Optické vlákno, zrod, súčasnosť a jeho použitie vo vláknovej optike

Optické vlákno, zrod, súčasnosť a jeho použitie vo vláknovej optike
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  154 zobrazení
3
 0
História elektroniky

Optické vlákno je skonštruované ako valcové jadro priemeru niekoľkých jednotiek až desiatok μm z materiálu s určitým indexom lomu, pokryté obalom z materiálu s menším indexom lomu. Pri dopade svetelného lúča na rozhranie jadra a obalu pod dostatočne veľkým uhlom dopadu (dostatočne „plocho“ či „tupo“), nastáva úplný odraz. Sériou takýchto odrazov sa lúč šíri z jedného konca vlákna na druhé.

Z tohoto princípu vyplývajú niektoré technologické obmedzenia pri použití optických vlákien. Predovšetkým ide o ohyb: keďže v ohnutom vlákne dopadá lúč na rozhranie jadro/obal pod iným uhlom ako v rovnom vlákne je možné, že nastane len čiastočný odraz a časť svetla unikne (čo sa pre prenesené svetlo prejaví ako zvýšený útlm). Preto je dôležité dodržať minimálny predpísaný polomer ohybu pre dané vlákno (toto pochopiteľne závisí od pomeru indexov lomu jadra a obalu, takže neexistuje univerzálna hodnota pre všetky vlákna).

Ďalším javom je uhol, v ktorom je potrebné umiestniť zdroj svetla, aby jeho svetlo bolo nadviazané do vlákna tak, aby sa ďalej šírilo vláknom (tzv. numerická apertúra, úhlová apertúra). Tento tiež závisí od rozdielov indexov lomu jadra a obalu a tiež od priemeru jadra a býva pomerne malý, z čoho vyplýva náročnosť polohovania zdroja svetla a detektora voči koncom vlákna.

Vláknová optika je obsiahnutý prenos svetla cez dlhé vláknové tyče zo skla alebo plastov. Svetlo putuje procesom vnútorného odrazu. Médium jadra tyče alebo kábla je odrazivejšie ako materiál obklopujúci jadro. To spôsobí, že sa svetlo neustále odráža späť do jadra, kde môže pokračovať v ceste dole po vlákne. Káble z optických vlákien sa používajú na prenos hlasu, obrázkov a ďalších údajov rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla.

Materiály

Pre diaľkové optické komunikácie sa používa kremičité sklo (SiO2). Minimum útlmu leží v infračervenej oblasti okolo 1550 nm, ďalšie minimum s o niečo väčším útlmom je okolo 1 300 nm. Toto sú teda vlnové dĺžky, pre ktoré sú konštruované lasery a fotodiódy pre tieto vlákna. Pre kratšie vzdialenosti sa používajú plastové vlákna, alebo vlákna so skleným jadrom a plastovým obalom. Tieto majú väčší útlm ako celosklenené vlákna, ale sú lacnejšie.

Jednovidové alebo mnohovidové vlákno

Ak má jadro dostatočne veľký priemer, umožňuje šírenie svetla vo viacerých tzv. vidoch (módoch), a takéto vlákno sa nazýva mnohovidové alebo viacvidové (multimódové). Tento režim je však nežiaduci pre diaľkové vysokorýchlostné spoje, keďže svetlo sa v jednotlivých vidoch (módoch) šíri rozličnou rýchlosťou a tak dochádza k „rozťahovaniu“ svetelných pulzov pri ich prechode vláknom. Preto sa pre diaľkové spoje používa tzv. jednovidové (monomódové, singlemódové) vlákno s menším priemerom jadra a jedným nosným svetelným lúčom. Keďže výroba takéhoto vlákna je zložitejšie a kvôli zmenšenej numerickej apertúre je aj obťažnejšie ho nadviazať na laser a detektor, pre menej náročné aplikácie sa používa viacvidové vlákno.

Výroba

Pri výrobe optických vlákien je dôležitá čistota použitých materiálov, keďže prímesi spôsobujú vznik miest kde sa fotóny môžu absorbovať či rozptýliť, a aj malé zvýšenie útlmu je pri veľkých dĺžkach vlákna citeľné. Požadovaná čistota je porovnateľná s čistotou materiálov použitých pri výrobe polovodičov, a pripravujú sa podobnými metódami.

Samotná výroba vlákna začína výrobou tzv. preformy, čo je dutý valec s priemerom niekoľko desiatok mm z materiálu obalu vlákna, na ktorý je zvnútra nanesený materiál jadra vlákna. Táto preforma je potom na jednom konci zahrievaná a je z nej presne kontrolovaným spôsobom vyťahované vlákno, ktoré sa po obalení sekundárnym a/alebo ochranným obalom navíja a ďalej spracováva (napr. na kábel).

Telekomunikačné prenosy

- na zemi, pod vodou (trans-oceánske komunikačné káble a linky), taktiež v elektrotechnických prístrojoch a zariadeniach, či v elektronike. Najdôležitejšou aplikáciou optických vlákien je prenos údajov v telekomunikačnej technike. Využíva sa takmer neobmedzená prenosová kapacita, možnosť prenášať informáciu na viacerých vlnových dĺžkach súčasne a najmä odolnosť voči vonkajším elektromagnetickým vplyvom (čo znamená aj nulový presluch medzi jednotlivými vláknami v kábli).

Optické vlákna sa spolu s prípadnými elektrickými vodičmi (pre napájanie prípadných zosilňovačov) a lanami (zabezpečujúcimi mechanickú odolnosť) kompletujú do káblov. Tieto káble sú ukladané v šachtách, pod zemou, vzdušným vedením príp. pod morom podobne, ako klasické komunikačné vedenia. V poslednom čase technológia optických komunikácií zlacnela natoľko, že je už pomerne bežné riešiť niektoré úseky LAN sietí pomocou optických vlákien.

Kto vynašiel optické vlákno?

Vedci spoločnosti Corning Glass Robert Maurer, Donald Keck a Peter Schultz vynašli drôt z optických vlákien alebo „optické vlnovody“ (patent č. 3 711 262), ktoré sú schopné niesť 65 000-krát viac informácií ako medený drôt, cez ktorý môžu byť prenášané informácie prenášané vzorom svetelných vĺn. dekódované v destinácii vzdialenej aj tisíc kilometrov. 

Nimi vyvinuté metódy a materiály vyvinuté pomocou optických vlákien otvorili dvere komercializácii optických vlákien. Od diaľkovej telefónnej služby po internet a zdravotnícke prístroje, ako napríklad endoskop, je dnes vláknová optika hlavnou súčasťou moderného života. 

Časová os

  • 1854: John Tyndall demonštroval Kráľovskej spoločnosti, že svetlo je možné viesť zakriveným prúdom vody, čo dokazuje, že svetelný signál sa dá ohnúť.
  • 1880:  Alexander Graham Bell vynašiel svoj „ fotofón “, ktorý prenášal hlasový signál na lúč svetla. Bell zameral slnečné svetlo zrkadlom a potom prehovoril na mechanizmus, ktorý zrkadlo vibroval. Na prijímacom konci detektor zachytil vibračný lúč a dekódoval ho späť do hlasu rovnakým spôsobom, ako to urobil telefón s elektrickými signálmi. Mnoho vecí - napríklad oblačný deň - by však mohlo interferovať s fotofónom, čo spôsobí, že Bell zastaví akýkoľvek ďalší výskum s týmto vynálezom.
  • 1880: William Wheeler vynašiel systém svetelných rúrok lemovaných vysoko reflexným povlakom, ktorý osvetľoval domácnosti využitím svetla z elektrického oblúkového svietidla umiestneného v suteréne a nasmerovania svetla okolo domu pomocou rúrok.
  • 1888: Lekársky tím Roth a Reussa z Viedne použili na osvetlenie telesných dutín ohnuté sklenené tyčinky.
  • 1895: Francúzsky inžinier Henry Saint-Rene navrhol systém ohýbaných sklenených tyčí na vedenie svetelných obrazov pri pokuse o rannú televíziu.
  • 1898: Američan David Smith požiadal o patent na zariadenie z ohnutej sklenenej tyčinky, ktoré sa má používať ako chirurgická lampa.
  • 20. roky 20. storočia: Angličan John Logie Baird a Američan Clarence W. Hansell patentovali myšlienku použitia polí priehľadných tyčí na prenos obrazu pre televíziu, respektíve faksimile.
  • 1930: Nemecký študent medicíny Heinrich Lamm bol prvým človekom, ktorý zostavil zväzok optických vlákien na uskutočnenie obrazu. Lammovým cieľom bolo nahliadnuť do neprístupných častí tela. Počas svojich experimentov hlásil prenos obrazu žiarovky. Obrázok bol však nekvalitný. Jeho snaha o podanie patentu bola zamietnutá kvôli Hansellovmu britskému patentu.
  • 1954: holandský vedec Abraham Van Heel a britský vedec Harold H. Hopkins osobitne napísali príspevky o zobrazovacích zväzkoch. Hopkins informoval o zobrazovacích zväzkoch neobložených vlákien, zatiaľ čo Van Heel informoval o jednoduchých zväzkoch plátovaných vlákien. Holé vlákno zakryl priehľadným obkladom s nižším indexom lomu. To chránilo odrazovú plochu vlákien pred vonkajším skreslením a výrazne znížilo interferenciu medzi vláknami. V tom čase bolo najväčšou prekážkou životaschopného použitia vláknovej optiky dosiahnutie najnižšej straty signálu (svetla).
  • 1961: Elias Snitzer v časopise American Optical publikoval teoretický popis vlákien s jedným režimom, vlákna s tak malým jadrom, že unieslo svetlo iba s jedným režimom vlnovodu. Snitzerov nápad bol v poriadku, pokiaľ ide o lekársky prístroj pozerajúci sa do človeka, vlákno však malo stratu svetla jeden decibel na meter. Komunikačné zariadenia boli potrebné na prevádzku na oveľa dlhšie vzdialenosti a vyžadovali si stratu svetla najviac desať alebo 20 decibelov (meranie svetla) na kilometer.
  • 1964: Dr. CK Kao identifikoval kritickú (a teoretickú) špecifikáciu komunikačných zariadení s dlhým dosahom . Špecifikácia bola desať alebo 20 decibelov straty svetla na kilometer, čo stanovovalo štandard. Kao tiež ilustroval potrebu čistejšej formy skla, ktorá by pomohla znížiť stratu svetla.
  • 1970: Jeden tím vedcov začal experimentovať s taveným oxidom kremičitým, čo je materiál schopný extrémnej čistoty s vysokou teplotou topenia a nízkym indexom lomu. Vedci spoločnosti Corning Glass Robert Maurer, Donald Keck a Peter Schultz vyvinuli drôt z optických vlákien alebo „optické vlnovody“ (patent č. 3 711 262), ktoré sú schopné prenášať 65 000-krát viac informácií ako medený drôt. Tento drôt umožňoval dekódovanie informácií prenášaných vzorcom svetelných vĺn v cieľovom mieste vzdialenom aj tisíc kilometrov. Tím vyriešil problémy, ktoré predstavil doktor Kao.
  • 1975: Vláda Spojených štátov sa rozhodla prepojiť počítače v ústredí NORAD v Čejenských horách pomocou vláknovej optiky na zníženie rušenia.
  • 1977: Prvý optický telefónny komunikačný systém bol nainštalovaný asi 1,5 míle pod centrom Chicaga. Každé optické vlákno nieslo ekvivalent 672 hlasových kanálov.
  • Do konca storočia sa viac ako 80 percent svetového diaľkového prenosu prenášalo cez káble z optických vlákien a 25 miliónov kilometrov kábla. Káble od spoločností Maurer, Keck a Schultz boli nainštalované po celom svete.

Signal Corp americkej armády

V roku 1958 v laboratóriách signálnych zborov americkej armády vo Fort Monmouth v New Jersey manažér Copper Cable and Wire nenávidel problémy s prenosom signálu spôsobené bleskom a dažďom. Vyzval manažéra materiálového výskumu Sama DiVitu, aby našiel náhradu za medený drôt. Sam si myslel, že sklo, vlákno a svetelné signály môžu fungovať, ale inžinieri, ktorí pre neho pracovali, mu povedali, že sa sklenené vlákno rozbije.

V septembri 1959 sa Sam DiVita opýtal druhého poručíka Richarda Sturzebechera, či vie, ako napísať vzorec pre sklenené vlákno schopné prenášať svetelné signály. DiVita sa dozvedel, že Sturzebecher, ktorý navštevoval spojársku školu, roztavil tri triaxiálne sklenené systémy pomocou SiO2 pre svoju dizertačnú prácu z roku 1958 na Univerzite Alfreda.

Sturzebecher poznal odpoveď. Pri použití mikroskopu na meranie indexu lomu na okuliaroch SiO2 došlo u Richarda k silnej bolesti hlavy. 60-percentný a 70-percentný sklenený prášok SiO2 pod mikroskopom umožňoval prechádzať cez mikroskopické sklíčko a do jeho očí čoraz väčšiemu množstvu žiarivého bieleho svetla. Keď si Sturzebecher spomenul na bolesť hlavy a brilantné biele svetlo z vysokého skla SiO2 , vedel, že formula bude ultra čistý SiO2. Sturzebecher tiež vedel, že Corning vyrába vysoko čistý prášok SiO2 oxidáciou čistého SiCl4 na SiO2. Navrhol, aby DiVita využil svoju moc na zadanie federálneho kontraktu spoločnosti Corning na vývoj vlákna.

DiVita už pracovala s výskumnými pracovníkmi spoločnosti Corning. Túto myšlienku však musel zverejniť, pretože všetky výskumné laboratóriá mali právo uchádzať sa o federálnu zmluvu. Takže v rokoch 1961 a 1962 bola myšlienka použitia vysoko čistého SiO2 pre sklenené vlákno na prenos svetla zverejnená verejnou informáciou vo výzve na predloženie ponuky všetkým výskumným laboratóriám. Podľa očakávania zadala DiVita zákazku spoločnosti Corning Glass Works v Corningu v New Yorku v roku 1962. Federálne financovanie optických vlákien v Corningu bolo v rokoch 1963 až 1970 asi 1 000 000 dolárov. Federálne financovanie mnohých výskumných programov v oblasti optických vlákien spoločnosťou Signal Corps pokračovalo až do roku 1985, čím sa toto odvetvie zasadilo a súčasný multimiliardový priemysel, ktorý eliminuje použitie medeného drôtu v komunikácii, sa stal realitou.

DiVita koncom 80. rokov naďalej chodil do práce v signálnom zbore americkej armády a až do svojej smrti vo veku 97 rokov v roku 2010 sa dobrovoľne angažoval ako konzultant a bol autorom niekoľkých US patentov.
 
Zdroje :
Wikipedia


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis