Optikaiszalak

Optikai Szálak

Az optikai szál egy üveg vagy műanyag szál, ami fényt vezet a teljes hosszán keresztül a teljes visszaverődés elve alapján.

A Száloptika története

A dielektrikus optikai fényvezetők története egészen a Viktoriánus-korra nyúlik vissza, amikor nyilvános szökőkutak megvilágítására alkalmazták. Szélesebb körű alkalmazása azonban csak a XX. században keződött meg.

1956: A Michigani Egyetem kutatói, Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, és Lawrence E. Curtiss szabadalmaztatták az első száloptikus, félflexibilis orvosi gasztroszkópot. A gasztroszkóp fejlesztése során alkotta meg Curtiss az első üvegburkolatú optikai szálat. A gasztroszkóp volt az optikai szálköteg képátviteli eszközként való első alkalmazása. Ezt az alkalmazást hamarosan egy sor új alkalmazás követte.

1965: Charles K. Kao és George A. Hockham, a brit Standard Telephones and Cables cég munkatársai fedezték fel elsőként, hogy az akkori optikai szálak csillapítását szennyeződések okozzák, amiket inkább meg lehet szüntetni, mint az olyan alapvető fizikai effektusokat, mint a szétszóródás. Bemutatták, hogy az optikai szálak hatékonyan alkalmazhatóak lennének a kommunikációban, ha a csillapítást 20 dB per kilométer alá tudnák csökkenteni.

1970: Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz, és Frank Zimar, az amerikai Corning Glass works munkatársai feltalálták az első kommunikációban alkalmazott optikai szálat. Az általuk gyártott szálnak 17 dB/km optikai csillapítása volt, amít úgy értek el, hogy szilícium-dioxidot titániummal szennyeztek.

1977: A General Telephone and Electronics cég a világon elsőként telefonos adatforgalmat bonyolított száloptikai eszközök segíségével, 6 Mbit/sec-os adatátviteli sebességgel, a kaliforniai Long Beach-en.

1986: Feltalálták az erbium-szennyezett optikai szálat, ami a olcsóbbá tette az optikai rendszereket azáltal, hogy szükségtelenné váltak az optikai-elektronikus-optikai átalakítók.

1988: Megkezdte működését az első transzatlanti telefonkábel, amely száloptikát alkalmazott, ez volt a TAT-8.

Definíció

• Az optikai szálak alkalmazásai:
  • Orvosi műszerekben
  • Kommunkiációban
  • Érzékelőkként, feszültség, hőmérséklet, nyomás és egyéb paraméterek mérésére
  • Dekorációs céllal, például műkarácsonyfáknál

• Az optikai szálak működései elve

Az optikai szál egy hengeres szigetelt könnyen hajlítható szál, ami fényt továbbít az üvegmag belsejében, a teljes fényvisszaverődés elve alapján. A szál egy üvegmagból áll, amit körül vesz egy védő réteg, amit héjnak nevezünk. Hogy a teljes fényvisszaverődés benntartsa az optikai jelet a magban, a mag törésmutatójának nagyobbnak kell lennie, mint a héjnak. A határ a mag és a védő réteg között vagy hirtelen, mint az egymódusú szálnál, vagy fokozatos, mint a multimódusú szál esetében. A bevezetett fénysugarak a mag belsőfalán tengelyének irányában végig halad a teljes visszaverődés hatására. A mag és védőréteg határához nagy szögben érkező sugarak (a határhoz párhuzamosan húzott vonalhoz képest nagy szögben) teljesen visszaverődnek. A teljes visszaverődés által meghatározott visszaverődési határszöget (a legkisebb szög, amelynél a fénysugár még teljes mértékben visszaverődik) az üvegmag és a héj anyagainak törésmutatókülönbsége határozza meg. A kis szögben érkező sugarak átlépnek az üvegmagból a héjba, ahol már nem tudnak végighaladni, elvesznek a héjban. Ebben az esetben, a visszaverődési határszög meghatározza a szál befogadó szögét, amit gyakran numerikus apertúrának neveznek. A magas numerikus apertúrával rendelkező optikai szálat könnyebben lehet csatlakoztatni az optikai vevőhöz vagy adóhoz. Azonban, azzal hogy megengedjük a fénysugárnak, hogy több fénysugárként haladjon a szálban és ezzel különböző szögekben, terjedjenek a sugarak, a nagy numerikus apertúra szintén növeli a bejárt utak számát, és ezzel a szórást (diszperziót), azaz azt, hogy az egyes utakon terjedő jelek különböző idő alatt érnek a szálvágre. Nagyobb optikai teljesítmény esetében – több mint egy watt esetén – amikor egy szálat ütés ér vagy másképpen hirtelen megsérül, a szál megéghet. A visszavert fény azonnal elégeti a szálat a sérülésnél, és ez a hiány visszatükröződik, tehát a sérülés elterjed egészen az adóig 1-3 m/s-os sebességgel. A nyitottszál-vezérlő rendszer, ami megvédi a szemet a lézertől a száltörése pillanatában, ugyancsak megfékezheti a szál elégését. Olyan esetekben, mint a tengeralatti kábel, ahol nagyobb energia szinteket használnak nyitottszál-vezérlés nélkül, egy szál égésvédelmi eszköz az adónál megszakíthatja az áramkört, hogy megóvja a további sérüléstől.

• Az optikai szálak néhány fajtája:

Egymódusú optikai szál: Magátmérője általában 8 és 10 μm között mozog. Néhány speciális célra kifejlesztett optikai szálat nem hengeres üvegmaggal illetve héjjal terveznek, hanem általában elliptikus vagy téglalap alakú keresztmetszettel. Ezek magukba foglalják a polarizációt támogató szálakat és a szálak melyek elnyomják az átlapolódást.

Lépcsős indexű optikai szál (graded-index fibre: A mag fénytörésmutatója folyamatosan csökken a tengely és a héj között. Ez azt eredményezi, hogy a fénysugarak simán elhajolnak, ahogy közelítenek a héjhoz, a hirtelen visszaverődés helyett. Ennek eredménye, hogy a hajlított utak csökkentik a több bejárt út miatt okozott diszperziót, mert a nagy szögben érkező, azaz hosszabb utat megtevő fénysugarak számára szükséges időtartam lerövidül, mert kisebb törésmutatójú részen haladnak az üvegmag külső szélén, így a késésük lecsökken. A törésmutató profilt úgy választják meg, hogy minél kisebb legyen a különbség a különbőző fénysugarak között. Ez az ideális törésmutatóprofil nagyon közel van egy parabolikus függéshez a törésmutató és a tengelytől való távolság között.

• Optikai szál készítésére alkalmazott anyagok:

Az üveg optikai szálakat majdnem mindig szilicium-dioxidból készítik, de néhány egyéb anyagból, mint például fluoro-circonátot, fluoro-aluminátot, és tisztított üveget használnak hosszab hullámhosszú sugarakhoz, infravörös tartományban működő eszközökhöz. Akár csak a többi üvegnek ezeknek az üvegeknek a törésmutatója is 1,5 körül van. Tipikusan kevesebb mint egy 1%-nyi a különbség az üvegmag és a héj törésmutatója között. Nem lehetséges, hogy a módus struktúrája függjön a használt fény hullámhosszától, ezért ez a szál tulajdonképpen csak néhány további hullámhoszt támogat a látható fény tartományában. Multimódusú szálat, összehasonlítás képpen, 50 μm, 62,5 μm vagy nagyobb magátmérővel gyártják.

Műanyag optikai szál (POF - Plastic Optical Fiber) általában a lépcsős indexű multimódusú szál, 1mm-es vagy annál nagyobb magátmérővel. A műanyag optikai szálnak nagyobb a csillapítása mint az optikai üvegszálnak (a jel amplitudója sokkal gyorsabban csökken mint üvegszál esetében), 1 dB/m vagy annál nagyobb, és ez a nagy csillapítás határozza meg hol használják az ilyen tipusú optikai szálat.

Ajánlott Irodalom:

Gerencsér András : Elektronikus Kommunkáció [1] Wikipedia - The Free Encyclopedia [2]