Optisk fiber (fiberoptik): definition, funktion og anvendelser
En optisk fiber er en tynd fiber af glas eller plastik, der kan transportere lys fra den ene ende til den anden. Studiet af optiske fibre kaldes fiberoptik, som er en del af anvendt videnskab og teknik.
Optiske fibre anvendes primært inden for telekommunikation, men de bruges også til belysning, sensorer, legetøj og specielle kameraer til at se ind i små rum. De bruges undertiden inden for lægevidenskab til at se ind i mennesker, f.eks. i deres hals.
Hvordan virker optisk fiber?
En optisk fiber består typisk af et centralt kerne-lag (core), omgivet af et lag kaldet cladding, og yderligere beskyttende lag (coating og buffer). Forskellen i brydningsindeks mellem kernen og cladding gør, at lyset bliver fastholdt i kernen ved hjælp af total indre refleksion. Det er denne mekanisme, der gør det muligt at sende lys over lange afstande med begrænset tab.
Typer af fibre
- Single-mode (SMF): Har en meget lille kerne (typisk ~8–10 µm) og tillader kun ét modesignal. Anvendes til lange afstande og højhastighedsforbindelser, især ved bølgelængder som 1310 nm og 1550 nm.
- Multimode (MMF): Har en større kerne (typisk 50–62,5 µm) og tillader flere lysveje (modes). Bruges ofte til kortere afstande som lokale netværk (LAN) og datacentre, typisk ved 850 nm og 1300 nm.
- Plastisk optisk fiber (POF): Fremstillet af plastik, billigere og mere robust, men med højere dæmpning — velegnet til korte afstande og forbrugerprodukter.
Vigtige egenskaber
- Dæmpning (attenuation): Tab af signalstyrke per kilometer — glasfibre har meget lav dæmpning, især omkring 1550 nm.
- Dispersion: Udbredelsestiden for forskellige lyskomponenter kan variere og påvirke maksimal datahastighed over afstand.
- Bølgelængder: Almindelige transmissionsvinduer er omkring 850 nm, 1310 nm og 1550 nm.
- Immunitet mod elektromagnetisk interferens (EMI): Fibre er ikke ledende og påvirkes ikke af elektrisk støj, hvilket er en stor fordel i industrielle og medicinske miljøer.
Installation og håndtering
Selvom optiske fibre er små og lette, kræver de omhyggelig håndtering:
- Overhold minimum bøjningsradius for at undgå ekstra tab eller brud.
- Brug egnede stiktyper (fx LC, SC, ST) og korrekt rengøring af endeflader for at minimere refleksioner og tab.
- Samlinger kan udføres ved fusion splicing (smeltning) eller mekanisk sammenføjning; fusion giver normalt lavest tab.
- Test og fejlfinding udføres ofte med OTDR (optical time domain reflectometer) og effektmålere.
- Undgå at kigge direkte ind i en fiber, når der er laser eller kraftige lyskilder tilsluttet — det kan skade øjnene.
Fordele og begrænsninger
- Fordele: Meget høj båndbredde, lave tab over lange afstande, immun overfor EMI, lav vægt og sikkerhed (svær at aflytte uden at opdage det).
- Begrænsninger: Højere omkostninger ved udstyr og installation sammenlignet med kobber på korte afstande, mekanisk skrøbelighed, behov for præcision ved samling og rensning.
Typiske anvendelser
- Telekommunikation og internet-rygrad (backbone) over store afstande.
- Fiber-to-the-Home (FTTH) for højhastighedsinternet til husholdninger.
- Datacentre og enterprise-netværk.
- Medicinsk udstyr som endoskoper og kirurgiske fibre til belysning og billedtransmission.
- Industrielle sensorer, målesystemer og militære kommunikationsløsninger.
- Arkitektonisk og dekorativ belysning samt legetøj.
Kort opsummering
Optisk fiber er en central teknologi i moderne kommunikation og mange andre felter. Ved at føre lys gennem præcist designede kerner muliggør fibre ekstremt hurtig og pålidelig dataoverførsel og bruges fra store telekommunikationsnet til små medicinske instrumenter. Valget af type (single-mode, multimode eller plastik) og korrekt installation bestemmer i høj grad, hvor godt en fiberløsning vil fungere i praksis.
Et bundt af optiske fibre.
Historie
Ledning af lys ved intern refleksion, som er det princip, der gør fiberoptik muligt, blev først demonstreret af Daniel Colladon og Jacques Babinet i Paris i begyndelsen af 1840'erne. John Tyndall, en fysiker, demonstrerede det under sine offentlige foredrag i London 12 år senere.
Princippet blev først anvendt til interne medicinske undersøgelser af Heinrich Lamm i 1930'erne. Moderne optiske fibre, hvor glasfiberen er belagt med en gennemsigtig kappe for at give et mere passende brydningsindeks, dukkede op senere i årtiet.
Udtrykket "fiberoptik" blev opfundet af Narinder Singh Kapany.
I 1965 var Charles K. Kao og George A. Hockham fra det britiske firma Standard Telephones and Cables (STC) de første til at vise, at intensitetstabet i optiske fibre kunne reduceres, hvilket gjorde fibre til et praktisk kommunikationsmedie. De foreslog, at fejlene i de dengang tilgængelige fibre skyldtes urenheder, som kunne fjernes. De pegede på det rigtige materiale til sådanne fibre, f.eks. silicaglas, som har en høj renhed. Denne opdagelse indbragte Kao Nobelprisen i fysik i 2009.
Daniel Colladon beskrev første gang dette "lysfontæne" eller "lysrør" i en artikel fra 1842 med titlen On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream (Om refleksionerne af en lysstråle i en parabolisk væskestrøm). Denne særlige illustration stammer fra en senere artikel af Colladon fra 1884.
Sådan fungerer det
En optisk fiber er en lang, tynd streng af klart materiale. Dens form ligner normalt en cylinder. I midten har den en kerne. Rundt om kernen er der et lag, der kaldes beklædningen. Kernen og beklædningen er lavet af forskellige slags glas eller plast, så lyset bevæger sig langsommere i kernen end i beklædningen. Hvis lyset i kernen rammer kanten af beklædningen i en lav vinkel, preller det af på kanten af beklædningen. Lyset kan bevæge sig inde i kernen og prelle af på beklædningen. Intet lys slipper ud, før det kommer til enden af fiberen, medmindre fiberen er bøjet kraftigt eller strakt.
Hvis fiberkappen ridses, kan den gå i stykker. En plastbelægning, der kaldes buffer, dækker kappen for at beskytte den. Ofte er den bufferede fiber lagt ind i et endnu hårdere lag, der kaldes kappen. Dette gør det nemt at bruge fiberen uden at den går i stykker.
Lagene i en slags optisk fiber. 1.- kerne 8 µm 2.- beklædning 125 µm 3.- buffer 250 µm 4.- kappe 400 µm
Bruger
Fiberoptisk kommunikation
Den vigtigste anvendelse af optiske fibre er inden for kommunikation (telekommunikation). Ved fiberoptisk kommunikation overføres oplysninger fra et sted til et andet ved at sende lysimpulser gennem en optisk fiber. Lyset danner en elektromagnetisk bærebølge, der moduleres for at overføre information. Fiberoptiske kommunikationssystemer, der blev udviklet første gang i 1970'erne, har revolutioneret telekommunikationsindustrien og har bidraget til indførelsen af informationsalderen.
De tidlige systemer havde kort rækkevidde, men de senere anvendte fibre, som er mere gennemsigtige. Da lyset ikke slipper ud af fiberen, kan lyset nå langt, før signalet bliver for svagt. Dette bruges til at sende telefon- og internetsignaler inden for og mellem byer. På grund af fordelene i forhold til elektrisk transmission har optiske fibre i vid udstrækning erstattet kobbertrådskommunikation i centrale net i de udviklede lande. Undervandskabler med fibre forbinder verden.
De fleste optiske kommunikationssystemer har elektriske forbindelser. Et elektrisk signal styrer en sender. Senderen konverterer det elektriske signal til et lyssignal og sender det gennem fiberen til modtageren. Modtageren konverterer lyssignalet tilbage til et elektrisk signal.
Fiber bruges også nogle gange til kortere forbindelser, f.eks. til at overføre lydsignaler mellem en compact disc-afspiller og en stereomodtager. De fibre, der anvendes til disse korte forbindelser, er ofte fremstillet af plastik, som er mindre gennemsigtigt. TOSLINK er den mest almindelige type optisk stik til stereoanlæg.
Andre anvendelser
Optiske fibre kan anvendes som sensorer. Der anvendes særlige fibre til dette formål, som ændrer den måde, de lader lyset passere på, når der sker en ændring omkring fiberen. Sensorer som denne kan bruges til at registrere ændringer i temperatur, tryk og andre ting. Disse sensorer er nyttige, fordi de er små og ikke har brug for elektricitet på det sted, hvor registreringen finder sted.
Disse fibre bruges også til at transportere lys, så mennesker kan se det. Dette bruges undertiden til dekoration, f.eks. fiberoptiske juletræer. Nogle gange bruges det til belysning, når det er praktisk at have pæren et andet sted end der, hvor lyset skal være. Det bruges undertiden i skilte og kunst til specielle effekter.
Et bundt fibre kan bruges til at lave en enhed kaldet et endoskop eller fiberskop. Det er en lang tynd sonde, der kan sættes ind i et lille hul, og som sender et billede af det, der er indeni, gennem fiberen til et kamera. Endoskoper bruges af læger til at se ind i menneskekroppen, og nogle gange bruges de af ingeniører til at se ind i snævre rum i maskiner.
Optiske fibre (tilsat særlige kemikalier) kan anvendes som optiske forstærkere. Dette gør det muligt for et optisk signal at rejse længere mellem slutpunkterne uden at konvertere det optiske signal til elektrisk signal og tilbage igen, hvilket reducerer de samlede omkostninger ved komponenterne. Disse optiske forstærkere kan også bruges til at skabe lasere. Disse kaldes fiberlasere. De kan være meget kraftige, fordi den lange tynde fiber er nem at holde kølig og giver en lysstråle af god kvalitet.
Et juletræ med normale og fiberoptiske lys
Indersiden af et ur, set gennem et fiberskop.
Et TOSLINK-stik
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en optisk fiber?
A: En optisk fiber er en tynd fiber af glas eller plastik, der kan transportere lys fra den ene ende til den anden.
Q: Hvad kaldes studiet af optiske fibre?
A: Undersøgelsen af optiske fibre kaldes fiberoptik, som er en del af anvendt videnskab og teknik.
Spørgsmål: Hvad bruges optiske fibre hovedsageligt til?
A: Optiske fibre anvendes hovedsagelig inden for telekommunikation, men de bruges også til belysning, sensorer, legetøj og specielle kameraer til at se ind i små rum.
Spørgsmål: Hvordan anvendes optiske fibre undertiden inden for medicin?
A: Inden for lægevidenskaben bruges de nogle gange til at se ind i mennesker, f.eks. i deres hals.
Spørgsmål: Er der andre anvendelsesmuligheder for optiske fibre end telekommunikation?
A: Ja, de bruges også til belysning, sensorer, legetøj og specielle kameraer til at se ind i små rum.
Spørgsmål: Er det muligt at bruge en optisk fiber til at se ind i en persons krop?
A: Ja, de kan bruges inden for lægevidenskab til at se ind i mennesker, f.eks. ned i deres hals.
Spørgsmål: Er studiet af optiske fibre en del af anvendt videnskab eller ingeniørvidenskab?
A: Undersøgelsen af optiske fibre er en del af anvendt videnskab og ingeniørvidenskab.
