makroohyby. Makroohyby vznikají, pokud je vlákno ohnuté během procesu instalace přípojky – jedná se např. o ohnutí vlákna na rozích stěn. Mikroohyby naopak vznikají kvůli chybám při výrobě a mohou mít za důsledek změny geometrie vlákna na poměrně malé vzdálenosti.
Druhy optických vláken |
Charakteristika |
Plastová |
Útlum ~102 dB/km Velmi flexibilní, levná, lehká (nízká hmotnost) |
Ostatní skleněná vlákna |
Látky: chalkogenidová skla, fluorohlinitany Použitelné na delších telekomunikačních vlnových délkách |
Křemíková (SiO2) |
Umožňují dosažení extrémní čistoty skla a mohou být dotována za účelem dosažení požadovaných nosných vlastností. Nízký útlum (ztráty) a disperze na vlnové délce λ = 1,55 μm |
Záření lze navázat z jednoho vlákna do druhého, pokud jsou kompatibilní. Vlákna by měla být přesně sladěna (souosá), obě vlákna by měla mít přizpůsobenou numerickou aperturu a konce vláken by měly být v těsné blízkosti.
Výhody |
Nevýhody |
Absence elektromagnetické interference. |
Vysoké pořizovací náklady, drahá instalace. |
Nižší útlum než u koaxiálních kabelů nebo křížených párů. Lze kombinovat s nízkovýkonovými vysílači. |
Komunikační systémy bod-bod. |
Nevyžaduje se ochrana pro zemní instalace ani ochrana proti napětí. |
Spojování a svařování vláken není jednoduché. Přidání dalších bodů trasy je problematické. |
Vysoká bezpečnost signálu, jelikož vlákno nevyzařuje energie jako anténa a detektory nedetekují pole kolem něj. |
Křehčí než koaxiální kabely. |
Velká šířka pásma. |
Dražší opravy a údržba. |
Fotonický krystal je umělá mnohorozměrná periodická struktura, která se vyznačuje periodou v řádu vlnové délky. Tyto látky jsou specifické periodickými změnami indexu lomu.
Lze vyrábět optická vlákna na bázi fotonických krystalů. V těchto vláknech je jádro a plášť tvořeno stejným materiálem, obvykle křemíkem. Jeden z regionů (jádro nebo plášť) obsahuje vzduchové kanálky (díry v průřezu vláknem), druhý region je pevnolátkový. Přítomnost vzduchových otvorů v plášti způsobí snížení efektivního indexu lomu vůči jádru, které tyto kanálky neobsahuje.
Fotonickým krystalem je také možno potlačit spontánní emisi.