I dag anvendes fiberoptiske kabler i vid udstrækning til dataoverførsel. De har fuldstændig erstattet traditionelle metalbaserede kommunikationsledninger på nogle it-områder. Fiberoptiske kabler er særligt effektive i applikationer, hvor store datamængder skal overføres over lange afstande.
Indhold
Fysisk grundlag for fiberoptik
Optiske fibre er baseret på det fysiske princip om totalreflektion. Hvis vi tager to medier med forskellige brydningsindeks n1 og n2, hvor n2< n1 (f.eks. luft og glas eller glas og gennemsigtig plast) og projicerer en lysstråle i en vinkel α mod grænsefladen, vil der ske to ting.
Strålen (markeret med rødt på figuren), der projiceres fra oven til venstre (pil), vil delvist brydes og bevæge sig langs mediet med brydningsindeks n2 i en vinkel α1<α - denne del af strålen er angivet med den stiplede linje. Den anden del af strålen vil blive reflekteret fra grænsefladen i samme vinkel. Hvis vi lader strålen falde i en langsommere vinkel β (den grønne stråle i figuren), vil der ske det samme - delvis refleksion og delvis brydning i en vinkel β1.
Hvis indfaldsvinklen α reduceres yderligere (blå stråle i figuren), vil den brækkede del af strålen "glide" næsten parallelt med grænsefladen (blå stiplet linje). Et yderligere fald i indfaldsvinklen (grøn stråle indfaldende i en vinkel β) vil medføre et kvalitativt spring - den brækkede del vil være fraværende. Strålen vil blive reflekteret fuldstændigt fra grænsefladen mellem de to medier. Denne vinkel kaldes totalrefleksionsvinklen, og fænomenet kaldes totalrefleksion. Det samme vil blive observeret, når indfaldsvinklen mindskes yderligere.
Konstruktion af en optisk fiber
Optiske fibre er baseret på dette princip. Den består af to koaksiale lag med forskellig optisk tæthed.
Hvis en lysstråle kommer ind i den åbne ende af en fiber i en vinkel, der er større end lysreflektionsvinklen, vil den blive reflekteret fuldstændigt fra kontaktfladen af to medier med forskellige brydningsindeks med en lille dæmpning ved hvert "spring".
Den ydre del af den fiberoptiske optik er fremstillet af plast. Det indre kan også være lavet af gennemsigtig plast, så kan det bøjes i ret store vinkler (selv rullet sammen til en ring, og det lys, der kommer ind i det indre, vil stadig passere fra den ene ende til den anden med dæmpning, afhængigt af plastens optiske egenskaber og lyslederens længde). Til kabler til lange afstande, hvor fleksibilitet ikke er så vigtigt, er den indre kerne normalt lavet af glas. Dette reducerer dæmpningen og omkostningerne ved den optiske fiber, men den bliver følsom over for bøjning.
For at øge kapaciteten af en optisk linje kan fiberen fås i en dual-mode- eller multimode-version. Til dette formål øges kernetværsnittet til 50 µm eller 62,5 µm (sammenlignet med 10 µm for single-mode). To eller flere signaler kan transmitteres gennem denne optiske fiber samtidig.
Denne optiske transmissionslinje har visse ulemper. En af dem er lysspredning forårsaget af den forskellige vej for hvert signal. De har lært at bekæmpe det ved at fremstille en kerne med et gradientbrydningsindeks (der ændrer sig fra midten til kanterne). Herved korrigeres de forskellige strålers bane.
Multimode fiberoptiske kabler bruges mest til lokale netværk (i en bygning, virksomhed osv.) og single-mode fiberoptiske kabler bruges til langdistancetjenester.
Design af en fiberoptisk linje
Fiberoptiske kabler transporterer et lyssignal, der produceres af en LED eller en laser. Der genereres et elektrisk signal i senderenheden. Den endelige enhed har også brug for signalet i form af elektriske impulser. Det vil derfor være nødvendigt at konvertere de rå data to gange. Figuren viser et forenklet diagram af en fiberoptisk ledning.
Signalet fra senderenheden omdannes til lysimpulser og transmitteres over den optiske linje. Emitternes effekt på sendesiden er begrænset, så der placeres med visse intervaller på lange linjer anordninger, der kompenserer for dæmpning - optiske forstærkere, regenereringsenheder eller repeatere - for at kompensere for dæmpning. På modtagersiden er der en anden konverter, som omdanner det optiske signal til et elektrisk signal.
Optisk kabelkonstruktion
Individuelle fibre anvendes som en del af et optisk kabel for at skabe en fiberoptisk linje. Dens opbygning afhænger af formålet med transmissionsledningen og lægningsmetoden, men generelt indeholder den flere fibre med en individuel beskyttelsesbelægning (mod ridser og mekaniske skader). Denne beskyttelse sker normalt i to lag - først en kappe af compound og derefter en ekstra belægning af plast eller lak ovenpå. Fibrene er omsluttet af en fælles kappe (svarende til konventionelle elektriske kabler), som bestemmer kablets anvendelsesområde og vælges i overensstemmelse med de ydre påvirkninger, som ledningen vil blive udsat for under drift.
Ved installation i kabelbakker er der et problem med beskyttelse af ledningerne mod gnavere. I dette tilfælde er det nødvendigt at vælge et kabel med en ydre kappe, der er forstærket med stålbånd eller trådarmering. Glasfibre anvendes også som beskyttelse mod skader.
Hvis kablet lægges i et rør, er det ikke nødvendigt med en forstærket kappe. Metalrøret beskytter pålideligt mod mus og rotters tænder. Det ydre hylster kan gøres lettere. Det gør det lettere at trække kablet ind i røret.
Hvis ledningen skal lægges i jorden, er beskyttelsen i form af korrosionsbeskyttet trådarmering eller glasfiberstænger. Dette giver høj modstandsdygtighed ikke kun over for kompression, men også over for trækkraft.
Hvis kablet skal installeres i havområder, over floder eller andre vandhindringer, på sumpet jord osv., skal der anvendes yderligere beskyttelse ved hjælp af alu-polymerbånd. På denne måde er kablet beskyttet mod vandindtrængning.
Mange kabler har også en fælles kappe inden i deres fælles kappe:
- Forstærkningsstænger, der tjener til at give strukturen større styrke, når den udsættes for ydre mekaniske belastninger, og når ledningen er termisk forlænget
- fyldstoffer - plastfilamenter, der udfylder tomme rum mellem fibre og andre elementer
- kraftstænger (deres formål er at øge trækbelastningen).
I lange spænd er linjen ophængt i et kabel, men der findes også selvbærende kabler. Det bærende metalkabel er indbygget direkte i kappen.
Som en særskilt type fiberoptisk ledning bør vi nævne optisk patchkabel. Dette kabel indeholder en eller to fibre (single-mode eller dual-mode), der er indkapslet i en fælles kappe. Begge sider af ledningen er forsynet med stik til tilslutning. Disse kabler er meget korte og bruges til at forbinde udstyr over korte afstande eller til kabelføring i kabinettet.
Fordele og ulemper ved optiske kabler
De ubestridelige fordele ved fiberoptiske kabler, som har ført til deres udbredte anvendelse, er bl.a:
- høj immunitet over for interferens - lyssignalet påvirkes ikke af elektromagnetisk stråling fra husholdninger og industrien, og selve ledningen udsender ikke nogen stråling (dette gør det vanskeligt for uautoriserede at få adgang til de overførte oplysninger og skaber ikke problemer med elektromagnetisk kompatibilitet);
- fuldstændig galvanisk isolation mellem modtager- og sendesiden;
- lav dæmpning - meget lavere end for trådledninger;
- lang levetid;
- høj transmissionskapacitet.
I dagens situation er det også vigtigt, at kablet ikke tiltrækker metaltyve.
Optik er ikke uden ulemper. Først og fremmest er det en kompleksitet af installation og tilslutning, som kræver særligt udstyr, værktøj og materialer, samt stiller højere krav til kvalifikation af personale, der er involveret i installation og vedligeholdelse af linjer. De fleste fejl i fiberoptiske kabler skyldes installationsfejl, som ikke nødvendigvis viser sig med det samme. I begyndelsen var omkostningerne ved selve linjen også høje, men teknologiske fremskridt har gjort det muligt at reducere denne ulempe til et konkurrencedygtigt niveau.
Optiske linjer har vundet en betydelig markedsandel på kommunikationsmarkedet. Der er ikke noget seriøst alternativ i sigte inden for en overskuelig fremtid, medmindre der sker et teknologisk gennembrud.
Relaterede artikler:
