Światłowody to technika przesyłania światła przez przezroczyste, elastyczne pasma szkła lub tworzywa sztucznego. Nici te nazywane są włóknami optycznymi. Potrafią kierować światło po zakrzywionej ścieżce. Wiązki równoległych włókien oświetlają i umożliwiają obserwację trudno dostępnych miejsc.
Światłowody wykonane z bardzo czystego szkła przepuszczają światło na duże odległości. Zasięg wynosi od kilku cali do ponad 100 mil. Tłumienie jest minimalne. Kable zawierające te włókna stosowane są w systemach komunikacyjnych. Niektóre pojedyncze włókna są cieńsze niż ludzki włos. Ich średnica jest mniejsza niż 0,00015 cala.
Nauka o całkowitej wewnętrznej refleksji
Światłowód opiera się na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Światło przechodzi przez jeden koniec prostego światłowodu. Uderza w granicę i odbija się do wewnątrz. Światło przechodzi przez włókno w postaci zygzakowatych odbić. Wychodzi drugim końcem.
Inne formy światłowodów zmniejszają lub eliminują ten ruch zygzakowaty. Większość włókien optycznych składa się z dwóch części. Istnieje rdzeń do przesyłania światła. Wokół rdzenia znajduje się powłoka (skorupa). Obudowa wykonana jest ze szkła lub tworzywa sztucznego. Zapobiega wyciekaniu światła. Powłoka odbija do wewnątrz wszelkie promienie świetlne padające na jej wewnętrzną powierzchnię.
Detektor odbiera światło na drugim końcu. Może to być urządzenie światłoczułe lub ludzkie oko.
Spójne i niespójne wiązki oraz rodzaje włókien
Wiązki włókien optycznych są spójne lub niespójne. Spójne wiązki mają włókna ułożone tak, aby przesyłać obrazy. Zapewniają także oświetlenie. Niespójne belki nie mają określonej lokalizacji. Przekazują jedynie światło.
Istnieją dwa główne typy włókien optycznych. Są to włókna jednomodowe i wielomodowe.
Włókna jednomodowe przenoszą pojedynczą wiązkę jako nośnik. Służą do szybkiej transmisji sygnału na duże odległości. Ich rdzeń jest znacznie mniejszy niż w przypadku włókien wielomodowych. Otrzymują światło tylko wzdłuż osi włókien. Małe lasery wysyłają światło bezpośrednio do światłowodu.
Włókna wielomodowe przenoszą wiele wiązek światła. Mają większą średnicę rdzenia. Otrzymują światło pod różnymi kątami. Włókna wielomodowe wykorzystują więcej rodzajów źródeł światła. Wykorzystują tańsze złącza niż światłowody jednomodowe. Stosowane są głównie do komunikacji na krótsze odległości.
Złącza niskostratne łączą włókna w systemie. Robią to bez zmniejszania sygnału świetlnego. Łączą także włókna z detektorem.
Medyczne zastosowania endoskopów
Zastosowań światłowodów jest wiele. W medycynie pozwalają lekarzom widzieć i pracować wewnątrz ciała. Odbywa się to poprzez małe nacięcia. Operacja nie zawsze jest wymagana.
Stosowane są w endoskopach. Są to urządzenia do oglądania wewnętrznych narządów pustych. Większość endoskopów ma dwa zestawy włókien. Zewnętrzny pierścień niespójnych włókien zapewnia światło. Wewnętrzna wiązka spójna przesyła obraz.
Endoskopy mogą badać określone obszary. Lekarze używają artroskopu do badania kolan i ramion. Niektóre modele mają trzeci zestaw włókien. Przesyłają wiązkę lasera. Laser zatrzymuje krwawienie lub wypala chorą tkankę.
Temperaturę ciała można mierzyć za pomocą światłowodu. Można je wstrzykiwać do naczyń krwionośnych. Zapewnia to szybką i dokładną analizę składu chemicznego krwi.
Zastosowania przemysłowe i naukowe
W badaniach naukowych i produkcji urządzenia światłowodowe przesyłają światło. Jeżdżą do niebezpiecznych miejsc i z powrotem. Docierają do komór próżniowych i zamkniętych przestrzeni wewnątrz maszyn.
Niektóre urządzenia wykorzystują jako czujnik szpule światłowodu. Zmiany we włóknie powodują mierzalne zmiany we właściwościach światła. Zmiany te są spowodowane ciśnieniem, temperaturą lub innymi warunkami. Światłowody mierzą temperaturę, ciśnienie, przyspieszenie i napięcie w przemyśle.
Zalety w porównaniu z kablami miedzianymi
Systemy komunikacji światłowodowej mają zalety. Są bardziej wydajne niż systemy wykorzystujące tradycyjne kable miedziane. Mają duży przepływ informacji. Nie mają na nie wpływu zakłócenia elektryczne. Wymagają mniej wzmacniaczy niż systemy z kablami miedzianymi.
Światłowód przesyła informacje w postaci sygnałów świetlnych. Zwykle są to przebłyski światła. Sygnały są generowane przez mały laser półprzewodnikowy lub diodę LED. Z drugiej strony są one wykrywane przez urządzenie wrażliwe na światło. Kabel światłowodowy przenosi znacznie więcej informacji niż kabel elektryczny tej samej średnicy.
Głównym zastosowaniem jest podłączenie central telefonicznych. Wiele firm telekomunikacyjnych zainstalowało duże sieci. Przemierzają kontynenty i pod oceanami. Zapewniają przepływ informacji na całym świecie.
Historia i rozwój
Pierwsze badania nad światłowodami przeprowadzono pod koniec XIX wieku. Praktyczny rozwój rozpoczął się dopiero na początku lat pięćdziesiątych. Wprowadzenie laserów pobudziło rozwój. Miało to miejsce na początku lat 60. XX wieku. Produkcja pierwszych włókien optycznych z bardzo czystego szkła nastąpiła w 1970 roku.
Komercyjne wykorzystanie światłowodów rozwinęło się szybko w latach 80-tych. Dotyczy to zwłaszcza systemów komunikacyjnych.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica między światłowodami jednomodowymi i wielomodowymi?
Światłowody jednomodowe mają mniejszy rdzeń i przyjmują światło tylko wzdłuż swojej osi. Wykorzystują małe lasery i są przeznaczone do transmisji na duże odległości z dużą prędkością. Światłowody wielomodowe mają duży rdzeń i odbierają światło pod różnymi kątami. Wykorzystują tańsze złącza i są przeznaczone na krótsze dystanse.
Jaka jest różnica między spójnymi i niespójnymi wiązkami włókien?
Spójne wiązki mają włókna ułożone tak, aby przesyłać obrazy i światło. Wiązki niespójne nie mają określonego położenia i przekazują jedynie oświetlenie.
Dlaczego kabel światłowodowy jest lepszy od kabla miedzianego?
Światłowody mają dużą przepustowość. Nie podlega zakłóceniom elektrycznym. Wymaga mniejszej liczby wzmacniaczy.
Gdzie w medycynie wykorzystuje się światłowód?
Stosowany jest w endoskopach. Pozwala lekarzom zobaczyć puste narządy. Stosowany jest także w artroskopach stawowych. Niektóre modele wykorzystują lasery do operacji. Potrafią mierzyć temperaturę ciała i analizować skład chemiczny krwi.
Kiedy rozpoczął się praktyczny rozwój światłowodu?
Praktyczny rozwój rozpoczął się na początku lat pięćdziesiątych XX wieku. Komercyjne wykorzystanie nabrało rozpędu w latach 80-tych.
Światłowody a technologie bezprzewodowe: różnica w szybkości
Czy światłowód jest lepszy od technologii bezprzewodowej? Odpowiedź prawie zawsze brzmi „tak”, jeśli zależy Ci na czystej wydajności. Światłowody charakteryzują się szybkością i niezawodnością. Przesyła dane w postaci światła wzdłuż szklanych nici. Technologie bezprzewodowe przesyłają je za pomocą fal radiowych. Fale radiowe stają się przeciążone. Szkło – nie.
Technologia bezprzewodowa ma jednak swoją zaletę: wygodę. Możesz się swobodnie poruszać. Nie musisz podłączać kabla do laptopa. Jeśli jednak oglądasz wideo w rozdzielczości 4K lub uruchamiasz serwer, lepszym wyborem będzie światłowód.
Z czego wykonany jest kabel światłowodowy?
Ludzie często pytają, z czego zbudowana jest komunikacja światłowodowa. Odpowiedź jest prosta. Składa się ze szklanego lub plastikowego rdzenia. Rdzeń ten otoczony jest warstwą zwaną płaszczem. Płaszcz odbija światło z powrotem do rdzenia. Dzięki temu sygnał jest silny. Bez tego światło byłoby rozproszone. Kabel może mieć również powłoki ochronne, ale jego podstawą jest szklany gwint.
Pojedyncze włókno a wielomodowe: który typ światłowodu jest odpowiedni dla Twoich potrzeb?
Istnieją dwa główne typy kabli światłowodowych. Aby wybrać ten właściwy, trzeba znać różnicę.
- Singlemode: Wykorzystuje mały rdzeń. Bardzo mały. Kieruje światło prosto do środka. Zmniejsza to zniekształcenia. Najlepiej nadaje się do transmisji na duże odległości. Wyobraź sobie szkielety Internetu lub telewizję kablową oddalone o wiele kilometrów.
- Włókno wielomodowe: Ma większy rdzeń. Światło odbija się bardziej. Jest tańszy w montażu. Świetnie sprawdza się na krótkich dystansach. Centra danych często korzystają z tego typu.
Jeśli pytasz, który typ jest najlepszy dla Twojego domu, w przypadku sieci LAN prawdopodobnie nie ma to większego znaczenia. Jednak dla Twojego dostawcy usług internetowych pojedyncze włókno jest standardem dla połączeń szkieletowych.
Gdzie stosowana jest technologia światłowodowa?
Być może nie widzisz kabli, ale używasz ich na co dzień. Do transmisji danych wykorzystywany jest światłowód. Przejmuje główne obciążenie Internetu. Przesyła sygnały telewizji kablowej. Obsługuje systemy telefoniczne.
Główną zaletą jest odległość. Kable te mogą przesyłać dane na duże odległości bez utraty jakości. Sygnały bezprzewodowe zanikają. Sygnały przesyłane światłowodem pozostają wyraźne. Dlatego duże miasta modernizują swoją infrastrukturę. Stanowią fizyczny fundament współczesnego cyfrowego świata.
