V súčasnosti sa na prenos údajov vo veľkej miere používajú optické káble. V niektorých oblastiach IT úplne nahradili tradičné komunikačné linky na báze kovu. Optické káble sú obzvlášť účinné v aplikáciách, kde sa musí prenášať veľké množstvo údajov na veľké vzdialenosti.
Obsah
Fyzikálny základ optických vlákien
Optické vlákna sú založené na fyzikálnom princípe úplného odrazu. Ak vezmeme dve médiá s rôznymi indexmi lomu n1 a n2, kde n2< n1 (napr. vzduch a sklo alebo sklo a priehľadný plast) a premietneme na rozhranie lúč svetla pod uhlom α, nastanú dve udalosti.
Lúč (na obrázku označený červenou farbou), premietnutý zhora vľavo (šípka), sa čiastočne láme a pohybuje pozdĺž prostredia s indexom lomu n2 pod uhlom α1<α - táto časť lúča je vyznačená prerušovanou čiarou. Druhá časť lúča sa od rozhrania odrazí pod rovnakým uhlom. Ak necháme lúč padať pod pomalším uhlom β (zelený lúč na obrázku), nastane to isté - čiastočný odraz a čiastočný lom pod uhlom β1.
Ak sa uhol dopadu α ešte viac zmenší (modrý lúč na obrázku), potom sa lomená časť lúča "posunie" takmer rovnobežne s rozhraním (modrá prerušovaná čiara). Ďalšie zmenšenie uhla dopadu (zelený lúč dopadajúci pod uhlom β) spôsobí kvalitatívny skok - lomená časť bude chýbať. Lúč sa úplne odrazí od rozhrania medzi oboma médiami. Tento uhol sa nazýva uhol úplného odrazu a jav sa nazýva úplný odraz. To isté sa prejaví pri ďalšom zmenšovaní uhla dopadu.
Konštrukcia optického vlákna
Na tomto princípe sú založené optické vlákna. Pozostáva z dvoch koaxiálnych vrstiev s rôznou optickou hustotou.
Ak svetelný lúč vstúpi do otvoreného konca vlákna pod uhlom väčším, ako je uhol odrazu svetla, úplne sa odrazí od kontaktnej plochy dvoch médií s rôznymi indexmi lomu, pričom pri každom "skoku" dôjde k malému útlmu.
Vonkajšia časť optického vlákna je vyrobená z plastu. Vnútorná časť môže byť tiež vyrobená z priehľadného plastu, potom ju možno ohýbať pod pomerne veľkými uhlami (dokonca ju možno zrolovať do kruhu a svetlo, ktoré sa dostane dovnútra, bude stále prechádzať z jedného konca na druhý s útlmom v závislosti od optických vlastností plastu a dĺžky svetlovodu). Pri kábloch na dlhé vzdialenosti, kde nie je taká dôležitá flexibilita, sa vnútorné jadro zvyčajne vyrába zo skla. Tým sa zníži útlm a náklady na optické vlákno, ktoré je však citlivé na ohyb.
Na zvýšenie kapacity optickej linky je vlákno k dispozícii v dvojrežimovej alebo viacrežimovej verzii. Na tento účel sa prierez jadra zväčší na 50 µm alebo 62,5 µm (v porovnaní s 10 µm pri jednovidovom vlákne). Týmto optickým vláknom sa môžu súčasne prenášať dva alebo viac signálov.
Toto optické prenosové vedenie má určité nevýhody. Jedným z nich je rozptyl svetla spôsobený odlišnou cestou každého signálu. Naučili sa s tým bojovať tak, že vyrobili jadro s gradientným (meniacim sa od stredu k okrajom) indexom lomu. Tým sa korigujú dráhy rôznych lúčov.
Multimódové optické káble sa väčšinou používajú na miestne siete (v rámci budovy, podniku atď.) a jednovidové optické káble sa používajú na diaľkové siete.
Návrh optickej linky
Optické káble prenášajú svetelný signál vytvorený LED diódou alebo laserom. Vo vysielacej jednotke sa generuje elektrický signál. Konečné zariadenie tiež potrebuje signál vo forme elektrických impulzov. Preto bude potrebné konvertovať nespracované údaje dvakrát. Zjednodušená schéma optického vedenia je znázornená na obrázku.
Signál z vysielacieho zariadenia sa konvertuje na svetelné impulzy a prenáša sa po optickom vedení. Výkon žiaričov na vysielacej strane je obmedzený, preto sa na dlhých vedeniach v určitých intervaloch umiestňujú zariadenia, ktoré kompenzujú útlm - optické zosilňovače, regenerátory alebo opakovače. Na prijímacej strane je ďalší prevodník, ktorý transformuje optický signál na elektrický.
Konštrukcia optického kábla
Jednotlivé vlákna sa používajú ako súčasť optického kábla na vytvorenie optického vedenia. Jeho konštrukcia závisí od účelu prenosového vedenia a spôsobu kladenia, ale vo všeobecnosti obsahuje niekoľko vlákien s individuálnym ochranným povlakom (proti poškriabaniu a mechanickému poškodeniu). Táto ochrana sa zvyčajne vykonáva v dvoch vrstvách - najprv sa nanesie plášť zo zmesi a potom ďalšia vrstva plastu alebo laku. Vlákna sú obalené spoločným plášťom (podobne ako bežné elektrické káble), ktorý určuje použitie kábla a volí sa podľa vonkajších vplyvov, ktorým bude vedenie počas prevádzky vystavené.
Pri inštalácii v káblových žľaboch vzniká problém s ochranou vedenia pred hlodavcami. V tomto prípade je potrebné zvoliť kábel s vonkajším plášťom vystuženým oceľovou páskou alebo pancierovaním drôtu. Sklenené vlákna sa používajú aj ako ochrana proti poškodeniu.
Ak je kábel uložený v potrubí, zosilnený plášť nie je potrebný. Kovová rúrka spoľahlivo chráni pred zubami myší a potkanov. Vonkajší plášť môže byť ľahší. To uľahčuje ťahanie kábla vo vnútri potrubia.
Ak sa má vedenie položiť do zeme, ochrana je vo forme pancierovania z drôtu chráneného proti korózii alebo sklolaminátových tyčí. To zabezpečuje vysokú odolnosť nielen proti stlačeniu, ale aj proti ťahu.
Ak sa má kábel inštalovať v morských oblastiach, nad riekami alebo inými vodnými prekážkami, na močaristom teréne atď., použije sa dodatočná ochrana pomocou alu-polymérovej pásky. Týmto spôsobom je kábel chránený proti prenikaniu vody.
Mnohé káble obsahujú vo svojom spoločnom plášti tiež:
- výstužné tyče, ktoré slúžia na zvýšenie pevnosti konštrukcie pri vonkajšom mechanickom namáhaní a pri tepelnom predĺžení vedenia
- plnivá - plastové vlákna, ktoré vypĺňajú prázdne priestory medzi vláknami a inými prvkami
- silové tyče (ich účelom je zvýšiť ťahové zaťaženie).
V dlhých rozpätiach je vedenie zavesené na kábli, ale existujú aj samonosné káble. Nosný kovový kábel je zabudovaný priamo v plášti.
Ako samostatný typ optického vedenia by sme mali spomenúť optický patch kábel. Tento kábel obsahuje jedno alebo dve vlákna (jednomódové alebo dvojmódové) uzavreté v spoločnom plášti. Obe strany kábla sú vybavené konektormi na pripojenie. Tieto káble sú veľmi krátke a používajú sa na pripojenie zariadení na krátke vzdialenosti alebo na zapojenie v rozvádzači.
Výhody a nevýhody optických káblov
Medzi nesporné výhody optických káblov, ktoré viedli k ich rozšíreniu, patria:
- vysoká odolnosť voči rušeniu - svetelný signál nie je ovplyvnený domácim a priemyselným elektromagnetickým žiarením a samotná linka nevyžaruje žiadne žiarenie (to sťažuje neoprávnený prístup k prenášaným informáciám a nespôsobuje problémy s elektromagnetickou kompatibilitou);
- úplné galvanické oddelenie medzi prijímacou a vysielacou stranou;
- nízky útlm - oveľa nižší ako v prípade drôtových vedení;
- dlhá životnosť;
- vysoká prenosová kapacita.
V dnešnej realite je tiež dôležité, aby kábel nelákal zlodejov kovov.
Optika nie je bez nevýhod. Predovšetkým ide o zložitosť inštalácie a pripojenia, ktorá si vyžaduje špeciálne vybavenie, nástroje a materiály, ako aj vyššie nároky na kvalifikáciu pracovníkov, ktorí sa podieľajú na inštalácii a údržbe vedení. Väčšina porúch optických káblov je spôsobená chybami v inštalácii, ktoré sa nemusia prejaviť okamžite. Spočiatku boli vysoké aj náklady na samotnú linku, ale technologický pokrok umožnil znížiť túto nevýhodu na konkurenčnú úroveň.
Optické linky získali významný podiel na komunikačnom trhu. V dohľadnej budúcnosti nie je v dohľade žiadna seriózna alternatíva, pokiaľ nedôjde k technologickému prelomu.
Súvisiace články:
