Οπτικές ίνες “Fibreoptic” ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ AΘ.K. ΤΡΙΤΗ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2014

Οπτικές ίνες

Οπτικές ίνες Οι οπτικές ίνες άρχισαν να μπαίνουν για τα καλά στη ζωή μας. Χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σήμερα στις επικοινωνίες και σε διαφόρων τύπων δίκτυα. Ας δούμε λοιπόν όλες τις πληροφορίες, με απλά λόγια!

Τι είναι οι οπτικές ίνες- Πως λειτουργούν οι οπτικές ίνες Τι είναι οι οπτικές ίνες; Οι οπτικές ίνες, είναι πολύ λεπτά νήματα από πλαστικό ή γυαλί, όπου από μέσα τους, μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα, υπό μορφή φωτός. Ένα καλώδιο οπτικών ινών, περιέχει μέσα του 10άδες ή και 100άδες πολύ λεπτές τέτοιες οπτικές ίνες, σε διάμετρο, μικρότερη και από μία τρίχα! Οι ταχύτητες μετάδοσης των δεδομένων μέσω των οπτικών ινών, αφού τα δεδομένα ταξιδεύουν υπό μορφή φωτός, είναι τεράστια (όσο η ταχύτητα του φωτός). Πως λειτουργούν οι οπτικές ίνες Στο ένα άκρο της οπτικής ίνας, υπάρχει ο πομπός και στο άλλο, ο δέκτης. Ο πομπός, μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα ενός υπολογιστή, σε ψηφιακά κύματα φωτός. Ο δέκτης, αποκωδικοποιεί τα ψηφιακά κύματα φωτός, σε ψηφιακά δεδομένα

ολική ανάκλαση λειτουργούν τα τοιχώματα σαν καθρέφτες. λειτουργούν τα τοιχώματα σαν καθρέφτες. Τα ψηφιακά κύματα φωτός, ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός μέσα από την οπτική ίνα, με διαδοχικές ανακλάσεις στα τοιχώματα της οπτικής ίνας. Οι ανακλάσεις αυτές, γίνονται στα τοιχώματα, σε γωνία μικρότερη των 42 μοιρών, με αποτέλεσμα να λειτουργούν τα τοιχώματα σαν καθρέφτες. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ολική ανάκλαση και είναι η αιτία που τα κύματα φωτός μένουνε μέσα στην οπτική ίνα, συνεχίζοντας το ταξίδι τους μέχρι το άλλο άκρο, χωρίς να «βγαίνουν» - «δηλαδή να χάνονται» έξω από την ίνα. Σε αυτό συνεισφέρει και η δομή της. Το εσωτερικό μέρος της οπτικής ίνας, ονομάζεται πυρήνας και μέσω αυτού, ταξιδεύουν τα κύματα φωτός. Ο πυρήνας, είναι περιτυλιγμένος από μία άλλη στρώση πλαστικου - γυαλιου που ονομάζεται περίβλημα.

Το περίβλημα από τις οπτικές ίνες, Το περίβλημα από τις οπτικές ίνες, είναι έτσι κατασκευασμένο, ώστε να κρατάει τα κύματα φωτός, με ολικές ανακλάσεις, μέσα στον πυρήνα και να συνεχίζουν το ταξίδι τους μέσω αυτού (του πυρήνα). Το περίβλημα το πετυχαίνει αυτό, λόγω της διαφορετικότητας του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο, σε σχέση με το υλικό του πυρήνα.

Τύποι οπτικών ινών Υπάρχουν οι οπτικές ίνες απλού τύπου και οι πολλαπλού τύπου. Στις οπτικές ίνες απλού τύπου (single-mode), τα κύματα φωτός ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή και μπορούμε να στείλουμε δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις. Οι οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου (multi-mode), είναι πιο "χοντρές" από τις απλού τύπου, αλλά μπορούν να στείλουν παράλληλα, σε ξεχωριστό μονοπάτι, πολλά κύματα φωτός. Το κάθε κύμα φωτός, εισέρχεται στην οπτική ίνα υπο ελαφρώς διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα, και ακολουθεί το δικό του μονοπάτι μέσα της, μέσω των διαδοχικών ανακλάσεων στο περίβλημα. Αυτό συμβαίνει παράλληλα με πολλά κύματα φωτός (όλα σε διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα) κι έτσι μπορούμε να στείλουμε παράλληλα, τεράστιο όγκο δεδομένων!

Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα οπτικών ινών Οι οπτικές ίνες έχουν περισσότερα πλεονεκτήματα απ’ ότι μειονεκτήματα. Πλεονεκτήματα οπτικών ινών: 1) μπορούν να μεταφέρουν παράλληλα πολύ μεγαλύτερο όγκο δεδομένων σε σχέση με το χάλκινο καλώδιο, 2) η μεταφορά των δεδομένων γίνεται γρηγορότερα, 3) είναι λιγότερο ευάλωτα τα δεδομένα που ταξιδεύουν μέσα τους, σε παρεμβολές 4) είναι πολύ πιο λεπτές και ελαφρύτερες από το χάλκινο καλώδιο. 5) τα δεδομένα μεταδίδονται ψηφιακά: άρα πιο γρήγορη κωδικοποίηση - αποκωδικοποίηση δεδομένων, σχεδόν καθόλου απώλειες δεδομένων. Μειονεκτήματα οπτικών ινών: 1) είναι πιο ακριβές, 2) είναι πιο δύσκολη η εγκατάστασή τους, 3) είναι πιο εύθραυστες, 4) δεν μπορούμε να τις λυγίζουμε πολύ, θα πρέπει να τις εγκαθιστούμε με ελαφριά κλίση, γιατί αλλιώς θα έχουμε απώλειες.

Καλώδιο οπτικών ινών Από την wikipedia «Fiber optic illuminated»

Δομή οπτικών ινών Στην πράξη χρησιμοποιούμε δέσμη οπτικών ινών. Αν οι ίνες αποτελούνταν μόνο από ένα υλικό, τότε το φως που “ταξιδεύει” στο εσωτερικό τους θα περνούσε, όταν θα έρχονταν σε επαφή, από την μια ίνα στην άλλη. Γι΄ αυτό κάθε ίνα επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα υλικού μικρότερου δείκτη διάθλασης ή με πολλά λεπτά στρώματα, έτσι ώστε κάθε επόμενο στρώμα να έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον προηγούμενο. Επίσης στο σύστημα της γυάλινης ίνας τοποθετείται ένα περίβλημα που την προστατεύει και την κάνει πιο ανθεκτική σε μηχανικές καταπονήσεις. Κάθε οπτική ίνα αποτελείται από εξής τρία μέρη: Την κεντρική γυάλινη κυλινδρική ίνα, που ονομάζεται πυρήνας και είναι το τμήμα στο οποίο διαδίδεται το φως. Την επικάλυψη (απλή ή πολλαπλή), που είναι ένας ομόκεντρος με τον πυρήνα κύλινδρος. Έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα λόγω της διαφορετικότητας του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο, ώστε να κρατάει τα κύματα φωτός, με ολικές ανακλάσεις, μέσα στον πυρήνα και να συνεχίζουν το ταξίδι τους μέσω αυτού. Η επικάλυψη αυτή ονομάζεται μανδύας. Το περίβλημα, που είναι ένα αδιαφανές πλαστικό. Στις οπτικές ίνες που απαρτίζουν ένα οπτικό καλώδιο, ουσιαστικά υπάρχει και ένα τέταρτο, εξωτερικό, στρώμα που είναι το έγχρωμο μελάνι που εφαρμόζεται για την αναγνώριση των ινών.

Δομή καλωδίου οπτικών ινών Η δομή ενός καλωδίου οπτικών ινών είναι τέτοια, ώστε να αποτρέπει τις εξωτερικές φθορές, αλλά και την απώλεια σήματος, που θα προέκυπτε κατά τη διαρροή της φωτεινής ακτινοβολίας στο εξωτερικό του. Τα τμήματα ενός καλωδίου οπτικών ινών από το κέντρο προς το εξωτερικό του, είναι τα εξής: Πυρήνας: Βρίσκεται στο κέντρο του καλωδίου. Αποτελείται από μία δέσμη οπτικών ινών, που αναλαμβάνουν τη μετάδοση των φωτεινών σημάτων. Εσωτερική επένδυση: Είναι το υλικό που αντανακλά εσωτερικά το φως, εκμηδενίζοντας παράλληλα το ποσοστό διαφυγής του στο εξωτερικό του καλωδίου. Εξωτερική επένδυση: Ανθεκτικό υλικό, που αποτελείται από καουτσούκ για μικρά καλώδια οικιακής χρήσης, ή από ατσάλι για μεγαλύτερα, που χρησιμοποιούνται σε εξωτερικό περιβάλλον. Προστατεύει το καλώδιο από ζημιές που θα προέκυπταν από τους διάφορους εξωτερικούς παράγοντες.

