Optická vlákna jsou příkladem toho, jak se vědecké poznatky promítají do technologického pokroku, což v konečném důsledku usnadňuje život průměrnému člověku. Již několik let je vláknová optika spojována s komunikačními prostředky pro přenos elektrických signálů. Tenká vlákna o velikosti lidského vlasu mohou být použita pro přenos široké škály signálů, které jsou nutné pro provoz telefonu, připojení k internetu, TV atd. Samozřejmě díky svému vysokému výkonu našla vláknová optika uplatnění nejen v domácí potřeby.
Technologie přenosu optického signálu
Použití optického vlákna jako překladače signálu samo o sobě je pouze částí zveřejněných znalostí, které jsou zkoumány ve vědecké sekci vláknové optiky. Specialisté v této oblasti studují přenos informací a šíření světla a v jednom kontextu je spojují světlovody. Ty se používají jak jako distributory světla, tak jako přenašeče informací. Mimochodem, moderní trendy ve vývoji laserových technologií jsou založeny na LED. V tomto případě je zajímavější jiná otázka – jaký fenomén je základem vláknové optiky? Tento fenoménvnitřní odraz (celkového) elektromagnetického záření na rozhraní mezi dielektriky s různými indexy lomu. Navíc nosičem informace není vůbec elektromagnetický signál, ale kódovaný světelný tok. Abychom pochopili míru převahy optických kabelů nad tradičními metalickými kabely, stojí za to znovu odkázat na jejich šířku pásma. Již zmíněný vláknitý závit, jehož tloušťka není větší než 0,5 mm, je schopen přenést množství informací, které běžné měděné vodiče poslouží pouze o tloušťce 50 mm.
Metody výroby optických vláken
Existují dva hlavní způsoby výroby optického vlákna. Jedná se o techniku vytlačování a tavení pomocí předlisků. První technologie umožňuje získat nekvalitní materiál na bázi plastů, takže se dnes prakticky nepoužívá. Druhá metoda je považována za hlavní a nejúčinnější. Předlisek je předlisek, který je ve struktuře určené pro tažení závitů. Podle moderních standardů mohou být předlisky vysoké až několik desítek metrů. Navenek se jedná o skleněnou tyčinku o průměru cca 10 cm, ze které se taví jádro nitě. Během výrobního procesu se jádro spolu se směsí pro vlákna zahřeje na vysoké teploty, po kterých se vytvoří filamenty. Délka výsledného materiálu může dosáhnout několika kilometrů, ačkoli průměr zůstává nezměněn - je řízen automatickými regulátory. V závislosti na tom, kde bude použita vláknová optika, materiál proMůže být předem ošetřen nátěry, které poskytují chemickou a fyzikální ochranu. Pokud jde o samotné směsi vláken, obvykle obsahují materiály jako polyimid, akrylát a silikon.
Funkce designu vláken
Centrální část nitě je jádro - samotné jádro vlákna, které bude během provozu šířit světlo. Jádro se vyznačuje zvýšenými indexy lomu světla, čehož je dosaženo použitím dopování skla s úpravou speciálními přísadami. Například pro vlákna oxidu křemičitého se používají typické refrakční složky, jako je dopant. Skořápka zase plní několik úkolů, z nichž hlavní je přímá fyzická ochrana jádra. Tato část také poskytuje efekt lomu, ale s minimálním koeficientem. Hranice mezi těmito dvěma materiály tvoří světlovodnou strukturu, která nedovolí, aby většina světla unikla z jádra. Za zmínku také stojí, že základy vláknové optiky odkazují materiál na různé světlovody. Přesněji řečeno, mluvíme o dielektrických vlnovodech, které přenášejí světelné signály.
Různé druhy optických vláken
Nejběžnější jsou křemenná, plastová a fluoridová vlákna. Křemenná vlákna jsou založena na oxidových taveninách nebo materiálech podobné struktury, včetně dopovaného oxidu křemíku. Tato báze umožňuje vyrábět pružná a dlouhá vlákna, která se lišía vysokou mechanickou pevností. Optika z plastových vláken je vyrobena z polymerů a, jak již bylo uvedeno, nemůže poskytovat vysoký výkon. Taková vlákna mají zejména vysoké procento ztráty dat, což omezuje jejich použití v náročných oblastech. Na druhou stranu cenová dostupnost plastových vláken udržuje poptávku po tomto materiálu ve směrech zaměřených na segment domácností. Pokud jde o fluoridové optické materiály, jejich základem jsou fluorozirkoničitanová a fluorohlinitá skla. Jedná se o vcelku moderní a technologická řešení pro zajištění optické komunikace, ale obsah těžkých kovů ve struktuře také neumožňuje jejich použití např. v lékařském průmyslu.
Zařízení na měření vláken
Nejběžnějším vybavením používaným v sadách optických vláken jsou senzory a Braggovy mřížky. Optické senzory jsou zařízení určená k fixaci určitých hodnot, které charakterizují aktuální stav materiálu. Různé senzory mohou například detekovat mechanické namáhání, teplotu, vibrace, tlak a další veličiny. Braggova mřížka se svou funkcí blíží optickým charakteristikám. Opravuje aperiodickou refrakční poruchu v jádru vlákna. Toto měření umožňuje určit, jak účinná je vláknová optika při přenosu signálu za specifických podmínek. Odborníci také používají optickéreflektometr, který registruje rozptyl a odpor.
Optické zesilovače a lasery
Jedná se o nejpokročilejší produkt vyvinutý na základě technologie optických vláken. Na rozdíl od jiných typů laserů umožňuje použití optických vláken vytvářet kompaktní a zároveň efektivní zařízení. Zejména technologie optických vláken umožnila nahradit klasická laserová zařízení s následujícími výhodami:
- Účinnost chladiče.
- Zvýšené výstupní záření.
- Efektivní čerpání.
- Vysoká spolehlivost a stabilita laseru.
- Nízká hmotnost vybavení.
Zesilovače, v závislosti na typu, lze zase použít v domácích síťových linkách, čímž se zvýší výkon hlavní optické linky. Rozsah provozu optických vláken však stojí za zvážení podrobněji.
K čemu se používá optická vlákna?
Existuje několik oblastí, ve kterých se materiály z optických vláken používají. Jedná se o oblast domácího použití, telekomunikační zařízení a počítačové vybavení, jakož i vysoce specializované výklenky, včetně některých oblastí medicíny. Pro každý z těchto segmentů se vyrábí speciální vláknová optika. Aplikace jako typický prostředek pro přenos například televizního nebo internetového signálu je omezena na levné plastové modely střední kvality. Ale pro laserové zařízení a drahélékařské přístroje používají vysoce kvalitní křemenná vlákna, opatřená také dalšími modifikátory.
Použití optického vlákna v lékařství
Taková vlákna lze použít v lékařských zařízeních a nástrojích. Standardní technologie naznačuje možnost zavedení speciálního zařízení na bázi lomených světelných vláken, které dokáže přenést signál do externí televizní kamery již v samotném tělesném orgánu. Vláknová optika se používá v lékařství a jako osvětlovací materiál. Zařízení vybavená vláknovými moduly umožňují bezbolestně osvětlit dutiny žaludku, nosohltanu atd.
Použití optického vlákna v počítačovém vybavení
Toto je možná nejčastější výklenek, ve kterém si optické vlákno našlo své místo. Dnes se bez něj již neobejdou komunikační linky mezi jednotlivými zařízeními, která přenášejí informace. To se samozřejmě týká těch oblastí, ve kterých je nemožné nebo nepraktické používat bezdrátové připojení, které také aktivně nahrazují kabely jako takové. Například největší telekomunikační společnosti pokládají meziregionální páteřní sítě, které využívají optická vlákna. Použití takových kanálů pro připojení periferních zařízení a běžných spotřebitelů telekomunikačních služeb umožňuje optimalizovat finanční náklady na údržbu síťové infrastruktury a také zvyšuje efektivitu samotného přenosu dat.
Nevýhody vlákna
Optické závity bohužel nejsou bez slabých stránek. Přestože je údržba takové elektroinstalace levnější, nemluvě o absenci nutnosti častých aktualizací, náklady na samotný materiál jsou mnohem vyšší než u stejných kovových protějšků. Vláknová optika a její využití v lékařství je navíc extrémně omezené kvůli obsahu olova a zirkonových nečistot v některých slitinách, které jsou pro člověka toxické. To se týká hlavně těch nejkvalitnějších skleněných modelů, nikoli plastových.
Výroba optických vláken v Rusku
V rámci programu náhrady importu v roce 2015 byl otevřen závod Optical Fiber Systems v Mordovii. Jedná se o jediný podnik v Ruské federaci, který se v současné době snaží v maximální možné míře uspokojit potřeby domácích spotřebitelů v oblasti optických vláken. Do roku 2015 se ruský průmysl zabýval také výrobou materiálů z optických vláken, ale pouze v rámci individuálních cílených projektů. Stejná situace do jisté míry přetrvává i dnes. Pokud určitá firma potřebuje vláknovou optiku a její využití v medicíně nebo v oblasti telekomunikací je finančně opodstatněné, pak existuje mnoho závodů, které jsou připraveny na takovéto speciální zakázky individuálně pracovat. V blízké budoucnosti však bude sériovou výrobu stejných optických kabelů vyrábět pouze mordovský závod. Navíc zatím není schopen zásobovat trh v souladu s objemem poptávky. Významná část produktů je stále nakupována z USA a Japonska. A dokonce i domácí produkty se vyrábějí z dovozusuroviny.
Závěr
Výrobky z optických vláken se formují jako tržní segment přibližně 15–20 let. V průběhu let byl spotřebitel schopen ocenit přednosti nových kabelů, ale pokrok se nezastavil. Se zlepšováním technických a fyzikálních vlastností se rozšiřují i oblasti použití materiálu. Zejména nejnovější vlákno založené na nanotechnologii se aktivně používá v ropném a plynárenském průmyslu a obranném průmyslu. Na druhé straně nelineární vláknová optika v současné době vyvíjí pouze koncepční, ale velmi slibné oblasti technologie. Mezi ně patří kompresní laserové pulsy, optické solitony, ultrakrátké optické záření atd. Je samozřejmé, že kromě teoretického výzkumu s možnými objevy a v rámci čistě vědeckých poznatků nový vývoj také umožní nové nabídky spotřebitelům různých úrovní na trhu.
