Optikai szál (száloptika): definíció, működés és alkalmazások

Ismerje meg az optikai szál (száloptika) működését, előnyeit és alkalmazásait távközlésben, orvostudományban, világításban és ipari érzékelésben — gyors, megbízható adatátvitel.

Az optikai szál egy vékony üveg- vagy műanyagszál, amely képes fényt továbbítani az egyik végétől a másikig. Az optikai szálak tanulmányozását száloptikának nevezik, amely az alkalmazott tudományok és a mérnöki tudományok része.

Az optikai szálakat elsősorban a távközlésben használják, de világításhoz, érzékelőkhöz, játékokhoz és a kis helyiségek belsejébe látó speciális kamerákhoz is alkalmazzák. Az orvostudományban néha arra használják, hogy belelássanak az emberek belsejébe, például a torkukba.

Felépítés és működési elv

Az optikai szál tipikus felépítése három rétegből áll:

• mag (core): a központi, fényt továbbító réteg, amelynek törésmutatója a legnagyobb;
• burkolat (cladding): a magot körülvevő réteg, alacsonyabb törésmutatóval, amely biztosítja a teljes visszaverődést;
• védő bevonat és köpeny: mechanikai védelmet és rugalmasságot ad a szálnak.

A fény továbbításának alapja a teljes belső visszaverődés: ha a mag és a burkolat törésmutatói különböznek, a magból a határfelületre érkező fény bizonyos beesési szög felett visszaverődik, így a fény "bent marad" és hosszú távolságra eljuthat.

Típusok

• Egymódusú (single-mode) szál: nagyon kicsi magátmérő (kb. 8–10 µm), csak egy terjedési módot enged át; nagy távolságra és nagy sávszélességre alkalmas (pl. hosszú távú távközlés, internethálózatok).
• Többmódusú (multi-mode) szál: nagyobb magátmérő (pl. 50 vagy 62,5 µm), több mód terjed; rövidebb távolságon költséghatékony, adatközpontokban, helyi hálózatokban használatos.
• Műanyag optikai szál (POF): rugalmasabb és olcsóbb, de nagyobb csillapítással; rövid távolságú alkalmazásoknál (pl. fogyasztói elektronika, beltéri világítás) előnyös.

Fényforrások és hullámhosszak

Az optikai szálakhoz használt fényforrások általában LED-ek vagy lézerek (VCSEL, DFB, FP). A gyakran használt hullámhosszak:

• 850 nm: multimódusú rendszerekhez (LED/VCSEL); rövidebb távolságok.
• 1310 nm: alacsonyabb csillapítású ablak, rövid és közepes távolságok.
• 1550 nm: legkisebb csillapítású tartomány üvegszálaknál; hosszú távú és gerinchálózati átvitelre használatos.

Jellemzők: csillapítás, diszperzió és sávszélesség

Az optikai szál teljesítményét befolyásolja a csillapítás (veszteség) és a diszperzió (a jel időbeli szétesése):

• Csillapítás: az üvegszálaknál nagyon alacsony, ezért nagy távolságokat lehet áthidalni ismétlők vagy erősítők nélkül; a műanyag szálaknál a csillapítás jóval nagyobb.
• Modalis diszperzió: csak többmódusú szálaknál jelentkezik, korlátozza az áthidalható távolságot és a sávszélességet.
• Kromatikus diszperzió: különböző hullámhosszok különböző sebességgel terjednek, ez különösen a nagysebességű egymódusú rendszerekben számít.

Csatlakoztatás, illesztés és szerelés

A száloptikai rendszerek csatlakoztatása és összekapcsolása speciális eszközöket igényel:

• Csatlakozók: elterjedt típusok: LC, SC, ST, FC — ezek biztosítják a gyors csatlakoztatást és leválasztást.
• Splice (hegesztés): a végleges összekötéshez gyakori a koncentrikus illesztés és a fusion splice (olvasztásos hegesztés), amely minimális veszteséget ad; léteznek mechanikus splicek is.
• Telepítés: figyelni kell a minimális hajlítási sugárra (bending radius), húzóterhelésre és a kábelek védelmére, különösen kültéri vagy föld alatti vezetéskor.

Előnyök és korlátok

• Előnyök: nagy sávszélesség, alacsony veszteség, elektromágneses zavarokkal szembeni immunitás, nehezebben lehallgatható, kis méret és könnyű súly.
• Korlátok: a végponti optoelektronika (adó és vevő) költségei, a szálak törékenysége és a csatlakozási-veszteségek; erős hajlítás esetén hajlítási veszteség léphet fel; szemvédelemre ügyelni kell erős lézerforrások használatakor.

