Fizica » Fibra optică

lista de Articole de Fizică

Fibra optică este o fibră de sticlă sau plastic care transportă lumină de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicațiilor, unde permit transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație. Fibrele sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici, și deoarece sunt imune la interferențe electromagnetice. Fibrele optice sunt utilizate și pentru iluminat și transportă imagine, permițând astfel vizualizarea în zone înguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate în diverse alte aplicații, inclusiv senzori și laseri.
Lumina este dirijată prin miezul fibrei optice cu ajutorul reflexiei interne totale. Aceasta face fibra să se comporte ca ghid de undă. Fibrele care suportă mai multe căi de propagare sau moduri transversale se numesc fibre multimodale (MMF), iar cele ce suportă un singur mod sunt fibre monomodale (SMF). Fibrele multimodale au în general un diametru mai mare al miezului și sunt utilizate în comunicații pe distanțe mai scurte și în aplicații în care trebuie transferată multă putere. Fibrele monomodale se utilizează pentru comunicații pe distanțe de peste 550m.

Tehnologia fibrelor optice, deși devenită omniprezentă doar în lumea modernă, este una simplă și relativ veche. Ghidarea luminii prin reflexii repetate, principiul care stă la baza fibrelor optice, a fost demonstrat pentru prima oară de Daniel Colladon și Jacques Babinet la Paris la începutul anilor 1840. John Tyndall a inclus o demonstrație a acesteia în cursurile sale publice de la Londra un deceniu mai târziu.[1] Tyndall a scris și despre proprietatea de reflexie internă totală într-o carte introductivă despre natura luminii, în 1870: „Când lumina trece din aer în apă, raza refractată este întoarsă înspre perpendiculară... Când raza trece din apă în aer, ea este întoarsă dinspre perpendiculară... Dacă unghiul făcut de raza din apă cu perpendiculara la suprafață este mai mare de 48 de grade, raza nu va mai ieși deloc din apă: ea va fi totalmente reflectată la suprafață.... Unghiul ce marchează limita la care reflexia totală începe se numește unghi limită al mediului. Pentru apă, acest unghi este de 48°27', pentru sticlă flint, este de 38°41', iar pentru diamant, este de 23°42'."[2][3]
Aplicațiile practice, cum ar fi iluminarea de aproape în stomatologie, au apărut la începutul secolului al XX-lea. Transmisia imaginii prin tuburi a fost demonstrată independent de Clarence Hansell și de pionierul televiziunii John Logie Baird în anii 1920. Principiul a fost utilizat pentru examinări medicale interne de Heinrich Lamm în deceniul imediat următor. În 1952, fizicianul Narinder Singh Kapany a efectuat experimente ce au condus la inventarea fibrei optice. Fibra optică modernă, în care fibra de sticlă este învelită cu un strat transparent pentru a-i oferi un indice de refracție mai potrivit, a apărut în același deceniu.[1]Dezvoltarea s-a concentrat apoi pe transmiterea de imagini prin snopuri de fibră. Primul gastroscop semiflexibil cu fibră optică a fost patentat de Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, și Lawrence E. Curtiss, cercetători de la Universitatea Michigan, în 1956. În procesul de dezvoltare a gastroscopului, Curtiss a produs primele fibre învelite în sticlă; fibrele optice anterioare se bazau pe aer sau pe uleiuri și diverse tipuri de ceară ca material de învelire cu indice de refracție mic.
Jun-ichi Nishizawa, un om de știință japonez de la Universitatea Tohoku, a fost primul care a propus utilizarea fibrei optice în telecomunicații în 1963.[4] Nishizawa a inventat alte tehnologii ce au contribuit la dezvoltarea comunicațiilor prin fibră optică.[5] Nishizawa a inventat fibra optică cu indice de refracție gradat în 1964 pentru a servi drept canal de transmisie a luminii de la laserii cu semiconductor pe distanțe lungi cu pierderi mici.[6]
În 1965, Charles K. Kao și George A. Hockham de la compania britanică Standard Telephones and Cables (STC) au fost primii care au promovat ideea că atenuarea în fibra optică poate fi redusă sub pragul de 20 decibeli pe kilometru (dB/km), permițând utilizarea fibrelor optice ca mediu practic de telecomunicații.[7] Ei au arătat că atenuarea din fibra optică disponibilă la acea vreme este cauzată de impurități care pot fi înlăturate, și nu de fenomene fizice fundamentale, cum ar fi împrăștierea. Această descoperire i-a adus lui Kao Premiul Nobel pentru Fizică în 2009.[8]
Nivelul crucial de atenuare de 20 dB/km a fost atins pentru prima oară în 1970, de cercetătorii Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz și Frank Zimar de la fabricantul american de sticlă Corning Glass Works, denumit astăzi Corning Incorporated. Ei au realizat o fibră cu atenuare de 17 dB/km prin doparea sticlei de silicat cu titan. Câțiva ani mai târziu, ei au produs o fibră cu doar 4 dB/km atenuare cu dioxid de germaniu ca dopant pentru miez. Asemenea atenuări mici au deschis calea comunicațiilor prin fibră optică și Internetului. În 1981, General Electric a produs longouri de cuarț ce putea fi tras în fire de fibră optică de 40 km lungime.[9]
Atenuarea din cablurile moderne de fibră optică este cu mult mai mică decât în cablurile electrice de cupru, ducând la conexiuni de fibră optică cu distanțe între repetoare de 70–150 km. Amplificatorul de fibră optică dopată cu erbiu, care a redus costul sistemelor de comunicații prin fibră optică pe distanțe mari prin reducerea și, în multe cazuri, eliminarea totală a necesității repetoarelor optic-electric-optic, a fost dezvoltată de mai multe echipe conduse de David N. Payne de la Universitatea Southampton, și de Emmanuel Desurvire de la Laboratoarele Bell în 1986. Fibra optică mai robustă folosită astăzi se are atât miezul cât și teaca din sticlă, suferind astfel mai puțin de pe urma trecerii timpului. Ea a fost inventată de Gerhard Bernsee în 1973 la Schott AG în Germania.[10]
În 1991, studiile în domeniul cristalelor fotonice a dus la dezvoltarea fibrei optice cu cristal fotonic[11] care ghidează lumina prin difracție într-o structură periodică, și nu prin reflexie internă totală. Prima fibră din cristal fotonic a devenit disponibilă pe piață în 2000.[12] Fibra din cristal fotonic poate fi proiectată să transfere putere mai multă decât fibra convențională, iar proprietățile dependente de lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătăți performanțele fibrei în anumite aplicații.

