optisk fiber

Optisk fiber. Lysets gang gjennom forskjellige fibertyper.

Av /Store norske leksikon ※.
Lisens: Gjengitt med tillatelse

Optisk fiber er en lysleder av glass eller plast. I en optisk fiber ment for lang rekkevidde benytter man spesielt rent kvartsglass. Lyset her dempes omtrent like mye gjennom en vanlig vindusrute som gjennom en hundre meter lang telekommunikasjonsfiber.

Oppbygning og egenskaper

En optisk fiber har vanligvis sirkulært tverrsnitt. Glasset i kjernen (engelsk core) har litt høyere brytningsindeks enn glasset rundt, kappen (engelsk cladding). På grunn av den høyere brytningsindeksen vil lyset innen visse grenser, som i sin tur er avhengig av hvilken bølgelengde som benyttes, ledes i kjernen selv om fiberen bøyes.

Vanligvis er fiberen 125 mikrometer, det vil si 0,125 millimeter, tykk utvendig, mens den lysledende kjernen ofte ikke er mer enn 9 mikrometer (singelmodus) eller 50/62,5 mikrometer (multimodus, to typer) i diameter. Koblingen mellom lyskilde og fiber må derfor være ekstremt nøyaktig.

Viktige egenskaper

Den viktigste egenskapen for en optisk fiber er dempingen av det optiske signalet siden denne avgjør hvor lange fiberkabler vi kan bruke fiberen i. Dempningen angis i desibel per kilometer for angitt bølgelengde. Den laveste dempningen, under 0,2 desibel per kilometer, som tilsvarer halvering av lyseffekten etter 15 kilometer, oppnås ved å benytte lys med bølgelengde 1550 nanometer, det vil si langt ut i det infrarøde området. Optiske fibre kan skjøtes sammen ved at to fiberender settes mot hverandre og smeltes sammen i en spesiell skjøtemaskin med en elektrisk lysbue, eller de kan limes sammen med spesiallim ved at fiberendene føres inn fra hver sin side i en spesiell skjøtemuffe. De fleste utbyggere i dag forlanger sveiseskjøtede kabler. I tillegg er det mulig å koble sammen fibrene ved hjelp av kontakter.

Fibertyper

Det finnes i dag tre prinsipielt forskjellige typer fiber. Forskjellen mellom dem ligger i hvordan den lysledende kjernen er bygd opp. Den første typen som ble utviklet, trinnindeksfiber, har kjerne med samme brytningsindeks over hele tverrsnittet og diameter fra 50 mikrometer og oppover. Gradert indeksfiber har også kjerne med samme diameter, men brytningsindeksen i kjernen avtar gradvis fra sentrum og utover uten noen markert overgang mot kappen. Gradert indeksfiber har 10–100 ganger høyere overføringskapasitet enn trinnindeksfiber, og denne typen benyttes ofte i datanett der overføringslengdene ikke er spesielt store. Disse to variantene kalles multimodusfiber (MM). MM-fibre har tradisjonelt blitt brukt sammen med LED lyskilder. De senere år er 50 mikrometers multimodusfibre videreutviklet til også å benytte laserdioder (VCSEL) som sendere. Bølgelengder i bruk er 850 nanometer og 1300 nanometer for LED, og 1310 nanometer for VCSEL. Singelmodusfiber (SM) har kjerne med diameter omkring 9 mikrometer μm. Den har minst demping av de tre typene og enormt stor overføringskapasitet, og brukes for alle fiberkabler med lang rekkevidde til for eksempel telekommunikasjon. SM benytter kun lasere innen bølgelengdeområdene 1310 nanometer og 1550 nanometer. Ved bølgelengdemultipleksing av typen CWDM benyttes hele dette området, 1260–1610 nanometer. I tillegg kan 1625 (eller 1650) nanometer benyttes til overvåkning av fiberen mens den er i drift.

Overføringskapasiteten øker stadig og allerede før årtusenskiftet ble det rapportert forsøk hos utstyrsprodusenten Siemens med mer enn tre terabit per sekund (1 terabit = en million millioner bit) for en kabel med lengde på 40 kilometer. Dette kunne oppnås ved å sende 40 signaler, hver med 80 gigabit (1 gigabit = en million bit) per sekund på hver sine bølgelengder («lysfarger»). Singelmodusfiber benyttes først og fremst i telekommunikasjonsanlegg samt i fiber til hjemmet, FTH. I 2015 ble det overført 2,15 petabit per sekund (1 petabit = 1015 eller en million milliarder bit) i en test der japanske Sumitomo var fiberprodusent. Her ble det brukt en spesiell 22-kjerners singelmodusfiber.

Fremstillingsprinsipp

Optiske fibre kan fremstilles etter forskjellige prinsipper, men som oftest produseres først en glasstav (engelsk preform) med lengde på cirka 1 meter, diameter 6–10 centimeter og med samme variasjon i brytningsindeks over tverrsnittet som den ferdige fiberen. Variasjonen oppnås ved å dope glasset, det vil si tilsette mikroskopiske mengder av andre stoffer, for eksempel germanium, bor, fluor eller fosfor. Ved å varme opp den ene enden av staven til omtrent 2000 grader celsius blir glasset så mykt at det kan trekkes ut til en tynn fiber. En enkelt stav kan gi flere hundre kilometer fiber, men standard leveringslengder fra fiberprodusentene er typisk 45–50 kilometer.

Bruksområder

Optiske fibre har mange ulike bruksområder. Det opprinnelige bruksområdet, fiberoptiske kommunikasjonskabler for bruk over lange avstander i transportnettene, er fortsatt det viktigste. Siden har fiberkabler også blitt tatt i bruk i andre deler av telekommunikasjonsnettene som regionalnett og aksessnett der skiftet mellom fiberkabler og kobberkabler flyttes stadig lengre ut mot brukerne. Et vanlig konsept har vært det som kalles hybrid fiber/koaks – HFC (engelsk hybrid fibre/coax) der fiberkablene brukes fra tjenestenodene og ut til noder nærmere brukerne der signalene omdannes til elektriske signaler i kobberkabler (parkabler eller koakskabler). De senere år ser man en endring til at også «last mile» (siste del av nettet inn til brukeren) bygges med singelmodus fiberkabler. Spesielt gjelder dette innen fiber til hjemmet, FTH.

Et annet bruksområde er sensor- og målesystemer som for eksempel temperaturovervåking av blant annet høyspentkabler der den optiske fiberen er sensoren i målesystemet.

Fiberkabler brukes nå også for sammenkobling av de ulike komponentene i et medie- eller datanett hjemme hos brukerne. Her brukes gjerne billig plastfiber, lave bølgelengder og lave overføringshastigheter, bitrater. Et eksempel på dette er S/PDIF, en plastfiber med maks rekkevidde 5–10 meter som bruker 650 nanometer bølgelengde.

Andre populære bruksområder er medisinsk bruk med for eksempel kikkhullsoperasjoner og diagnostikk samt overføring av synlig lys til fordeling i lyspunkter i hus og hjem, eller for dekorasjoner i form av lysfontener.

En vanlig misforståelse, godt fremmet av PR-folk hos bredbåndsnettleverandørene, er at man «kommuniserer med lysets hastighet». Dette forstås vanligvis som lyshastigheten i vakuum, som er på cirka 300 000 kilometer per sekund. De ulike glassmaterialene som brukes i optiske fibre har høyere optisk tetthet enn vakuum og dermed også lavere lyshastighet. Dette kalles fiberens refraksjonsindeks eller brytningsindeks, som er om lag 1,47 i en typisk singelmodusfiber. Dette gir en lyshastighet på 300 000 kilometer per sekund dividert med 1,47; det vil si om lag 200 000 kilometer per sekund. Dette er om lag samme signalhastighet som i kobberkabler.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg