Základní struktura optického vlákna
Optické vlákno se skládá ze tří vrstev:
Jádro: Centrální vrstva vyrobená z vysoce čistého oxidu čistoty (dotované prvky jako germanium). Má velmi malý průměr (8-10 μm pro vlákno s jedním režimem, 50-62. 5 μm pro více režimové vlákno) a vyšší index lomu.
Oplácení: Obklopuje jádro, vyrobené z materiálu s nižším indexem lomu než jádro. Tím je zajištěno, že světlo se šíří celkovým vnitřním odrazem.
Ochranný povlak: Vnější polymerní vrstva, aby se zabránilo fyzickému poškození a rušení prostředí.
Základní princip: Celkový vnitřní odraz
Kontrast indexu lomu: Vyšší index lomu jádra ve srovnání s pláštěm způsobuje, že světlo podstoupí celkovou vnitřní odraz na hranici jádra, když je incident v úhlech větší než kritický úhel.
Propagace světla: Světelné signály procházejí jádrem nepřetržitým celkovým vnitřním odrazem, po klikaté dráze (více režimové vlákno) nebo téměř přísnou cestou (vlákno s jedním režimem).
Kroky přenosu informací
Konverze elektrických signálů na optické signály:
Na vysílači převádí ** laserová dioda (LD) ** nebo dioda emitující světla (LED) elektrické signály na optické impulsy (světlo „zapnuto/vypnuto“ nebo posuny vlnové délky představují binární „1s“ a „0 s“).
Přenos optického signálu:
Světlé pulzy se šíří vláknem. Rozdíl indexu lomu mezi jádrem a pláštěm omezuje signál k jádru, i když je vlákno ohnuté.
Repeater/zesílení signálu:
Pro přenos na dlouhé vzdálenosti ** Erbiově dopované zesilovače s vlákny (EDFAS) ** Amplify optických signálů přímo bez jejich převodu na elektrické signály, minimalizující latenci.
Opticky-elektrický převod signálu:
U přijímače převádí A ** fotodetektor ** (např. Pin Dioda, Avalanche Photodiode) světlo zpět na elektrické signály, které jsou poté dekódovány na původní data.
.
Typy vláken a výkon
Jednorázové vlákno (SMF):
- Ultra-thin jádro (8-10 μm), což umožňuje pouze jeden režim šíření světla.
- Advantages: Long-distance transmission (>100 km), vysoká šířka pásma. Používá se v páteřních sítích (např. Podmořské kabely).
Multi-Mode Fiber (MMF):
- silnější jádro (50-62. 5 μm), podporující více světelných režimů.
- Nevýhody: Modální disperzní limity přenosové vzdálenosti (<2 km). Ideal for local networks (e.g., LANs).
Výhody optiky vlákna
Extrémní šířka pásma: Teoretická rychlost až stovky TBP (pomocí multiplexování vlnové délky).
Nízký útlum: Moderní vlákna vykazují ztráty až 0. 2 db/km, což umožňuje přenos přes tisíce kilometrů bez opakování.
Imunita vůči EMI: Neovlivnění elektromagnetickým rušením, vhodné pro drsné prostředí (např. Power Grids, Hospital).
Kompaktní a bezpečný: lehká, malá velikost a žádný únik elektromagnetického záření.
Technické výzvy
Disperze: Rozšíření signálu v důsledku různých rychlostí vlnových délek/režimů světla (vyřešené disperzními vlákny nebo DSP).
Nelineární účinky: Signály s vysokým výkonem vyvolávají smíchání rozptylu/čtyř vln, což vyžaduje přesné řízení energie.
Ztráta ohybu: Nadměrné ohýbání způsobuje únik světla; Během instalace musí být udržován minimální poloměr ohybu.
Aplikace
Telecom sítě: internetové páteře, odkazy na základní stanici 5G, propojení datového centra.
Zdravotní péče: endoskopické zobrazování, laserová chirurgie.
Průmyslové: Senzory optických vláken (teplota, tlak), vláknové lasery.
Shrnutí
Fiber Optics přenáší informace omezením světelných signálů v jádru prostřednictvím celkového vnitřního odrazu. Využívají vysokou frekvenci světla a umožňují ultrarychlé, dlouhodobé a nízké ztráty. Mezi klíčové technologie patří modulace světla, celková kontrola reflexe, optická zesílení a správa disperze, což z optiky z vlákna je páteř moderních globálních komunikačních systémů.