Мрежа путем оптичких каблова

Kutija optičkih kablova.

Mreža putem optičkih kablova je telekomunikaciona mreža velikog kapaciteta zasnovana na optičkim tehnologijama i komponentama koje omogućavaju rutiranje, pripremanja, i obnavljanje signala na nivou talasnih dužina, kao i servise zasnovane na njima.

Razvoj optičkih mreža, i generalno optičkih telekomunikacija, postao je moguć, pre svega, pronalaskom lasera 1950. godine. Nakon pronalaska lasera usledio je razvoj optičkog vlakna sa malim gubicima (oko 1970. godine). Dalji razvoj je podstaknut pronalaskom EDFA (erbium-doped fiber amplifier). Usledio je razvoj dielektričnih filtara, Bragovih optičkih rešetki i AWG (arrayed waveguide gratings) типа решетки који су у употребу ушли деведесетих година прошлог века.

Када се говори о телекомуникационим мрежама које за основу имају оптичка влакна, говори се практично о оптоелектронским системима за пренос, односно оптичким мрежама. Настале су из потребе да за мрежама које обезбеђују изузетно велике капацитете линкова, пошто количина података који се размењују кроз мрежу имају тенденцију сталног раста.

Оптоелектронски системи за пренос се могу раздвојити на две генерације. Прва генерација користи оптички кабл као замену за бакарни како би се постигла већа брзина преноса, већи проток, а представљају је стандарди СОНЕТ и СДХ. Друга генерација представља покушај да се оствари још функција у самом оптичком домену, као што је рутирање и дистрибуција одређених таласних дужина, и евентуално рутирање и дистрибуција пакета у оптичком облику (WДМ). Постоје два приступа проблему повећања капацитета оптичког кабла:

• Коришћење више таласних дужина истовремено на једном оптичком каблу – Wавеленгхт дивисион мултиплеx (WДМ) и
• Коришћење временског мултиплексирања (ТДМА).

Добра страна WДМ система преноса је могућност искоришћења већ постојећих мрежа оптичких каблова ради повећања пропусног опсега. WДМ системи се заснивају на мултиплексирању сигнала по таласним дужинама, чиме се постиже пренос више сигнала истим оптичким каблом, али на различитим таласним дужинама.

Оптичко влакно је обично направљено од стакла или пластике, те служи за преношење информација помоћу светлости. Оптичка влакна се налазе у оптичком каблу. Оптичко влакно као медијум је много брже, поузданије и сигурније од бакарних проводника, због тога што не преноси електричне сигнале већ светлосне. Због тога је немогуће имати неовлашћен приступ мрежи попут радио фреквентног (РФИ) и електромагнетног (ЕМИ) ометања.

ФДДИ дефинише две врсте оптичких влакана: једномодне и мултимодне. Једномодни је сноп светлости који улази у влакно у одређеном углу, док мултимодни користи ЛЕД као извор светлости за разлику од ласера које користи једномодни. Једномодни приступ је много бољи због тога што користи ласер, док се код мултимодног појављује модално распршавање које се дешава због тога што ЛЕД светлосни сигнали улазе у различитим угловима због којих сви не завршавају на крају у исто време. Оптичко влакно или светловод (енгл. оптицал фибер) је танка стаклена или пластична нит са својством провођења светла. Пропусност оптичког влакна је до 50 000 Гб/с. Врло мала је могућност грешке, на пренос оптичким влакном не делују сметње електричних уређаја, оптичко влакно не емитује сметње у околину, танко је и лагано. Код употребе оптичког влакна потребно је електрични сигнал претворити у светлосни, пустити светлост у влакно паралелно с уздужном осом, на супротној страни потребно је светлосни сигнал опет претворити у електрични. Појасна ширина оптичких влакана је отприлике 180 ТХз до 330 ТХз.

Оптичке приступне мреже

Појава и нагли развој нових широкопојасних телекомуникационих сервиса довели су до тога да се унапређење приступног дела мреже јавља као прека потреба. У циљу унапређења овог дела мрежа, последњих година развијена су многа технолошка решења, међу којима су најзначајнија дигитална претплатничка петља (ДСЛ), хибридна фибер-коаксијална технологија (ХФЦ ) и ФТТx технологија, која се превасходно заснива на оптичким влакнима која се разводе до крајњег корисника (фибер то тхе x = Х (хоме), Б (буилдинг), C (цурб)).

Пасивне оптичке мреже су постале једно од решења проблема оптичког приступа до корисника (ФТТХ - Фибер То Тхе Хоме). Њихова највећа предност је то што је мрежа заснована на потпуно пасивним компонентама, које не захтевају напајање, нити посебну опрему за инсталацију на лицу места.

Пасивне оптичке мреже су телекомуникационе мреже које користе поинт-то-мултипоинт ФТТП у којима се примењују пасивни оптички сплитери, како би омогућили једном влакну вишеструко искоришћење. Пасивне оптичке мреже (ПОН - Пассиве Оптицал Нетwорк), сматрају се једним од најпогоднијих решења за реализацију оптичких мрежа за приступ и развијају се још од 80-их година, првенствено за телефонију. Данас су ПОН широкопојасне мреже А/БПОН (АТМ/Броадбанд ПОН), ЕПОН (Етхернет ПОН), ГПОН (Гигабит ПОН).

ПОН се састоји од једног оптичког линијског терминала (ОЛТ), једне или више корисничких тачака које називамо оптичким мрежним јединицама (ОНУ - Оптицал Нетwорк Унит) или оптичким мрежним терминалима (ОНТ - Оптицал Нетwорк Терминал) и влакана и сплитера дуж линије и то називамо оптичком дистрибуционом мрежом (ОДН - Оптицал Дистрибутион Нетwорк).

Пренос информација оптичким влакном

Светловодне или фибероптичке комуникације се карактеришу својим преносним раедијумом - оптичким влакном, светловодом или "фибером". "Фибер" (фибер) је енглески израз који значи "-1 "влакно". Свака фибер оптичка комуникаеона мре/а. бц/ об/.ииа на њену намену се састоји од три дела:

• оптички предајник, који претвара електрични сигнал у светлосни зрак и
• оптичко влакно, као преносили медијум
• оптички пријемник, који претвара светлосни зрак у електрични сигнал

Основна улога оптичког влакна је да светлост, која се иначе у слободном простом простире праволинијски, води од предајника до пријемника произвољном путањом уз што мање губитке. Скретање светлости унутар оптичког влакна је у ствари одбијање о унутрашње зидове влакна. Оптичка влакна су данас постала индустријски стандард за земаљске телекомуникацијске системе. Данашњим технолошким развојем оптичких влакна довело је до њихове велике раширености. Данас је 80% глобалних рачунарских мрежа, тј. мрежа гдје се слање података одвија на велике удаљености повезано оптичким влакнима. Примјер за производњу 100 км влакна потребно је само 2,7 кг стакла док прток од 2,5 Гбит/с - 31.000 истовремених тел. разговора или као дигитализовани текст око 100.000 А4 страница у секунди. Из овог видимо њихову велику могућност у преносу велике количине података и великог капацитета. Осим у телекомуникацијама широку примјену имају у авиоиндустрији, кабловској телевизији за пренос видео сигнала и звука, подморницама.

Принцип рада

Индекс преламања, одбијање и преламање светлости

Путовање свјетлости кроз оптичка влакна, темељи се на два од четири закона геометријске оптике. Закон одбијања (рефлексије) свјетлости а =β Угао упадања свјетлости једнак је углу одбијања (рефлексије), а упадни и одбојни угао леже у истој равни која је нормална на површину одбијања, као што је приказано на слици 3.

Снеллиусов закон лома (рефракције) свјетлости Брзина свјетлости у вакууму износи ц= 299 792 458 м/с. Будући да се свјетлост сматра електрмагнетским таласом, проласком свјетлости кроз другу средину, њена брзина је мања од оне у вакууму и одредена је диелектричним и магнетским својствима мцдија кроз који путује. Индекс преламања материјала н је мјера успоравања свјетлости при проласку кроз њега. Светлост најбрже путује кроз вакууми у њему је н =1. У свакој другој средини светлост се креће спорије, што је средина гушћа, брзина је мања а индекс преламања већи. Када светлост прелази из једне средине у другу, на граничној површини, због разлике густина, долази до преламања-рефракције (рефрацтион). Сто је разлика густина тј. индекса преламања већи, то је преламање зрака - скретање израженије.

Слика 4 Ако светлост долази из ређе средине (нпр. ваздуха) у гушћу средину (нпр.воду), упадни зрак се прелама КА нормали на граничну површину, угао преламања се рачуна преко познатог Снелијус-Декартовог (Снеллиус-Десцартес) закона: н 1*синα = н2 * синβ 2.2 Тотална рефлексија свјетлости Када светлост долази из гушће средине н1 у ређу средину н2, према Снелијус-Декартовом закону зрак се прелама ОД нормале на граничну површину. Сто је разлика индекса преларнања већа, зрак ће се више да отклонити од нормале. Такође, што зрак упада под мањим углом у односу на граничну површину, тј. већим углом у односу на нормалу, преломљени зрак наставља под све мањим углом у односу на површину.

Слика 5 При извесном упадном углу, одреденим односом индекса преларнања две средине, преломљени зрак је потпуно паралелан граничној повр шини. Тај угао се назива критични угао θц и мјери се у односу на нормалу на граничну површину. За зраке који упадају под углом већим од критичног угла нема посебног преломљеног и одбијеног зрака. Постоји само један одбијени зрак који у себи носи комплетну снагу упадног зрака. Ова појава се назива тотална рефлексија и представља основни феномен који стоји иза преноса светлости кривудавим путем кроз оптичко влакно. Светлосни зрак који улази у влакно мора бити убачен под релативно малим углом у односу на осу влакна јер само такав зрак неће испасти из језгра при првом судару са омотачем. Простирање светлосног зрака кроз оптичко влакно зависи од: величине, конструкције, састава оптичког влакна и од природе светлосног зрака емитованог у влакно. Путање којима се простиру светлосни зраци истих особина и истог упадног угла при уласку у влакно се називају модови. Мод најнижег нивоа има најкраћу путању, док мод највишег нивоа има најдужу путању кроз оптичко влакно. Слика 6 Оптичко влакно се састоји од језгре и омотача. Језгро има већи индекс преламања свјетлости од омотача. Приликом упадања зрака на језгру долази до првог ломљења зрака, а кад зрак стигне на границу језгро-омотач она се рефлектира због снелловог закона, при томе је угао упада једнак углу одбијања због закона рефлексије. При томе је важно да је угао упада на границу двије површине већи од критичног. На тај начин свјетлост наставља путовати кроз оптичко влакно. У случају идеалног оптичког влакна, свјетлост би наставила бесконачно дуго путовати кроз њега, међутим због нечистоћа које постоје у влакнима долази до лома зраке и дио зраке се губи у омотачу као што приказује претходна слика. Свјетлост слаби и након неког времена потпуно губи. Због тога је неопходно постављање оптичких појачавача који ће обновити (појачати) ослабљену свјетлост да би она могла даље путовати влакном.

1. Структура оптичког влакна

Слика 7 Оптичко влакно је дугачак, танак, савитљив цилиндар од стакла који се састоји од језгра (цоре) и омотача (цладдинг). Стакло од кога је начињено језгро има нешто већи индекс преламарија него стакло омотача. У уобичајеним комуникационим влакнима разлика индекса износи око 1-2%. Светлост се простире кроз језгро оптичког влакна, тако што се почетни крај влакна осветли у правцу осе влакна. Светлост која је ушла у језгро наставља да се простире кроз влакно, трпећи веома мало слабљење. Пошто се светлосни зрак простире искључиво праволинијски, пре или касније на свом путу наилази на кривину влакна и удара у граничну површину довољно мали, зрак доживљава тоталну рефлексију и враћа се назад у језгро. На тај начин наставља у цик-цак путањи своје кретање кроз влакно, све до излазне површине. Омотач влакна нема суштински значај за разумијеевање овог механизма. Свјетлост би се простирала и кроз само језгро тј.дугачак, хомогени стаклени цилиндар који се налази у ваздуху (или води), јер стакло има већи индекс преламања од околине. Улога омотача је, међутим, веома важна у пракси јер би влакно без омотача добро проводило само када би комплетно висило у ваздуху. На местима гдје влакно лежи на подлози не би се јављала тотална рефлексија и долазило би до умицања светлости из стакла. Омотач се зато, између осталог, користи да би се услови простирања кроз влакно учинили независним од спољашње средине у којој је влакно постављено.

1. Типови оптичких влакана

Слика 8 Два основна типа оптичких влакана су једномодно (мономоде, синглемоде) и вишемодно (мултимоде) влакно, према броју водених модова светлосног таласа који се простиру кроз влакно. Мод најлакше визуелизује као светлосни зрак одређене дебљине, који се простире кроз влакно. Једномодно влакно има толико мали пречник језгра само једног зрака-мода. Кроз вишемодно влакно више зрака-модова с.е простире различитим путањама кроз језгро. Постоје двије врсте вишемодних влакана: влакна са СТЕП, индексом, са наглом променом индекса преларнања на граници језгра и омотача и влакна са градијентним индексом, са постепеним смањењем индекса преларнања од центра језгра према и у омотачу. Путања зрака у влакну са степ индексом има изломљен цик-цак облик, што је последица одбијања зрака на граници језгра и омотача. Путања зрака у градијентном влакну је глатка и закривљена увек према унутра, задржавајући зрак увек око централне осе.

Влакна са степенастом промјеном индекса преламања

Слика 9 Оптичко влакно се састоји од језгра и омотача сличних попречних пресјека као што се види и на слици 9. Свјетлост се расипа у висе зрака тј. модова које пропагирају с једног краја кабла на други уз помоћ тоталне рефлексије на граници између језгра и омотача. Ова влакна имају минимални пречник од 100/140 µм. Један од највећих недостатака овог типа влакна је веома ограничен пропусни опсег који потиче од међуталасне дисперзије.

Мономодна влакна

Карактеристика СМФ свјетловода је да има језгро промјера пуно мањег него што је омотач те је таласна дузина зрака упоредива с промјером језгра. Због тако малог промјера језгра, уласком зрака у оптичко влакно не долази до раздвајања зрака. Свјетлост се пропагира с једног краја свјетловода на други само путем једне зрака. Мономодна влакна се употребљавју за добијање већих пропусних опсега. Производња ових влакана није много сложенија од производње двослојних влакан осим што су пречник језгра и разлика индекса преламања измеду језгра и омотач веома мали, тако да је могуће простирање само једног мода. Типичне димензије мономодних влакана су реда 5-12 µм за језгро и 125 µм за омотач.

Градијентна влакна

Градијентна влакна се добијају израдом језгра са неуниформним индексом преламања, који се најчешће постепено смањује од централне осе према омотачу, што условљава да се зраци свјетлости непрестано савијају ка оси. У општем случају градијентна влакна имају пречник језгра од 50 µм, а пречник омотача реда 125 µм.

Слабљење

Оптичка снага трансмисијом у оптичком влакну слаби експоненцијално: П(x)=П0еxп(-аx), гдје је а коефицијент слабљења и изражава се у dB/км и показује губитке у dB по једном километру. Узрок због којег се јавља слабљење је постојање нечистоћа у влакну, молекуларне апсорпције, неправилности споја језгра и омотача, а такође зависи и од броја рефлексија које претрпи зрак на свом путу. Када фотон удари о нечистоћу он ће се распршити или апсорбовати. Слабљење вишемодног влакна је веће од слабљења једномодног влакна због тзв. ефекта прбацивања модова услед микросавијања и преноса једног броја модова кроз омотач влакна. Генерално је утврђено да губици расту са повећањем броја модова. Мономодна влакна имају најмање пригушење (0,3-1 dB/км), нешто су лошија мултимодна влакна с градијентном промјеном индекса преламања (1-5 dB/км), а најлошија су мултимодна влакна са степенастим промјеном индекса преламања (5-10 dB/км). Најмање пригушење има кварцно стакло (0,5-2 dB/км), нешто лошије је силикатно стакло (5-10 dB/км), док су пластичне масе знатно лошије. Слабљење влакна показује јаку спектралну зависност. Постоје три прозора на којим је слабљење најмање, тако да су таласне дужине 850 нм, 1300 нм и 1550 нм одабране за остваривање веза оптичким вланима.

Минимум слабљења за први прозор износи око 2 dB/км, за други 05дБ/км, и за трећи 0.2дБ/км. Данас су већ произведена влакна са слабљењем које се ближи теоретском, па се данас појављују нова оптичка влакна која могу имати ии више од 3 прозора јер је смањено слабљење. У пракси је у почетку највише кориштен I. прозор, иако то није оптимално рјешење, а данас се користи првенствено због јефтине реализације извора свјетлости иако је на 1. прозуру највеће гушење. Данас се користе углавном II. и III. прозор.

Губици услед савијања

Услед савијања се мијења геометрија оптичког влакна, што омогућује да неки светлосни зраци "побјегну" у омотач а други да се неправилно одбију, чиме се повећавају губици у оптичком влакну. Поред поменутих губитака постоје и губици услед микросавијања, изазвана малим периодичним савијањима осе влакна, периоде понављања неколико мм и амплитуде неколико микрона. До оваквих савијаја долази услед неједнаке расподеле оптерећења при дејству спољних механичких сила.

Дисперзија

Модална дисперзија

Дисперзија је појава ширења импулса током пута кроз влакно. Ово ширење изазива двје негативне последице:

1. Проширени импулс је мањи по интезитету и теже га је детектовати; ова појава је еквивалентна слабљењу и ограничава дужину преноса.
2. Два суседна проширена импулса почињу да се преклапају, стапајући се у један; ова појава смањује пропусни опсег преноса.

Један од разлога појаве дисперзије је преношење улазног оптичког импулса посредством више снопова-модова кроз вишемодно влакно. Различити модови прелазе различите путањ е у свом цик- цак кретању кроз влакно и стижу у различито време до фотодетектора на крају путање, доводећи тако до просторног и временског ширења импулса. Код влакна са степ-индексом ова дисперзија ограничава пропусни опсег преноса на око 20 МХз по км, што је довољно само за релативно спори пренос на кратким растојањима. Код влакна са градијентним индексом, модови који се простим најдаље од осе и тако прелазе најдужи пут, крећу се брже од централних модова (јер је на периферији језгра индекс преларнања нижи). На тај начин се времена путовања модова донекле изједначавају и модална дисперзија се смањује на вредност која омогућава да се остваре комуникационе везе дужине неколико колометара.

Хроматска дисперзија

Ово је основни вид дисперзије код мономодних влакана и она представља ширење импулса због променљивости брзине простирања светлости кроз оптичко влакно и због коначне спектралне ширине зрачења светлосног извора. Овај тип дисперзије се изражава у пс/(нмxкм). Хроматска дисперзија настаје зато што индекс преламања материјала зависи од фреквенције (таласне дужине) због чега поједини елементарни дијелови преношеног спектра стижу на крај линије са различитим временским закашњењима, последица чега ће бити проширење импулса. Хроматска дисперзија је последица деловања два различита механизма ширења импулса-због дисперзије самог материјала и због талосоводне структуре влакна.

Поларизациона дисперзија

Поларизациона дисперзија је последица различите брзине простирања две поларизационе компоненте једног мода у једномоднм влакну. Језгро влакна није идеално симетрично кружно,већ се, као последица савијања и разних нехомогености, јавља мало тзв. двојно преламање. Овим термином називамао постојање два различита индекса преламања у језгру за две различите поларизације светлосног таласа. Тако се две поларизационе компоненте таласа простиру различитом брзином кроз оптичко влакно. Несавршености влакна које доводе до двојног преламања су произвољно распоређене дуж влакна, тако да се и поларизациона дисперзија јавља произвољно и теоријски непредвидиво. Мерење поларизационе дисперзије на конкретној линији има смисла тек по постављању влакна. Пошто поларизациону дисперзију изазивају углавном кривине и напрезања влакна, резултат који се добија при мерењу влакна намотаног на калем може бити потпуно различит од резултата тог истог влакна на терену. Поларизациона дисперзија једне линије се чак мења и по постављању линије, у току дужег временског интервала.

Оптички предајници

Ласер

Ласерске диоде се користе у случајевима када је потребна велика брзина преноса и/или велики домет. Модулишу се директно, промјеном струје кроз дијоду, помоћу релативно (у односу на ЛЕД) сложеног електронског кола. То су веома осетљиве компоненте и лако се оштећују или уништавају неправилним побуђивањем или електростатичким пражњењем. Зависност израчене снаге од темепературе је веома јака па се често ласерске диоде морају температурно стабилизовати, што је релативно скупо и са великом потрошњом енергије.

Лед диода

ЛЕД диоде се користе за. остваривање, веза чије су брзине реда до 100 Мбит/с, када је довољна снага од неколико десетина микровати у вишемоднорн влакну. Емитујуће диоде се модулишу директно, промцном струје кроз п-н спој. приинцном релативно једноставно модулишућег електронског склопа. Закључак Предности оптичких влакана су:

• Веома велика брзина преноса података, неколико гигабита Гбит/с (2,5, 10, 40!)
• Премошћавање великог растојања без репетитора
• Имуност на електромагнетно зрачење
• Могућност повећавања капацитета преноса и после уградње кабла
• Безбједност примјене
• Безбједност података
• Веома танак кабл
• Економичност

Недостаци оптичких влакана су:

• Скупа опрема за инсталацију
• Не могу да преносе енергију за репетиторе

Види још

• Оптички кабл
• Оптички етернет

Литература

• V. Alwayn: Optical Network Design and Implementation, Cisco Press (Networking Technology), 2004.
• C. Schubert, R.H. Derksen, M. Möller, R. Ludwig, C.-J. Weiske, J. Lutz, S. Ferber, A. Kirstädter, G. Lehmann, C. Schmidt-Langhorst: "Integrated 100-Gb/s ETDM Receiver“, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no.1, (2007). str. 122-130.
• OMS3250 WDM system, product overview, Marconi-Ericsson, 2007

Спољашње везе

• Оптичке мреже - скрипта
• Приказ структуре оптичких мрежа Архивирано на сајту Wayback Machine (26. март 2017)
• Трендови развоја оптичких телекомуникационих система