Światłowód — budowa, zasada działania i główne zastosowania

Prowadzenie światła przez wewnętrzne odbicie, zasada, która umożliwia stosowanie światłowodów, została po raz pierwszy zademonstrowana przez Daniela Colladona i Jacques'a Babbeta w Paryżu na początku lat 40-tych XIX wieku. 12 lat później fizyk John Tyndall włączył jej demonstrację do swoich publicznych wykładów w Londynie.

Zasada ta została po raz pierwszy wykorzystana do wewnętrznych badań medycznych przez Heinricha Lamma w latach 30-tych XX wieku. Nowoczesne światłowody, w których włókno szklane jest pokryte przezroczystą okładziną, aby zapewnić bardziej odpowiedni współczynnik załamania światła, pojawiły się później w tej dekadzie.

W 1965 roku Charles K. Kao i George A. Hockham z brytyjskiej firmy Standard Telephones and Cables (STC) jako pierwsi pokazali, że straty natężenia światła w światłowodach można zredukować, dzięki czemu światłowody stały się praktycznym medium komunikacyjnym. Zaproponowali, że wady w światłowodach dostępnych w tamtym czasie były spowodowane zanieczyszczeniami, które można usunąć. Wskazali odpowiedni materiał do wykorzystania w takich włóknach, taki jak szkło krzemionkowe, które ma wysoką czystość. Za to odkrycie Kao otrzymał w 2009 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Światłowód to długie, cienkie pasmo przezroczystego materiału. Jego kształt jest zazwyczaj zbliżony do cylindra. W środku znajduje się rdzeń. Wokół rdzenia znajduje się warstwa zwana okładziną (cladding). Rdzeń i okładzina wykonane są z różnych rodzajów szkła lub plastiku, dzięki czemu światło przemieszcza się wolniej w rdzeniu niż w okładzinie. Jeśli światło w rdzeniu uderzy pod niewielkim kątem w krawędź okładziny, odbije się od niej. Światło może podróżować wewnątrz rdzenia i odbijać się od okładzin. Światło nie ucieka, dopóki nie dotrze do końca włókna, chyba że włókno jest mocno wygięte lub rozciągnięte.

Jeśli okładzina włókna zostanie zarysowana, może pęknąć. Powłoka z tworzywa sztucznego zwana buforem pokrywa okładzinę, aby ją chronić. Często buforowane włókno jest umieszczane wewnątrz jeszcze twardszej warstwy, zwanej płaszczem. Ułatwia to korzystanie z włókna bez jego łamania.

Komunikacja światłowodowa

Głównym zastosowaniem światłowodów jest komunikacja (telekomunikacja). Komunikacja światłowodowa przekazuje informacje z jednego miejsca do drugiego poprzez wysyłanie impulsów światła przez światłowód. Światło tworzy elektromagnetyczną falę nośną, która jest modulowana w celu przenoszenia informacji. Systemy komunikacji światłowodowej, opracowane po raz pierwszy w latach 70. ubiegłego wieku, zrewolucjonizowały branżę telekomunikacyjną i przyczyniły się do powstania ery informacyjnej.

Wczesne systemy miały krótki zasięg, ale późniejsze używały włókien, które są bardziej przezroczyste. Ponieważ światło nie wycieka z włókna, światło może przejść na dużą odległość, zanim sygnał stanie się zbyt słaby. Jest to wykorzystywane do przesyłania sygnałów telefonicznych i internetowych w obrębie miast i pomiędzy nimi. Ze względu na swoje zalety w porównaniu z transmisją elektryczną, światłowody w dużej mierze zastąpiły komunikację za pomocą drutu miedzianego w sieciach bazowych w krajach rozwiniętych.

Większość systemów komunikacji optycznej posiada połączenia elektryczne. Sygnał elektryczny steruje nadajnikiem. Nadajnik konwertuje sygnał elektryczny na sygnał świetlny i wysyła go przez światłowód do odbiornika. Odbiornik konwertuje sygnał świetlny z powrotem na sygnał elektryczny.

Włókna są czasami używane do krótszych linków też, takich jak do przenoszenia sygnałów dźwiękowych między odtwarzaczem płyt kompaktowych i odbiornikiem stereo. Włókna używane do tych krótkich połączeń są często wykonane z plastiku, który jest mniej przezroczysty. TOSLINK jest najczęściej spotykanym typem wtyczki optycznej w urządzeniach stereofonicznych.

Inne zastosowania

Włókna optyczne mogą być używane jako czujniki. Specjalne włókna są używane do tego, że zmienia się, jak przechodzą światło przez, gdy istnieje zmiana wokół włókna. Czujniki takie jak ten mogą być używane do wykrywania zmian temperatury, ciśnienia i innych rzeczy. Czujniki te są użyteczne, ponieważ są małe i nie potrzebują żadnej energii elektrycznej w miejscu, w którym odbywa się detekcja.

Włókna te są również wykorzystywane do przenoszenia światła dla ludzi, aby zobaczyć. To jest czasami używane do dekoracji, jak światłowodowe choinki. Czasami jest to używane do oświetlenia, gdy jest to wygodne, aby mieć żarówkę gdzieś indziej niż tam, gdzie światło musi być. To jest czasami używany w znakach i sztuki dla efektów specjalnych.

Wiązka włókien może być użyta do stworzenia urządzenia zwanego endoskopem lub fiberoskopem. Jest to długa, cienka sonda, którą można włożyć do małego otworu i która wysyła obraz tego, co jest w środku przez światłowód do kamery. Endoskopy są używane przez lekarzy do oglądania wnętrza ludzkiego ciała, a czasami są używane przez inżynierów do oglądania ciasnych przestrzeni w maszynach.

Włókna optyczne (z dodatkiem specjalnych substancji chemicznych) mogą być używane jako wzmacniacze optyczne. To pozwala sygnał optyczny do podróży dalej między punktami końcowymi, a bez konwersji sygnału optycznego do elektrycznego i z powrotem, zmniejszając ogólny koszt komponentów. Wzmacniacze optyczne mogą być również wykorzystywane do tworzenia laserów. Są one nazywane laserami światłowodowymi. Mogą one być bardzo wydajne, ponieważ długie, cienkie włókna są łatwe do chłodzenia i tworzą dobrej jakości wiązkę światła.