Optické vlákno

Optické vlákno
	[[Soubor:Soubor:Optical fiber vs human hair.jpg\|250px]]
	Porovnání průměru jednovidového optického vlákna (vlevo) a lidského vlasu (vpravo)
Princip	Totální vnitřní odraz světla
Typ	Vlnovod pro přenos světla
Vynálezce	Narinder Singh Kapany (první demonstrace, zavedení termínu), Charles K. Kao (teoretický průlom pro telekomunikace)
Datum vynálezu	1954 (první experimentální demonstrace), 1966 (teorie nízkoztrátového přenosu)

Rozbalit box

Obsah boxu

Optické vlákno je tenké, ohebné a průhledné vlákno vyrobené nejčastěji z vysoce čistého skla (oxidu křemičitého) nebo z plastu, které je jen o málo tlustší než lidský vlas. Slouží jako dielektrický vlnovod, což znamená, že dokáže vést světlo ve směru své podélné osy s minimálními ztrátami, a to i v ohybech. Princip přenosu je založen na jevu zvaném totální vnitřní odraz.

Optická vlákna způsobila revoluci v telekomunikacích a tvoří páteř globálního internetu, telefonních sítí a kabelové televize. Umožňují přenos obrovského množství dat na velké vzdálenosti mnohem rychleji a spolehlivěji než tradiční kovové vodiče. Kromě komunikací nacházejí široké uplatnění také v lékařství (např. endoskopie), v průmyslových senzorech, v letectví a pro dekorativní osvětlení.

📜 Historie a vývoj

Princip vedení světla lomem byl poprvé demonstrován již ve 40. letech 19. století, kdy jej pozorovali Daniel Colladon a John Tyndall na proudu vody. Za otce moderní vláknové optiky je však považován indicko-americký fyzik Narinder Singh Kapany. Ten v roce 1954 na Imperial College London poprvé experimentálně demonstroval přenos obrazu svazkem skleněných vláken a v roce 1960 zavedl termín "fiber optics" (vláknová optika).

Počáteční optická vlákna trpěla obrovským útlumem signálu (ztrátou světla), což znemožňovalo jejich použití na delší vzdálenosti. Zásadní průlom přišel v roce 1966, kdy Charles Kuen Kao a George Hockham, pracující v britských laboratořích STL, publikovali teoretickou práci. V ní dokázali, že vysoký útlum není způsoben samotným sklem, ale nečistotami v něm, především ionty kovů. Tvrdili, že po odstranění těchto nečistot by bylo možné snížit útlum na úroveň použitelnou pro telekomunikace. Za tento objev, který položil základy moderních optických komunikací, obdržel Charles Kao v roce 2009 Nobelovu cenu za fyziku.

Tato teorie motivovala výzkumníky, a již v roce 1970 tým vědců (Robert Maurer, Donald Keck a Peter Schultz) ve společnosti Corning Glass Works vyrobil první nízkoztrátové optické vlákno, čímž otevřel dveře pro jeho masové komerční využití.

🔬 Princip a konstrukce

Základním fyzikálním principem, který umožňuje vedení světla v optickém vlákně, je totální vnitřní odraz (TIR). K tomuto jevu dochází na rozhraní dvou průhledných materiálů s různým indexem lomu. Světlo se šíří jádrem vlákna, a když narazí na rozhraní s pláštěm pod dostatečně ostrým úhlem (větším než je tzv. mezní úhel), neodrazí se jen částečně, ale kompletně – jako od dokonalého zrcadla. To je možné díky tomu, že jádro má záměrně o něco vyšší index lomu než okolní plášť.

Typické optické vlákno se skládá z několika vrstev:

Jádro (Core): Centrální část vlákna, kterou se šíří světelný signál. Je vyrobeno z vysoce čistého skla (SiO₂) a má průměr v řádu mikrometrů (μm) – u jednovidových vláken typicky kolem 9 μm, u mnohovidových 50 nebo 62,5 μm.
Plášť (Cladding): Vrstva skla obklopující jádro. Má o něco nižší index lomu než jádro, což je klíčová podmínka pro vznik totálního vnitřního odrazu. Jeho průměr je standardizován na 125 μm.
Primární ochrana (Buffer/Coating): Pružná plastová vrstva (obvykle z akrylátu) o průměru 250 μm. Chrání samotné skleněné vlákno před mechanickým poškozením, poškrábáním a vlhkostí.

Tato základní struktura je následně v optickém kabelu doplněna o další ochranné vrstvy, jako je sekundární ochrana, aramidová vlákna pro pevnost v tahu a vnější plášť chránící před vlivy prostředí.

⚙️ Typy optických vláken

Optická vlákna se dělí podle několika kritérií, především podle počtu přenášených světelných paprsků (vidů) a profilu indexu lomu.

Podle vidového přenosu:

Jednovidové vlákno (Single-Mode Fiber, SMF): Má velmi tenké jádro (cca 8-10 μm), které umožňuje šíření pouze jednoho světelného paprsku (vidu). Tím se eliminuje tzv. vidová disperze, což umožňuje přenos signálu s velmi malým zkreslením na extrémně dlouhé vzdálenosti (stovky kilometrů). Používá se pro páteřní sítě, podmořské kabely a dálkové telekomunikační spoje.
Mnohovidové vlákno (Multi-Mode Fiber, MMF): Má širší jádro (typicky 50 nebo 62,5 μm), kterým se může současně šířit více světelných paprsků pod různými úhly. To způsobuje větší zkreslení signálu (disperzi), což omezuje dosah na kratší vzdálenosti (do cca 500 metrů až 2 km). Je levnější a používá se v lokálních sítích (LAN), datových centrech a pro propojování v rámci budov.

Podle profilu indexu lomu:

S krokovým indexem (Step-index): Mezi jádrem a pláštěm je skoková změna indexu lomu.
S gradientním indexem (Graded-index): Index lomu v jádře plynule klesá od středu směrem k plášti. Tato konstrukce snižuje zkreslení signálu u mnohovidových vláken, protože paprsky cestující delšími drahami se pohybují rychleji v prostředí s nižším indexem lomu.

💡 Výhody a nevýhody

Optická vlákna nabízejí oproti tradičním měděným kabelům řadu zásadních výhod:

Výhody:

Obrovská přenosová kapacita: Šířka pásma je o několik řádů vyšší, což umožňuje přenášet terabity dat za sekundu.
Nízký útlum: Signál může cestovat na vzdálenost desítek až stovek kilometrů bez nutnosti zesílení.
Odolnost vůči rušení: Protože přenáší světlo, nikoli elektrický proud, je zcela imunní vůči elektromagnetickému rušení (EMI), rádiovým frekvencím a přeslechům.
Vysoká bezpečnost: Odposlouchávání optického kabelu je extrémně obtížné, protože jakýkoli zásah do vlákna způsobí detekovatelné narušení signálu.
Malé rozměry a nízká hmotnost: Optické kabely jsou výrazně tenčí a lehčí než měděné kabely se stejnou kapacitou.
Materiálová dostupnost: Základní surovina, křemen, je jedním z nejhojnějších prvků v zemské kůře.

Nevýhody:

Křehkost: Samotné skleněné vlákno je křehké a při ostrém ohybu se může zlomit.
Vyšší náklady na instalaci: Vyžaduje specializované nástroje (např. svářečky optických vláken) a vyškolený personál pro instalaci a opravy.
Nižší dostupnost: Infrastruktura optických sítí, zejména v méně osídlených oblastech, stále není tak rozšířená jako metalické vedení.

🌐 Využití a aplikace

Díky svým unikátním vlastnostem se optická vlákna stala klíčovou technologií v mnoha odvětvích:

Telekomunikace a Internet: Tvoří globální páteřní sítě, propojují kontinenty pomocí podmořských kabelů a zajišťují vysokorychlostní připojení typu Fiber to the Home (FTTH).
Datová centra: Zajišťují ultrarychlé propojení mezi servery, úložišti a síťovými prvky.
Lékařství: Používají se v endoskopech pro zobrazení vnitřních orgánů, v laserové chirurgii pro přesné vedení laserového paprsku a v různých diagnostických senzorech.
Průmysl a senzorika: Vláknové senzory mohou měřit teplotu, tlak, pnutí a další veličiny v náročných prostředích, kde by elektronika selhala. Používají se také pro inspekci v těžko dostupných místech.
Vojenství a letectví: Zajišťují bezpečnou a proti rušení odolnou komunikaci v letadlech, lodích a vojenských zařízeních.
Osvětlení a dekorace: Svazky vláken se používají pro efektní osvětlení v architektuře, bazénech nebo jako "hvězdné nebe".
Vysílání: Přenos televizního signálu ve vysokém rozlišení, například ze sportovních stadionů.

🚀 Globální trh a budoucnost

Globální trh s optickými vlákny zažívá setrvalý růst, poháněný masivním rozvojem 5G sítí, Internetu věcí (IoT) a cloudových služeb, které vyžadují stále vyšší přenosové kapacity. Odhaduje se, že velikost trhu bude i v následujících letech výrazně stoupat.

Budoucnost technologie směřuje k dalším inovacím:

Vlákna s dutým jádrem (Hollow-core fibers): Světlo se v nich šíří vzduchem (nebo vakuem) uvnitř dutého jádra, což snižuje latenci a potenciálně i útlum. Tato technologie je slibná pro vysokofrekvenční obchodování a budoucí 6G sítě.
Prostorový multiplex (Space Division Multiplexing, SDM): Využití vláken s více jádry nebo schopných přenášet více vidů pro další navýšení kapacity jednoho vlákna.
Kvantová komunikace: Vývoj speciálních vláken pro bezpečný přenos kvantových klíčů (QKD), které zajistí teoreticky neprolomitelnou komunikaci.
Zelené inovace: Průmysl se zaměřuje na udržitelnější výrobní procesy a principy cirkulární ekonomiky.

🔎 Vysvětlení pro laiky

Představte si optické vlákno jako velmi dlouhou a tenkou zahradní hadici, která má zevnitř stěny pokryté dokonalým zrcadlem. Když na jeden konec této "zrcadlové hadice" posvítíte baterkou, světelný paprsek se bude odrážet od stěn a cestovat po celé délce hadice, dokud nevyjde na druhém konci ven, a to i když hadici ohnete. Světlo je jednoduše uvězněno uvnitř.

V opravdovém optickém vlákně není skutečné zrcadlo. Místo něj funguje chytrý fyzikální trik zvaný totální vnitřní odraz. Vnitřní část (jádro) a vnější vrstva (plášť) jsou vyrobeny z mírně odlišných druhů skla. Toto rozhraní funguje pro světlo jako jednosměrná brána – světlo pustí dovnitř, ale ven už ne, a donutí ho se dokonale odrazit zpět.

Informace, jako je film, webová stránka nebo váš hlas při telefonování, se převedou na sérii rychlých světelných pulzů (jako Morseovka pomocí baterky). Tyto pulzy pak cestují vláknem téměř rychlostí světla a na druhém konci je přijímač, který je opět přeloží zpět do původní podoby. Protože světlo je neuvěřitelně rychlé a vlákno tenké, můžeme jedním kabelem posílat obrovské množství informací najednou.

Zdroje