OPTISET KUIDUT KEMIA JA YMPÄRISTÖ Jesse Peurala ja Reijo Tolonen 0401422 ja 0501128 TP05S, ryhmä C
SISÄLLYS SISÄLLYS...2 1 Johdanto...1 2 Valon taittuminen...1 3 Optisten kuitujen lasi ja kuidun rakenne...2 4 Kuitutyypit...3 5 Dispersio...3 6 Tiedon kulku...4 LÄHTEET...5
1 1 Johdanto Optinen tiedonsiirto on signaalin siirtämistä valon muodossa optista kuitua pitkin. Lähettäjä muuntaa signaalin valonmuotoon ja vastaanottaja muuntaa valon takaisin sähköiseen muotoon. Optista kuitua käyttäen on päästy huomattavasti suurempiin tiedonsiirtonopeuksiin ja optista tarkkuutta hyväksikäyttäen tiedonsiirrossa tapahtuu vain vähän tiedonsiirtovirheitä. Optinen kuitu on hyvää vauhtia korvaamassa perinteiset kuparista tehdyt parikaapelit tiedonsiirtoverkoissa. 2 Valon taittuminen Optiset kuidut koostuvat ytimestä ja vaipasta. Sekä ydin ja vaippa ovat tehty kvartsilasista ja ytimeen on lisätty hieman epäpuhtauksia, jotta sillä olisi suurempi taitekerroin. Taitekerroin on olennainen asia valokuiduissa. Valon etenemisnopeus väliaineessa on kääntäen verrannollinen taitekertoimen reaaliosaan. Taitekertoimen imaginääriosa kertoo miten valo absorboituu eli muuttuu lämmöksi aineessa. Kuva 1. Snellin lain skematiikka Snellin laki kuvaa valon taittumista kahden aineen rajapinnalla. Matemaattinen esitys taittumislaille on: missä, α on tulokulma (Aineesta A, aineeseen B). β on taitekulma. n AB aineiden A ja B rajapinnan taitesuhde. Snellin lain perusteella voidaan laskea oikea taitekerroin optiselle kuidulle. Taitekertoimen määrittäminen on tärkeää, jotta saavutetaan hyvä tiedonsiirtokapasiteetti. Kuidulla pitää olla mahdollisimman vähän vaimennusta.
2 3 Optisten kuitujen lasi ja kuidun rakenne Optinen kuitu valmistetaan kvartsista n. 1 m:n pituista ja 18 100 mm paksua sauvaa venyttämällä. Lasisauvan lämpötila on huomattavan korkea (yli 2000 ºC), jotta metrin mittaisesta lasisauvasta saataisiin 250 km valokuitua. Lyhyillä siirtomatkoilla voidaan käyttää muovisia kuituja, joissa on paljon suurempi vaimennus. Vaipan halkaisija on yleensä 125 mikrometriä ja ytimen 3-50 mikrometriä. Itse lasikuitu on arka mekaaniselle rasitukselle, joten vaipan ympärillä on muovipäällyste, joka suojaa kuitua. Vieressä on kuva yksimuoto kuidun rakenteesta. Kuidun valmistuksen reaktioyhtälö onkin muotoa: SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2 Cl 2 Sähköisesti tarkasteltuna lasi on eriste. Tästä johtuen kuidut ovat lähes immuuneja elektromagneettisille häiriöille. Kuidut eivät myöskään säteile ulospäin eikä näin aiheuta ylikuulumista. Myöskään maadoitusongelmia ei ole, koska galvaanista yhteyttä ei tarvita. Kuitu on myös tunteeton sähköverkon ylijännitteille ja salamaniskuille. Optiset järjestelmät sopivat siis hyvin esimerkiksi teollisuusympäristöihin. Lasin tärkein komponentti on niin sanottu lasinmuodostaja. Lasin muodostaja on yleensä oksidi (hapen ja jonkin alkuaineen yhdiste), jossa on voimakkaasti Kuva 2. Yksimuotokuidun rakenne sitoutunut rakenneyksikkö. Rakenneyksikkö voi olla säännöllinen tai epäsäännöllinen ja erilaisia lasityyppejä on satoja. Tavallisimmat lasityypit ovat silikaatteja (piin ja hapen yhdiste), mutta myös B 2 O 3, P 2 O, GeO 2 muodostavat laseja. Tavallinen käyttölasi on soodakalkkilasia. Lasin ominaisuuksia voidaankin muuttaa sopivilla lisäaineilla riippuen siitä mitä materiaalilta halutaan, esim. lyijyoksidia lisäämällä saadaan raskasta lasia, jolla on alhainen sulamispiste ja suuri taitekerroin. Tietoliikenteessä käytettävien lasien toiminta perustuu valon kokonaisheijastumiseen. Kokonaisheijastuminen on ilmiö, jossa aaltoliike heijastuu täydellisesti saapuessaan aalto-opillisesti harvemman aineen rajapintaan, esim. näkyvä valo voi kokonaisheijastua saapuessaan lasista ilmaan mutta ei koskaan päinvastoin. Optiset kuidut koostuvatkin lasisesta kuitusydämestä, joka on pinnoitettu pienemmän taitekertoimen omaavalla lasilla. Koko lasikuitu suojataankin vielä yleensä muovipinnoitteella (Kuva 2). Kuitukaapelin lisäksi tarvitaankin valolähetin (LED tai laser) ja valovastaanotin (valodetektori).
3 Kuituoptiikan lasin on oltava erittäin puhdasta lasia, sillä epäpuhtaudet absorboivat valoa ja aiheuttavat ei-toivottua vaimennusta. Ytimen taitekerrointa voidaan nostaa lisäämällä ytimeen pieniä määriä germaniumia ja kuorikerrokseen pieni määrä fluoria taitekertoimen alentamiseksi. 4 Kuitutyypit 5 Dispersio Kuidut jaotellaan eri tyyppeihin taiteprofiilin ja valon etenemistavan perustella. Valon etenemisen kannalta on havainnollista esitellä kolme eri kuitutyyppiä: - askeltaitekertoiminen monikuitu eli askelkuitu - asteittaistaitekertoiminen monikuitu eli asteittaiskuitu - yksimuotokuitu. Nykyään ei käytännössä käytetä askelkuituja. Niissä valo heijastuu suoraan verrannollisena tulokulmaan, koska ytimen halkaisija on huomattavasti suurempi kuin käytetyn valon aallonpituus. Valon aallonpituudesta riippuen valo etenee kuidussa eri kulmissa heijastellen. Eri taajuuksilla valolla on eri matka kuljettavana joten pulssi levenee edetessään ja syntyy muotodispersiota (yksimuotokuidussa muotodispersiota ei ole). Muotodispersio tarkoittaa nimenomaan sitä, että eri valon säteet kulkevat eri reittiä kulkuaika vaihtelee pulssi levenee. Alla oleva kuva kuvaa syöttösignaalia (input) ja tulon signaalia (output). Kuva 3. Dispersion periaate Dispersio voidaan myös laskea. Muotodispersion matemaattinen esitys on seuraava: missä, Δt on kulkuaikaero. L on kuidun pituus.
4 n 1 on kuidun ytimen taitekerroin. n 2 on vaipan taitekerroin. c valon nopeus ilmassa. 6 Tiedon kulku Valolähetin lähettää valon valovälähdyksinä, koska puolijohdelaserin valo moduloidaan värähtelemään informaation tahdissa. Valosignaali kulkee koko matkan ydinkerroksessa. Törmätessään ulkokerrokseen valo heijastuu kokonaan takaisin ydinkerrokseen. Näin valo ei koskaan pääse karkaamaan ulos kuidusta. Valo heijastuu kuidussa matkalla kohteeseensa useita kertoja. Valosignaalin saavuttua kohteeseen valodetektori muuttaa valon uudelleen sähköisiksi signaaleiksi.
5 LÄHTEET 1. Antila, A-M., Karppinen, M., Leskelä, M., Mölsä, H. & Pohjakallio, M.: Lasi ja optiset kuidut. Tekniikan kemia, 2000. 2. Anttalainen, Tarmo.: Distortion. Introduction To Telecommunications Network Engineering, Artech House, 2003. 3. Peltonen, H., Perkkiö, J. & Vierinen, K.: Kaavakokoelma, osa 2. Insinöörin (AMK) fysiikka, osa 2, Lahden Teho-Opetus, 2001. 4. Snellin laki. (WWW-dokumentti.). Wikipedia. <http://fi.wikipedia.org/wiki/snellin_laki>. 9.3.2007. Luettu: 25.3.2007