Fibra optică poate fi utilizată ca mediu de telecomunicații și rețele deoarece este flexibilă și poate fi strânsă în cabluri. Este deosebit de avantajoasă pentru comunicații pe distanțe mari, deoarece lumina se propagă prin fibră cu atenuare mică în comparație cu cablurile electrice. Aceasta permite acoperirea de distanțe mari cu doar câteva repetoare. În plus, semnalele luminoase propagate în fibră pe fiecare canal pot fi modulate la viteze de până la 111 gigabiți pe secundă.[13] Fiecare fibră poate transmite mai multe canale independente, fiecare folosind o altă lungime de undă a luminii (multiplexare cu diviziune a lungimii de undă). Rata de transfer netă (fără octeți de overhead) este rata de transfer efectiv de date înmulțită cu numărul de canale (de regulă în număr de până la 80 pentru sistemele cu multiplexare densă în lungimea de undă la nivelul anului 2008). Recordul de transmisie prin fibră optică în laborator este deținut de Laboratoarele Bell Labs din Villarceaux, Franța, cu multiplexarea a 155 canale, fiecare de câte 100 Gbps pe o fibră de 7000 km.[14].
Pe distanțe scurte, cum ar fi rețeaua unei clădiri, fibra optică economisește spațiu în conductele de cablu deoarece o singură fibră poate transporta mai multe date decât un singur cablu electric. Fibra este imună și la interferențele electrice; nu există cross-talk între semnalele de pe cabluri diferite și fibra optică nu culege zgomote electromagnetice din mediu. Cablurile de fibră optică nu conduc electricitate, aceasta fiind o bună soluție pentru protejarea echipamentelor de comunicații aflate în medii de înaltă tensiune cum ar fi centralele electrice, sau structurile metalice de comunicații vulnerabile la trăsnet. Ele pot fi utilizate și în medii în care sunt prezente gaze inflamabile, fără pericol de explozie. Interceptarea comunicațiilor este mai dificilă prin comparație cu conexiunile electrice, și există fibre cu miez dublu concentric care fac interceptarea și mai dificilă.
Desi fibra optică se poate face din plastic transparent, sticlă, sau o combinație de cele două, fibrele optice utilizate în telecomunicații pe distanțe mari sunt întotdeauna din sticlă, din cauza atenuării optice mai mici. Atât fibrele multimodale cât și cele monomodale sunt utilizate în telecomunicații, cea multimodală fiind folosită pentru distanțe mici, de până la 550 m, iar cea monomodală la legături pe distanțe mari. Din cauza toleranțelor mai mici necesare pentru cuplarea luminii între fibrele monomodale (cu diametrul miezului de aproximativ 10 micrometri), transmițătoarele, receptoarele, amplificatoarele și alte componente monomodale sunt în general mai costisitoare decât cele multimodale.

