סיב אופטי

סיבים אופטיים

סיב אופטי הוא סיב מחומר שקוף (בדרך כלל זכוכית) המאפשר העברת אור מקצהו האחד לאחר, ומבוסס על העקרון הפיזיקלי הנקרא החזרה גמורה (או החזרה מלאה) של קרן אור. את הרעיון להשתמש בסיבי זכוכית להעברת מידע הגה הסיני צ'ארלס קאו (Charles Kao) כבר ב-1966. הוא הבחין ביתרונות של שיטה זו על פני העברת אותות חשמליים בכבלי נחושת, שבהם האות סובל מניחות גבוה ככל שהמרחק (אורך הכבל) גדל. ב-1970 יוצר הסיב האופטי הראשון על ידי מספר חוקרים בחברת הזכוכית האמריקאית קורנינג.

מבנה וטכנולוגיה

הסיב מורכב מליבה (core) ומעטפת (cladding) ששתיהן שקופות. מקדם השבירה של הליבה גבוה מעט מזה של המעטפת החיצונית ובכך יוצר מצב בו קרני האור "לכודות" בתוך הסיב ונעות לאורכו גם בפניות או בפיתולים. המעטפת מצופה בשכבת מגן דקה נוספת (jacket) עשויה מפלסטיק, שמטרתה להגן על המעטפת מפני שריטות ומכות (האור אינו מתקדם בתוך שכבה זו אלא רק בתוך שכבות הזכוכית הפנימיות). חוזק מכני מוקנה על ידי עטיפה בשכבת מגן נוספת (לרוב מקוולר) ששומרת על שלמות השכבות הפנימיות ומונעת כיפוף יתר. בתקשורת אופטית האותות בסיב האופטי הם בתחום האינפרה אדום בשלושה תחומים עיקריים של אורכי גל: סביב 850 ננומטר, סביב 1310 ננומטר, או סביב 1550 ננומטר. מאחר שהנחת כבלים אופטיים היא פעולה יקרה ומורכבת המצריכה תיאום בין גופים רבים, כבל אופטי מכיל בדרך כלל כמה עשרות סיבים אופטיים כדי למזער צורך בהחלפת הכבל. השימוש בסיבים בתקשורת הוא בדרך כלל בזוגות; סיב אחד משמש לשליחת נתונים והשני לקבלתם.

סיבים אופטיים נחלקים לשני סוגים:

• חד-אופַן (singlemode) - סיבים בהם מועבר מידע באופן (mode) יחיד על מנת למנוע הפרעות ולהגיע למרחקי שידור ארוכים. בסיבים אלו אפשר להעביר מידע למרחקים של מעל 100 קילומטר. הם נפוצים בעיקר ברשתות WAN, בין ערים, בין מדינות ובכבלים תת-מימיים. סיבי single mode לתקשורת הם בדרך כלל בעלי מעטפת בקוטר 125 מיקרון, וליבה בקוטר 9 מיקרון, והם עטופים בשכבת מגן בעובי 125 מיקרון. סיב כזה מסומן לעתים 9/125/250.
• רב-אופַן (multimode) - סיבים בהם מועבר מידע במספר אופנים במקביל. שיטה זו מוגבלת למדי, כיוון שבסיב כזה קיימים מספר מסלולים בהם יכול האור לעבור, ולכן פולס אור קצר בכניסה ימרח במוצא, מה שמגביל את קצב התקשורת בסיב ואת מרחק השידור. סיבי multimode זולים וקלים לייצור ולכן הם בשימוש ביישומים שבהם לא נדרש רוחב פס גבוה. בסיבים אלו משתמשים להעברת מידע למרחקים של 300 עד 500 מטר, הם נפוצים בשימוש במיוחד ברשתות מקומיות, בתוך בניינים או בין בניינים סמוכים. סיבי multimode עבים יותר מסיבי singlemode - הליבה שלהם היא בדרך כלל בקוטר 50 או 62.5 מיקרון.

מקובל להבדיל בין סיבי single mode לסיבי multimode על ידי שימוש במעטפת חיצונית בצבע שונה - צהוב ל-singlemode וכתום ל-multimode.

לסיב אופטי רמת ניחות נמוכה מאוד, עובדה המאפשרת מעבר מרחקים גדולים מאוד ללא צורך בהגברת האות. הנפיצה המעטה של הזכוכית מאפשרת העברת נתונים בקצבים גבוהים מאד. הטכנולוגיה מאפשרת כיום העברת נתונים בקצבים של עד 40 מיליארד (ג'יגה-ביט - Giga bit) סיביות לשנייה, אך באמצעות טכנולוגיות חדשות ושליחת נתונים במספר אורכי גל שונים בו זמנית (WDM), מתאפשרים קצבים הנמדדים באלפי מיליארדים (טרה-ביט - Tera bit) של סיביות בשנייה.

בקצה המשדר מוצב לייזר שהופך את האות החשמלי לאות אופטי, בקצה הקולט ממוקם מקלט - רכיב המשתמש בגלאי להמרת האותות האופטיים המתקבלים לאותות חשמליים.

עקרונות פעולה פיזיקליים

הסיב הוא מוליך גלים אופטי, כלומר: מעביר גלים בתחום הנראה (בפועל, גלים באורך גל של כ-800 ננומטר עד ל-1550 ננומטר). כמעט תמיד, הסיב מורכב מגליל דו-שכבתי, כאשר כל שכבה היא בעלת מקדם שבירה אחר, כאשר מקדם השבירה $n_{1}$ של השכבה הפנימית, הנקראת "ליבה", גדול מזה $n_{2}$ של השכבה העוטפת אותה, הנקראת "מעטה". לכן, כאשר אור נכנס לסיב ופוגע בדופן בזווית "טובה", הוא לא ישבר בתווך אלא יוחזר במלואו לתוך הסיב. תופעה זו נקראה החזרה פנימית מלאה והיא מבוססת על חוק סנל. כאמור, קרן האור תוחזר החזרה פנימית מלאה רק אם תפגע בדופן בזווית גדולה מספיק ביחס לאנך, כלומר: זווית ההתקדמות שלה ביחס לציר המרכזי של הסיב הגלילי, קטנה מערך מסוים הנקרא "הזווית הקריטית". את הזווית הקריטית של הסיב (לא לבלבל עם הזווית הקריטית שמוגדרת עבור החזרה גמורה) ניתן לבטא באמצעות חוק סנל ומקדמי השבירה של הסיב $\ n_{2}<n_{1}$ על ידי

שרטוט המציג מבנה של סיב, עם חרוט הקליטה שלו. קרן שנכנסת לסיב דרך החרוט נשמרת בתוכו כתוצאה מהחזרה פנימית מלאה, קרן שלא נכנסת דרך החרוט זולגת החוצה.

$\ \arccos {\theta _{c}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}={\frac {n_{\mathrm {clad} }}{n_{\mathrm {core} }}}$

אור יתקדם בזווית הקטנה מזווית זו בסיב אם ורק אם הוא יכנס לסיב בזווית הקטנה מ"זווית הקליטה" $\ \theta _{a}$. זווית זו, הנמדדת ביחס לציר של הסיב, יוצרת את מה שנקרא "חרוט הקליטה". אור שנכנס אל הסיב דרך חרוט דמיוני זה ישאר בו, אור שיכנס לסיב לא דרך החרוט יזלוג החוצה דרך המעטה. את זווית הקליטה אפשר לחשב על ידי

$\ NA=\sin {\theta _{a}}=n_{1}\sin {\theta _{c}}={\sqrt {n_{1}^{2}-n_{2}^{2}}}$

הגודל NA נקרא "מפתח נומרי" והוא מדד ליכולת קליטת האור (או הצימוד) של הסיב.

• מנחה גלים ואופני התקדמות
• צימוד אופנים
• גורמים להנחתה בסיב (זיהומי יוני הידרוקסיל, אינטראקציה עם החומר, פיזור ריילי)
• נפיצה בסיב

שימושים

אור מוחזר מסיב אופטי מאיר דגם בתערוכה

הסיבים האופטיים הם אחת המדיות המקובלות בתקשורת: בטלפוניה, ברשתות מחשבים, ובטלוויזיה בכבלים, בשל העובדה שהם גמישים וניתן להניח אותם בדומה לכבלי תקשורת אחרים המבוססים על נחושת. סיבים אופטיים משמשים גם לתאורה, בהעברת אור על פני מרחקים גדולים או כאשר אין מעבר ישיר בין מקור האור למקום המואר. בנוסף סיבים אופטיים משמשים ליצירת לייזר והגברתו.

יתרונות הסיב האופטי במערכות תקשורת ביחס לכבלי נחושת

• ניחות נמוך מאוד לעומת כבלי נחושת - מאפשר שימוש לטווחים ארוכים במיוחד ללא צורך בהגברה
• רוחב פס גדול מאוד, עובדה המאפשרת העברת כמות רבה של מידע
• משקל נמוך יותר
• קיום מגברים אופטיים שמסוגלים להגביר רוחב סרט גדול של כמה עשרות טרה הרץ
• הסיב אינו פולט קרינה אלקטרומגנטית ולכן קשה מאוד להאזין לו או לגלות מידע שעובר על גבי הסיב
• חסין כנגד הפרעות חיצוניות
• לא רגיש למים/לחות - חשוב במיוחד לכבלים תת-קרקעיים או תת-ימיים

סיבים אופטיים משמשים גם ברפואה. במכשיר הנקרא אנדוסקופ (endoscope) צופים באיברים פנימיים בגוף האדם על ידי השחלת סיב אופטי דרך פתח קטן. בנוסף, משתמשים בסיבים אופטיים כדי להאיר אזורים שאין איתם קו ראייה ישיר. מכשירים אלו משמשים גם בתעשיות אחרות בהן יש צורך לבחון אזורים לא נגישים, כגון במערכת צינורות או במנועי סילון. שימוש אחר הוא להעברת לייזר בניתוחים, במיוחד בניתוחי עיניים. שימוש נוסף הוא ליצירת לייזרים מסוימים.

סיבים אופטיים משמשים גם בצעצועים ליצירת אפקטים ויזואליים ובארכיטקטורה על מנת להעביר את אור השמש לחללים פנימיים. בסיבים אופטיים משתמשים גם בבניית מבנים חכמים, שבהם משתמשים בסיב כגלאי של שינויי טמפרטורה או לחץ.

ראו גם

• גלבו
• V number
• מונחים ברשת מחשבים
• חוק סנל
• גירוסקופ סיב אופטי
• תקשורת אופטית
• צימוד סיבים אופטיים

קישורים חיצוניים

• תבנית:אנציקלופדיה ynet
• קובץ PDF באתר פרס נובל המסביר את הסיבה למתן פרס נובל בפיזיקה לשנת 2009 למפתח התקשורת האופטית
• תבנית:הידען2