Uporaba optičnih vlaken

Kratka zgodovina časa

    Ideja, da bi pošiljali podatke s pomočjo svetlobe, izvira že iz 18. stoletja. Šlo je za "optične telegrafe", vrsto nekakšnih semaforjev na posebnih stolpih, kjer so bili operaterji, ki so signale prenašali na naslednje stolpe. Takrat električnih telegrafov seveda še ni bilo, optične telegrafe pa to električni nadomestili v sredi 19. stoletja.
    Alexander Graham Bell je na koncu 19. stoletja patentiral "photophone", ampak telefon, pravtako njegova iznajdb
a, se je izkazal za uporabnejšega. Bell je sanjal o prenašanju signalov po zraku, vendar atmosfera ni prenšala svetlobe tako zanesljivo, kot žice prevajajo električni tok.
    Po drugi svetovni vojni so se vrstili poskusi prenašanja svetlobe po steklenih
vlaknih, vendar to na začetku ni bilo kdo ve kako obetajoče zaradi velike oslabitve signala - 1 decibel na meter. To je dovolj za medicinske namene, a veliko premalo za prenašanje podatkov na velikih razdaljah.
    Leta 1970 so pri Corning Glass Works obj
avili, da so izdelali optična vlakna s slabitvijo 20 dB/km. Vlakna so bila sicer občutljiva na poškodbe, vendar so poskusi potrdili izredno majhno slabitev svetlobnih žarkov, zato je ta dosežek pomenil velik korak naprej, prišlo je obdobje, ko se optična vlakna niso več uporabljala samo v medicini in pri testiranju letalskih motorjev.

Izredno velik napredek na razvoj optičnih vlaken je imela kemija, in sicer čistost. Zaradi polprevodniške tehnologije so znali izdelati izredno čist silicij, ki pa je osnova za optično vlakno. Dodamo še čisti kisik in dobimo SiO2 ali čisto kremenovo steklo.
    Današnji kabli iz optičnih vlaken imajo slabitev od 0.2 do 0.3 dB/km, kar omogoča še večje razdalje med ojačevalniki signalov.
 

Kako deluje?

Optični kabli delujejo na principu popolnega odboja svetlobnih žarkov (glej sliko). Da bi dobili "optični kabel" uporabimo torej isto vrsto stekla po vsej dolžini kabla za jedro, okoli stekla pa bo odbojna prevleka (pride do popolnega odboja svetlobe), okoli te pa še ovojna plast. Lomni količnik sredice mora biti večji, kot lomni količnik ovoja. Ta razlika je sicer minimalna:

()

To dosežemo z dopiranjem germanija, vendar v izredno malih količinah, saj se na germaniju svetloba siplje, pokvarimo pa tudi trdnost kristalne strukture.

   Za telekomunikacije se uporablja za izvir svetlobe posebna vrsta laserjev (pa tudi LED - Light Emitting Diodes), ki jih lahko prižgemo in ugasnemo 10E9 krat na sekundo, svetlobo pa spet v električni tok pretvorijo fotodiode. Največji problem pri optičnem vlaknu je spraviti svetlobo v vlakno (v jedro premera 6-50), saj diode sipljejo svetlobo v vse strani. Uporabna je samo tista svetloba, ki vpada pod določenim kotom, ki je še dopusten, opiše pa se z numerično aperturo in je zelo pomemben podatek pri opisu optičnega vlakna. Svetloba, ki vpada v vlakno pod večjim kotom, kot je dopustno, je izgubljena.

Enorodovnost in mnogorodovnost

Vlakna se delijo na enorodovna ion mnogorodovna. Mnogorodovna vlakna imajo premer jedra , zunanji ovoj pa je standardiziran na . Obstajale so še sicer druge mere, vendar se danes ne uporabljajo več. Matematiki so že pred skoraj stoletjem odkrili teoretični model (Fresnelova odbojnost itd.) in načrtovalci so vedeli, da bo pa enorodovno vlakno tisto tapravo. Jedro ima premer okrog , ovojnica pa je standardiziranih 125. Enorodovno vlakno pomeni, da se po vlaknu širi samo en rod in sicer TE ali (in) TM val. To pomeni, da se v mnogorodovnem vlaknu razširja mnogo žarkov, in ker se lomijo, ne naredijo vsi enako dolge poti. Tako dobimo na izhodu iz vlakna razmazan in podaljšan impulz, če smo na vhodu poslali ozkega. Tu ne gre za razvlečen impulz zaradi pomanjkanja pasovne širine, ampak zaradi različno dolgih poti. V enorodovnem vlaknu pa so dimenzije takšne, da ne dopuščajo več kot enega žarka. Iz tega sledi, da so bitni pretoki pri enorodovnih vlaknih bistveno hitrejši.

Problem pa ni bil izdelati vlakno, saj je enorodovno vlakno cenejše in enostavnejše za narediti kot npr. gradientno mnogorodovno. Toda kako narediti izvor žarka, ki bo seval v tako majhno odprtino, če so njegove fizične dimenzije večje. Tu si lahko delno pomagamo z sistemom leč, ki pa morajo biti izredno precizne. Za primer vzemimo, da laserska dioda danes stane nekaj centov, izdelan laser za podatkovno komunikacijo z priključkom itd. pa nekaj sto dolarjev. Prav tako to velja za sprejemnik. Optično vlakno je najcenejši gradnik v optični zvezi, tehnologija pa tako hitro napreduje, da se optičnih zvez, starejših od pet let ne splača več vzdrževati, saj jih povozi čas.

 

 

 

Optične zveze

Na začetku so optične zveze komaj konkurirale koaksialnim podatkovnim zvezam. Danes nam ponujajo takšno hitrost, da je potrebno vpeljati valovni (»barvni«) multipleks, saj ni električnega izvora (npr. usmerjevalnika IP, ATM, SDH), ki bi omogočal takšne hitrosti (tako hitro prekljapljal stanja). Napredek (in največji krompir optičnih komunikacij) je erbijev optični ojačevalnik, ki dela samo na valovni dolžini, kjer ima vlakno najmanjše slabljenje (1550 nm). Tako lahko zgradimo optično zvezo dolžine nekaj tisoč kilometrov z ojačevalniki, kar je z koaksialnim kablom praktično nemogoče (regenerator na 2km). Najdaljša optična zveza brez ojačevalnika znaša 400km in teče pod morjem, sicer pa so tipično na 50 do 100 km erbijevi vlakenski ojačevalniki (15-50m). Vlaken je ponavadi več skupaj (tudi po 50), zraven pa je še nosilna vrv in napajanje za erbijeve ojačevalnike. Tako so na mestih, kjer so ojačevalniki, nekakšna torpeda.

Uporaba

Vlakna lahko izkoristimo za multipleksiranje večih telefonskih linij na kabel iz optičnih vlaken. Za primerjavo, na eno bakreno parico lahko spravimo 24 digitalnih telefonskih priključkov (recimo velikosti reda do 30). Na tipičen optični kabel lahko spravimo 32000 digitalnih telefonskih priključkov, na novejših sistemih pa prek 500000. To lahko seveda izkoristimo tudi za večje hitrosti povezav do končnega uporabnika.

    Podatki po optičnih vlaknih torej potujejo s svetlobno hitrostjo, vendar hitrost svetlobe v njih ni enaka tisti v vakuumu, 3*10E6 km/s, pač pa približno 2/3 te hitrosti, kar ni bistveno več od hitrosti širjenja motnje (elektromagnetnega valovanja)  v bakreni parici, ki se danes še večinoma uporablja v telekomunikacijah. Ko govorimo o hitrosti, mislimo s tem na pasovno širino, torej količino podatkov, ki jo lahko prenašamo.



 

 

 

Primerjava kabla iz optičnih vlaken s koaksialnim kablom in t.i. bakreno parico (twisted pair)

 

Prihodnost optičnih vlaken

    Zaradi zelo velike pasovne širine, ki jo zagotavljajo optična vlakna, se takim kablom obeta še lepa prihodnost, saj se je z njihovo uporabo šele dobro začelo. V nekaj letih bo gotovo prišlo do intenzivne uporabe optičnih kablov tudi pri končnih uporabnikih, ne samo za povezave med velikimi podjetji/ustanovami in ponudniki interneta. Ponekod se to že izvaja, tudi pri nas, namesto koaksialnih kablov vgrajujejo kable iz optičnih vlaken. Čeprav trenutno še ni prave potrebe po tolikšni prepustnosti, gre enostavno za dejstvo, da je pri polaganju kablov daleč največji strošek polaganje (zemeljska dela, montaža), ne kabel sam, zato je prav gotovo smiselno polagati kar optične kable, in to čim boljše.
    Celo Telekom Slovenije ima bojda v načrtu, da bodo kabli iz optičnih vlaken napeljani do končnih uporabnikov, vendar tisti, ki spremljajo dogajanje na področju telekomunikacij, upravičeno dvomijo, da bo do tega prišlo prej kot v nekaj desetletjih. Med navadnimi bakrenimi paricami, ki danes še prevladujejo, in med optičnimi vlakni, je še kar nekaj tehnologij, ki jih bo Telekom odkrival "kot smodnik" in jih tržil in oglaševal, dokler bodo le šle v promet.

 

Na spodnjih slikah je prikazan postopek spajanja optičnih vlaken:


Rezanje in spajanje optičnih vlaken


Rezanje steklenega optičnega vlakna

Začasen spoj s stekleno kapilaro

 

Začasen spoj z elastomerom

Presek FC vlakenskega konektorja

 

 

Merjenje slabljenja

Varjenje steklenih vlaken

 

Varjenje steklenih vlaken

Zaščita zvara

 

Postavitev na mizi

 

orodje za odstranjevanje primarne zaščite in orodje za rezanje