Optinen kuitu — määritelmä, toiminta ja käyttökohteet

Optinen kuitu — määritelmä, toiminta ja käyttökohteet: selkeä opas valon kuljetuksesta, televiestinnästä lääketieteeseen, antureihin ja valaistukseen.

Optinen kuitu on ohut lasista tai muovista valmistettu kuitu, joka pystyy kuljettamaan valoa toisesta päästä toiseen. Optisten kuitujen tutkimusta kutsutaan kuituoptiikaksi, joka on osa soveltavaa tiedettä ja tekniikkaa.

Optisia kuituja käytetään pääasiassa televiestinnässä, mutta niitä käytetään myös valaistuksessa, antureissa, leluissa ja erikoiskameroissa, joilla voidaan nähdä pieniin tiloihin. Niitä käytetään joskus lääketieteessä, kun halutaan nähdä ihmisen sisälle, esimerkiksi kurkusta alas.

Miten optinen kuitu toimii

Optinen kuitu koostuu yleensä kahdesta pääosasta: ytimestä (core) ja ympäröivästä vaipasta (cladding). Kuitun toiminta perustuu kokonaisheijastukseen: ytimen ja vaipan välillä on eri taitekerroin, jolloin valonsäde pysyy ytimen sisällä ja etenee pitkän matkan vähäisin häviöin. Valon taajuudet (aallonpituudet) ja kuidun geometria määräävät, miten valo kulkee ja kuinka suuri kapasiteetti ja kantama ovat.

Kuuti- ja materiaalityypit

• Lasikuitu (silikaatti) — yleisin runkoverkoissa ja pitkillä tiedonsiirtoyhteyksillä. Pieni vaimennus (dB/km) ja suuri kaistanleveys, sopii pitkän matkan single-mode-tekniikoille.
• Muovikuitu (POF) — paksumpi ja joustavampi, edullinen lyhyille etäisyyksille, esimerkiksi auto- ja kotiverkoissa tai valaistuksessa.
• Single-mode — hyvin pieni ydin, yksi kulkuputki valolle, käytetään pitkillä etäisyyksillä ja suurissa nopeuksissa (yleensä 1310/1550 nm alueilla).
• Multi-mode — suurempi ydin, useita kulkuratoja (modeja), soveltuu lyhyemmille etäisyyksille, esimerkiksi rakennusten sisäisiin verkoihin (850/1300 nm).

Keskeiset ominaisuudet ja tekniset käsitteet

• Vaimennus (attenuation): valon voimakkuuden alenema matkalla, ilmoitetaan dB/km. Lasikuiduissa vaimennus on hyvin pieni, erityisesti 1550 nm alueella.
• Dispersion (ajallinen leviäminen): vaikuttaa signaalin leveyteen ja siten maksiminopeuteen. Modal dispersion koskee multimode-kuituja; kromattinen dispersion single-mode-kuiduissa rajoittaa etäisyyksiä ja nopeuksia tietyillä aallonpituuksilla.
• Numerical aperture (NA): kuvaa kuidun kykyä kerätä valoa ja määrittää sisään tulevien valonsäteiden hyväksymiskulman.
• Liitettävyys ja hitsaus: kuidut liitetään esimerkiksi liittimillä (SC, LC, ST, FC) tai hitsataan (fusion splice) matalimmilla häviöillä. Monimutkaisemmissa asennuksissa käytetään myös MPO/MTP-kytkimiä korkealle kapasiteetille.
• Testaus: OTDR-mittaus (Optical Time Domain Reflectometer) ja tehomittaukset varmistavat vaimennuksen ja liitosten laadun.

Käyttökohteet

• Telekommunikaatio ja internet — runkoverkot, kaukokuitu, kaapelimodeemit ja yhteydet datakeskusten välillä.
• Paikallisverkot ja datakeskukset — korkea kaistanleveys, lyhyemmät multimode- tai monirunkoiset ratkaisut.
• Lääketiede — endoskopia, laserhoidot ja erilaiset optiset instrumentit, joissa kuitua käytetään kuvan tai valon välitykseen.
• Teollisuus ja anturit — lämpötilan, paineen tai jännityksen mittaus (Fiber Bragg Grating -anturit), sekä turvallisuus- ja valvontajärjestelmät.
• Valaistus ja sisustus — koriste- ja kohdevalaistus, valonohjaus vaikeapääsyisissä kohteissa.
• Autoteollisuus ja puolustus — elektronisen häiriönsiedon ansiosta kuitu sopii ympäristöihin, joissa radiohäiriöt tai sähkömagneettiset häiriöt ovat ongelma.

Edut ja rajoitukset

• Edut: suuri tiedonsiirtonopeus ja kaistanleveys, pitkä kantama, immuuni sähkömagneettiselle häiriölle, turvallinen (ei säteilyä), keveys ja pieni koko.
• Rajoitukset: mekaaninen haurautensa (erityisesti lasikuitu), asennus ja liitännät vaativat tarkkuutta ja erikoistyökaluja, kalliimmat passiiviset komponentit verrattuna kupariin tietyissä sovelluksissa.

Asennus, huolto ja turvallisuus

• Asennuksessa on varmistettava oikea taivutussäde — liian terävä taivutus voi aiheuttaa vaurioita ja lisää vaimennusta.
• Kuidun päät tulee puhdistaa huolellisesti ennen liittämistä; pienikin pöly tai likatanko voi lisätä häviöitä merkittävästi.
• Fyysinen suojaus: kuitukaapelit sijoitetaan suojaputkiin tai kanaviin, ja maakaapelit suojataan vetoraudoilla ja riittävällä maadoituksella muille järjestelmille.
• Turvallisuus: valonlähteet (laserdiodit) voivat olla näkymättömiä ja vahingoittaa silmää — älä katso suoraan kuituun testattaessa eikä loistavia kuituja pidä suunnata silmiin.
• Huolto: vianetsinnässä käytetään OTDR:iä, tehomittareita ja visuaalisia tarkastuslaitteita; liitosten ja hitsausten laatu on keskeinen tekijä järjestelmän toimivuudessa.

Optinen kuitu on keskeinen teknologia nykypäivän tietoliikenteessä ja monissa muissa sovelluksissa. Sen valinta ja toteutus vaativat ymmärrystä kuidun tyypistä, projektin vaatimuksista ja oikeista asennuskäytännöistä, jotta järjestelmä tarjoaa odotetun suorituskyvyn ja luotettavuuden.

Historia

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.

 
Daniel Colladon kuvasi tämän "valolähteen" tai "valoputken" ensimmäisen kerran vuonna 1842 julkaistussa artikkelissa On the reflections of a ray of light in a parabolic liquid stream. Tämä kuva on peräisin Colladonin myöhemmästä artikkelista vuodelta 1884.  

Miten se toimii

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.

 
Eräänlaisen optisen kuidun kerrokset. 1.- ydin 8 µm 2.- vaippa 125 µm 3.- puskuri 250 µm 4.- vaippa 400 µm  

Käyttää

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.

 
Joulukuusi, jossa on tavalliset ja kuituoptiset valot.  


Kellon sisäpuoli kuituskoopin läpi katsottuna.  


TOSLINK-pistoke  

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on optinen kuitu?

K: Miksi kutsutaan optisten kuitujen tutkimusta?

K: Mihin optisia kuituja pääasiassa käytetään?

K: Miten optisia kuituja käytetään joskus lääketieteessä?

K: Onko optisille kuiduille muita käyttötarkoituksia kuin televiestintä?

K: Onko mahdollista käyttää optista kuitua ihmisen kehon sisälle katsomiseen?

K: Kuuluuko optisten kuitujen tutkiminen soveltavaan tieteeseen tai tekniikkaan?

Hae kirjaimella