Fiberoptikk

Fiberlinje i lysmast. Overfører internettrafikk fra Telefonsentralene i området.

Fiberoptikk er et optisk system der lys (ofte fra en laser) ledes igjennom en fiberoptisk kabel. Denne kabelen har en kjerne laget av meget rent glass eller plast. Den (tråden) kan være fra flere millimeter i diameter til en brøkdel av et hårstrås tykkelse.

Fiberoptiske kabler benyttes mye i forbindelse med telekommunikasjon, som en bølgeleder, spesielt når båndbreddebehovet er stort. Fiberoptiske kabler har liten demping, sammenlignet med kommunikasjonskabler laget av kobber. Optiske kabler benyttes også når signalene skal transporteres over lange strekninger. I slike kabler benyttes ikke plastfibre (kun glass) og kjernediameteren er 9 µm (singelmodus fiber).

Optiske systemer benyttes også til belysning og sensorer. I legevitenskapen blir fiberoptiske systemer benyttet i utstrakt grad for å bringe lys inn vanskelig tilgjengelige hulrom, og for å bringe bildet ut til undersøkeren/kirurgen både ved undersøkelser og ved operasjoner utført med kikkhullsteknikk.

1983 var første gang telefonsignaler ble overført med fiberoptikk i Norge. Det var gjennom en sjøkabel mellom Aurland og Flåm.^[1]

Fiberoptikk til kommunikasjon

En fiberkabel, eller en fiberleder, består av flere lag av forskjellige materialer. De to innerste lagene er alltid kjerne og kappe. Kjernen (core) er laget av meget rent glass. Kappen (cladding) består også av et lag med svært rent glass eller plast, men har en litt lavere brytningsindeks enn kjernen. Lyssignalet i en kommunikasjonskabel transporteres i kjernen. Kappen danner et beskyttende lag for kjernen, og forskjellen i brytningsindeksen mellom disse to lagene sørger for at kjernen fungerer som en bølgeleder. Utenfor kappelaget er hver fiber dekket av et plastlag for å beskytte glasset mot støt som kan føre til at fiberen brekker (primærbelegg). De fleste kabler har et sentralt strekkelement, ofte kalt FRP-element. For fiberkabler til innendørs bruk er fibrene normalt dekket av ytterligere ett plastlag. Dette plastlaget er fargekodet, og kalles sekundærbelegg. For kabler beregnet for utendørs bruk, er et antall fibre samlet i ett eller flere fettfylte rør. I denne type kabler er det ikke noe sekundærbelegg, og det er derfor primærbelegget som er fargekodet. Dersom det er flere enn ett rør i kabelen, vil også rørene være fargekodet. Utenfor dette er det normalt et lag med kevlargarn, med den ytre plastkappen utenfor dette. For ekstra beskyttelse kan fiberkabler bestå av ett eller flere lag med stål og gummi.

Bølgeleder

Lys blir sendt inn i kjernen av en kabel med en laser eller en lysdiode. Lysbølgen vil alltid ha en vinkel i forhold til kjernens senterakse, enten fordi lyset kommer inn med en vinkel, eller fordi fiberen er bøyd. Når lysbølgen treffer «veggene» inne i kjernen (overgangen mellom kjernen og kappen), reflekteres lysbølgen med samme vinkel inn mot senter av kjernen. Denne refleksjonen skyldes forskjellen i brytningsindeks mellom kjernen og kappen, og er utledet ved Snells lov. Denne refleksjonen er helt ideell, og lyset mister ingen energi. Man ser av figuren at hvis vinkelen lyset har på vei inn i kjernen er for stor, vil lysbølgen ikke reflekteres tilbake mot senter, men bryter ut i kappen og forsvinner ut av fiberen. I optisk kommunikasjon opererer man derfor med Numerisk Aperture (NA), som beskriver vinkelområdet lyset kan ha for å bli ledet gjennom fiberen.

Det at lyset brytes ut i kappen, skyldes ofte at fiberkabelen har en for stor fysisk bøyning. Når det blir for mange slike bøyninger, eller når én bøyning blir for stor, blir signalstyrken svekket så mye at signalet ikke er kraftig nok til å oppfanges i «enden» av kabelen. Derfor ønsker man å ha så små bøyninger som mulig på en fiberoptisk kabel.

Fordeler for kommunikasjonen

Fordi signalet som sendes gjennom kabelen består av lys, vil ikke signalet gjennom fiberkabelen bli forstyrret av nærtliggende kabler eller miljøet rundt slik som ordinære elektriske signalkabler. Man kan derfor oppnå vesentlig høyere hastigheter og bedre stabilitet over vesentlig lengre distanser enn ved bruk av kabler med metallkjerne. Av disse grunner er fiberoptiske kabler nær enerådende når det bygges nye nett i dag.

Begrensinger for kommunikasjonen

De to mest vanlige fenomenene som skaper begrensing i rekkevidden for optisk kommunikasjon er:

1) Dempning av styrken til en signalpuls pga. urenheter i glasset. Demping av signalstyrken er avhengig av glasskvaliteten gjennom fiberen, og er i praksis konstant gjennom en fibers lengde. Dempningen er videre avhengig av bølgelengden det sendes med, og ligger i området fra 3 dB/km (halvering) ved 850 nm til 0,20 dB/km ved 1550 nm. Når man skjøter sammen to fiberlengder, får man ofte en ekstra stor dempning i skjøtepunktet. Typiske tall her er ca. 0,1 dB for sveiseskjøt og ca. 0,25 dB for kontaktskjøt. Siden en fiber kan produseres i ganske lange lengder, har antall skjøtepunkter ikke så stor betydning for det totale dempningsbudsjettet til en fiberstrekning. Dempningen endres ikke ved forskjellige sendereffekter, og fibernett dokumenteres derfor ved å først budsjettere og deretter måle dempningene over de enkelte strekkene. Større avvik mellom budsjett og måling antyder feil som må rettes.

2) Dispersjon, (modedispersjon) kan kort beskrives som utvidelse av bredden til en signalpuls. Dette skjer fordi deler av lyspulsen går mer i sikksakk enn andre deler og går derfor en lengre vei, hvilket tar lenger tid Dispersjonen er konstant gjennom hele fiberen (og øker med økende kjernediameter) og fører til at signalet blir gradvis vanskeligere å detektere. Etter en lang strekning er signalet så bredt at det blander seg med pulsen etter, samt at amplituden blir lavere. Modedispersjon er et problem i multimodus kabel, der kjernens diameter er 50 eller 62,5 µm. Modedispersjon alene gir en avstandsbegrensning på 1 km (ref. EN 50173) ved en datahastighet på 100 Mbit/s (62,5 µm kjerne, 850 nm bølgelengde). Ved 10 Gbit/s er denne avstanden redusert til 33 m.

For singelmodus kabel kan man i praksis se bort fra modedispersjon. Her er kjernen bare 9 µm i diameter, og lyset går derfor i praksis rett fram i fiberen, ikke i sikksakk. Det finnes riktignok andre dispersjonstyper som begrenser singelmodus kommunikasjon, men da først ved hastigheter 40 Gbit/s og høyere. Disse er bl.a. polarisasjonsmodusdispersjon og kromatisk dispersjon.

Sensor

Ett fiberoptisk system kan benyttes til en lang rekke sensorer:

Temperatur
Trykk
Akselerasjon
Vibrasjon
Rotasjon
Strekk
m.m.

De ytre omgivelsene påvirker en fiberoptisk leder, og har stor innvirkning på fiberens "ledningsevne", samt at optisk sensorer er meget følsomme. Små endringer kan enkelt skilles ut fra et ideelt signal, i tillegg til at en refleksjon inne i en fiber ikke forekommer uten at det er noe som har skjedd med fiberen. Man kan f.eks. legge inn en fiber i en betongtonstruksjon. Når det oppstår strekk med fiberbrudd inne i konstruksjonen, vil dette skape en refleksjon i fiberen. Man kan da måle både hvor stort dette strekket er, og hvor i konstruksjonen (fiberen) det har skjedd.

En sensortype som er ganske vanlig i et fiberoptisk system, er et såkalt Fiber Bragg Gitter, som plasseres i et bestemt punkt i fiberen, for måling av temperatur, trykk etc.

Informasjonsmengder

Informasjonen (som blir transportert med lysbølgen) kan transporteres langt før det må forsterkes, eller regenereres. Dette kan skje elektrisk eller rent optisk. Sistnevnte kalles en EDFA-forsterker. Informasjonen blir dekodet (omsatt til elektriske signaler) av en fotodiode i den andre enden av kabelen.

Lys har kapasitet til å flytte enorme informasjonsmengder. I dag opererer man med begreper som X ganger 10 Gbit/s. Maksimum hastighet oppnådd i 2008 er 132 x 10 Gbit/s, noe som tilsvarer 20 000 000 (20 millioner) tradisjonelle telefonsamtaler (samtidig). Telefonsamtaler er en mikroskopisk del av den totale trafikken som blir overført i dag.

Se også

Referanser

^ Grimenes, Jerstad og Sletbak (2011). Grunleggende fysikk for universitet og høgskole. Cappelen Damm. s. 399. ISBN 978-82-02-34733-8. OCLC 1028382234.

Eksterne lenker

(en) Optical fibers – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
(en) Optical fiber – galleri av bilder, video eller lyd på Commons

[1] Grimenes, Jerstad og Sletbak (2011). Grunleggende fysikk for universitet og høgskole. Cappelen Damm. s. 399. ISBN 978-82-02-34733-8. OCLC 1028382234.

[1]