Optisk fiber: Principer, användningar inom telekommunikation och medicin

Upptäck hur optisk fiber fungerar och dess användningar inom telekommunikation och medicin — från snabba nätverk till endoskopi och sensorteknik.

En optisk fiber är en tunn fiber av glas eller plast som kan transportera ljus från den ena änden till den andra. Studiet av optiska fibrer kallas fiberoptik och är en del av tillämpad vetenskap och teknik.

Principer

Optisk fiber överför ljus genom principen om totalreflektion. Ljus som skickas in i fiberns kärna träffar gränsytan mot det yttre skiktet (manteln) i en vinkel som gör att strålarna reflekteras tillbaka in i kärnan i stället för att försvinna ut. För detta krävs att kärnan har högre brytningsindex än manteln, vilket styrs vid tillverkningen. Viktiga begrepp är kritisk vinkel, numerical aperture (NA) och spridning (dispersion), som påverkar hur långt och hur snabbt information kan skickas.

Konstruktion och material

En typisk optisk fiber består av tre huvuddelar:

• Kärna – där ljuset rör sig; gjord av högkvalitativt glas eller plast.
• Mantel – lager med lägre brytningsindex som håller kvar ljuset i kärnan.
• Båda omsluts ofta av skyddande lager (buffert och mantel) för mekaniskt skydd och för att minska friktion.

Vanliga material är silika (kvarts) för långdistans och högpresterande fibrer, och plast för billigare, kortare tillämpningar (POF).

Typer av fibrer

• Single-mode – mycket liten kärna (≈9 µm) som endast tillåter en ljusvåg att färdas; används för långa avstånd och hög bandbredd.
• Multimode – större kärna (50–62,5 µm) som tillåter flera ljusstrålar; enklare att koppla men begränsad vid längre avstånd p.g.a. modal dispersion.

Egenskaper och prestanda

• Mycket hög bandbredd – fiber kan bära stora datamängder jämfört med elektriska kablar.
• Låg dämpning (attentuering) – förlorar bara någon få tiondelar dB per kilometer vid optimala våglängder (särskilt kring 1310 nm och 1550 nm för glasfiber).
• Immunitet mot elektromagnetisk störning – fungerar i miljöer med hög elektrisk buller utan signalförsämring.
• Dispersion – tidsutbredning av pulser som begränsar maximal överföringshastighet över längre avstånd; olika tekniker (dispersion-compensation, single-mode) hanterar detta.

Användningar inom telekommunikation

Optiska fibrer utgör ryggraden i moderna kommunikationsnätverk tack vare sin kapacitet och låga förlust. Vanliga tillämpningar:

• Långa förbindelser mellan städer och under havsytan (sjökablar).
• Nätverksryggraden i operatörers nätverk och datacenter.
• FTTx (Fiber to the Home / Building) för snabb internetuppkoppling till hushåll och företag.
• Wavelength Division Multiplexing (WDM) och förstärkare (t.ex. EDFA) som möjliggör mycket hög datakapacitet över långa avstånd.
• Lokala förbindelser i industrin och medicinsk utrustning där störningsfri signalöverföring är kritisk.

Användningar inom medicin

Optiska fibrer används i flera medicinska instrument och metoder:

• Endoskopi – fiberoptik i endoskop gör det möjligt att föra in ljus och bildsignal i kroppens inre för undersökning och kirurgi.
• Laserleverans – fibrer transporterar laserljus för kirurgiska ingrepp, ablation och preciserad vävnadsbehandling.
• Optisk koherenstomografi (OCT) – avbildningsmetod som använder fiberoptik för högupplöst tvärsnittsbilder, ofta inom ögonvård.
• Minisensorer – fiberbaserade sensorer kan mäta temperatur, tryck eller kemisk sammansättning inne i kroppen.

Andra tillämpningar

• Belysning och dekorativa installationer (t.ex. i fordonsinteriörer och arkitektur).
• Sensorsystem för strukturövervakning (sprickdetektion, strain, temperatur).
• Industriella inspektionskameror och boreskop för att se in i maskiner eller trånga utrymmen.
• Militära tillämpningar för kommunikation och sensorik där låg detekterbarhet och störningsimmunitet krävs.

Installation, koppling och testning

• Fibrer ansluts med kontakter (vanliga typer: LC, SC, ST) eller permanent med splicing (fusionssvetsning).
• Testning med OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) visar dämpning och lokalisering av fel i kabeln.
• Hantera fibrer försiktigt: böjradier, dragkrafter och smuts på kontaktytor påverkar prestanda.

Fördelar och begränsningar

• Fördelar: hög bandbredd, låg dämpning, EMI-immunitet, säkerhet (svårt att avlyssna utan upptäckt).
• Begränsningar: installationskostnad (särskilt grävning och kabelläggning), ömtålighet vid felaktig hantering och behov av specialverktyg för svetsning och testning.

Säkerhet och miljö

Ljus i fiber kan vara osynligt (infrarött) och starkt — undvik att titta in i ändar eller kontakter med ögonen. Små glassplitter från avklippta fibrer måste hanteras som farligt avfall. Fiberkabels livslängd är lång och många fiberinstallationer återvinns eller tas om hand enligt lokala miljöregler.

Sammanfattning

Optisk fiber är en central teknik för modern kommunikation och många andra områden. Dess egenskaper gör den överlägsen i situationer där hög datahastighet, lång räckvidd och störningsfri överföring krävs, och inom medicin möjliggör den både diagnostik och behandling. Val av fiber (glas vs plast, single- vs multimode) och korrekt installation avgör prestanda och driftsäkerhet.

Historia

Principen att leda ljus genom intern reflektion, som gör fiberoptik möjlig, demonstrerades för första gången av Daniel Colladon och Jacques Babinet i Paris i början av 1840-talet. Fysikern John Tyndall demonstrerade den under sina offentliga föreläsningar i London 12 år senare.

Principen användes för första gången för interna medicinska undersökningar av Heinrich Lamm på 1930-talet. Moderna optiska fibrer, där glasfibrerna är belagda med en genomskinlig beklädnad för att ge ett mer lämpligt brytningsindex, dök upp senare under decenniet.

Termen "fiberoptik" myntades av Narinder Singh Kapany.

1965 var Charles K. Kao och George A. Hockham från det brittiska företaget Standard Telephones and Cables (STC) de första som visade att intensitetsförlusten i optiska fibrer kunde minskas, vilket gjorde fibrer till ett praktiskt kommunikationsmedium. De föreslog att defekterna i de fibrer som fanns tillgängliga vid den tiden orsakades av föroreningar som kunde avlägsnas. De pekade på rätt material att använda för sådana fibrer, t.ex. kiselglas som har hög renhet. Denna upptäckt gav Kao Nobelpriset i fysik 2009.

 
Daniel Colladon beskrev först denna "ljusfontän" eller "ljusrör" i en artikel från 1842 med titeln On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Den här illustrationen kommer från en senare artikel av Colladon från 1884.  

Hur det fungerar

En optisk fiber är en lång, tunn tråd av klart material. Dess form liknar vanligtvis en cylinder. I mitten har den en kärna. Runt kärnan finns ett skikt som kallas mantel. Kärnan och manteln är gjorda av olika typer av glas eller plast, så att ljuset färdas långsammare i kärnan än i manteln. Om ljuset i kärnan träffar kanten på beklädnaden i en liten vinkel studsar det tillbaka. Ljuset kan färdas inuti kärnan och studsa mot beklädnaden. Inget ljus flyr förrän det kommer till fiberns ände, såvida inte fibern böjs kraftigt eller sträcks ut.

Om fiberns hölje repas kan det gå sönder. En plastbeläggning som kallas buffert täcker fodret för att skydda det. Ofta placeras den buffrade fibern i ett ännu hårdare lager, som kallas mantel. Detta gör det lätt att använda fibern utan att den går sönder.

 
Skikten i en typ av optisk fiber. 1.- Kärna 8 µm 2.- Manteln 125 µm 3.- Buffert 250 µm 4.- Manteln 400 µm  

Använder

Fiberoptisk kommunikation

Optiska fibrer används främst för kommunikation (telekommunikation). Fiberoptisk kommunikation överför information från en plats till en annan genom att skicka ljuspulser genom en optisk fiber. Ljuset bildar en elektromagnetisk bärvåg som moduleras för att överföra information. Fiberoptiska kommunikationssystem, som först utvecklades på 1970-talet, har revolutionerat telekommunikationsindustrin och bidragit till informationsålderns intåg.

De första systemen hade kort räckvidd, men senare användes fibrer som är mer transparenta. Eftersom ljuset inte läcker ut ur fibern kan ljuset nå långt innan signalen blir för svag. Detta används för att skicka telefon- och internetsignaler inom och mellan städer. På grund av dess fördelar jämfört med elektrisk överföring har optiska fibrer i stor utsträckning ersatt koppartrådskommunikation i stomnät i de utvecklade länderna. Undervattenskablar med fibrer förbinder världen med varandra.

De flesta optiska kommunikationssystem har elektriska anslutningar. En elektrisk signal styr en sändare. Sändaren omvandlar den elektriska signalen till en ljussignal och skickar den genom fibern till mottagaren. Mottagaren omvandlar ljussignalen tillbaka till en elektrisk signal.

Fiber används ibland även för kortare förbindelser, t.ex. för att överföra ljudsignaler mellan en cd-spelare och en stereomottagare. De fibrer som används för dessa korta förbindelser är ofta gjorda av plast som är mindre genomskinlig. TOSLINK är den vanligaste typen av optisk kontakt för stereoapparater.

Andra användningsområden

Optiska fibrer kan användas som sensorer. För detta används speciella fibrer som ändrar sitt sätt att släppa igenom ljuset när det sker en förändring i fibern. Sådana sensorer kan användas för att upptäcka förändringar i temperatur, tryck och andra saker. Dessa sensorer är användbara eftersom de är små och inte behöver någon elektricitet på den plats där avkänningen sker.

Dessa fibrer används också för att transportera ljus så att människor kan se det. Detta används ibland som dekoration, till exempel fiberoptiska julgranar. Ibland används det för belysning, när det är bekvämt att ha glödlampan på en annan plats än där ljuset behöver vara. Detta används ibland i skyltar och konst för specialeffekter.

Ett knippe fibrer kan användas för att göra en anordning som kallas endoskop eller fiberskop. Detta är en lång tunn sond som kan sättas in i ett litet hål och som skickar en bild av vad som finns inuti genom fibern till en kamera. Endoskop används av läkare för att se in i människokroppen och ibland av ingenjörer för att se in i trånga utrymmen i maskiner.

Optiska fibrer (med särskilda kemikalier tillsatta) kan användas som optiska förstärkare. Detta gör att en optisk signal kan färdas längre mellan slutpunkterna utan att den optiska signalen omvandlas till elektrisk signal och tillbaka, vilket minskar den totala kostnaden för komponenterna. Dessa optiska förstärkare kan också användas för att skapa lasrar. Dessa kallas fiberlaser. De kan vara mycket kraftfulla, eftersom den långa tunna fibern är lätt att hålla kallt och ger en ljusstråle av god kvalitet.

 
En julgran med vanliga och fiberoptiska lampor  


Insidan av en klocka, betraktad genom ett fiberskop.  


En TOSLINK-kontakt  

Frågor och svar

F: Vad är en optisk fiber?

F: Vad kallas studiet av optiska fibrer?

F: Vad används optiska fibrer huvudsakligen till?

F: Hur används optiska fibrer ibland inom medicinen?

F: Finns det några andra användningsområden för optiska fibrer förutom telekommunikation?

F: Är det möjligt att använda en optisk fiber för att titta in i en människas kropp?

F: Är studiet av optiska fibrer en del av tillämpad vetenskap eller teknik?

Sök med bokstav