Zuntz optiko

Zuntz optikoa argia mutur batetik bestera transmititu dezakeen zuntz malgu bat da, normalean beiraz edo plastikoz eginda dagoena. Telekomunikazioetan distantzia luzeetarako erabiltzen diren zuntzak beti beirazkoak dira: plastikozkoak ordenagailuetan eta distantzia laburreko beste aplikazio batzuetan erabiltzen dira, ordea, horiek atenuazio handiagoa baitute. Argi-iturria gehienetan laser bat edo LED bat izaten da. Zuntz optikoak erabilera zabala aurkitu du telekomunikazioen munduan, metalezko kableekin alderatuz abiadura bitar (bit/s) handiagoa eta distantzia handiagoko transmisioa eskaintzen duelako. Zuntz optikoa metalezko kableen ordez erabiltzen da seinaleek atenuazio txikiagoa jasaten dutelako; gainera, metalezko kableetan ez bezala, interferentzia elektromagnetikoak ez du eraginik zuntz optikoetan. ^[1] Zuntz optikoa beste arlo batzuetan ere erabiltzen da, esate baterako, medikuntza arloan.

Orokorrean, zuntz optikoen nukleoa estaldura batez estalita dago, errefrakzio-indize baxuagoa duena. Argi-izpia nukleotik garraiatzea barne islapen osoa izeneko fenomenoagatik lortzen da, zuntza uhin-gidari dielektriko baten modura jokatuz^[2]. Hedapen-bide edo zeharkako modu bat baino gehiago ahalbidetzen duen zuntz optikoei modu anitzeko zuntz deritze, eta modu bakarra ahalbidetzen duten zuntzei modu bakarreko deritze. Modu anitzeko zuntzen diametroa modu bakarreko zuntzen diametroarekin konparatuz handiagoa izaten da,^[3] eta normalean distantzia laburreko komunikazioetan eta potentzia altua transmititzeko beharra duten loturetan erabili ohi dira. Modu bakarreko zuntz optikoak 1000 m baino gehiagoko loturetan erabiltzen dira.^[4]

Historia

Charles Kao-k, bere doktoretza-tesian (1966), komunikazio loturetan erabilgarri izateko, zuntz optikoak gehienez izan zezakeen galera 20 dB/km zela jo zuen. 1970ean Corning Glass Works-enko Maurer, Keck, Schultz eta Zimar ikertzaileek lehenengo zuntza egin zuten, silizioa titanioarekin dopatuz. Galerak 17 dB/km ziren.

1980. urtean, AT&T AEBtako komunikazio erakundeak aurkeztutako proiektu batean, Boston-Washington ibilbidearen arteko hiri guztiak elkarrekin konektatzeko 978km-ko zuntz kablea erabili zuen, 80.000 aho kate eskainiz, telefono deiak gauzatzeko.

Zuntz optikoa erabili zuen lehen lotura transozeanikoa TAT-8 izan zen. 1988an ezarri zenetik, ugariak izan dira zuntz bidez egindako modu horretako loturak, baita hirien artekoak ere, eta poliki-poliki haren erabilera operadoreen enbor sareetatik azken erabiltzaileetaraino hedatuz doa.

Funtzionamenduaren oinarriak

Zuntz optikoaren nukleoa eta estaldura.

Zuntz optikoa uhin-gidari dielektriko bat da, argi ikusgaiaren frekuentzia-tartean lan egiten duena. Zuntza bi atal bereizgarriz osatuta dago: nukleoa eta estaldura. Argia garraiatu ahal izateko, nukleoaren errefrakzio-indizea estaldurarena baino handiagoa izan behar da, barne islapen osoa izeneko fenomenoa gerta dadin.

Errefrakzio-indizea

Errefrakzio-indizea da argiak ingurune bat zeharkatzen duenean honek daukan abiadura neurtzeko modu bat. Argiak hutsetik bidaiatzen duenean haren abiadura maximoz hedatzen da (300.000 kilometro segundoko). Ingurune baten errefrakzio-indizea argiaren abiadura hutsean argia ingurune horretatik hedatzean daukan abiaduraz zatituz kalkulatzen da. Hutsaren errefrakzio-indizeak definizioz 1eko balioa du. Zenbat eta handiagoa ingurune baten errefrakzio-indizea, orduan eta txikiagoa argiaren abiadura ingurune horretatik hedatzean^[5].

Nukleoa eta estaldura banatzen dituen trantsizioaren arabera, bi motatako zuntzak bereizten dira: indize-jauzi zuntz optikoa eta indize gradualeko zuntz optikoa.

Indize-jauzi zuntz optikoa: zuntz osoan zehar nukleoaren errefrakzio-indizea konstante mantentzen da simetria-ardatzarekiko.

Indize gradualeko zuntz optikoa: nukleoaren errefrakzio-indizea txikitzen doa simetria-ardatzetik urruntzen doan arabera.

Barne islapen osoa

Argiak bi ingurune banatzen dituen muga angelu batekin eraso egiten duenean (angelu kritikoa baino handiagoa), argia guztiz islatzen da. Fenomeno honi barne islapen osoa deritzo. Fenomeno hau argia zuntzaren barrualdean mantentzearen oinarria da. Argia zuntzaren nukleotik hedatzen da, nukleoa eta estalkia banatzen dituen mugan talka egiten du eta islatu egiten da. Prozesu hau behin eta berriro gertatzen da hartzaileraino heldu arte.^[6]

Bi argi-izpien irudikapena zuntz optikotik hedatzen. Irudi honetan barne islapen osoa izeneko fenomenoa ikus daiteke ("a" izpia).

Nukleoaren eta estalduraren arteko muga jotzen duen argi-izpiaren angelua angelu kritikoa baino handiagoa izan behar denez, soilik angelu-tarte batekin zuntzaren barrualdera sartzen diren argi-izpiak izango dira gai zuntzetik hedatzeko. Angelu-tarte honi zuntzaren onarpen-kono deritzo. Sarrerako angelu maximo bat dago (zuntzaren simetria-ardatzetik neurtuta), argia zuntzetik hedatzeko gai izan dadin. Angelu maximo honen sinuari sarrera-angeluaren sinu (ingelesez numerical aperture, NA) deritzo. Onarpen-konoaren tamaina zuntzaren nukleoaren eta sarrerako ingurunearen errefrakzio-indizeen arteko aldearen funtzio bat da.

Zeharkako moduak

Zuntz optikotik aldi berean hedatu daitezkeen argi-izpi kopuruari zeharkako modu deritze. Honen arabera, bi motatako zuntz optikoak bereizten dira: modu bakarreko zuntza eta modu anitzeko zuntza:

Modu bakarreko zuntz optikoa

Modu bakarreko zuntz optikotik argi-izpi bat soilik heda daiteke aldi berean. Hau nukleoaren diametroa txikituz lortzen da, 8,3 eta 10 μm arteko diametroa lortu arte. Izpiaren hedapena zuntzaren simetria-ardatzarekiko paraleloa da. Modu anitzeko zuntz optikoarekin konparatuz, distantzia handiagoko loturak (gehienez 400 km, potentzia altuko laser bat erabiliz) eta abiadura altuagoak (10 Gbit/s) lortzea ahalbidetzen ditu.

Modu anitzeko zuntz optikoa

Modu anitzeko zuntz optikotik argi-izpi bat baino gehiago hedatu daitezke, bakoitzak bide ezberdin bat jarraituz. Hori dela eta, izpi bakoitza une ezberdinean helduko da hartzailera. Modu anitzeko zuntz optiko batek 1000 hedapen-modu baino gehiago izan ditzake. Modu anitzeko zuntzak distantzia laburreko aplikazioetan (2 km baino gutxiago) erabili ohi dira.

Zuntz optikoko kableen egitura

Egituraren arabera, bi motatako kableak bereizten dira:

Egitura zabaleko kablea

Kable mota honek errefortzuko elementu bat dauka. Kablearen barrualdean hodi ezberdinak kokatzen dira. Hodi bakoitzak bi eta hiru milimetroren arteko diametroa du, eta bakoitzak zuntz multzo bat darama barruan. Hodiak hutsik edo gel hidrofugo batez beteta daude; azken honek hezetasunaren kontra egiten du, zuntz optikoak urarengandik babestuz. Egitura guztia babes-estalki batez bilduta dago. Egitura zabaleko egitura zuntz optikoak kanpoaldetik eragindako indar mekanikoetatik babesten ditu. Errefortzuko elementua hurrengoa izan daiteke:

Hagaxka malgu bat, metalikoa zein dielektrikoa izan daitekeena.
Aramidaz (poliamida aromatikoa, ingelesez aromatic polyamide) edo beiraz egindako harien multzoak, kablearen simetria-ardatzaren inguruan kokatzen direnak.

Egitura estuko kablea

Egitura zabaleko kablea baino malguagoa da eta kurbatura-erradio txikiagoa du. Zuntz optikoak erdiko elementu baten inguruan kokatzen dira, eta egitura osoa elementu babesle batez biltzen da. Zuntz optiko bakoitza 250 μm-eko estalki batez inguratuta dago, 900 μm-eko diametrora heldu arte. Estalki hau plastikoz eginda dago eta, zuntza babestu ez ezik, euskarri fisikoa ere bada. Honek instalatzeko kostua murrizten du.

Abantailak eta desabantailak

Zuntz optikoak abantaila asko eskaintzen ditu:

Abantailak

Transmisio-abiadura altuak (1 Gbit/s baino gehiago) distantzia handietan (1 km baino gehiago) ahalbidetzen ditu.
Atenuazio txikia eragiten du, distantzia handiko loturak ahalbidetzen ditu seinalea anplifikatu edo birsortu behar gabe.
Dimentsio eta masa txikikoa da.
Kostu materiala txikia da.
Interferentzia elektromagnetikoek ez dute eraginik, transmisioaren kalitatea bermatzen duena.
Segurtasun handia: zuntz optikoan bidegabe sartzeak atenuazioa eragiten du argian, hau detektatzeko erraz egiten duena; gainera, ez du kanpoaldera irradiatzen, konfidentzialtasun altua behar duten aplikazioetako garrantzitsua dena.
Kable bereko kanalen arteko diafonia mesprezagarria da.
Beroarekiko, hotzarekiko eta korrosioarekiko indartsua.

Desabantailak

Izan ere, zuntz optikoak ere desabantaila batzuk dauzka:

Zailagoa eta garestiagoa da zuntz optikoen arteko loturak egitea, metalezko kableekin alderatuz.
Zuntz optikoa metalezko kable bat baino hauskorragoa da.
Konbertsio elektriko-optikoa egiteko beharra, baita alderantzizkoa ere.
Argiak ez duenez balio negatiborik hartzen, ez da posiblea balio positibo eta negatiboetan oinarritzen den kodifikaziorik erabili.
Erradiazio ionizatzaileari sentikorra da.

Kableak alderazteko taulak

Irizpideak	Pare kordatua	Banda zabaleko ardazkidea (mehea)	Banda zabaleko ardazkidea (lodia)	Zuntz optikoa
Banda-zabalera (0-N Hz)	Erdiko	Erdiko	Altu	Oso altua
Datu-transferentziaren fidagarritasuna	Baxu	Altu	Altu	Oso altua
Interferentzia probabilitatea	Altua	Erdiko	Baxu	Bat ere ez
Transmisioaren segurtasuna	Baxu	Baxu	Baxu	Altu
Luzera	Baxu	Erdiko	Altu	Oso altua
Instalazioa	Erraza	Erraza	Erdiko	Oso zaila

Beste irizpideekin:

Irizpideak ''''	Pare kordatua (10BaseT)	Ardazkide mehea (10Base2)	Ardazkide lodia (10Base5)	Zuntz optikoa
Prezioa	Merkeena	Pare kordatua baino garestiagoa	Ardazkide mehea baino garestiagoa	Garestiena
Gehienezko luzera erabilgarria*	100* metro	185 metro	500 metro	2* kilometro
Transmisio-abiadura**	10-100 Mb/s	10-100 Mb/s	10-1000 Mb/s edo eghaigo	1-2Gb/s edo gehiago
Kablearen malgutasuna	Malguena	Pare kordatua baino malgutasun gutxiago	Pare kordatua baino malgutasun gutxiago	Ez malgua
Instalazioa	Oso erraza	Erraza	Erraza	Zaila
Interferentzien kontrako babesa	Txarra	Ona	Ona	Oso ona
Errepikagailuen arteko distantzia	2-10 km	1-10 km	1-10 km	10-100 km
Konektore mota	RJ-45 (ISO 8877)	BNC	AUI	SC, ST
Transmisioren segurtasuna	Gutxi	Gutxi	Gutxi	Asko
Erabilera nagusiak	Bulegoko ia sare guztietan (ethernet). UTP: instalazio txikietan STP: Token Ring sareko edozein tamainetan	Segurtasun handiko instalazio erdi eta handietan	Segurtasun handiko instalazio erdi eta handietan	Abiadura eta segurtasun handiko edozein motatako instalazioetan

* Teknologia aurreratzen doan heinean gehienezko luzera handitzen da.

** Kable batentzako transmisio-abiadurak ez daude hertsiki mugatuak (hau da, abiadura muga gaindi daiteke)

Zein lekutarako erabilgarriak:

Kable mota	ERABILI	EZ ERABILI
Pare kordatua	Instalazio errazetan non ekipoen arteko konexioak errazak gertatzen diren	LAN sareak uhin elektromagnetikoen aurka babesa behar duenetan
Kable ardazkidea	Distantzia handiagoko transmisioak egiteko	Ekipoak lekuz maiz aldatzen direnetan
Zuntz optikoa	Datuak distantzia handietan, abiadura handiz eta modu seguruan bidali nahi direnean	Aurrekontu apala. Ez baduzu eskarmenturik honelako gailuak instalatzen.

Zuntz optikoaren beste erabilera batzuk

Medikuntzan eta industrian erabil daiteke uhin gida moduan, begi hutsez ikusten ez den jomuga batera iristeko.
Tentsioa, tenperatura, presioa eta beste hainbat parametro neurtzeko sentsore gisa erabil daiteke.
Hari horiek lente batzuekin batera erabiliz, endoskopio izeneko ikusarazpen tresna mehe eta luzeak sortzen dira. Hauek medikuntzan erabiltzen dira objektuak zulo txiki batean zehar ikusteko. Endoskopio industrialek antzeko erabilera dute, adibidez, turbinen barnealdea aztertzea.
Dekoraziorako ere erabiltzen da zuntz optikoa, hala nola, Eguberriko zuhaitzetan.

Erreferentziak

↑ Senior, John M.; Jamro, M. Yousif. (2009). Optical fiber communications: principles and practice. (3. ed. argitaraldia) Prentice Hall, 7-9 or. ISBN 978-0-13-032681-2. (Noiz kontsultatua: 2023-11-29).
↑ Senior, John M.; Jamro, M. Yousif. (2009). Optical fiber communications: principles and practice. (3. ed. argitaraldia) Prentice Hall, 12-14 or. ISBN 978-0-13-032681-2. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).
↑ Fricke, J.. (1973-01). «The Optical Industry and Systems Directory, herausgegeben von der Optical Publishing Co., Inc. (Lenox Rd, Pittsfield, Ma 01201, USA), 19. Ausgabe 1972/73, in Europa $ 32.00» Physik in unserer Zeit 4 (4): 129–129. doi:10.1002/piuz.19730040407. ISSN 0031-9252. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).
↑ Fujii, Yohji. (1997-03-01). «High-isolation polarization-insensitive N-port optical circulator» Applied Optics 36 (7): 1573. doi:10.1364/ao.36.001573. ISSN 0003-6935. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).
↑ Paschotta, R.. (2006). «Laser Physics - an encyclopedia article» RP Photonics Encyclopedia (RP Photonics AG) (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).
↑ (Ingelesez) Gloge, D.. (1971-10-01). «Weakly Guiding Fibers» Applied Optics 10 (10): 2252. doi:10.1364/AO.10.002252. ISSN 0003-6935. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).

Ikus, gainera

Kanpo estekak

Datuak: Q162
Multimedia: Optical fibers / Q162

[1] Senior, John M.; Jamro, M. Yousif. (2009). Optical fiber communications: principles and practice. (3. ed. argitaraldia) Prentice Hall, 7-9 or. ISBN 978-0-13-032681-2. (Noiz kontsultatua: 2023-11-29).

[2] Senior, John M.; Jamro, M. Yousif. (2009). Optical fiber communications: principles and practice. (3. ed. argitaraldia) Prentice Hall, 12-14 or. ISBN 978-0-13-032681-2. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).

[3] Fricke, J.. (1973-01). «The Optical Industry and Systems Directory, herausgegeben von der Optical Publishing Co., Inc. (Lenox Rd, Pittsfield, Ma 01201, USA), 19. Ausgabe 1972/73, in Europa $ 32.00» Physik in unserer Zeit 4 (4): 129–129. doi:10.1002/piuz.19730040407. ISSN 0031-9252. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).

[4] Fujii, Yohji. (1997-03-01). «High-isolation polarization-insensitive N-port optical circulator» Applied Optics 36 (7): 1573. doi:10.1364/ao.36.001573. ISSN 0003-6935. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).

[5] Paschotta, R.. (2006). «Laser Physics - an encyclopedia article» RP Photonics Encyclopedia (RP Photonics AG) (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).

[6] (Ingelesez) Gloge, D.. (1971-10-01). «Weakly Guiding Fibers» Applied Optics 10 (10): 2252. doi:10.1364/AO.10.002252. ISSN 0003-6935. (Noiz kontsultatua: 2023-12-03).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]