Světlo XII: Optické vlákno

Podobně jako v posledních dvou dílech o laserech si i dnes budeme vysvětlovat funkci důležitých optických prvků, které se stále zdokonalují spolu s koherentními zdroji záření. Těmito prvky jsou optická vlákna a kabely. Optická vlákna jsou široce využívané v komunikační technologii a dovolují přenos dat na delší vzdálenosti a při vyšších přenosových rychlostech. Dále se mohou využívat pro přenos obrazu, nebo jen jako osvětlení. Uplatnění nalezly i ve vědeckých aplikacích pro přenos laserového světla nebo jako snímače.

Optické vlákno je jednou z nejdůležitějších aplikací v inženýrství. Za průlom při jejich studii byla v roce 2009 udělena Nobelova cena za fyziku Charles Kaovi. Optické vlákno je skleněné nebo plastové tenké vlákénko, které přenáší signály pomocí světla. Vlákna se používají místo zastaralých kovových vodičů, které mají vysoký útlum a jsou náchylné na rušivé elektrické napětí v jejich okolí.

Fyzikální princip optických vláken je velmi jednoduchý. Máme-li rozhraní dvou opticky různě hustých prostředí, paprsek se láme podle Snellova zákona
Dopadá-li vstupní parsek pod úhlem větším než mezním úhel
dochází k tzv. totálnímu odrazu a paprsek se vrací zpět. Omezíme-li vstupní paprsek ze všech stran například tenkým vláknem, paprsek se bude šířit v podélném směru tohoto vlákna.

Optické vlákno je nejčastěji válečkový dielektrický vlnovod skládající se z jádra obaleného tenkou vrstvou-pláštěm. Aby se optický signál šířil pomocí totálního odrazu, je potřeba aby byl index lomu jádra větší něž je index lomu obalu. Běžná hodnota indexu lomu jádra je 1,48 a jeho pláště 1,46. I když je tento rozdíl malý, pro dostatečně velký vstupní úhel se paprsek šíří vláknem. Dále je důležitá koherentnost zdroje světelného signálu, proto se nejčastěji používají polovodičové lasery.

Rozhraní mezi jádrem a obalem může byt buď skokové, nebo postupné. Při skokovém indexu lomu (Step Index-SI) jsou parsky světla vedeny podél jádra pomocí totální reflexe (odrazu). V aplikacích je velmi důležitým parametrem pro optická vlákna se SI tzv. numerická apertura. Je to bezrozměrné číslo, které vyjadřuje schopnost optického vlákna navázat z okolí do svého jádra optický výkon. Teoreticky nejvyšší možná hodnota (avšak v praxi nedosažitelná) je 1. Numerická apertura je matematicky definována jako sinus polovičního úhlu dopadu svazku na plochu vlákna vynásobený indexem lomu prostředí, ze kterého paprsek vstupuje (pro vzduch n=1). Tento parametr je tedy velmi důležitý v místech spojů mezi dvěma vlákny nebo vláknem a zdrojem světelného signálu.

U gradientních vláken (Graded  Index-GI) se index lomu zvyšuje postupně se vzdáleností od středu vlákna. Paprsek tak opisuje sinusovou křivku, což snižuje vidovou disperzi (bude vysvětleno v dalším dílu seriálu). Tato vlákna tvoří tisíce tenkých vrstev, které se drobně liší indexem lomu. Tento druh vláken se využívá především v datové optice.

Hlavním rozdělením optických vláken je na mohavidová a jednovidová. Díky omezenému prostoru vlnovodu a interferenci světla, se ve vlákně vytvoří jednotlivé paprsky, které jsou vlastně stojatým vlněním, a jedná se o ustálenou elektromagnetickou konfiguraci ve vlákně. Energie (která se do vlákna naváže) se přerozdělí tak, aby se mohla vláknem šířit a aby jednotlivé módy splňovaly podmínku stojatých vln. Módy, které splňují podmínku totálního odrazu na rozhraní jádra a pláště, nazýváme vedené módy.

Mnohavidové optické vlákno (Multi Mode-MM) je vlákno s velkým průměrem jádra (nad 10 μm), kde se světelný signál šíří pomocí totální reflexe nebo ohýbáním paprsku. Používají se v informatice pro přenos dav v počítačových sítích - pro kratší vzdálenosti do 600m (uvnitř budov nebo areálu). Rychlost přenosu dat u vícevidových linek dosahuje až 10Gbit/s. Tato vlákna jsou o mnoho levnější než jendovidové. Dále mají vyšší světelnou kapacitu, tím i vyšší numerickou aperturu a jednoduší příslušenství jako zdroje, zesilovače nebo konektory.

Jednovidové optické vlákno (Single Mode-SM) se vykazuje lepšími optickými parametry pro přenosové cesty, proto jsou využívány pro přenos dat na větší vzdálenosti (mezi městy, státy a kontinenty). Průměr jejich jádra je pod 10 μm a to má za následek velký uhel odrazu ve vlákně. Jelikož velikost jádra je již srovnatelná s vlnovou délkou použitého záření, je nutné při návrhu počítat již s vlnou optikou a vycházet z Maxwellových rovnic. Jako optický vlnovod podporuje pouze jeden příčný vid. Určitý podíl energie záření se navíc šíří i obalem tohoto optického vlákna jako evanescentní vlna, proto SM vlákna mají poměrně velký průměr pláště. Světelný signál v jádře se šíří jako Gaussovský svazek.

Nyní jsme si vysvětlili fyzikální principy a základní dělení optických vláken. V dalším dílu si povíme o jevech způsobujících útlum signálu a o technologických detailech optických vláken včetně potřebného příslušenství.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web