Alkalmazások részletesen

Az optikai szálak rendkívül sokoldalúak. Fontosabb felhasználási területek:

• Távközlés és adatátvitel: gerinchálózatok, internet, adatközpontok összeköttetése — nagy sebesség és nagy távolság.
• Helyi hálózatok és háztartási alkalmazások: multimódusú szálak LAN-okban, POF beltéri összeköttetésekhez.
• Orvosi eszközök: endoszkópia, műtéti vizualizáció, lézerkezelések vezetése optikai szálakon keresztül.
• Érzékelők: hőmérséklet-, nyomás- és szakaszérzékelés (pl. fiber Bragg grating alapú rendszerek), strukturális egészségügyi megfigyelés.
• Ipari és katonai alkalmazások: szenzorok, kommunikáció elektromágnesesen zajos környezetben, irányító rendszerek.
• Világítás és dekoráció: optikai szálas világítás, jelzőfények, interaktív játékok, művészeti installációk.
• Kamerarendszerek és boreszkópok: nehezen hozzáférhető helyek vizsgálata (pl. gépek belső részei, csővezetékek).

Fejlődés és jövő

A száloptika folyamatosan fejlődik: jobb anyagok, alacsonyabb veszteségű üvegek, integrált fotonikai eszközök és nagyobb sebességű adatkódolási eljárások jelennek meg. A fotonika és a mikrooptika integrációja lehetővé teszi a kisebb, olcsóbb és energiahatékonyabb optikai csatlakozókat és adó-vevőket, ami tovább terjesztheti az alkalmazási területeket.

Összefoglalva: az optikai szálak alapvető szerepet játszanak a modern kommunikációban és számos ipari, orvosi és fogyasztói alkalmazásban, mivel nagy adatmennyiséget tudnak biztonságosan és hatékonyan továbbítani nagy távolságokra.

Előzmények

A fény belső visszaverődéssel történő vezetését, a száloptikát lehetővé tevő elvet először Daniel Colladon és Jacques Babinet mutatta be Párizsban az 1840-es évek elején. John Tyndall fizikus 12 évvel később Londonban tartott nyilvános előadásaiba is belefoglalta ennek bemutatását.

Az elvet először Heinrich Lamm használta belső orvosi vizsgálatokra az 1930-as években. A modern optikai szálak, amelyeknél az üvegszálat átlátszó burkolattal vonták be, hogy megfelelőbb törésmutatót biztosítsanak, az évtized későbbi szakaszában jelentek meg.

1965-ben Charles K. Kao és George A. Hockham, a brit Standard Telephones and Cables (STC) vállalat munkatársai mutatták ki elsőként, hogy az optikai szálak intenzitásveszteségét csökkenteni lehet, és így a szálak gyakorlati kommunikációs médiummá váltak. Azt javasolták, hogy az akkoriban rendelkezésre álló szálak hibáit szennyeződések okozták, amelyeket el lehetett távolítani. Rámutattak az ilyen szálakhoz használandó megfelelő anyagra, például a nagy tisztaságú szilícium-dioxid-üvegre. Ez a felfedezés hozta meg Kaónak a fizikai Nobel-díjat 2009-ben.

Daniel Colladon írta le először ezt a "fényszökőkutat" vagy "fénycsövet" 1842-ben megjelent, A fénysugár visszaverődéséről egy parabolikus folyadékáramban című cikkében. Ez az illusztráció Colladon egy későbbi, 1884-es cikkéből származik.

Hogyan működik

Az optikai szál egy hosszú, vékony, átlátszó anyagból készült szál. Alakja általában hengerhez hasonló. A közepén egy mag található. A mag körül egy burkolatnak nevezett réteg található. A mag és a burkolat különböző üvegből vagy műanyagból készül, így a fény a magban lassabban terjed, mint a burkolatban. Ha a magban lévő fény kis szögben éri el a burkolat szélét, visszaverődik. A fény a mag belsejében haladhat, és visszaverődhet a burkolatról. A fény nem szökik ki, amíg a szál végéhez nem ér, kivéve, ha a szál élesen meghajlik vagy megnyúlik.

Ha a szál burkolata megkarcolódik, akkor eltörhet. A burkolatot egy puffer nevű műanyag bevonat fedi, hogy megvédje azt. Gyakran előfordul, hogy a pufferelt szál egy még keményebb rétegbe, az úgynevezett köpenybe kerül. Ez megkönnyíti a szál használatát anélkül, hogy eltörne.

