Optisk fiber | tunn fiber av glas eller plast som kan bära ljus

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