Википедија

Optičko vlakno

влакно које проводи светлост

Optičko vlakno je vrsta optičkog talasovoda radijalne simetrije, koja „vođenje“ elektromagnetskog talasa zasniva na efektu totalne unutrašnje refleksije. flexible, Transparentno vlakno mikrometarskih dimenzija, izrađeno od stakla ili plastike, služi kao medijum u optičkom kablu za prenos informacija pomoću svetlosti.[1] Vlakna imaju koncentričnu slojevitu strukturu. U sredini se nalazi jezgro, koje vodi svetlost, okruženo sa omotačem (jaknom) sa nešto nižim indeksom prelamanja i zaštitnim slojem plastike. U zavisnosti od primene, prečnik jezgra je u rasponu od nekoliko do više stotina mikrona. A od dijametra i profila indeksa prelamanja između jezgra i omotača, zavisi broj režima (modova) sposobnih da propagiraju kroz vlakno. Optička vlakana mogu biti monomodna (jednorežimska) i multimodna (višerežimska). Kroz jednorežimska se prostire samo jedan mod laserske svetlosti i ovakva vlakna se koriste za prenos informacija na veće udaljenosti, dok se kroz višerežimska vlakna prostire više modova i ova vlakna se koriste za pristupne mreže. Ovakav prenos informacija je brži, pouzdaniji i sigurniji od prenosa bakarnim kablovima.

Više optičkih vlakana koje čine jezgro optičkog kabla
Instalerska ekipa radi na postavljanju optičkog kabla sa 432 vlakna ispod ulica Menhetna, Njujork Siti
TOSLINK fiber optički audio kabl čiji jedan kraj je obasjan crvenim svetlom prenosi svetlo na drugi kraj
Zidni ormar koji sadrži međusobne veze optičkih vlakana. Žuti kablovi su jednosmerna vlakna; narandžasti i akva kablovi su višemodna vlakna: 50/125 µm OM2 i 50/125 µm OM3 vlakna.

Optička vlakna se najčešće koriste kao sredstvo za prenos svetlosti[a] između dva kraja vlakna i pronalaze široku upotrebu u optičkim komunikacijama, gde omogućavaju prenos na veće udaljenosti i pri većim propusnim opsezima (brzinama prenosa podataka) od električnih kablovi. Vlakna se koriste umesto metalnih žica, jer signali putuju duž njih sa manje gubitaka; pored toga, vlakna su imuna na elektromagnetne smetnje, problem kome su podložne metalne žice.[2] Vlakna se takođe koriste za osvetljenje i imidžing, i često su umotana u snopove, tako da se mogu koristiti za prenos svetlosti ili slike iz zatvorenih prostora, kao u slučaju fiberskopa.[3] Posebno dizajnirana vlakna se koriste i u nizu drugih primena, neke od kojih su optički senzori i laserska vlakna.[4]

Optička vlakna obično sadrže jezgro okruženo prozirnim obložnim materijalom sa nižim indeksom prelamanja. Svetlost se zadržava u srži putem fenomena potpune unutrašnje refleksije zbog čega vlakno deluje kao talasovod.[5] Vlakna koja podržavaju mnoge puteve širenja ili poprečne modove nazivaju se višemodna vlakna, dok se ona koja podržavaju jedan mod nazivaju jednodomna vlakna (SMF).[6] Višemodna vlakna uglavnom imaju širi prečnik jezgra[7] i koriste se za komunikacione veze na kratkim udaljenostima i za aplikacije u kojima se mora prenositi velika snaga.[8] Jednomodna vlakna se koriste za većinu komunikacionih veza dužih od 1.000 m (3.300 ft).

Mogućnost spajanja optičkih vlakana sa malim gubicima je važna u optičkoj komunikaciji.[9] Ovo je složenije od spajanja električne žice ili kabla i uključuje pažljivo cepanje vlakana, precizno poravnavanje jezgara vlakana i spajanje ovih poravnatih jezgara. Za aplikacije koje zahtevaju trajnu vezu uobičajeno je fuziono spajanje. U ovoj tehnici se koristi električni luk za stapanje krajeva vlakana. Još jedna uobičajena tehnika je mehaničko spajanje, gde se krajevi vlakana drže u kontaktu mehaničkom silom. Privremene ili polutrajne veze ostvaruju se pomoću specijalizovanih konektora optičkih vlakana.[10]

Oblast primenjene u nauci i inženjerstvu koja se bavi dizajnom i primenom optičkih vlakana poznata je kao optika vlakana (engl. fiber optics). Termin je osmislio indijsko-američki fizičar Narinder Sing Kapani, koji je široko priznat kao otac optike vlakana.[11]

Istorija uredi

 
Daniel Koladon je prvi put opisao ovu „svetlosnu fontanu“ ili „svetlosnu cev“ u članku iz 1842. godine pod naslovom „O refleksijama zraka svetlosti unutar parabolične tečnosti“. Ova konkretna ilustracija potiče iz kasnijeg Koladonovog članka iz 1884. godine.

Vođenje svetlosti refrakcijom, princip koji omogućava dejstvo optičkih vlakana, prvi put su demonstrirali Daniel Koldon i Žak Babine u Parizu početkom 1840-ih. Džon Tindal je urstio demonstraciju optičkih vlakana u svoja javna predavanja u Londonu, 12 godina kasnije.[12] Tindal je takođe pisao o svojstvima potpune unutrašnje refleksije u uvodnoj knjizi o prirodi svetlosti 1870. godine:[13][14]

Kada svetlost prelazi iz vazduha u vodu, prelomljeni zrak se savija prema normali ... Kada zrak prelazi iz vode u vazduh savija se iz normale ... Ako je ugao koji zrak u vodi zatvara normalom na površinu nije veći od 48 stepeni, zrak uopšte neće napustiti vodu: on će se u potpunosti reflektovati na površini ... Ugao koji označava granicu gde počinje totalna refleksija naziva se granični ugao medija. Za vodu je ovaj ugao 48° 27′, za kremeno staklo 38° 41′, dok je za dijamant 23° 42′.

Krajem 19. i početkom 20. veka, svetlost se vodila kroz savijene staklene šipke da bi se osvetlile telesne šupljine.[15] Praktične primene poput bliskog unutrašnjeg osvetljenja pri stomatološkim zahvatima pojavile su se početkom dvadesetog veka. Prenos slike kroz cevi nezavisno su demonstrirali radio eksperimentator Klarens Hansel i televizijski pionir Džon Logi Berd tokom 1920-ih. Tridesetih godina Hajnrih Lam je pokazao da se slike mogu prenositi kroz snop neobloženih optičkih vlakana i koristio ih za interne medicinske preglede, ali njegov rad je uglavnom zaboravljen.[12][16]

Holandski naučnik nl Bram van Hel je 1953. godine prvi put demonstrirao prenos slike kroz snopove optičkih vlakana sa providnom oblogom.[16] Iste godine, Harold Hopkins i Narinder Sing Kapani na Imperijalnom koledžu u Londonu uspeli su da naprave snopove koji prenose slike sa preko 10 000 vlakana, a potom su ostvarili prenos slike kroz snop dugačak 75 cm koji kombinuje nekoliko hiljada vlakana.[16][17][18] Prvi praktični polufleksibilni gastroskop sa optičkim vlaknima patentirali su Basil Heršovic, K. Vilbur Peters i Lovrens E. Kurtis, istraživači sa Univerziteta u Mičigenu, 1956. U procesu razvoja gastroskopa, Kurtis je proizveo prva vlakna obložena staklom; prethodna optička vlakna oslanjala su se na vazduh ili nepraktična ulja i voskove kao niskoindeksni materijal za oblaganje.[16]

Kapani je skovao termin optička vlakna. On je napisao članak u časopisu Scientific American 1960. godine u kome je predstavio temu širokoj publici. On je isto tako napisao prvu knjigu o novom polju.[16][19]

Prvi funkcionalni sistem za prenos optičkim vlaknima demonstrirao je nemački fizičar Manfred Berner u istraživačkim laboratorijama Telefunken u Ulmu 1965. godine, što je praćeno prvom patentnom prijavom za ovu tehnologiju 1966. godine.[20][21] NASA je 1968. godine koristila optička vlakna u televizijskim kamerama koje su poslate na Mesec. U to vreme je upotreba u kamerama bila poverljiva, a osoblje koje je rukovalo kamerama morao je da nadgleda neko sa odgovarajućom bezbednosnom dozvolom.[22]

Čarls K. Kao i Džordž A. Hokam iz britanske kompanije Standardni telefoni i kablovi (STC) prvi su 1965. godine promovisali ideju da se slabljenje signala optičkih vlakana može smanjiti ispod 20 decibela po kilometru (dB/km), čineći vlakna praktičnim komunikacionim medijem.[23] Oni su predložili da je slabljenje signala u vlaknima dostupnim u to vreme bilo uzrokovano nečistoćama koje su se mogle ukloniti, a ne osnovnim fizičkim efektima poput rasipanja. Oni su tačno i sistematično teoretizovali svojstva gubitka svetlosti u optičkim vlaknima i ukazali na pravi materijal za upotrebu u takvim vlaknima - silicijumsko staklo visoke čistoće. Ovo otkriće donelo je Kau Nobelovu nagradu za fiziku 2009.[24] Ključnu granicu slabljenja od 20 dB/km prvi put su 1970. godine ostvarili istraživači Robert D. Maurer, Donald Kek, Peter K. Šulc i Frank Zimar, radeći za američkog proizvođača stakla Korning Glas Vorks.[25] Oni su demonstrirali vlakno sa slabljenjem od 17 dB/km dopingom silicijumskog stakla titanijumom. Nekoliko godina kasnije oni su proizveli vlakno sa slabljenjem od samo 4 dB/km, koristeći germanijum dioksid kao glavni dodatak. Dženeral Elektrik je 1981. godine proizveo kvarcne ingote od topljenog materijala koji su se mogli uvući u niti dužine 25 mi (40 km).[26]

U početku su visokokvalitetna optička vlakna mogla da se proizvode samo brzinom od 2 metra u sekundi. Hemijski inženjer Tomas Mensah pridružio se Korningu 1983. godine i povećao brzinu proizvodnje na preko 50 metara u sekundi, čineći kablove od optičkih vlakana jeftinijim od tradicionalnih bakarnih.[27] Ove inovacije otvorile su eru telekomunikacija preko optičkih vlakana.

Italijanski istraživački centar CSELT sarađivao je sa Korningom na razvoju praktičnih optičkih kablova, što je rezultiralo time da je prvi metropolitanski optički kabl postavljen u Torinu 1977.[28][29] CSELT je takođe razvio ranu tehniku za spajanje optičkih vlakana, nazvanu springruv.[30]

 
Optička vlakna u mraku stvaraju efekat eksplozije u svemiru.

Vidi još uredi

Napomene uredi

  1. ^ Infracrvena svetlost se koristi u komunikaciji optičkim vlaknima zbog nižeg slabljenja signala

Reference uredi

  1. ^ „Optical Fiber”. www.thefoa.org. The Fiber Optic Association. Pristupljeno 17. 4. 2015. 
  2. ^ Senior, John M.; Jamro, M. Yousif (2009). Optical fiber communications: principles and practice. Pearson Education. str. 7—9. ISBN 978-0130326812. 
  3. ^ „Birth of Fiberscopes”. www.olympus-global.com. Olympus Corporation. Pristupljeno 17. 4. 2015. 
  4. ^ Lee, Byoungho (2003). „Review of the present status of optical fiber sensors.”. Optical Fiber Technology. 9 (2): 57—79. Bibcode:2003OptFT...9...57L. doi:10.1016/s1068-5200(02)00527-8. 
  5. ^ Senior, str. 12–14
  6. ^ Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials (2nd izd.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5. Arhivirano iz originala 17. 08. 2021. g. Pristupljeno 01. 05. 2021. 
  7. ^ The Optical Industry & Systems Purchasing Directory (na jeziku: engleski). Optical Publishing Company. 1984. 
  8. ^ Hunsperger (2017). Photonic Devices and Systems (na jeziku: engleski). Routledge. ISBN 9781351424844. 
  9. ^ Senior, str. 218
  10. ^ Senior, str. 234–235
  11. ^ „Narinder Singh Kapany Chair in Opto-electronics”. ucsc.edu. 
  12. ^ a b Bates, Regis J (2001). Optical Switching and Networking Handbook. New York: McGraw-Hill. str. 10. ISBN 978-0-07-137356-2. 
  13. ^ Tyndall, John (1870). „Total Reflexion”. Notes about Light. 
  14. ^ Tyndall, John (1873). Six Lectures on Light. New York : D. Appleton. 
  15. ^ Mary Bellis. „How Fiber Optics Was Invented”. Arhivirano iz originala 12. 07. 2012. g. Pristupljeno 2020-01-20. 
  16. ^ a b v g d Hecht, Jeff (2004). City of Light: The Story of Fiber Optics (revised izd.). Oxford University. str. 55–70. ISBN 9780195162554. 
  17. ^ Hopkins, H. H.; Kapany, N. S. (1954). „A flexible fibrescope, using static scanning”. Nature. 173 (4392): 39—41. Bibcode:1954Natur.173...39H. S2CID 4275331. doi:10.1038/173039b0. 
  18. ^ Two Revolutionary Optical Technologies. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2009. Nobelprize.org. 6 October 2009
  19. ^ How India missed another Nobel Prize – Rediff.com India News. News.rediff.com (2009-10-12). Retrieved on 2017-02-08.
  20. ^ DE patent 1254513, Börner, Manfred, "Mehrstufiges Übertragungssystem für Pulscodemodulation dargestellte Nachrichten.", issued 1967-11-16, assigned to Telefunken Patentverwertungsgesellschaft m.b.H. 
  21. ^ US patent 3845293, Börner, Manfred, "Electro-optical transmission system utilizing lasers" 
  22. ^ Lunar Television Camera. Pre-installation Acceptance Test Plan. NASA. 12 March 1968
  23. ^ Hecht, Jeff (1999). City of Light, The Story of Fiber Optics. New York: Oxford University Press. str. 114. ISBN 978-0-19-510818-7. 
  24. ^ „Press Release — Nobel Prize in Physics 2009”. The Nobel Foundation. Pristupljeno 2009-10-07. 
  25. ^ Hecht, Jeff (1999). City of Light, The Story of Fiber Optics. New York: Oxford University Press. str. 271. ISBN 978-0-19-510818-7. 
  26. ^ „1971–1985 Continuing the Tradition”. GE Innovation Timeline. General Electric Company. Pristupljeno 2012-09-28. 
  27. ^ „About the Author – Thomas Mensah”. The Right Stuff Comes in Black. Arhivirano iz originala 02. 01. 2015. g. Pristupljeno 29. 3. 2015. 
  28. ^ Catania B, Michetti L, Tosco F, Occhini E, Silvestri L (1976). „First Italian Experiment with a Buried Optical Cable” (PDF). Proceedings of 2nd European Conference on Optical Communication (II ECOC). Pristupljeno 2019-05-03. 
  29. ^ „Archivio storico Telecom Italia: 15 settembre 1977, Torino, prima stesura al mondo di una fibra ottica in esercizio.”. Arhivirano iz originala 17. 09. 2017. g. Pristupljeno 01. 05. 2021. 
  30. ^ Springroove, il giunto per fibre ottiche brevettato nel 1977 Arhivirano na sajtu Wayback Machine (16. avgust 2016). archiviostorico.telecomitalia.com. Retrieved on 2017-02-08.

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi

 
Optičko vlakno na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Оптичко_влакно&oldid=27558670”