Az egyik optikai szál rétegei. 1.- Mag 8 µm2 .- Köpeny 125 µm3 .- Puffer 250 µm4 .- Köpeny 400 µm

Használja a

Száloptikai kommunikáció

Az optikai szálak fő felhasználási területe a kommunikáció (távközlés). Az optikai szálas kommunikáció úgy továbbítja az információt egyik helyről a másikra, hogy fényimpulzusokat küld egy optikai szálon keresztül. A fény elektromágneses vivőhullámot alkot, amelyet az információ továbbítása érdekében modulálnak. Az először az 1970-es években kifejlesztett száloptikai kommunikációs rendszerek forradalmasították a távközlési ipart, és hozzájárultak az információs korszak eljöveteléhez.

A korai rendszerek rövid hatótávolságúak voltak, de a későbbiek már átláthatóbb szálakat használtak. Mivel a fény nem szivárog ki a szálból, a fény nagy távolságot képes megtenni, mielőtt a jel túl gyenge lenne. Ezt használják telefon- és internetjelek küldésére városokon belül és városok között. Az elektromos átvitellel szembeni előnyei miatt az optikai szálak a fejlett világ központi hálózataiban nagyrészt felváltották a rézvezetékes kommunikációt.

A legtöbb optikai kommunikációs rendszer elektromos csatlakozásokkal rendelkezik. Egy elektromos jel vezérli az adót. Az adó az elektromos jelet fényjellé alakítja, és a szálon keresztül a vevőhöz küldi. A vevő a fényjelet visszaalakítja elektromos jellé.

A szálakat néha rövidebb összeköttetésekre is használják, például a hangjelek továbbítására egy CD-lejátszó és egy sztereó vevőegység között. Az ilyen rövid összeköttetésekhez használt szálak gyakran műanyagból készülnek, amely kevésbé átlátszó. A TOSLINK a sztereó készülékekhez használt optikai csatlakozók legelterjedtebb típusa.

Egyéb felhasználások

Az optikai szálak érzékelőként használhatók. Erre speciális szálakat használnak, amelyek megváltoztatják a fény átengedésének módját, ha a szál körül változás történik. Az ilyen érzékelők a hőmérséklet, a nyomás és más dolgok változásainak érzékelésére használhatók. Ezek az érzékelők azért hasznosak, mert kicsik, és nincs szükségük elektromosságra azon a helyen, ahol az érzékelés történik.

Ezek a szálak az emberek számára a látáshoz szükséges fény továbbítására is szolgálnak. Ezt néha díszítésre használják, mint például a száloptikás karácsonyfák. Néha világításra is használják, amikor kényelmes, ha az izzó nem ott van, ahol a fénynek lennie kell. Ezt néha jeleknél és művészeti alkotásoknál használják különleges effektusokhoz.

Egy szálkötegből endoszkópnak vagy száloptikának nevezett eszköz készíthető. Ez egy hosszú, vékony szonda, amely egy kis lyukba helyezhető, és amely a szálon keresztül egy kamerának képet küld arról, hogy mi van benne. Az endoszkópokat az orvosok arra használják, hogy belelássanak az emberi test belsejébe, és néha a mérnökök is használják, hogy belelássanak a gépek szűk helyiségeibe.

Az optikai szálak (speciális vegyszerekkel kiegészítve) optikai erősítőként használhatók. Ez lehetővé teszi, hogy az optikai jel tovább haladjon a végpontok között, és anélkül, hogy az optikai jelet elektromosra alakítanák át, és vissza, csökkentve ezzel az alkatrészek összköltségét. Ezek az optikai erősítők lézerek létrehozására is felhasználhatók. Ezeket szálas lézereknek nevezik. Ezek nagyon erősek lehetnek, mert a hosszú, vékony szál könnyen hűvösön tartható, és jó minőségű fénysugarat eredményez.

TOSLINK dugó


Karácsonyfa normál és száloptikás fényekkel


Egy óra belseje, száloptikán keresztül nézve.

Kérdések és válaszok

K: Mi az az optikai szál?

K: Hogy hívják az optikai szálak tanulmányozását?

K: Mire használják elsősorban az optikai szálakat?

K: Hogyan használják néha az optikai szálakat az orvostudományban?

K: A távközlésen kívül van más felhasználási területe is az optikai szálaknak?

K: Lehetséges-e optikai szál segítségével belenézni egy ember testébe?

K: Az optikai szálak tanulmányozása az alkalmazott tudomány vagy a mérnöki tudományok közé tartozik?

Keresés betűvel