Co je optický kabel

Dnes se k přenosu dat hojně používají optické kabely. V některých oblastech IT zcela nahradily tradiční kovové komunikační linky. Optické kabely jsou obzvláště efektivní v aplikacích, kde je třeba přenášet velké množství dat na velké vzdálenosti.

Fyzikální základy vláknové optiky

Optická vlákna jsou založena na fyzikálním principu úplného odrazu. Vezmeme-li dvě média s různými indexy lomu n₁ a n₂, kde n₂< n₁ (např. vzduch a sklo nebo sklo a průhledný plast) a promítneme na rozhraní paprsek světla pod úhlem α, dojde ke dvěma událostem.

Paprsek (na obrázku označený červeně), promítaný shora vlevo (šipka), se částečně láme a pohybuje se podél prostředí s indexem lomu n₂ pod úhlem α₁<α - tato část paprsku je vyznačena přerušovanou čarou. Druhá část paprsku se od rozhraní odrazí pod stejným úhlem. Pokud necháme paprsek dopadat pod pomalejším úhlem β (zelený paprsek na obrázku), dojde ke stejnému jevu - částečnému odrazu a částečnému lomu pod úhlem β.₁.

Pokud se úhel dopadu α dále zmenší (modrý paprsek na obrázku), pak se lomená část paprsku "posune" téměř rovnoběžně s rozhraním (modrá přerušovaná čára). Další zmenšení úhlu dopadu (zelený paprsek dopadající pod úhlem β) způsobí kvalitativní skok - lomená část bude chybět. Paprsek se zcela odrazí od rozhraní mezi oběma médii. Tento úhel se nazývá úhel úplného odrazu a jev se nazývá úplný odraz. Totéž se projeví, když se úhel dopadu dále zmenšuje.

Konstrukce optického vlákna

Na tomto principu jsou založena optická vlákna. Skládá se ze dvou koaxiálních vrstev s různou optickou hustotou.

Pokud světelný paprsek vstupuje na otevřený konec vlákna pod úhlem větším, než je úhel odrazu světla, bude se zcela odrážet od styčné plochy dvou médií s různými indexy lomu, přičemž při každém "skoku" dojde k malému útlumu.

Vnější část optického vlákna je vyrobena z plastu. Vnitřní část může být také vyrobena z průhledného plastu, pak ji lze ohýbat pod poměrně velkými úhly (i svinout do kruhu, a světlo, které se dostane dovnitř, bude stále procházet z jednoho konce na druhý s útlumem, v závislosti na optických vlastnostech plastu a délce světlovodu). U kabelů pro dlouhé vzdálenosti, kde flexibilita není tak důležitá, se vnitřní jádro obvykle vyrábí ze skla. Tím se sníží útlum a náklady na optické vlákno, které je však citlivé na ohyb.

Pro zvýšení kapacity optické linky je vlákno k dispozici ve dvourežimovém nebo vícemódovém provedení. Za tímto účelem se zvětšuje průřez jádra na 50 µm nebo 62,5 µm (oproti 10 µm u jednovidového vlákna). Tímto optickým vláknem lze přenášet dva nebo více signálů současně.

Toto optické přenosové vedení má určité nevýhody. Jedním z nich je rozptyl světla způsobený odlišnou cestou každého signálu. Naučili se s tím bojovat tak, že vyrobili jádro s gradientním (měnícím se od středu k okrajům) indexem lomu. Tím se korigují dráhy různých paprsků.

Multimódové optické kabely se většinou používají pro místní sítě (v rámci budovy, podniku atd.) a jednovidové optické kabely se používají pro dálkové přenosy.

Návrh optického vedení

Optické kabely přenášejí světelný signál produkovaný LED diodou nebo laserem. Ve vysílací jednotce je generován elektrický signál. Konečné zařízení potřebuje také signál ve formě elektrických impulzů. Proto bude nutné surová data převést dvakrát. Zjednodušené schéma optického vedení je znázorněno na obrázku.

Signál z vysílacího zařízení je převeden na světelné impulsy a přenášen po optickém vedení. Výkon zářičů na vysílací straně je omezený, proto se na dlouhých vedeních v určitých intervalech umísťují zařízení, která kompenzují útlum - optické zesilovače, regenerátory nebo opakovače. Na přijímací straně je další převodník, který transformuje optický signál na elektrický.

Konstrukce optického kabelu

Jednotlivá vlákna se používají jako součást optického kabelu, který vytváří optické vedení. Jeho konstrukce závisí na účelu přenosového vedení a způsobu instalace, ale obecně obsahuje několik vláken s individuálním ochranným povlakem (proti poškrábání a mechanickému poškození). Tato ochrana se obvykle provádí ve dvou vrstvách - nejprve se nanese plášť ze směsi a poté další vrstva plastu nebo laku. Vlákna jsou obalena společným pláštěm (podobně jako u běžných elektrických kabelů), který určuje použití kabelu a je zvolen podle vnějších vlivů, kterým bude vedení během provozu vystaveno.

Při instalaci do kabelových žlabů vzniká problém s ochranou vedení před hlodavci. V tomto případě je nutné zvolit kabel s vnějším pláštěm vyztuženým ocelovou páskou nebo pancéřováním. Skleněná vlákna se používají také jako ochrana proti poškození.

Pokud je kabel uložen v trubce, není zesílený plášť nutný. Kovová trubka spolehlivě chrání před zuby myší a potkanů. Vnější plášť může být lehčí. To usnadňuje protažení kabelu uvnitř trubky.

Pokud má být vedení uloženo v zemi, je ochrana v podobě drátěného pancíře chráněného proti korozi nebo tyčí ze skleněných vláken. To zajišťuje vysokou odolnost nejen proti stlačení, ale také proti tahu.

Pokud má být kabel instalován v mořských oblastech, nad řekami nebo jinými vodními překážkami, v bažinatém terénu apod., použije se dodatečná ochrana pomocí alu-polymerové pásky. Tímto způsobem je kabel chráněn proti vniknutí vody.

Mnohé kabely obsahují uvnitř společného pláště také:

• Výztužné tyče, které slouží k větší pevnosti konstrukce při vnějším mechanickém namáhání a při tepelném prodloužení vedení;
• plniva - plastová vlákna, která vyplňují prázdné prostory mezi vlákny a jinými prvky.
• silové tyče (jejich účelem je zvýšit tahové zatížení).

V dlouhých rozpětích je vedení zavěšeno na laně, ale existují i samonosná lana. Nosný kovový kabel je zabudován přímo do pláště.

Jako samostatný typ optického vedení bychom měli zmínit optický patch kabel. Tento kabel obsahuje jedno nebo dvě vlákna (jednovidová nebo dvouvidová), která jsou uzavřena ve společném plášti. Obě strany kabelu jsou vybaveny konektory pro připojení. Tyto kabely jsou velmi krátké a používají se k propojení zařízení na krátké vzdálenosti nebo k zapojení v rozvaděči.

Výhody a nevýhody optických kabelů

Mezi nesporné výhody optických kabelů, které vedly k jejich širokému využití, patří:

• vysoká odolnost proti rušení - světelný signál není ovlivněn domácím a průmyslovým elektromagnetickým zářením a samotné vedení nevyzařuje žádné záření (to ztěžuje neoprávněný přístup k přenášeným informacím a nevytváří problémy s elektromagnetickou kompatibilitou);
• úplné galvanické oddělení mezi přijímací a vysílací stranou;
• nízký útlum - mnohem nižší než u drátových vedení;
• dlouhá životnost;
• vysoká přenosová kapacita.

V dnešní realitě je také důležité, aby kabel nelákal zloděje kovů.

Optika není bez nevýhod. Především se jedná o složitost instalace a připojení, která vyžaduje speciální vybavení, nástroje a materiály a klade vyšší nároky na kvalifikaci pracovníků, kteří se na instalaci a údržbě vedení podílejí. Většina poruch optických kabelů je způsobena chybami v instalaci, které se nemusí projevit okamžitě. Zpočátku byly vysoké i náklady na samotnou linku, ale technologický pokrok umožnil snížit tuto nevýhodu na konkurenční úroveň.

Optické linky získaly významný podíl na komunikačním trhu. Pokud nedojde k technologickému průlomu, není v dohledné době k dispozici žádná vážná alternativa.

Související články: