Obecnie do przesyłania danych powszechnie stosuje się kable światłowodowe. W niektórych dziedzinach informatyki całkowicie zastąpiły one tradycyjne linie komunikacyjne oparte na metalu. Kable światłowodowe są szczególnie skuteczne w zastosowaniach, w których duże ilości danych muszą być przesyłane na duże odległości.
Spis treści
Fizyczne podstawy optyki światłowodowej
Światłowody opierają się na fizycznej zasadzie całkowitego odbicia. Jeśli weźmiemy dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania n1 i n2gdzie n2< n1 (np. powietrze i szkło lub szkło i przezroczysty plastik) i rzucić wiązkę światła pod kątem α na tę powierzchnię, wystąpią dwa zdarzenia.
Wiązka (zaznaczona na rysunku kolorem czerwonym), rzutowana z góry po lewej stronie (strzałka), ulegnie częściowemu załamaniu i będzie się przemieszczać wzdłuż ośrodka o współczynniku załamania n2 pod kątem α1<α - ta część wiązki jest oznaczona linią przerywaną. Druga część wiązki odbije się od interfejsu pod tym samym kątem. Jeśli pozwolimy wiązce padać pod mniejszym kątem β (zielona wiązka na rysunku), będzie się działo to samo - częściowe odbicie i częściowe załamanie pod kątem β1.
Jeśli kąt padania α zostanie jeszcze bardziej zmniejszony (niebieska półprosta na rysunku), to załamana część wiązki będzie "ślizgać się" prawie równolegle do interfejsu (niebieska przerywana linia). Dalsze zmniejszenie kąta padania (wiązka zielona padająca pod kątem β) spowoduje skok jakościowy - część załamana nie będzie występować. Wiązka zostanie całkowicie odbita od powierzchni styku obu ośrodków. Kąt ten nazywany jest kątem całkowitego odbicia, a zjawisko to nosi nazwę całkowitego odbicia. To samo można zaobserwować przy dalszym zmniejszaniu kąta padania światła.
Budowa światłowodu
Na tej zasadzie opierają się włókna optyczne. Składa się on z dwóch współosiowych warstw o różnych gęstościach optycznych.
Jeśli wiązka światła wejdzie na otwarty koniec włókna pod kątem większym niż kąt odbicia światła, zostanie całkowicie odbita od powierzchni styku dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania, z niewielkim tłumieniem przy każdym "skoku".
Zewnętrzna część światłowodu jest wykonana z tworzywa sztucznego. Wnętrze może być także wykonane z przezroczystego tworzywa sztucznego, wtedy można je wyginać pod dość dużymi kątami (nawet zwinąć w pierścień, a światło, które dostanie się do środka, i tak będzie przechodzić z jednego końca na drugi z tłumieniem, zależnym od właściwości optycznych tworzywa sztucznego i długości światłowodu). W przypadku kabli długodystansowych, gdzie elastyczność nie jest tak ważna, rdzeń wewnętrzny jest zwykle wykonany ze szkła. Zmniejsza to tłumienie i koszt światłowodu, ale staje się on wrażliwy na zginanie.
Aby zwiększyć przepustowość linii optycznej, światłowód jest dostępny w wersji dwumodowej lub wielomodowej. W tym celu przekrój poprzeczny rdzenia jest zwiększany do 50 µm lub 62,5 µm (w porównaniu z 10 µm w przypadku trybu jednomodowego). Przez ten światłowód można przesyłać jednocześnie dwa lub więcej sygnałów.
Ta optyczna linia transmisyjna ma pewne wady. Jednym z nich jest rozproszenie światła spowodowane różną drogą każdego z sygnałów. Nauczyli się z tym walczyć, wytwarzając rdzeń o gradientowym (zmieniającym się od środka do brzegów) współczynniku załamania światła. W ten sposób koryguje się ścieżki różnych wiązek.
Kable światłowodowe wielomodowe są najczęściej stosowane w sieciach lokalnych (w obrębie budynku, firmy itp.), a kable światłowodowe jednomodowe są wykorzystywane w liniach przesyłowych na duże odległości.
Projektowanie linii światłowodowej
Kable światłowodowe przenoszą sygnał świetlny wytwarzany przez diodę LED lub laser. W jednostce nadawczej generowany jest sygnał elektryczny. Urządzenie końcowe również potrzebuje sygnału w postaci impulsów elektrycznych. W związku z tym konieczne będzie dwukrotne przeliczenie danych surowych. Uproszczony schemat linii światłowodowej pokazano na rysunku.
Sygnał z urządzenia nadawczego jest zamieniany na impulsy świetlne i przesyłany przez linię optyczną. Moc nadajników po stronie nadawczej jest ograniczona, dlatego na długich liniach w pewnych odstępach umieszcza się urządzenia kompensujące tłumienie - wzmacniacze optyczne, regeneratory lub wzmacniacze wtórne. Po stronie odbiorczej znajduje się kolejny konwerter, który przekształca sygnał optyczny na sygnał elektryczny.
Budowa kabla optycznego
Pojedyncze włókna są wykorzystywane jako część kabla optycznego w celu utworzenia linii światłowodowej. Jego budowa zależy od przeznaczenia linii przesyłowej i sposobu instalacji, ale generalnie zawiera on kilka włókien z indywidualną powłoką ochronną (zabezpieczającą przed zarysowaniem i uszkodzeniami mechanicznymi). Ochrona ta jest zwykle dwuwarstwowa - najpierw powłoka z masy szpachlowej, a następnie dodatkowa powłoka z tworzywa sztucznego lub lakieru. Włókna są umieszczone we wspólnej powłoce (podobnie jak w konwencjonalnych kablach elektrycznych), która decyduje o zastosowaniu kabla i jest dobierana w zależności od czynników zewnętrznych, na jakie linia będzie narażona podczas eksploatacji.
W przypadku instalacji w korytach kablowych pojawia się problem ochrony przewodów przed gryzoniami. W takim przypadku należy wybrać kabel o powłoce zewnętrznej wzmocnionej taśmą stalową lub pancerzem z drutu. Włókna szklane są również stosowane jako ochrona przed uszkodzeniami.
Jeżeli kabel jest układany w rurze, wzmocniona powłoka nie jest potrzebna. Metalowa rurka niezawodnie chroni przed zębami myszy i szczurów. Zewnętrzna osłona może być lżejsza. Ułatwia to przeciąganie kabla wewnątrz rury.
Jeśli linia ma być ułożona w ziemi, zabezpieczenie ma postać pancerza z drutu zabezpieczonego przed korozją lub prętów z włókna szklanego. Zapewnia to wysoką odporność nie tylko na ściskanie, ale także na trakcję.
Jeżeli kabel ma być układany na obszarach morskich, nad rzekami lub innymi przeszkodami wodnymi, na terenach bagnistych itp., stosuje się dodatkowe zabezpieczenie w postaci taśmy alu-polimerowej. W ten sposób kabel jest chroniony przed penetracją wody.
Wiele kabli zawiera również wewnątrz wspólną powłokę:
- Pręty wzmacniające, które zwiększają wytrzymałość konstrukcji na zewnętrzne naprężenia mechaniczne i wydłużenia termiczne.
- wypełniacze - włókna z tworzywa sztucznego, które wypełniają puste przestrzenie między włóknami i innymi elementami
- pręty energetyczne (ich zadaniem jest zwiększenie obciążenia rozciągającego).
Na długich przęsłach lina jest zawieszona na kablu, ale istnieją też kable samonośne. Metalowy kabel nośny jest wbudowany bezpośrednio w osłonę.
Jako osobny rodzaj linii światłowodowej należy wymienić patchcord optyczny. Kabel ten zawiera jedno lub dwa włókna (jednomodowe lub dwumodowe) zamknięte we wspólnej powłoce. Po obu stronach przewodu znajdują się złącza umożliwiające jego podłączenie. Kable te są bardzo krótkie i służą do łączenia urządzeń na niewielkich odległościach lub do okablowania w szafach.
Zalety i wady kabli optycznych
Do niewątpliwych zalet kabli światłowodowych, które przyczyniły się do ich powszechnego stosowania, należą:
- wysoka odporność na zakłócenia - sygnał świetlny nie jest zakłócany przez domowe i przemysłowe promieniowanie elektromagnetyczne, a sama linia nie emituje żadnego promieniowania (utrudnia to nieuprawniony dostęp do przesyłanych informacji i nie powoduje problemów z kompatybilnością elektromagnetyczną);
- całkowita izolacja galwaniczna między stroną odbiorczą i nadawczą;
- niska tłumienność - znacznie niższa niż w przypadku linii kablowych;
- długi okres eksploatacji;
- wysoka zdolność przesyłania danych.
W dzisiejszych realiach ważne jest również, aby kabel nie przyciągał złodziei metalu.
Optyka nie jest pozbawiona wad. Przede wszystkim jest to złożoność instalacji i połączeń, która wymaga specjalnego sprzętu, narzędzi i materiałów, a także nakłada wyższe wymagania na kwalifikacje personelu zajmującego się instalacją i konserwacją linii. Większość usterek w kablach światłowodowych jest spowodowana błędami instalacyjnymi, które mogą nie ujawniać się od razu. Początkowo koszt samej linii był również wysoki, ale postęp technologiczny umożliwił zmniejszenie tej niekorzystnej sytuacji do poziomu konkurencyjnego.
Linie optyczne zdobyły znaczący udział w rynku telekomunikacyjnym. W dającej się przewidzieć przyszłości nie widać żadnej poważnej alternatywy, chyba że nastąpi przełom technologiczny.
Powiązane artykuły:
