Prenos informacija optičkim kablom

Из Википедије, слободне енциклопедије

Optičko vlakno je obično napravljeno od stakla ili plastike, te služi za prenošenje informacija pomoću svjetlosti. Optička vlakna se nalaze u optičkom kablu. Optičko vlakno kao medij je mnogo brže, pouzdanije i sigurnije od bakrenih vodiča, zbog toga što ne prenosi električne signale već svjetlosne. Zbog toga je nemoguće imati neovlašćen pristup mreži poput radio frekventnog (RFI) i elektromagnetnog (EMI) ometanja.

FDDI definiše dvije vrste optičkih vlakana: singlemode i multimode. Singlemode je snop svijetlosti koji ulazi u vlakno u određenom uglu, dok multimode koristi LED kao izvor svjetlosti za razliku od lasera koje koristi singlemode. Singlemode je mnogo bolji zbog toga što koristi laser, dok se kod multimoda pojavljuje modalno raspršavanje koje se dešava zbog toga što LED svjetlosni signali ulaze u različitim uglovima zbog kojih svi ne završavaju na kraju u isto vrijeme. Optičko vlakno ili svjetlovod (engl. optical fiber) je tanka staklena ili plastična nit sa svojstvom vođenja svjetla. Propusnost optičkog vlakna je do 50 000 Gb/s. Vrlo mala je mogućnost pogreške, na prijenos optičkim vlaknom ne djeluju smetnje električnih uređaja, optičko vlakno ne emitira smetnje u okolinu, tanko je i lagano. Kod uporabe optičkog vlakna potrebno je električni signal pretvoriti u svjetlosni, pustiti svjetlost u vlakno paralelno s uzdužnom osi, na suprotnoj strani potrebno je svjetlosni signal opet pretvoriti u električni. Pojasna širina optičkih vlakana je otprilike 180 THz do 330 THz. Postoje dvije vrste optičkih vlakana: Jednomodno i višemodno optičko vlakno.

Prenos informacija optičkim vlaknom[уреди]

Svetlovodne ili fiberoptičke komunikacije se karakterišu svojim prenosnim raedijumom - optičkim vlaknom, svetlovodom ili "fiberom". "Fiber" (fiber) je engleski izraz koji znači "-1 "vlakno". Svaka fiber optička komunikaeona mre/a. bc/ ob/.iia na njenu namenu se sastoji od tri dela:

  • optički predajnik, koji pretvara električni signal u svetlosni zrak i
  • optičko vlakno, kao prenosili medijum
  • optički prijemnik, koji pretvara svetlosni zrak u električni signal

Osnovna uloga optičkog vlakna je da svetlost, koja se inače u slobodnom prostom prostire pravolinijski, vodi od predajnika do prijemnika proizvoljnom putanjom uz što manje gubitke. Skretanje svetlosti unutar optičkog vlakna je u stvari odbijanje o unutrašnje zidove vlakna. Optička vlakna su danas postala industrijski standard za zemaljske telekomunikacijske sisteme. Današnjim tehnološkim razvojem optičkih vlakna dovelo je do njihove velike raširenosti. Danas je 80% globalnih računarskih mreža, tj. mreža gdje se slanje podataka odvija na velike udaljenosti povezano optičkim vlaknima. Primjer za proizvodnju 100 km vlakna potrebno je samo 2,7 kg stakla dok prtok od 2,5 Gbit/s - 31.000 istovremenih tel. razgovora ili kao digitalizovani tekst oko 100.000 A4 stranica u sekundi. Iz ovog vidimo njihovu veliku mogućnost u prenosu velike količine podataka i velikog kapaciteta. Osim u telekomunikacijama široku primjenu imaju u avioindustriji, kablovskoj televiziji za prenos video signala i zvuka, podmornicama.

Princip rada[уреди]

Indeks prelamanja, odbijanje i prelamanje sjetlosti[уреди]

Putovanje svjetlosti kroz optička vlakna, temelji se na dva od četiri zakona geometrijske optike. zakon odbijanja (refleksije) svjetlosti a =β Ugao upadanja svjetlosti jednak je uglu odbijanja (refleksije), a upadni i odbojni ugao leže u istoj ravni koja je normalna na površinu odbijanja, kao što je prikazano na slici 3.

Snelliusov zakon loma (refrakcije) svjetlosti Brzina svjetlosti u vakuumu iznosi c= 299 792 458 m/s. Budući da se svjetlost smatra elektrmagnetskim talasom, prolaskom svjetlosti kroz drugu sredinu, njena brzina je manja od one u vakuumu i odredena je dielektričnim i magnetskim svojstvima mcdija kroz koji putuje. Indeks prelamanja materijala n je mjera usporavanja svjetlosti pri prolasku kroz njega. Svetlost najbrže putuje kroz vakuumi u njemu je n =1. U svakoj drugoj sredini svetlost se kreće sporije, što je sredina gušća, brzina je manja a indeks prelamanja veći. Kada svetlost prelazi iz jedne sredine u drugu, na graničnoj površini, zbog razlike gustina, dolazi do prelamanja-refrakcije (refraction). Sto je razlika gustina tj. indeksa prelamanja veći, to je prelamanje zraka - skretanje izraženije.

Slika 4 Ako svetlost dolazi iz ređe sredine (npr. vazduha) u gušću sredinu (npr.vodu), upadni zrak se prelama KA normali na graničnu površinu, ugao prelamanja se računa preko poznatog Snelijus-Dekartovog (Snellius-Descartes) zakona: n 1*sinα = n2 * sinβ 2.2 Totalna refleksija svjetlosti Kada svetlost dolazi iz gušće sredine n1 u ređu sredinu n2, prema Snelijus-Dekartovom zakonu zrak se prelama OD normale na graničnu površinu. Sto je razlika indeksa prelarnanja veća, zrak će se više da otkloniti od normale. Takođe, što zrak upada pod manjim uglom u odnosu na graničnu površinu, tj. većim uglom u odnosu na normalu, prelomljeni zrak nastavlja pod sve manjim uglom u odnosu na površinu.

Slika 5 Pri izvesnom upadnom uglu, odredenim odnosom indeksa prelarnanja dve sredine, prelomljeni zrak je potpuno paralelan graničnoj povr šini. Taj ugao se naziva kritični ugao θc i mjeri se u odnosu na normalu na graničnu površinu. Za zrake koji upadaju pod uglom većim od kritičnog ugla nema posebnog prelomljenog i odbijenog zraka. Postoji samo jedan odbijeni zrak koji u sebi nosi kompletnu snagu upadnog zraka. Ova pojava se naziva totalna refleksija i predstavlja osnovni fenomen koji stoji iza prenosa svetlosti krivudavim putem kroz optičko vlakno. Svetlosni zrak koji ulazi u vlakno mora biti ubačen pod relativno malim uglom u odnosu na osu vlakna jer samo takav zrak neće ispasti iz jezgra pri prvom sudaru sa omotačem. Prostiranje svetlosnog zraka kroz optičko vlakno zavisi od: veličine, konstrukcije, sastava optičkog vlakna i od prirode svetlosnog zraka emitovanog u vlakno. Putanje kojima se prostiru svetlosni zraci istih osobina i istog upadnog ugla pri ulasku u vlakno se nazivaju modovi. Mod najnižeg nivoa ima najkraću putanju, dok mod najvišeg nivoa ima najdužu putanju kroz optičko vlakno. Slika 6 Optičko vlakno se sastoji od jezgre i omotača. Jezgro ima veći indeks prelamanja svjetlosti od omotača. Prilikom upadanja zraka na jezgru dolazi do prvog lomljenja zraka, a kad zrak stigne na granicu jezgro-omotač ona se reflektira zbog snellovog zakona, pri tome je ugao upada jednak uglu odbijanja zbog zakona refleksije. Pri tome je važno da je ugao upada na granicu dvije površine veći od kritičnog. Na taj način svjetlost nastavlja putovati kroz optičko vlakno. U slučaju idealnog optičkog vlakna, svjetlost bi nastavila beskonačno dugo putovati kroz njega, međutim zbog nečistoća koje postoje u vlaknima dolazi do loma zrake i dio zrake se gubi u omotaču kao što prikazuje prethodna slika. Svjetlost slabi i nakon nekog vremena potpuno gubi. Zbog toga je neophodno postavljanje optičkih pojačavača koji će obnoviti (pojačati) oslabljenu svjetlost da bi ona mogla dalje putovati vlaknom.

