Σήμερα, τα καλώδια οπτικών ινών χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μετάδοση δεδομένων. Έχουν αντικαταστήσει πλήρως τις παραδοσιακές μεταλλικές γραμμές επικοινωνίας σε ορισμένους τομείς της πληροφορικής. Τα καλώδια οπτικών ινών είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά σε εφαρμογές όπου πρέπει να μεταδίδονται μεγάλες ποσότητες δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις.
Περιεχόμενα
Φυσική βάση των οπτικών ινών
Οι οπτικές ίνες βασίζονται στη φυσική αρχή της ολικής ανάκλασης. Εάν πάρουμε δύο μέσα με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης n1 και n2, όπου n2< n1 (π.χ. αέρας και γυαλί ή γυαλί και διαφανές πλαστικό) και προβάλλετε μια δέσμη φωτός υπό γωνία α στη διεπιφάνεια, θα συμβούν δύο γεγονότα.
Η δέσμη (σημειωμένη με κόκκινο χρώμα στο σχήμα), που προβάλλεται από πάνω αριστερά (βέλος), θα διαθλαστεί μερικώς και θα ταξιδέψει κατά μήκος του μέσου με δείκτη διάθλασης n2 υπό γωνία α1<α - αυτό το τμήμα της δέσμης υποδεικνύεται με τη διακεκομμένη γραμμή. Το άλλο μέρος της δέσμης θα ανακλάται από τη διεπιφάνεια στην ίδια γωνία. Αν αφήσουμε τη δέσμη να πέσει σε πιο αργή γωνία β (η πράσινη δέσμη στο σχήμα), θα συμβεί το ίδιο πράγμα - μερική ανάκλαση και μερική διάθλαση σε γωνία β1.
Εάν η γωνία πρόσπτωσης α μειωθεί περαιτέρω (μπλε ακτίνα στο σχήμα), τότε το διαθλώμενο τμήμα της δέσμης θα "γλιστρήσει" σχεδόν παράλληλα με τη διεπιφάνεια (μπλε διακεκομμένη γραμμή). Μια περαιτέρω μείωση της γωνίας πρόσπτωσης (η πράσινη δέσμη προσπίπτει υπό γωνία β) θα προκαλέσει ποιοτικό άλμα - το διαθλώμενο τμήμα θα απουσιάζει. Η δέσμη θα ανακλαστεί πλήρως από τη διεπιφάνεια μεταξύ των δύο μέσων. Η γωνία αυτή ονομάζεται γωνία ολικής ανάκλασης και το φαινόμενο ονομάζεται ολική ανάκλαση. Το ίδιο θα παρατηρηθεί καθώς η γωνία πρόσπτωσης μειώνεται περαιτέρω.
Κατασκευή οπτικής ίνας
Οι οπτικές ίνες βασίζονται σε αυτή την αρχή. Αποτελείται από δύο ομοαξονικά στρώματα διαφορετικής οπτικής πυκνότητας.
Εάν μια φωτεινή δέσμη εισέλθει στο ανοικτό άκρο μιας ίνας υπό γωνία μεγαλύτερη από τη γωνία ανάκλασης του φωτός, θα ανακλαστεί πλήρως από την επιφάνεια επαφής δύο μέσων με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, με μικρή εξασθένηση σε κάθε "άλμα".
Το εξωτερικό μέρος της οπτικής ίνας είναι κατασκευασμένο από πλαστικό. Το εσωτερικό μπορεί επίσης να είναι κατασκευασμένο από διαφανές πλαστικό, οπότε μπορεί να κάμπτεται σε αρκετά μεγάλες γωνίες (ακόμη και να τυλίγεται σε δακτύλιο, και το φως που μπαίνει στο εσωτερικό θα εξακολουθεί να περνάει από το ένα άκρο στο άλλο με εξασθένηση, ανάλογα με τις οπτικές ιδιότητες του πλαστικού και το μήκος του φωτοδηγού). Για καλώδια μεγάλων αποστάσεων, όπου η ευελιξία δεν είναι τόσο σημαντική, ο εσωτερικός πυρήνας είναι συνήθως από γυαλί. Αυτό μειώνει την εξασθένηση και το κόστος της οπτικής ίνας, αλλά γίνεται ευαίσθητη στην κάμψη.
Για την αύξηση της χωρητικότητας μιας οπτικής γραμμής, η ίνα διατίθεται σε έκδοση διπλού ή πολλαπλού τρόπου λειτουργίας. Για το σκοπό αυτό, η διατομή του πυρήνα αυξάνεται σε 50 μm ή 62,5 μm (σε σύγκριση με 10 μm για μονότροπους). Δύο ή περισσότερα σήματα μπορούν να μεταδοθούν ταυτόχρονα μέσω αυτής της οπτικής ίνας.
Αυτή η οπτική γραμμή μετάδοσης έχει ορισμένα μειονεκτήματα. Ένα από αυτά είναι η διασπορά του φωτός που προκαλείται από τη διαφορετική διαδρομή κάθε σήματος. Έμαθαν να το καταπολεμούν κατασκευάζοντας έναν πυρήνα με διαβαθμισμένο (μεταβαλλόμενο από τη μέση προς τις άκρες) δείκτη διάθλασης. Αυτό διορθώνει τις διαδρομές των διαφορετικών ακτίνων.
Τα πολύτροπα καλώδια οπτικών ινών χρησιμοποιούνται κυρίως για τοπικά δίκτυα (εντός ενός κτιρίου, μιας επιχείρησης κ.λπ.) και τα μονότροπα καλώδια οπτικών ινών χρησιμοποιούνται για δίκτυα μεγάλων αποστάσεων.
Σχεδιασμός γραμμής οπτικών ινών
Τα καλώδια οπτικών ινών μεταφέρουν ένα φωτεινό σήμα που παράγεται από LED ή λέιζερ. Ένα ηλεκτρικό σήμα παράγεται στη μονάδα εκπομπής. Η τελική συσκευή χρειάζεται επίσης το σήμα με τη μορφή ηλεκτρικών παλμών. Επομένως, θα πρέπει να μετατρέψετε τα ακατέργαστα δεδομένα δύο φορές. Ένα απλουστευμένο διάγραμμα μιας γραμμής οπτικών ινών φαίνεται στο σχήμα.
Το σήμα από τη συσκευή εκπομπής μετατρέπεται σε παλμούς φωτός και μεταδίδεται μέσω της οπτικής γραμμής. Η ισχύς των πομπών στην πλευρά εκπομπής είναι περιορισμένη, οπότε οι συσκευές που αντισταθμίζουν την εξασθένηση - οπτικοί ενισχυτές, αναγεννητές ή επαναλήπτες - τοποθετούνται σε ορισμένα διαστήματα στις μεγάλες γραμμές. Στο άκρο λήψης υπάρχει ένας άλλος μετατροπέας που μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό σήμα.
Κατασκευή οπτικού καλωδίου
Οι μεμονωμένες ίνες χρησιμοποιούνται ως μέρος ενός οπτικού καλωδίου για τη δημιουργία μιας γραμμής οπτικών ινών. Η κατασκευή του εξαρτάται από το σκοπό της γραμμής μεταφοράς και τη μέθοδο εγκατάστασης, αλλά γενικά περιέχει πολλές ίνες με ξεχωριστή προστατευτική επίστρωση (κατά των γρατζουνιών και των μηχανικών φθορών). Αυτή η προστασία γίνεται συνήθως σε δύο στρώσεις - πρώτα ένα περίβλημα από ένωση και στη συνέχεια μια πρόσθετη επίστρωση πλαστικού ή βερνικιού από πάνω. Οι ίνες περικλείονται σε ένα κοινό περίβλημα (παρόμοιο με τα συμβατικά ηλεκτρικά καλώδια), το οποίο καθορίζει την εφαρμογή του καλωδίου και επιλέγεται ανάλογα με τις εξωτερικές επιδράσεις στις οποίες θα εκτεθεί η γραμμή κατά τη λειτουργία της.
Κατά την εγκατάσταση σε δίσκους καλωδίων υπάρχει πρόβλημα προστασίας των γραμμών από τα τρωκτικά. Σε αυτή την περίπτωση είναι απαραίτητο να επιλέξετε καλώδιο με εξωτερικό περίβλημα ενισχυμένο με χαλύβδινη ταινία ή συρμάτινη θωράκιση. Οι γυάλινες ίνες χρησιμοποιούνται επίσης ως προστασία έναντι ζημιών.
Εάν το καλώδιο τοποθετηθεί σε σωλήνα, δεν χρειάζεται ενισχυμένο περίβλημα. Ο μεταλλικός σωλήνας προστατεύει αξιόπιστα από τα δόντια ποντικών και αρουραίων. Το εξωτερικό περίβλημα μπορεί να γίνει ελαφρύτερο. Αυτό διευκολύνει το τράβηγμα του καλωδίου στο εσωτερικό του σωλήνα.
Εάν η γραμμή πρόκειται να τοποθετηθεί στο έδαφος, η προστασία έχει τη μορφή θωράκισης σύρματος με προστασία από τη διάβρωση ή ράβδων από υαλοβάμβακα. Αυτό παρέχει υψηλή αντοχή όχι μόνο στη συμπίεση αλλά και στην έλξη.
Εάν το καλώδιο πρόκειται να εγκατασταθεί σε θαλάσσιες περιοχές, πάνω από ποτάμια ή άλλα υδάτινα εμπόδια, σε ελώδες έδαφος κ.λπ., χρησιμοποιείται πρόσθετη προστασία με τη χρήση ταινίας αλουμινίου-πολυμερούς. Με αυτόν τον τρόπο, το καλώδιο προστατεύεται από τη διείσδυση του νερού.
Πολλά καλώδια περιέχουν επίσης μέσα στο κοινό τους περίβλημα:
- ράβδοι ενίσχυσης που χρησιμεύουν για να προσδώσουν μεγαλύτερη αντοχή στη δομή όταν εκτίθεται σε εξωτερικές μηχανικές καταπονήσεις και όταν η γραμμή επιμηκύνεται θερμικά
- πληρωτικά - πλαστικά νήματα που γεμίζουν τα κενά διαστήματα μεταξύ ινών και άλλων στοιχείων
- ράβδοι ισχύος (σκοπός τους είναι να αυξήσουν το εφελκυστικό φορτίο).
Σε μεγάλα ανοίγματα η γραμμή αναρτάται σε καλώδιο, αλλά υπάρχουν και αυτοφερόμενα καλώδια. Το μεταλλικό καλώδιο στήριξης είναι ενσωματωμένο απευθείας στο περίβλημα.
Ως ξεχωριστό είδος γραμμής οπτικών ινών θα πρέπει να αναφέρουμε το οπτικό καλώδιο patch cord. Το καλώδιο αυτό περιέχει μία ή δύο ίνες (μονής ή διπλής λειτουργίας) που περικλείονται σε κοινό περίβλημα. Και οι δύο πλευρές του καλωδίου είναι εφοδιασμένες με συνδέσμους για σύνδεση. Αυτά τα καλώδια είναι πολύ κοντά και χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση εξοπλισμού σε μικρές αποστάσεις ή για καλωδίωση εντός του γραφείου.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των οπτικών καλωδίων
Τα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα των καλωδίων οπτικών ινών που έχουν οδηγήσει στην ευρεία χρήση τους περιλαμβάνουν:
- υψηλή ανοχή σε παρεμβολές - το φωτεινό σήμα δεν επηρεάζεται από την οικιακή και βιομηχανική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και η ίδια η γραμμή δεν εκπέμπει ακτινοβολία (αυτό καθιστά δύσκολη τη μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση στις μεταδιδόμενες πληροφορίες και δεν δημιουργεί προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας),
- πλήρη γαλβανική απομόνωση μεταξύ της πλευράς λήψης και της πλευράς εκπομπής,
- χαμηλή εξασθένηση - πολύ χαμηλότερη από εκείνη των συρμάτινων γραμμών,
- μεγάλη διάρκεια ζωής,
- υψηλή ικανότητα μετάδοσης.
Στη σημερινή πραγματικότητα, είναι επίσης σημαντικό το καλώδιο να μην προσελκύει κλέφτες μετάλλων.
Η οπτική δεν είναι χωρίς τα μειονεκτήματά της. Πρώτα απ' όλα πρόκειται για την πολυπλοκότητα της εγκατάστασης και της σύνδεσης, η οποία απαιτεί ειδικό εξοπλισμό, εργαλεία και υλικά, καθώς και επιβάλλει υψηλότερες απαιτήσεις για τα προσόντα του προσωπικού, που εμπλέκεται στην εγκατάσταση και τη συντήρηση των γραμμών. Οι περισσότερες βλάβες στα καλώδια οπτικών ινών οφείλονται σε σφάλματα εγκατάστασης, τα οποία μπορεί να μην εκδηλωθούν αμέσως. Αρχικά, το κόστος της ίδιας της γραμμής ήταν επίσης υψηλό, αλλά η πρόοδος της τεχνολογίας επέτρεψε τη μείωση αυτού του μειονεκτήματος σε ανταγωνιστικά επίπεδα.
Οι οπτικές γραμμές έχουν αποκτήσει σημαντικό μερίδιο αγοράς στην αγορά επικοινωνιών. Καμία σοβαρή εναλλακτική λύση δεν είναι ορατή για το ορατό μέλλον, εκτός αν υπάρξει τεχνολογική ανακάλυψη.
Σχετικά άρθρα:
