Az optikai kábelek olyan huzalok vagy szálak, amelyeket üveg vagy műanyag anyagokból készítenek, és azokon belül fényhullámokat továbbítanak. Ezekkel a kábelekkel az információt (például hang, adat vagy kép) nagy sebességgel és nagy távolságokon át lehet továbbítani.
Az optikai kábelek alapvetően két fő típusra oszthatók:
Egyenletes sűrűségű optikai kábelek: Ezek a kábelek olyan üvegszálas vagy műanyagszálas szálakból állnak, amelyekben a fény az egész szál hosszán áthalad. Ezeket gyakran adatátviteli vagy telekommunikációs hálózatokban használják. Gyűjtőlencsés optikai kábelek: Ezek a kábelek szintén optikai szálakból állnak, azonban ezeknél a szálaknál a fényt sok kicsi gyűjtőlencse segítségével továbbítják. Ezeket gyakran olyan területeken alkalmazzák, ahol a nagyobb rugalmasság vagy speciális terjedési tulajdonságok fontosak, mint például orvosi képalkotó eszközökben.
Az optikai kábeleknek számos előnye van az elektromos vezetékekkel szemben, többek között:
Magas sebesség: A fény nagy sebességgel halad át az optikai kábeleken, lehetővé téve a gyors adatátvitelt. Nagy adatátviteli kapacitás: Az optikai kábelek nagy mennyiségű adatot képesek továbbítani. Nincs elektromágneses interferencia: Mivel fényt használnak a jelátvitelre, az optikai kábelek nem érzékenyek az elektromágneses interferenciára vagy zajra, így stabilabb jelátvitelt biztosítanak.
Ezeket a kábeleket széles körben alkalmazzák a telekommunikációban, az internet-hozzáférésben, az orvosi képalkotó eszközökben, az adatközpontokban és sok más területen, ahol gyors és megbízható adatátvitelre van szükség.bélyegkép|180px|Optikai szálak bélyegkép|180px|Optikai kábel négy optikai szállal
Az optikai szál egy igen tiszta, néhány tíz (a technológia megjelenése idején még néhány száz) mikrométer átmérőjű üvegszálból és az ezt körülvevő, kisebb optikai törésmutatójú héjból álló vezeték. Működési elve a fénysugár teljes visszaverődésén alapul: A fénykábel egyik végén belépő fényimpulzus a vezeték teljes hosszán teljes visszaverődést szenved, így a vezeték hajlítása esetén is – minimális energiaveszteséggel – a szál másik végén fog kilépni.
Ezt a tulajdonságot kihasználva az optikai szálak rendkívül alkalmasak digitális információ-továbbításra. A fényimpulzusoknak köszönhetően hatékonyabbak, mint a hagyományos rézvezetőjű csavart érpáras UTP-kábelek. A telekommunikációban jóformán minden hosszútávú gerinchálózat optikai kábeleket használ az adattovábbításra hatékonysága, valamint nagy távolságokon az egységnyi sávszélességre jutó jóval alacsonyabb fajlagos költségei miatt.
Története Az üvegszál digitális távközlési vonalként történő alkalmazása 1966-ban merült fel. Akkoriban még a kilométerenkénti csillapítása (jelveszteség) több száz decibel volt, ami mára már az elfogadható 0,2 dB/km érték alá csökkent.
Működési elve, alapvető jellemzők Az optikai szál egy olyan hengeres, szigetelt, könnyen hajlítható szál, amely fényt továbbít az üvegmag belsejében, a teljes fényvisszaverődés elve alapján. A szál egy üvegmagból áll, amelyet egy védőréteg vesz körül – ezt héjnak nevezzük. Azért, hogy az optikai jel teljes fényvisszaverődéssel a magban terjedjen tovább (vagyis a szálból ne lépjen ki), a mag törésmutatójának nagyobbnak kell lennie, mint a héjnak.
A határ a mag és a védő réteg között lehet hirtelen, mint az egymódusú szálnál, vagy lehet fokozatos átmenetű, mint a multimódusú szál esetében. A nagy magátmérőjű szálat multi-módusú szálnak nevezzük, az elektromágneses analízis alapján. A bevezetett fénysugarak a mag belső fala tengelyének irányában halad végig a szál mentén a teljes visszaverődés miatt. A mag és védőréteg határához nagy szögben érkező sugarak (a határhoz párhuzamosan húzott vonalhoz képest nagy szögben) teljesen visszaverődnek. A teljes visszaverődés által meghatározott visszaverődési határszöget (a legkisebb szög, amelynél a fénysugár még teljes mértékben visszaverődik) az üvegmag és a héj anyagainak törésmutatójának aránya határozza meg.
thumb|500px|center|Visszaverődések a szál belsejében A szál hossza L, átmérője D. Essen a szál (tengelyre merőleges) véglapjára egy, a tengellyel szöget bezáró sugár. Ez a sugár törés után a tengellyel szöget bezárva halad tovább, tehát az oldalfalra szögben esik be. A csapdázódás feltétele tehát, hogy .
Fontos kérdés, hogy egy éppen határszögben beeső sugár hányszor verődik vissza egy L hosszúságú szálban? Ezt rögtön megkapjuk, ha a két szomszédos visszaverődés közötti távolságot összehasonlítjuk a szál hosszával. Tehát ha egy L hosszúságú szálban a visszaverődések száma N, akkor az az alábbi módon számítható ki:
, amiből következik, hogy . Ebből pedig .
Reflexióképesség Vegyünk példának egy 1 méter hosszú, 50 μ átmérőjű, üvegből készült optikai szálat (). A teljes visszaverődés határszöge ekkor , tehát , amiből . Vizsgáljuk meg, hogy mi a kapcsolat a szálban fellépő veszteség és a visszaverődés hatásossága között. A visszaverődés hatásosságát az R reflexióképességgel szokás jellemezni. R-t a következőképpen szokás definiálni:
, ahol a felületre beeső, a felület által visszavert fény intenzitása.
Az első visszaverődés után a fény R-szerese halad tovább a fényszálban, míg az n-edik visszaverődéssel -szerese. Egy nem túl jó minőségű optikai szálon a fény 99%-a jut keresztül, ami a fenti adatokat felhasználva azt jelenti, hogy , amiből pedig az következik, hogy R értéke nagyobb mint 0,9999995. Összehasonlításképp a legjobb minőségű tükrök reflexiós képessége körülbelül 0,97 – és nem szabad elfelejteni, hogy itt egy rossz minőségű optikai szál adatait vettük alapul.
Numerikus apertúra A kis szögben érkező sugarak átlépnek az üvegmagból a héjba, ahol már nem tudnak végighaladni, elvesznek a héjban. Ebben az esetben, a visszaverődési határszög meghatározza a szál befogadó szögét, amit gyakran numerikus apertúrának neveznek. A magas numerikus apertúrával rendelkező optikai szálat könnyebben lehet csatlakoztatni az optikai vevőhöz vagy adóhoz. Azonban azzal, hogy megengedjük, hogy több fénysugár is haladjon a szálban – és így különböző szögekben terjedjenek a fénysugarak –, a nagy numerikus apertúra miatt nő a bejárt utak száma, és ezzel nő a szórás (diszperzió) is. Ez utóbbi miatt a különböző utakon terjedő jelek különböző idő alatt érnek a szál végére, ami nagy távolság esetén jeltorzuláshoz vezethet.
A szálak típusai thumb|center|400px|Fentről lefelé: Multimódusú lépcsős indexű, multimódusú gradiens indexű, valamint egymódusú lépcsős indexű szál
Multimódusú szálak A többmódusú szálakkal indult meg az optikai szálak fejlődése. Ezekben a fent leírt működési alapelvek jellemzőek, ugyanakkor mivel ez a legkorábbi technológia, itt a legnagyobb a numerikus apertúra értéke és a jelveszteség. Bár az alapelv a lépcsős indexű, és az egymódusú szálaknál is hasonló, bizonyos technológiai újításokkal sikerült javítani a vezető tulajdonságain.
Folytonosan változó indexű optikai szálak Folytonosan változó indexű optikai szál (graded-index fiber) esetében, a mag fénytörésmutatója folyamatosan csökken a tengely és a héj között. Ezt több rétegű burkolással érik el, ami azt eredményezi, hogy a fénysugarak simán elhajlanak ahogy közelítenek a külső héjhoz, a hirtelen visszaverődés helyett. Ennek eredménye, hogy a hajlított utak csökkentik a több bejárt út miatt okozott diszperziót, hiszen a nagy szögben érkező, azaz hosszabb utat megtevő fénysugarak számára szükséges időtartam lerövidül. Ezáltal kisebb törésmutatójú részen haladnak az üvegmag külső szélén, így a késésük lecsökken. A törésmutató-profilt úgy választják meg, hogy minél kisebb legyen a különbség a különböző fénysugarak között. Ez az ideális törésmutató-profil nagyon közel van egy parabolikus függéshez a törésmutató és a tengelytől való távolság között.
Egymódusú szálak Az egymódusú szál magátmérője általában 8 és 10 μm között mozog. Néhány speciális célra kifejlesztett optikai szálat nem hengeres üvegmaggal illetve héjjal terveznek, hanem általában elliptikus vagy téglalap alakú keresztmetszettel. Ezek magukba foglalják a polarizációt támogató szálakat és a szálakat melyek elnyomják az átlapolódást.
Nagyobb optikai teljesítmény esetében – több mint egy watt esetén – amikor egy szálat ütés ér vagy másképpen hirtelen megsérül, a szál megéghet. A visszavert fény azonnal elégeti a szálat a sérülésnél, és ez a hiány visszatükröződik, tehát a sérülés elterjed egészen az adóig 1–3 m/s-os sebességgel. A nyitottszál-vezérlő rendszer, ami megvédi a szemet a lézertől a száltörése pillanatában, ugyancsak megfékezheti a szál elégését. Olyan esetekben mint a tengeralatti kábel, ahol nagyobb energia szinteket használnak nyitottszál-vezérlés nélkül, egy szál égés védelmi eszköz az adónál megszakíthatja az áramkört, hogy megóvja a további sérüléstől.
Fizikai tulajdonságok thumb|right|200px|Egymódusú szál felépítése 1.- Core 8 µm 2.- Cladding 125 µm 3.- Buffer 250 µm 4.- Jacket 400 µm thumb|right|200px|Egymódusú szál fotója
Az egyszerű felépítésű multimódusú fényvezetőben (mérete pl.: 62,5/125 mikrométer mag/héj) a szál egyik végén bevezetett fény a belső vezető falról teljes visszaverődéssel, több sugárban terjed. Az egymódusú szálban (mérete a fény hullámhossza az üveg tápvonalban pl.: 8,3/125 mikrométer) a fény gyakorlatilag a vezető tengelye mentén halad, ezért a csillapítása kisebb. A kábelben több fényvezető szálat szoktak elhelyezni. Az optikai kábel mechanikailag ellenállóbb, mint a csavart érpáras kábel. Nem zavarérzékeny és nem sugároz, bár a lehallgatás ellen az optikai kábel sem ad tökéletes védelmet. Monokróm, koherens fényforrásként 850 vagy 1300, illetve 1550 nm hullámhosszúságú lézert használnak. A közeli infravörös tartományba (780-900 nm) esik az egyik, míg a másik az 1200-1600 nm-es hosszúhullámú tartományba tartozik. (Az átvitel fizikai korlátai a csillapítás, a kromatikus és a polarizációs diszperzió és a nemlineáris torzítások). A hosszabb hullámokon kisebb a csillapítás, és az anyagfüggő diszperzió, tehát nagyobb átviteli távolság és sávszélesség érhető el (a legelőnyösebb ebből a szempontból az 1550 nm-es tartomány).
A 100 Mb/s-os egymódusú csatorna 10 km-es adó/vevő távolságot biztosít. Kisebb távolságokra a kereskedelmi forgalomban lévő olcsóbb berendezések sávszélessége 200-500 MHz, az átviteli sebesség 1 km-ig 250-500 Mb/s, a lézeradó teljesítményétől függően. Ma már elterjedten félvezető (LED) lézereket alkalmaznak, azonban nagy teljesítményű gáz, szilárdtest lézerekkel 100 km-es távolságot is áthidaltak már egy adó-vevő párral (erősítés nélkül).
A hullámhossz-osztásos multiplexálás (WDM) esetén megoldott a 40 Gb/s sebességű átvitel 440 km távolságra. Az optikai távközlési csatorna beruházási költsége jelentősen csökkent az évek során. Bár maga az egymódusú optikai kábel olcsóbb, mint a multimódusú a szükséges csatlakozókkal, adó-vevővel együtt drágább. Az optikai kábelek a 100 Mb/s, vagy nagyobb adatátviteli sebesség igényeket kiszolgáló rendszerekben már ma is gazdaságosak. Ma már a telefonközpontok közötti trönk összeköttetések, a lokális számítógépes hálózatok gerincvonalai főként optikai kábelekkel készülnek.
Felépítése Felhasznált anyagok Az üvegmagos optikai szálakat majdnem mindig szilícium-dioxidból készítik, de néhány egyéb anyagot, mint például fluoro-cirkonátot, fluoro-aluminátot és tisztított üveget használnak hosszabb hullámhosszú sugarakhoz, infravörös tartományban működő eszközökhöz. Akár csak a többi üvegnek, ezeknek az üvegeknek a törésmutatója is 1,5 körül van. Tipikusan kevesebb mint egy 1%-nyi a különbség az üvegmag és a héj törésmutatója között. Nem lehetséges, hogy a módus struktúrája függjön a használt fény hullámhosszától, ezért ez a szál tulajdonképpen csak néhány további hullámhosszt támogat a látható fény tartományában.
Műanyag optikai szál (POF – Plastic Optical Fiber) általában a lépcsős indexű multimódusú szál,