Δομή δικτύου οπτικών ινών Η δομή ενός δικτύου οπτικών ινών είναι αρκετά απλή. Συγκεκριμένα αποτελείται από τον πομπό, ένα μέσο μεταφοράς, τον ενισχυτή σήματος και τον δέκτη. Ο πομπός μετατρέπει το ψηφιακό σήμα σε φωτεινή πληροφορία και πραγματοποιεί την εκπομπή της. Βρίσκεται σε επαφή με το οπτικό καλώδιο και διαθέτει κατάλληλο φακό, ώστε να διοχετεύει το φως στο εσωτερικό του. Ως μέσο μεταφοράς χρησιμοποιείται το το καλώδιο οπτικών ινών. Ο ενισχυτής σήματος, είναι απαραίτητος μόνο σε συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων,επειδή παρατηρείται συχνά εξασθένιση του σήματος και αναλαμβάνει την ενίσχυση του σήματος σε τακτικά διαστήματα. Διαθέτει ειδικά κυκλώματα, τα οποία όταν λάβουν την εξασθενημένη φωτεινή πληροφορία, εκπέμπουν το σήμα εκ νέου, με πλήρη ισχύ. Τέλος ο δέκτης λαμβάνει το φωτεινό σήμα και το μετατρέπει ξανά στην αρχική του μορφή, δηλαδή σε ψηφιακά δεδομένα. Όπως και ο πομπός, βρίσκεται σε άμεση επαφή με το καλώδιο οπτικών ινών και χρησιμοποιεί φωτοδιόδους για ανιχνεύσει το λαμβανόμενο σήμα.

Λόγοι εξασθένησης του φωτός Το φώς κατά τη διάρκεια του «ταξιδιού» του μέσα στην οπτική ίνα μπορεί να εξασθενήσει. Αυτό μπορεί να συμβεί για κάποιους συγκεκριμένους λόγους: Σκέδαση: Οφείλεται στις ανομοιόμορφες διακυμάνσεις της δομής του γυαλιού, που προκαλούν σκέδαση το φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις. Το φως διεισδύει στο μανδύα και διασκορπίζεται. Αυτό κυρίως παρατηρείται εάν υπάρχουν συνδέσεις στην οπτική ίνα. Απορρόφησης: Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των οπτικών ινών θα πρέπει να είναι εξαιρετικής καθαρότητας και απαλλαγμένα από προσμίξεις ιοντικών μετάλλων που έχουν έντονες ζώνες υπέρυθρης απορρόφησης. Η οπτική ίνα θα πρέπει να είναι κατασκευασμένη από καθαρό γυαλί για να πετυχαίνεται η ολική ανάκλαση. Εάν υπάρχουν ξένες προσμίξεις στο γυαλί τότε το φώς απορροφάται από την ίνα οπότε εξασθενεί. Κακή κατασκευή: Η οπτική ίνα θα πρέπει να είναι λεία. Εάν υπάρχουν μικροδιακυμάνσεις στο εσωτερικό της το φως αποδυναμώνεται. Μεγάλη Καμπή της οπτικής ίνας.

Εφαρμογές Οι οπτικές ίνες έχουν πάρα πολλές εφαρμογές στην καθημερινότητά μας. Χρησιμοποιούνται ευρέως για την φωταγώγηση καταστημάτων αλλά και έργων τέχνης, για τον φωτισμό πισίνων, σε συστήματα αρχιτεκτονικού φωτισμού καθώς επίσης και για βιομηχανικό έλεγχο. Μεγάλη εφαρμογή επίσης βρίσκουν και σε συστήματα οικονομικών υπηρεσιών, σε τοπικά και μητροπολιτικά δίκτυα, αλλά κυρίως στην ιατρική και στις τηλεπικοινωνίες.

Ιατρική Λέιζερ σε οπτική ίνα Οι οπτικές ίνες εκτός απο τις τηλεπικοινωνίες βρίσκουν εφαρμογές και στην ιατρική Υιοθέτηση ταυτόχρονα με τη χρήση των λέιζερ. Εφαρμογές λέιζερ στις εγχειρήσεις, καυτηριασμούς φυσιοθεραπείες κ.ά. Οι οπτικές ίνες δίνουν τη δυνατότητα μεταφοράς της φωτεινής δέσμης λέιζερ από την πηγή μέχρι τη λαβή, που πρέπει να χειρίζεται ο γιατρός δίπλα στον ασθενή. Στην ιατρική, οι οπτικές ίνες ονομάζονται και φωταγωγοί, όπου χρησιμοποιούνται ευρύτατα και ειδικότερα σε ενδοσκοπήσεις δίνοντας οπτική εικόνα από τον περιορισμένο χώρο των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπινου σώματος. Οι γιατροί μπορούν να δουν την εσωτερική επιφάνεια μέρους του στομάχους ή άλλου οργάνου χρησιμοποιώντας ζεύγος οπτικών ινών. Η μικρή διάσταση του πυρήνα παρέχει τη δυνατότητα μετάδοσης εικόνας ακόμα και χωρίς τη χρήση άλλων οπτικών συστημάτων ( π.χ. φακών ). Λέιζερ σε οπτική ίνα

Τηλεπικοινωνίες Η χρήση των οπτικών ινών στον τομέα τον τηλεπικοινωνιών έφερε την επανάσταση στις επικοινωνίες για πολλούς λόγους: Με την βοήθεια μιας ίνας μπορούμε να μεταφέρουμε ταυτόχρονα και χωρίς παρεμβολές χιλιάδες τηλεφωνήματα και δεκάδες εκπομπές τηλεοπτικών καναλιών. Ένα καλώδιο οπτικών ινών μπορεί να αντικαταστήσει χάλκινο καλώδιο δεκαπλάσιας διαμέτρου και τριακονταπλάσιου βάρους. Κατά την διάρκεια μετάδοσης της πληροφορίας δεν υπάρχουν παράσιτα. Είναι δύσκολη η υποκλοπή των δεδομένων (τοποθέτηση κοριών). Δυνατότητα παραγωγής από κάθε χώρα με αποτέλεσμα η απεξάρτηση από τις χώρες που παράγουν χαλκό

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΠΗΓΕΣ: WIKIPEDIA ΤΕΧΝΙΚΟ ΕΠΙΜΕΛΗΤΗΡΙΟ ΕΛΛΑΔΟΣ

Ακτίνες Λέιζερ, δίκτυα επικοινωνιών, εύρος ζώνης, ταχύτητα μετάδοσης, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.

Ακτίνες Λέιζερ, δίκτυα επικοινωνιών, εύρος ζώνης, ταχύτητα μετάδοσης, ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτά νήματα από πλαστικό ή γυαλί, με διάμετρο μικρότερη των 8μm όπου από μέσα τους, μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα, υπό μορφή φωτός. Συνήθως τις συναντάμε συγκεντρωμένες σε δέσμες, που σχηματίζουν τα λεγόμενα οπτικά καλώδια. Ένα καλώδιο οπτικών ινών, περιέχει μέσα του δεκάδες ή και εκατοντάδες πολύ λεπτές τέτοιες οπτικές ίνες, με διάμετρο μικρότερη και από μία τρίχα. Με τις ακτίνες λέιζερ, ένα σήμα μπορεί να μεταδοθεί δια μέσου οπτικών ινών σε απόσταση μεγαλύτερη από 50 χλμ. Υπάρχει ιδιαίτερος κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με έρευνα για της δυνατότητες και εφαρμογές τους. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται ευρέως σε δίκτυα επικοινωνιών και επιτρέπουν τη μετάδοση φωτεινών σημάτων σε μεγαλύτερες αποστάσεις και σε υψηλότερο εύρος ζώνης (ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων) σε σχέση με άλλες μορφές μετάδοσης σημάτων, όπως ο χαλκός, ενώ η ταχύτητα μετάδοσης «πλησιάζει» αυτή με την οποία διαδίδεται το φως. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται αντί των μεταλλικών καλωδίων, διότι τα σήματα ταξιδεύουν μαζί τους με μικρότερη απώλεια και επίσης δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται επίσης για φωτισμό. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά εικόνων, επιτρέποντας έτσι την προβολή σε στενούς χώρους. Ειδικά σχεδιασμένες οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται και για πολλές άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των αισθητήρων λέιζερ.

Οπτικές Ίνες Είδη οπτικών ινών Τύποι οπτικών ινών

Οι οπτικές ίνες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Με την πάροδο των ετών έχουν αναπτυχθεί πολλοί τύποι οπτικών ινών που ο κάθε ένας υποστηρίζει τις ιδιαίτερες απαιτήσεις διάφορων τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών. Για όλους τους τύπους των οπτικών ινών υπάρχουν διεθνή πρότυπα στα οποία προδιαγράφονται τα χαρακτηριστικά μετάδοσης καθώς και τα γεωμετρικά, μηχανικά και άλλα χαρακτηριστικά αυτών. Οι οπτικές ίνες χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με το αν υποστηρίζουν έναν ή πολλούς ρυθμούς μετάδοσης: στις οπτικές ίνες απλού τύπου και στις οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου αντίστοιχα. Απλού τύπου(Single mode) Οι οπτικές ίνες απλού τύπου ή μονοτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις μέχρι 10μm. Τα κύματα φωτός ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή και μπορούμε να στείλουμε δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις. Η μικρή αυτή διάμετρος του πυρήνα επιτρέπει τη διέλευση σε ένα περιορισμένο πλήθος ακτίνων, ουσιαστικά μόνο σε ακτίνες που προσπίπτουν κάθετα στην επιφάνεια της διατομής των. Οι ίνες αυτές χαρακτηρίζονται συνήθως ως ίνες με βηματική κατανομή. Πολλαπλού τύπου(Multi mode) Οι οπτικές ίνες πολλαπλού τύπου ή πολυτροπικές ίνες έχουν διαστάσεις από 50 − 100 μm, είναι πιο "χοντρές" από τις απλού τύπου, αλλά μπορούν να στείλουν παράλληλα, σε ξεχωριστό μονοπάτι, πολλά κύματα φωτός. Το κάθε κύμα φωτός, εισέρχεται στην οπτική ίνα υπο ελαφρώς διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα, και ακολουθεί το δικό του μονοπάτι μέσα της, μέσω των διαδοχικών ανακλάσεων στο περίβλημα. Αυτό συμβαίνει παράλληλα με πολλά κύματα φωτός (όλα σε διαφορετική γωνία σε σχέση με τα άλλα) κι έτσι μπορούμε να στείλουμε παράλληλα, τεράστιο όγκο δεδομένων.

Είδη οπτικών ινών Πολλαπλού τύπου (Multi mode) Απλού τύπου(Single mode) Πολλαπλού τύπου (Multi mode) Είδη οπτικών ινών

Το κύριο μειονέκτημα των πολυτροπικών οπτικών ινών (με βηματική κατανομή) είναι το περιορισμένο εύρος ζώνης, που οφείλεται σε φαινόμενα διασποράς: διαφορετικές (εκατοντάδες ή χιλιάδες) γωνίες πρόσπτωσης (της φωτεινής ακτίνας) ακολουθούν διαφορετικούς τρόπους (modes) διάδοσης της δέσμης εντός της ίνας και ταξιδεύουν κάτω από διαφορετική διαδρομή, διανύοντας άνισα διαστήματα, εφ όσον ο δ.δ. Του πυρήνα και κατ' επέκταση η ταχύτητα διάδοσης παραμένουν σταθερές.

Γεωμετρικά χαρακτηριστικά της οπτικής ίνας: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά της οπτικής ίνας: H γεωμετρική δομή της ίνας αποτελείται από δυο ομοαξονικά διαφανή υλικά, που αποτελούν το εσωτερικό και εξωτερικό τμήμα της. Το εσωτερικό τμήμα καλείται πυρήνας (core), ενώ το εξωτερικό αποτελεί το περίβλημα (cladding). Οιεξωτερικές πλαστικές επικαλύψεις (coating) χρησιμοποιούνται μόνο για μηχανική προστασία, όπως συμβαίνει και στα ηλεκτρικά καλώδια.

Οπτικές ίνες “Fibreoptic” ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΤΡΙΤΗ ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2014