Optické vlákno je flexibilné, transparentné vlákno vyrobené zo skla (napr. kremičitého) alebo plastu trochu hrubšieho ako ľudský vlas. Optické vlákna sa používajú ako prenosové médium v telekomunikáciách.
Optické vlákna sa používajú ako optické komunikačné kanály pre veľkú šírku prenosového pásma, rýchlosti prenosu dát rádovo Gb/s a veľkú prenosovú kapacitu. Tisícky kanálov je možné spolu zmultiplexovať do jedného optického vlákna. Naviac sa optické vlákna vyznačujú veľmi malým tlmením, približne 0,2 dB/km a relatívne nízkymi nákladmi. Všetky tieto charakteristiky sú dôvodom veľkého záujmu ich použitia v oblasti optických komunikácií na veľké vzdialenosti.
Na obr. 13 je zobrazená štruktúra optického vlákna. Tenký stred skleného vlákna, ktorým prechádza svetlo sa nazýva jadro. Vonkajší optický materiál okolo jadra tvorí plášť, ktorý odráža svetlo späť do jadra. Vonkajší obal tvorí ochrannú vrstvu.
Optické vlákno má strednú oblasť – jadro, ktoré má vyšší index lomu n1 ako má vrstva okolo neho – plášť n2. Keď svetlo dopadá na rozhranie pod ľubovoľným uhlom väčším ako kritický uhol φ1c (pozri podkapitolu 2.3), v tom prípade svetlo neprejde do plášťa a je odrazené späť do jadra, mechanizmom TIR sa bude šíriť ďalej v štruktúre jadra optického vlákna.
Optické vlákno má jadro z čistého Si, ktorý má index lomu:
n = 5,57 pre vlnovú dĺžku 0,4 µm a n = 3,78 pre vlnovú dĺžku 0,7 µm.
Vypočítajte čas potrebný pre svetlo oboch vlnových dĺžok, ktoré prejde vzdialenosť 2 km v optickom vlákne.
Rýchlosť svetla rôznych vlnových dĺžok v jadre vlákna je rozdielna z dôvodu odlišných hodnôt indexu lomu pre tieto vlnové dĺžky. Táto rýchlosť je daná ako:
V prvom kroku vypočítame rýchlosť pre každú vlnovú dĺžku:
Ďalej vypočítame čas potrebný na prejdenie 2 km nasledovne:
Mnohomódové vlákna sú vlákna, ktoré môžu prenášať viac ako jeden mód svetla špecifickej vlnovej dĺžky. Niektoré vlákna majú veľmi malý priemer jadra a môžu prenášať len jeden mód – jedná sa o jednomódové vlákna, v ktorých je signál vedený priamočiaro v strede jadra. Aby sa dosiahlo šírenie vlny pozdĺž vlnovodu, je potrebné využiť konštruktívnu interferenciu, keď všetky lúče navzájom interferujú. Prípustné sú len určité hodnoty uhlov. Každý povolený uhol predstavuje mód šírenia.
Maximálny uhol naviazania do vlákna určuje kužeľ svetla, ktorý určuje svetlo vstupujúce do vlákna, ktoré sa šíri vo vlákne rôznymi módmi šírenia. Polovica tohto uhla kužeľa predstavuje uhol naviazania υ
max, ktorý je odvodený výlučne z hodnôt indexu lomu. Parameter NA (numerická apertúra) vlákna je daný nasledujúcou rovnicou:
kde n je index lomu média, v ktorom sa svetlo šíri pred naviazaním do optického vlákna.
Počet módov šírenia M závisí od parametrov vlákna nasledovne:
, kde V je číslo alebo normalizovaná frekvencia, definovaná nasledujúcou rovnicou:
, kde 2a je hrúbka jadra vlákna.
Ak je V < 2,495, vo vlákne sa šíri len jeden mód šírenia, základný mód, vlákno je jednomódové SMF (single mode fibre). Pre hodnoty V > 2,495 vlákno je viacmódové.
Hlavným zdrojom strát vo vlákne je absorpcia a rozptyl. Rayleighov rozptyl z dôvodu mikroskopických nehomogenít vlákna je zdrojom vnútorných strát. Absorpcia je spôsobená prítomnosťou nečistôt v materiáli vlákna. V optických vláknach vyrobených z oxidu kremičitého (SiO2) je možné pozorovať tri hlavné maximá tlmenia spôsobené absorpciou iontami OH- na vlnovej dĺžke 1050 nm, 1250 nm a 1380 nm.
Ďalším zdrojom strát vo vlákne sú ohyby. Časť žiarenia sa stráca v miestach ohybu vlákna. Miera strát závisí od polomeru ohybu. Ak je polomer ohybu porovnateľný s priemerom vlákna vrátane rozmeru plášťa D, hovoríme o mikroohyboch, keď je polomer ohybu väčší ako D, jedná sa o makroohyby. Makroohyby vznikajú, keď je vlákno ohnuté v procese inštalácie prípojky, napríklad ohnutím vlákna na rohoch stien. Mikroohyby naopak vznikajú pri procese výroby vlákna ako dôsledok zmien geometrie vlákna na pomerne malých dĺžkach.
Druhy optických vláken |
Charakteristika |
Plastové |
Tlmenie ~102 dB/km Veľmi flexibilné, lacné, ľahké |
Ostatné sklenené |
Látky: chalkogenidové sklá, fluorohlinitany Používajú sa pre komunikáciu na väčších vlnových dĺžkach |
Kremíkové (SiO2) |
Umožňujú dosiahnutie extrémnej čistoty skla a môžu byť dotované za účelom dosiahnutia požadovanej hustoty. Nízke tlmenie a disperzia na vlnovej dĺžke λ = 1,55 μm |
Dve vlákna je možné navzájom spojiť len ak sú kompatibilné. Vlákna by mali byť presne navzájom vyrovnané, musia mať prispôsobenú numerickú apertúru NA a konce vlákien by mali byť v tesnej blízkosti.
Výhody |
Nevýhody |
Absencia elektromagnetickej interferencie. |
Vysoké počiatočné náklady pri inštalácii. |
Nižšie tlmenie ako u koaxiálnych káblov alebo krútených párov. Je možné kombinovať s nízkovýkonovými vysielačmi. |
Komunikačné systémy bod-bod. |
Nevyžaduje sa ochrana zemnením a nie sú problémy s napätím. |
Spájanie a zváranie vláken nie je jednoduché. Pridanie ďalších bodov trasy je problematické. |
Vysoká bezpečnosť signálu, nakoľko vlákno nevyžaruje energiu ako anténa a detektory nedetekujú okolo neho pole. |
Flexibilnejšie ako koaxiálne káble. |
Veľká šírka pásma. |
Drahšie opravy a údržba. |
Fotonický kryštál je umelá viacrozmerná periodická štruktúra, ktorá sa vyznačuje periódou rádovo vlnových dĺžok svetla. Tieto materiály sú štruktúrované tak, aby mohli periodicky modulovať index lomu.
Na základe fotonických kryštálov je možné vyrábať optické vlákna. V týchto vláknach je jadro a plášť tvorené rovnakým materiálom, obyčajne kremíkom. Jedna z vrstiev, jadro alebo plášť, obsahujú vzduchové dutiny. Druhá vrstva je dokonale tuhá. Prítomnosť vzduchových dutín v plášti spôsobí zníženie efektívneho indexu lomu voči jadru, ktoré tieto dutiny neobsahuje.
Fotonickým kryštálom je tiež možné potlačiť spontánnu emisiu.