În unele aplicații, se folosesc senzori care sunt ei înșiși fibre optice. În alte cazuri, fibra optică este utilizată pentru a conecta un senzor cu sistemul de măsurare. În funcție de aplicație, fibra optică se poate folosi deoarece este mică, sau pentru că în punctul îndepărtat de măsurare nu există energie electrică, sau pentru că astfel se pot multiplexa mai mulți senzori pe lungimea unei singure fibre prin folosirea de lungimi de undă diferite pe fiecare senzor, sau prin detectarea întârzierii suferite de lumină la trecerea prin fiecare senzor.
Fibra optică se poate utiliza ca senzor de măsurare a tensiunii, temperaturii, presiunii și a altor cantități prin modificarea fibrei astfel încât cantitatea de măsurat să moduleze intensitatea, faza, polarizarea, lungimea de undă sau durata de trecere a luminii. Senzorii care pot varia intensitatea luminii sunt cei mai simpli, deoarece sunt necesare doar o sursă și un detector.
Senzorii extrinseci utilizează un cablu de fibră optică, în mod normal multimodal, pentru a transmite lumină modulată fie de la un senzor de alt tip, fie de la un senzor electronic conectat la un transmițător optic. Un beneficiu major al senzorilor extrinseci este abilitatea lor de a ajunge în locuri altfel inaccesibile. Un exemplu îl constituie măsurarea temperaturii din interiorul motoarelor cu reacție ale avioanelor cu ajutorul unei fibre care transmite radiații într-un pirometru aflat în afara motorului. Senzorii extrinseci pot fi utilizați în același fel pentru a măsura temperatura internă a transformatoarelor electrice, unde câmpurile electromagnetice prezente fac imposibile alte tehnici de măsurare. Senzorii extrinseci măsoară și vibrații, rotații, deplasări, viteze, accelerații, momente ale forțelor și tensiuni mecanice.

Fibra optică este folosită și în iluminat, ca ghid de lumină în aplicații medicale și nu numai, în care este nevoie de lumină puternică pe un punct ascuns. În unele clădiri, fibra optică este utilizată pentru a direcționa lumina solară de pe acoperiș spre alte părți ale clădirii. Iluminarea cu fibră optică este folosită și în aplicații decorative, la indicatoare, lucrări de artă și în pomi de Crăciun artificial. Magazinele Swarovski utilizează fibra optică pentru a ilumina cristalele expuse din mai multe unghiuri cu o singură sursă de lumină.
Un grup coerent de fibre se utilizează, uneori împreună cu lentile, la un dispozitiv lung și subțire de achiziționat imagini, numit endoscop, folosit pentru a vedea obiecte printr-o gaură mică. Endoscoapele medicale sunt utilizate pentru proceduri chirurgicale neinvazive (endoscopie). Endoscoapele industriale sunt utilizate la inspectarea unor puncte la care se ajunge greu, cum ar fi interioarele motoarelor cu reacție.
În spectroscopie, cablurile de fibră optică sunt utilizate pentru a transmite lumina de la un spectrometru la o substanță ce nu poate fi pusă ea însăși în spectrometru, pentru a i se analiza compoziția. Un specrometru analizează substanțele trecând lumină prin ele și reflectând lumină din ele. Cu fibră optică, un spectrometru poate fi folosit pentru a studia obiecte prea mari pentru a încăpea în el, gaze sau reacții ce au loc în vase sub presiune.[15][16][17]
O fibră optică dopată cu anumite elemente rare, cum ar fi erbiul se pot folosi ca mediu de amplificare pentru un laser sau amplificator optic. Fibra optică dopată cu elemente rare se poate folosi și pentru a amplifica semnale prin tăierea unei scurte secțiuni de fibră dopată și introducerea ei într-o linie de fibră obișnuită. Fibra dopată este pompată optic cu o a doua lungime de undă cuplată la linie. Lumina de ambele lungimi de undă se transmite prin fibra dopată, care transferă energie de la a doua lungime de undă la unda purtătoare de semnal. Procesul care determină amplificarea este emisia stimulată.
Fibrele optice dopate cu un deplasator de lungime de undă folosesc la colectarea luminii de la un scintilator în experimentele de fizică. Fibra optică poate oferi alimentare cu energie (aproximativ un watt) unor dispozitive electronice aflate într-un mediu electric dificil.

Înapoi - lista de Articole de Fizică
234x60
Advertising space
234x60
Advertising space