  1. Struktura optičkog vlakna

Slika 7 Optičko vlakno je dugačak, tanak, savitljiv cilindar od stakla koji se sastoji od jezgra (core) i omotača (cladding). Staklo od koga je načinjeno jezgro ima nešto veći indeks prelamarija nego staklo omotača. U uobičajenim komunikacionim vlaknima razlika indeksa iznosi oko 1-2%. Svetlost se prostire kroz jezgro optičkog vlakna, tako što se početni kraj vlakna osvetli u pravcu ose vlakna. Svetlost koja je ušla u jezgro nastavlja da se prostire kroz vlakno, trpeći veoma malo slabljenje. Pošto se svetlosni zrak prostire isključivo pravolinijski, pre ili kasnije na svom putu nailazi na krivinu vlakna i udara u graničnu površinu dovoljno mali, zrak doživljava totalnu refleksiju i vraća se nazad u jezgro. Na taj način nastavlja u cik-cak putanji svoje kretanje kroz vlakno, sve do izlazne površine. Omotač vlakna nema suštinski značaj za razumijeevanje ovog mehanizma. Svjetlost bi se prostirala i kroz samo jezgro tj.dugačak, homogeni stakleni cilindar koji se nalazi u vazduhu (ili vodi), jer staklo ima veći indeks prelamanja od okoline. Uloga omotača je, međutim, veoma važna u praksi jer bi vlakno bez omotača dobro provodilo samo kada bi kompletno visilo u vazduhu. Na mestima gdje vlakno leži na podlozi ne bi se javljala totalna refleksija i dolazilo bi do umicanja svetlosti iz stakla. Omotač se zato, između ostalog, koristi da bi se uslovi prostiranja kroz vlakno učinili nezavisnim od spoljašnje sredine u kojoj je vlakno postavljeno.

  1. Tipovi optičkih vlakana

Slika 8 Dva osnovna tipa optičkih vlakana su jednomodno (monomode, singlemode) i višemodno (multimode) vlakno, prema broju vodenih modova svetlosnog talasa koji se prostiru kroz vlakno. Mod najlakše vizuelizuje kao svetlosni zrak određene debljine, koji se prostire kroz vlakno. Jednomodno vlakno ima toliko mali prečnik jezgra samo jednog zraka-moda. Kroz višemodno vlakno više zraka-modova s.e prostire različitim putanjama kroz jezgro. Postoje dvije vrste višemodnih vlakana: vlakna sa STEP, indeksom, sa naglom promenom indeksa prelarnanja na granici jezgra i omotača i vlakna sa gradijentnim indeksom, sa postepenim smanjenjem indeksa prelarnanja od centra jezgra prema i u omotaču. Putanja zraka u vlaknu sa step indeksom ima izlomljen cik-cak oblik, što je posledica odbijanja zraka na granici jezgra i omotača. Putanja zraka u gradijentnom vlaknu je glatka i zakrivljena uvek prema unutra, zadržavajući zrak uvek oko centralne ose.

Vlakna sa stepenastom promjenom indeksa prelamanja[уреди]

Slika 9 Optičko vlakno se sastoji od jezgra i omotača sličnih poprečnih presjeka kao što se vidi i na slici 9. Svjetlost se rasipa u vise zraka tj. modova koje propagiraju s jednog kraja kabla na drugi uz pomoć totalne refleksije na granici između jezgra i omotača. Ova vlakna imaju minimalni prečnik od 100/140 µm. Jedan od najvećih nedostataka ovog tipa vlakna je veoma ograničen propusni opseg koji potiče od međutalasne disperzije.

Monomodna vlakna[уреди]

Karakteristika SMF svjetlovoda je da ima jezgro promjera puno manjeg nego što je omotač te je talasna duzina zraka uporediva s promjerom jezgra. Zbog tako malog promjera jezgra, ulaskom zraka u optičko vlakno ne dolazi do razdvajanja zraka. Svjetlost se propagira s jednog kraja svjetlovoda na drugi samo putem jedne zraka. Monomodna vlakna se upotrebljavju za dobijanje većih propusnih opsega. Proizvodnja ovih vlakana nije mnogo složenija od proizvodnje dvoslojnih vlakan osim što su prečnik jezgra i razlika indeksa prelamanja izmedu jezgra i omotač veoma mali, tako da je moguće prostiranje samo jednog moda. Tipične dimenzije monomodnih vlakana su reda 5-12 µm za jezgro i 125 µm za omotač.

