Mikä on valokaapeli

Nykyään valokaapeleita käytetään laajalti tiedonsiirtoon. Ne ovat joillakin tietotekniikka-aloilla korvanneet kokonaan perinteiset metallipohjaiset tietoliikennelinjat. Valokaapelit ovat erityisen tehokkaita sovelluksissa, joissa suuria tietomääriä on siirrettävä pitkiä matkoja.

Kuituoptiikan fysikaalinen perusta

Optiset kuidut perustuvat kokonaisheijastuksen fysikaaliseen periaatteeseen. Jos otetaan kaksi mediaa, joilla on eri taitekertoimet n₁ ja n₂, jossa n₂< n₁ (esim. ilma ja lasi tai lasi ja läpinäkyvä muovi) ja heijastetaan valonsäde kulmassa α rajapintaan, tapahtuu kaksi tapahtumaa.

Ylhäältä vasemmalle (nuoli) heijastettu säde (kuvassa merkitty punaisella) taittuu osittain ja kulkee pitkin väliaineessa, jonka taitekerroin n₂ kulmassa α₁<α - tämä säteen osa on merkitty katkoviivalla. Toinen osa sädettä heijastuu rajapinnasta samassa kulmassa. Jos annamme säteen pudota hitaammassa kulmassa β (vihreä säde kuvassa), tapahtuu sama asia - osittainen heijastuminen ja osittainen taittuminen kulmassa β₁.

Jos kohtauskulmaa α pienennetään edelleen (sininen säde kuvassa), säteen taittunut osa "liukuu" lähes rajapinnan suuntaisesti (sininen katkoviiva). Jos osumakulmaa pienennetään edelleen (vihreä säde osuu kulmassa β), tapahtuu laadullinen hyppäys - taittunut osa puuttuu. Säde heijastuu kokonaan kahden väliaineen välisestä rajapinnasta. Tätä kulmaa kutsutaan kokonaisheijastuskulmaksi, ja ilmiötä kutsutaan kokonaisheijastukseksi. Sama havaitaan, kun kohtauskulma pienenee edelleen.

Optisen kuidun rakentaminen

Optiset kuidut perustuvat tähän periaatteeseen. Se koostuu kahdesta koaksiaalisesta kerroksesta, joiden optinen tiheys on erilainen.

Jos valonsäde tulee kuidun avoimeen päähän valon heijastuskulmaa suuremmassa kulmassa, se heijastuu täysin kahden eri taitekertoimen omaavan väliaineen kosketuspinnasta, ja jokaisella "hypyllä" tapahtuu vain pieni vaimennus.

Valokuidun ulkoinen osa on muovia. Sisäosa voidaan myös tehdä läpinäkyvästä muovista, jolloin sitä voidaan taivuttaa melko suuriin kulmiin (jopa rullata rinkulaksi, ja sisälle pääsevä valo kulkee silti muovin optisista ominaisuuksista ja valonohjaimen pituudesta riippuen vaimentuen toisesta päästä toiseen). Pitkien etäisyyksien kaapeleissa, joissa joustavuus ei ole niin tärkeää, sisäydin on yleensä lasia. Tämä pienentää vaimennusta ja laskee valokuidun hintaa, mutta se on herkkä taivutukselle.

Optisen linjan kapasiteetin lisäämiseksi kuitua on saatavana kaksimoodisena tai monimoodisena versiona. Tätä tarkoitusta varten ytimen poikkipinta-ala kasvatetaan 50 µm:iin tai 62,5 µm:iin (verrattuna 10 µm:iin yksimuotokuidussa). Optisen kuidun kautta voidaan lähettää samanaikaisesti kaksi tai useampia signaaleja.

Tällä optisella siirtolinjalla on tiettyjä haittoja. Yksi niistä on valon hajonta, joka johtuu kunkin signaalin erilaisesta reitistä. He ovat oppineet torjumaan sen tekemällä ytimen, jonka taitekerroin on asteittainen (muuttuu keskeltä reunoille). Tämä korjaa eri säteiden kulkureittejä.

Monimuotokuitukaapeleita käytetään useimmiten lähiverkoissa (rakennuksen, yrityksen jne. sisällä) ja yksimuotokuitukaapeleita pitkien etäisyyksien siirtolinjoissa.

Kuituoptisen linjan suunnittelu

Valokaapelit kuljettavat LEDin tai laserin tuottamaa valosignaalia. Lähetysyksikössä tuotetaan sähköinen signaali. Loppulaite tarvitsee myös signaalin sähköimpulssien muodossa. Tämän vuoksi raakatiedot on muunnettava kahdesti. Kuvassa on yksinkertaistettu kaavio valokuitulinjasta.

Lähetyslaitteesta tuleva signaali muunnetaan valopulsseiksi ja lähetetään optista linjaa pitkin. Lähettimien teho lähetyspuolella on rajallinen, joten vaimennusta kompensoivat laitteet - optiset vahvistimet, regeneraattorit tai toistimet - sijoitetaan tietyin väliajoin pitkille linjoille. Vastaanottopuolella on toinen muunnin, joka muuttaa optisen signaalin sähköiseksi signaaliksi.

Optisen kaapelin rakenne

Yksittäisiä kuituja käytetään osana optista kaapelia valokuitulinjan muodostamiseksi. Sen rakenne riippuu siirtojohdon käyttötarkoituksesta ja asennustavasta, mutta yleensä se sisältää useita kuituja, joilla on oma suojapinnoite (naarmuuntumista ja mekaanisia vaurioita vastaan). Tämä suojaus tehdään yleensä kahdessa kerroksessa - ensin yhdistelmävaippa ja sen päälle muovi- tai lakkapinnoite. Kuidut on koteloitu yhteiseen vaippaan (kuten tavanomaisissa sähkökaapeleissa), joka määrittää kaapelin käyttötarkoituksen ja joka valitaan sen mukaan, millaisille ulkoisille vaikutuksille linja altistuu käytön aikana.

Kaapelihyllyihin asennettaessa on ongelmana johtojen suojaaminen jyrsijöiltä. Tässä tapauksessa on valittava kaapeli, jonka ulkovaippa on vahvistettu teräsnauhalla tai lankavahvisteella. Lasikuituja käytetään myös suojana vaurioita vastaan.

Jos kaapeli asennetaan putkeen, vahvistettua vaippaa ei tarvita. Metalliputki suojaa luotettavasti hiirten ja rottien hampaita vastaan. Ulkovaippaa voidaan keventää. Tämä helpottaa kaapelin vetämistä putken sisällä.

Jos johto on tarkoitus asentaa maahan, se suojataan korroosiosuojattujen lankojen tai lasikuitupalkkien avulla. Tämä antaa suuren kestävyyden paitsi puristukselle myös vetokyvylle.

Jos kaapeli asennetaan merialueille, jokien tai muiden vesiesteiden yli, soiselle maalle jne., käytetään lisäsuojausta alu-polymeeriteipillä. Näin kaapeli on suojattu veden tunkeutumiselta.

Monet kaapelit sisältävät myös yhteisen vaipan sisällä:

• Vahvistussauvat, joiden avulla rakenne saa lisää lujuutta, kun se altistuu ulkoisille mekaanisille rasituksille ja kun siima on lämpöeristetty.
• täyteaineet - muovifilamentit, jotka täyttävät kuitujen ja muiden elementtien väliset tyhjät tilat.
• voimatangot (niiden tarkoituksena on lisätä vetokuormitusta).

Pitkillä jänneväleillä linja on ripustettu kaapeliin, mutta on olemassa myös itsekantavia kaapeleita. Tukeva metallikaapeli on rakennettu suoraan vaippaan.

Erillisenä valokuitujohtotyyppinä on mainittava optinen liitäntäjohto. Tämä kaapeli sisältää yhden tai kaksi kuitua (single-mode tai dual-mode), jotka on koteloitu yhteiseen vaippaan. Johdon molemmilla puolilla on liittimet liitäntää varten. Nämä kaapelit ovat hyvin lyhyitä, ja niitä käytetään laitteiden yhdistämiseen lyhyillä etäisyyksillä tai kaapin sisäiseen johdotukseen.

Optisten kaapeleiden edut ja haitat

Valokaapeleiden kiistattomia etuja, jotka ovat johtaneet niiden laajamittaiseen käyttöön, ovat muun muassa seuraavat:

• korkea häiriönsietokyky - kotitalouksien ja teollisuuden sähkömagneettinen säteily ei vaikuta valosignaaliin, eikä linja itse lähetä säteilyä (tämä vaikeuttaa luvattoman pääsyn siirrettyihin tietoihin eikä aiheuta sähkömagneettisen yhteensopivuuden ongelmia);
• täydellinen galvaaninen eristys vastaanotto- ja lähetyspuolen välillä;
• alhainen vaimennus - paljon pienempi kuin johdinlinjoilla;
• pitkä käyttöikä;
• suuri siirtokapasiteetti.

Nykytodellisuudessa on myös tärkeää, että kaapeli ei houkuttele metallivarkaita.

Optiikkaan liittyy myös haittoja. Ensinnäkin se on asennuksen ja kytkennän monimutkaisuus, joka edellyttää erikoislaitteita, -työkaluja ja -materiaaleja sekä asettaa korkeampia vaatimuksia linjojen asennukseen ja huoltoon osallistuvan henkilöstön pätevyydelle. Useimmat valokuitukaapeleiden viat johtuvat asennusvirheistä, jotka eivät välttämättä ilmene heti. Aluksi myös itse linjan kustannukset olivat korkeat, mutta tekniikan kehittymisen ansiosta tämä haitta on voitu vähentää kilpailukykyiselle tasolle.

Optiset linjat ovat saavuttaneet merkittävän markkinaosuuden viestintämarkkinoilla. Mitään vakavasti otettavaa vaihtoehtoa ei ole näköpiirissä lähitulevaisuudessa, ellei teknologista läpimurtoa tapahdu.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: