Optinen kuitu — määritelmä, toiminta ja käyttökohteet

Daniel Colladon ja Jacques Babinet osoittivat ensimmäisen kerran Pariisissa 1840-luvun alussa, että valon ohjaaminen sisäisen heijastuksen avulla on kuituoptiikan mahdollistava periaate. Fyysikko John Tyndall esitteli sen julkisissa luennoissaan Lontoossa 12 vuotta myöhemmin.

Heinrich Lamm käytti periaatetta ensimmäisen kerran sisäisiin lääketieteellisiin tutkimuksiin 1930-luvulla. Nykyaikaiset optiset kuidut, joissa lasikuitu on päällystetty läpinäkyvällä vaipalla sopivamman taitekertoimen tarjoamiseksi, ilmestyivät myöhemmin vuosikymmenellä.

Termin "kuituoptiikka" keksi Narinder Singh Kapany.

Vuonna 1965 brittiläisen Standard Telephones and Cables (STC) -yrityksen Charles K. Kao ja George A. Hockham osoittivat ensimmäisenä, että optisten kuitujen voimakkuushäviötä voidaan vähentää, mikä teki kuiduista käytännöllisen viestintävälineen. He esittivät, että tuolloin saatavilla olleiden kuitujen viat johtuivat epäpuhtauksista, jotka voitiin poistaa. He osoittivat, että tällaisiin kuituihin olisi käytettävä oikeaa materiaalia, kuten kvartsilasia, joka on erittäin puhdasta. Tämä löytö toi Kaolle Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2009.

Optinen kuitu on pitkä, ohut säie kirkasta materiaalia. Sen muoto muistuttaa yleensä sylinteriä. Sen keskellä on ydin. Ytimen ympärillä on kerros, jota kutsutaan vaipaksi. Ydin ja verhous on valmistettu erityyppisestä lasista tai muovista, joten valo kulkee ytimessä hitaammin kuin verhouskerroksessa. Jos ytimessä oleva valo osuu verhouksen reunaan matalassa kulmassa, se kimpoaa. Valo voi kulkea ytimen sisällä ja kimpoilla verhouksesta. Valo ei pääse pois ennen kuin se tulee kuidun päähän, ellei kuitua taivuteta jyrkästi tai venytetä.

Jos kuidun vaippa naarmuuntuu, se voi rikkoutua. Puskuriksi kutsuttu muovipinnoite peittää kuitupinnoitteen suojatakseen sitä. Usein puskuroitu kuitu asetetaan vielä lujemman kerroksen, vaipan, sisään. Näin kuitua on helppo käyttää rikkomatta sitä.

Kuituoptinen viestintä

Optisia kuituja käytetään pääasiassa tietoliikenteessä (televiestintä). Valokuituviestinnässä tietoa siirretään paikasta toiseen lähettämällä valopulsseja optisen kuidun läpi. Valo muodostaa sähkömagneettisen kantoaallon, jota moduloidaan tiedon kuljettamiseksi. Kuituoptiset viestintäjärjestelmät, jotka kehitettiin ensimmäisen kerran 1970-luvulla, ovat mullistaneet televiestintäalan ja edistäneet informaatioajan alkua.

Varhaisissa järjestelmissä oli lyhyt kantama, mutta myöhemmissä järjestelmissä käytettiin läpinäkyvämpiä kuituja. Koska valo ei vuoda ulos kuidusta, valo voi kulkea pitkän matkan ennen kuin signaali heikkenee liikaa. Tätä käytetään puhelin- ja Internet-signaalien lähettämiseen kaupunkien sisällä ja niiden välillä. Sähköiseen siirtoon verrattuna saavutettujen etujensa vuoksi optiset kuidut ovat suurelta osin korvanneet kuparijohtoviestinnän kehittyneiden maiden ydinverkoissa. Kuituja sisältävät merenalaiset kaapelit yhdistävät maailmaa.

Useimmissa optisissa viestintäjärjestelmissä on sähköiset liitännät. Sähköinen signaali ohjaa lähetintä. Lähetin muuntaa sähköisen signaalin valosignaaliksi ja lähettää sen kuidun läpi vastaanottimeen. Vastaanotin muuntaa valosignaalin takaisin sähköiseksi signaaliksi.

Kuitua käytetään joskus myös lyhyempiin yhteyksiin, kuten äänisignaalien siirtämiseen CD-soittimen ja stereovastaanottimen välillä. Näissä lyhyissä yhteyksissä käytettävät kuidut on usein valmistettu muovista, joka on vähemmän läpinäkyvää. TOSLINK on yleisin stereoiden optinen pistoketyyppi.

Muut käyttötarkoitukset

Optisia kuituja voidaan käyttää antureina. Tähän käytetään erityisiä kuituja, jotka muuttavat valon läpäisyä, kun kuidun ympärillä tapahtuu muutoksia. Tällaisia antureita voidaan käyttää lämpötilan, paineen ja muiden asioiden muutosten havaitsemiseen. Nämä anturit ovat käyttökelpoisia, koska ne ovat pieniä eivätkä tarvitse sähköä paikassa, jossa havaitseminen tapahtuu.

Näitä kuituja käytetään myös valon kuljettamiseen, jotta ihmiset voivat nähdä. Tätä käytetään joskus koristeluun, kuten kuituoptisia joulukuusia. Joskus sitä käytetään valaistukseen, kun hehkulamppu on kätevää sijoittaa muualle kuin sinne, missä valon on oltava. Tätä käytetään joskus kylteissä ja taiteessa erikoistehosteina.

Kuitukimppu voi muodostaa laitteen, jota kutsutaan endoskoopiksi tai kuituskoopiksi. Kyseessä on pitkä ohut koetin, joka voidaan asettaa pieneen reikään ja joka lähettää kuitujen läpi kameraan kuvan siitä, mitä kuitujen sisällä on. Lääkärit käyttävät endoskooppeja nähdäkseen ihmiskehon sisälle, ja joskus insinöörit käyttävät niitä nähdäkseen koneiden ahtaisiin tiloihin.

Optisia kuituja (joihin on lisätty erityisiä kemikaaleja) voidaan käyttää optisina vahvistimina. Näin optinen signaali voi kulkea pidemmälle päätepisteiden välillä ilman optisen signaalin muuntamista sähköiseksi ja takaisin, mikä alentaa komponenttien kokonaiskustannuksia. Näitä optisia vahvistimia voidaan käyttää myös lasereiden luomiseen. Näitä kutsutaan kuitulasereiksi. Ne voivat olla erittäin tehokkaita, koska pitkä ohut kuitu on helppo pitää viileänä ja tuottaa laadukkaan valonsäteen.