Gradijentna vlakna[уреди]

Gradijentna vlakna se dobijaju izradom jezgra sa neuniformnim indeksom prelamanja, koji se najčešće postepeno smanjuje od centralne ose prema omotaču, što uslovljava da se zraci svjetlosti neprestano savijaju ka osi. U opštem slučaju gradijentna vlakna imaju prečnik jezgra od 50 µm, a prečnik omotača reda 125 µm.

Slabljenje[уреди]

Optička snaga transmisijom u optičkom vlaknu slabi eksponencijalno: P(x)=P0exp(-ax), gdje je a koeficijent slabljenja i izražava se u dB/km i pokazuje gubitke u dB po jednom kilometru. Uzrok zbog kojeg se javlja slabljenje je postojanje nečistoća u vlaknu, molekularne apsorpcije, nepravilnosti spoja jezgra i omotača, a takođe zavisi i od broja refleksija koje pretrpi zrak na svom putu. Kada foton udari o nečistoću on će se raspršiti ili apsorbovati. Slabljenje višemodnog vlakna je veće od slabljenja jednomodnog vlakna zbog tzv. efekta prbacivanja modova usled mikrosavijanja i prenosa jednog broja modova kroz omotač vlakna. Generalno je utvrđeno da gubici rastu sa povećanjem broja modova. Monomodna vlakna imaju najmanje prigušenje (0,3-1 dB/km), nešto su lošija multimodna vlakna s gradijentnom promjenom indeksa prelamanja (1-5 dB/km), a najlošija su multimodna vlakna sa stepenastim promjenom indeksa prelamanja (5-10 dB/km). Najmanje prigušenje ima kvarcno staklo (0,5-2 dB/km), nešto lošije je silikatno staklo (5-10 dB/km), dok su plastične mase znatno lošije. Slabljenje vlakna pokazuje jaku spektralnu zavisnost. Postoje tri prozora na kojim je slabljenje najmanje, tako da su talasne dužine 850 nm, 1300 nm i 1550 nm odabrane za ostvarivanje veza optičkim vlanima.

Minimum slabljenja za prvi prozor iznosi oko 2 dB/km, za drugi 05dB/km, i za treći 0.2dB/km. Danas su već proizvedena vlakna sa slabljenjem koje se bliži teoretskom, pa se danas pojavljuju nova optička vlakna koja mogu imati ii više od 3 prozora jer je smanjeno slabljenje. U praksi je u početku najviše korišten I. prozor, iako to nije optimalno rješenje, a danas se koristi prvenstveno zbog jeftine realizacije izvora svjetlosti iako je na 1. prozuru najveće gušenje. Danas se koriste uglavnom II. i III. prozor.

Gubici usled savijanja[уреди]

Usled savijanja se mijenja geometrija optičkog vlakna, što omogućuje da neki svetlosni zraci "pobjegnu" u omotač a drugi da se nepravilno odbiju, čime se povećavaju gubici u optičkom vlaknu. Pored pomenutih gubitaka postoje i gubici usled mikrosavijanja, izazvana malim periodičnim savijanjima ose vlakna, periode ponavljanja nekoliko mm i amplitude nekoliko mikrona. Do ovakvih savijaja dolazi usled nejednake raspodele opterećenja pri dejstvu spoljnih mehaničkih sila.

Disperzija[уреди]

Modalna disperzija[уреди]

Disperzija je pojava širenja impulsa tokom puta kroz vlakno. Ovo širenje izaziva dvje negativne posledice:

  1. Prošireni impuls je manji po intezitetu i teže ga je detektovati; ova pojava je ekvivalentna slabljenju i ograničava dužinu prenosa.
  2. Dva susedna proširena impulsa počinju da se preklapaju, stapajući se u jedan; ova pojava smanjuje propusni opseg prenosa.

Jedan od razloga pojave disperzije je prenošenje ulaznog optičkog impulsa posredstvom više snopova-modova kroz višemodno vlakno. Različiti modovi prelaze različite putanj e u svom cik- cak kretanju kroz vlakno i stižu u različito vreme do fotodetektora na kraju putanje, dovodeći tako do prostornog i vremenskog širenja impulsa. Kod vlakna sa step-indeksom ova disperzija ograničava propusni opseg prenosa na oko 20 MHz po km, što je dovoljno samo za relativno spori prenos na kratkim rastojanjima. Kod vlakna sa gradijentnim indeksom, modovi koji se prostim najdalje od ose i tako prelaze najduži put, kreću se brže od centralnih modova (jer je na periferiji jezgra indeks prelarnanja niži). Na taj način se vremena putovanja modova donekle izjednačavaju i modalna disperzija se smanjuje na vrednost koja omogućava da se ostvare komunikacione veze dužine nekoliko kolometara.

Hromatska disperzija[уреди]

Ovo je osnovni vid disperzije kod monomodnih vlakana i ona predstavlja širenje impulsa zbog promenljivosti brzine prostiranja svetlosti kroz optičko vlakno i zbog konačne spektralne širine zračenja svetlosnog izvora. Ovaj tip disperzije se izražava u ps/(nmxkm). Hromatska disperzija nastaje zato što indeks prelamanja materijala zavisi od frekvencije (talasne dužine) zbog čega pojedini elementarni dijelovi prenošenog spektra stižu na kraj linije sa različitim vremenskim zakašnjenjima, posledica čega će biti proširenje impulsa. Hromatska disperzija je posledica delovanja dva različita mehanizma širenja impulsa-zbog disperzije samog materijala i zbog talosovodne strukture vlakna.

Polarizaciona disperzija[уреди]

Polarizaciona disperzija je posledica različite brzine prostiranja dve polarizacione komponente jednog moda u jednomodnm vlaknu. Jezgro vlakna nije idealno simetrično kružno,već se, kao posledica savijanja i raznih nehomogenosti, javlja malo tzv. dvojno prelamanje. Ovim terminom nazivamao postojanje dva različita indeksa prelamanja u jezgru za dve različite polarizacije svetlosnog talasa. Tako se dve polarizacione komponente talasa prostiru različitom brzinom kroz optičko vlakno. Nesavršenosti vlakna koje dovode do dvojnog prelamanja su proizvoljno raspoređene duž vlakna, tako da se i polarizaciona disperzija javlja proizvoljno i teorijski nepredvidivo. Merenje polarizacione disperzije na konkretnoj liniji ima smisla tek po postavljanju vlakna. Pošto polarizacionu disperziju izazivaju uglavnom krivine i naprezanja vlakna, rezultat koji se dobija pri merenju vlakna namotanog na kalem može biti potpuno različit od rezultata tog istog vlakna na terenu. Polarizaciona disperzija jedne linije se čak menja i po postavljanju linije, u toku dužeg vremenskog intervala.

Optički predajnici[уреди]

Laser[уреди]

Laserske diode se koriste u slučajevima kada je potrebna velika brzina prenosa i/ili veliki domet. Modulišu se direktno, promjenom struje kroz dijodu, pomoću relativno (u odnosu na LED) složenog elektronskog kola. To su veoma osetljive komponente i lako se oštećuju ili uništavaju nepravilnim pobuđivanjem ili elektrostatičkim pražnjenjem. Zavisnost izračene snage od temeperature je veoma jaka pa se često laserske diode moraju temperaturno stabilizovati, što je relativno skupo i sa velikom potrošnjom energije.

Led dioda[уреди]

LED diode se koriste za. ostvarivanje, veza čije su brzine reda do 100 Mbit/s, kada je dovoljna snaga od nekoliko desetina mikrovati u višemodnorn vlaknu. Emitujuće diode se modulišu direktno, promcnom struje kroz p-n spoj. priincnom relativno jednostavno modulišućeg elektronskog sklopa. Zaključak Prednosti optičkih vlakana su:

  • Veoma velika brzina prenosa podataka, nekoliko gigabita Gbit/s (2,5, 10, 40!)
  • Premošćavanje velikog rastojanja bez repetitora
  • Imunost na elektromagnetno zračenje
  • Mogućnost povećavanja kapaciteta prenosa i posle ugradnje kabla
  • Bezbjednost primjene
  • Bezbjednost podataka
  • Veoma tanak kabl
  • Ekonomičnost

Nedostaci optičkih vlakana su:

  • Skupa oprema za instalaciju
  • Ne mogu da prenose energiju za repetitore

Vidi još[уреди]