Mūsdienās datu pārraidei plaši izmanto optiskās šķiedras kabeļus. Dažās IT jomās tās ir pilnībā aizstājušas tradicionālās metāla sakaru līnijas. Optiskās šķiedras kabeļi ir īpaši efektīvi lietojumos, kur liels datu apjoms jāpārraida lielos attālumos.
Saturs
Šķiedru optikas fizikālie pamati
Optisko šķiedru pamatā ir pilnīgas atstarošanas fizikālais princips. Ja ņemam divas vidēs ar dažādiem refrakcijas rādītājiem n1 un n2, kur n2< n1 (piemēram, gaisu un stiklu vai stiklu un caurspīdīgu plastmasu) un gaismas staru leņķī α uz saskarni, notiks divi notikumi.
Starpsiena (attēlā atzīmēta sarkanā krāsā), kas projicēta no augšas pa kreisi (bultiņa), daļēji refraktēsies un virzīsies pa vidi ar refrakcijas koeficientu n2 leņķī α1<α - šī staru kūļa daļa ir iezīmēta ar pārtrauktu līniju. Otra staru kūļa daļa atstarosies no saskarnes tādā pašā leņķī. Ja ļausim staram krist lēnākā leņķī β (zaļais stars attēlā), notiks tas pats - daļējs atspīdums un daļējs lūzums leņķī β.1.
Ja krišanas leņķis α tiek vēl vairāk samazināts (attēlā redzams zils stariņš), tad refraktētā stara daļa "slīd" gandrīz paralēli saskarnei (zila pārtraukta līnija). Turpmāka krišanas leņķa samazināšana (zaļš staru kūlis, kas krīt leņķī β) izraisīs kvalitatīvu lēcienu - refraktētā daļa nebūs redzama. Staru kūlis tiks pilnībā atstarots no abu nesēju saskarnes. Šo leņķi sauc par pilnā atstarojuma leņķi, un šo parādību sauc par pilno atstarojumu. Tas pats būs vērojams, kad krišanas leņķis turpinās samazināties.
Optiskās šķiedras konstrukcija
Optiskās šķiedras ir balstītas uz šo principu. Tas sastāv no diviem koaksiāliem slāņiem ar dažādu optisko blīvumu.
Ja gaismas staru kūlis šķiedras atvērtajā galā nonāk leņķī, kas ir lielāks par gaismas atstarošanas leņķi, tas tiks pilnībā atstarots no kontaktvirsmas divām vidēm ar atšķirīgiem refrakcijas rādītājiem, un katrā "lēcienā" būs neliels vājinājums.
Optiskās šķiedras ārējā daļa ir izgatavota no plastmasas. Iekšējo daļu var izgatavot arī no caurspīdīgas plastmasas, tad to var saliekt diezgan lielā leņķī (pat savilkt gredzenā, un gaisma, kas nonāk iekšpusē, atkarībā no plastmasas optiskajām īpašībām un gaismas vada garuma joprojām pāriet no viena gala uz otru ar vājinājumu). Gariem kabeļiem, kur elastība nav tik svarīga, iekšējā serde parasti ir izgatavota no stikla. Tas samazina vājinājumu un optiskās šķiedras izmaksas, taču tā kļūst jutīga pret saliekšanu.
Lai palielinātu optiskās līnijas kapacitāti, optiskā šķiedra ir pieejama divmodu vai daudzmodu versijā. Šim nolūkam serdes šķērsgriezums tiek palielināts līdz 50 µm vai 62,5 µm (salīdzinājumā ar 10 µm vienmodu). Pa šo optisko šķiedru var vienlaikus pārraidīt divus vai vairākus signālus.
Šai optiskajai pārraides līnijai ir daži trūkumi. Viena no tām ir gaismas dispersija, ko rada atšķirīgais katra signāla ceļš. Viņi ir iemācījušies ar to cīnīties, izgatavojot serdi ar gradientu (kas mainās no vidus uz malām) refrakcijas koeficientu. Tas koriģē dažādu staru virzienus.
Daudzmodu optiskās šķiedras kabeļus galvenokārt izmanto vietējiem tīkliem (ēkā, uzņēmumā utt.), bet vienmodu optiskās šķiedras kabeļus izmanto tālsatiksmes tīkliem.
Optiskās šķiedras līnijas projektēšana
Ar optisko šķiedru kabeļiem tiek pārraidīts gaismas signāls, ko rada gaismas diode vai lāzers. Pārraides blokā tiek ģenerēts elektriskais signāls. Arī gala ierīcei ir nepieciešams signāls elektrisko impulsu veidā. Tāpēc neapstrādātie dati būs jākonvertē divas reizes. Vienkāršota optiskās šķiedras līnijas shēma ir parādīta attēlā.
Signāls no raidīšanas ierīces tiek pārveidots gaismas impulsos un pārraidīts pa optisko līniju. Pārraides pusē raidītāju jauda ir ierobežota, tāpēc garajās līnijās noteiktos intervālos izvieto ierīces, kas kompensē vājinājumu - optiskos pastiprinātājus, reģeneratorus vai atkārtotājus. Uzņemšanas pusē ir vēl viens pārveidotājs, kas optisko signālu pārveido elektriskā signālā.
Optiskā kabeļa konstrukcija
Atsevišķas šķiedras tiek izmantotas kā optiskā kabeļa daļa, lai izveidotu optisko šķiedru līniju. Tās konstrukcija ir atkarīga no pārvades līnijas mērķa un uzstādīšanas metodes, bet parasti tā sastāv no vairākām šķiedrām ar individuālu aizsargpārklājumu (pret skrāpējumiem un mehāniskiem bojājumiem). Šī aizsardzība parasti tiek veikta divās kārtās - vispirms tiek uzklāts savienojuma apvalks, bet pēc tam virs tā tiek uzklāts papildu plastmasas vai lakas pārklājums. Šķiedras ir ieslēgtas kopējā apvalkā (līdzīgi kā parastie elektriskie kabeļi), kas nosaka kabeļa pielietojumu un tiek izvēlēts atkarībā no ārējās ietekmes, kurai līnija būs pakļauta ekspluatācijas laikā.
Uzstādot kabeļu kastēs, rodas problēma ar līniju aizsardzību pret grauzējiem. Šādā gadījumā ir jāizvēlas kabelis ar ārējo apvalku, kas pastiprināts ar tērauda lenti vai stieples bruņojumu. Stikla šķiedras tiek izmantotas arī kā aizsardzība pret bojājumiem.
Ja kabelis ir ielikts caurulē, pastiprināts apvalks nav nepieciešams. Metāla caurule droši aizsargā pret peļu un žurku zobiem. Ārējo apvalku var padarīt vieglāku. Tas atvieglo kabeļa ievilkšanu caurules iekšpusē.
Ja līnija jāierīko zemē, aizsardzība ir ar pret koroziju aizsargāta stiepļu bruņojuma vai stikla šķiedras stieņu veidā. Tas nodrošina augstu izturību ne tikai pret saspiešanu, bet arī vilkmi.
Ja kabelis jāuzstāda jūras teritorijās, pāri upēm vai citiem ūdens šķēršļiem, uz purvainas zemes u.c., tiek izmantota papildu aizsardzība, izmantojot alu polimēra lenti. Šādā veidā kabelis ir aizsargāts pret ūdens iekļūšanu.
Daudzu kabeļu kopējais apvalks ir arī to iekšpusē:
- stiegrojuma stieņi, kas nodrošina konstrukcijai lielāku izturību, kad tā ir pakļauta ārējai mehāniskai slodzei un kad līnija ir termiski pagarināta.
- pildvielas - plastmasas pavedieni, kas aizpilda tukšās vietas starp šķiedrām un citiem elementiem.
- spēka stieņi (to mērķis ir palielināt stiepes slodzi).
Garajos laidos līnija ir piekārta uz troses, bet ir arī pašnesošās troses. Nesošais metāla kabelis ir iebūvēts tieši apvalkā.
Kā atsevišķs optiskās šķiedras līnijas veids jāmin optiskais savienojuma kabelis. Šim kabelim ir viena vai divas šķiedras (vienmodu vai divmodu), kas iebūvētas kopējā apvalkā. Abās auklas pusēs ir savienotāji savienošanai. Šie kabeļi ir ļoti īsi un tiek izmantoti, lai savienotu iekārtas nelielos attālumos vai lai veiktu elektroinstalāciju skapī.
Optisko kabeļu priekšrocības un trūkumi
Neapšaubāmas optisko šķiedru kabeļu priekšrocības, kas ir veicinājušas to plašu izmantošanu, ir šādas:
- augsta izturība pret traucējumiem - gaismas signālu neietekmē sadzīves un rūpnieciskais elektromagnētiskais starojums, un pati līnija neizstaro starojumu (tas apgrūtina nesankcionētu piekļuvi pārraidītajai informācijai un nerada elektromagnētiskās savietojamības problēmas);
- pilnīga galvaniskā izolācija starp uztvērēja un raidītāja pusi;
- zems vājinājums - daudz zemāks nekā vadu līnijām;
- ilgs kalpošanas laiks;
- augsta pārraides jauda.
Mūsdienu realitātē ir arī svarīgi, lai kabelis nepiesaistītu metāla zagļus.
Optikai netrūkst arī trūkumu. Pirmkārt, tā ir sarežģīta montāža un pieslēgšana, kas prasa speciālu aprīkojumu, instrumentus un materiālus, kā arī izvirza augstākas prasības personāla kvalifikācijai, kas iesaistīts līniju montāžā un apkopē. Lielāko daļu optisko šķiedru kabeļu bojājumu izraisa uzstādīšanas kļūdas, kas var izpausties ne uzreiz. Sākotnēji arī pašas līnijas izmaksas bija augstas, taču tehnoloģiju attīstība ir ļāvusi šo trūkumu samazināt līdz konkurētspējīgam līmenim.
Optiskās līnijas ir ieguvušas ievērojamu tirgus daļu sakaru tirgū. Tuvākajā nākotnē nav paredzama nopietna alternatīva, ja vien nenotiks tehnoloģisks izrāviens.
Saistītie raksti:
