Ji°φ Peterka: Co je Φφm ... v poΦφtaΦov²ch sφtφch (20):

OptickΘ kabely

Chceme-li dosahovat velmi velk²ch p°enosov²ch rychlostφ, musφme samoz°ejm∞ volit takovΘ zp∙soby p°enosu, kterΘ majφ Üφ°ku p°enßÜenΘho pßsma co mo₧nß nejv∞tÜφ. Je p°itom vcelku z°ejmΘ, ₧e velkΘ Üφ°ky p°enßÜenΘho pßsma lze dosßhnout nejsnßze tam, kde jsou frekvence p°enßÜen²ch signßl∙ velmi vysokΘ.

Z tohoto pohledu je velmi lßkavΘ pou₧φvat pro p°enos dat nap°. viditelnΘ sv∞tlo, kterΘ mß frekvenci p°ibli₧n∞ 10⁸ MHz, a vzhledem k tomu sk²tß opravdu neb²valΘ mo₧nosti.

P°enßÜenß Φφslicovß data m∙₧eme reprezentovat pomocφ sv∞teln²ch impuls∙ - p°φtomnost impulsu m∙₧e p°edstavovat nap°. logickou 1, zatφmco jeho nep°φtomnost logickou 0. Pro praktickou realizaci pot°ebujeme ovÜem cel² optick² p°enosov² systΘm, slo₧en² ze zdroje, p°enosovΘho mΘdia a p°ijφmaΦe - viz obr. 20.1 a/.

Obr. 20.1.:
a/ Optick² p°enosov² systΘm
b/ Numerickß apertura

Vlastnφm zdrojem sv∞tla m∙₧e b²t obyΦejnß elektroluminiscenΦnφ dioda (dioda LED, Light Emitting Diode) nebo nßkladn∞jÜφ laserovß dioda (laser diode), kterΘ emitujφ sv∞telnΘ pulsy na zßklad∞ p°ivßd∞nΘho proudu. Detektorem na stran∞ p°ijφmaΦe pak b²vß fotodioda (photodiode), kterß naopak p°evßdφ dopadajφcφ sv∞telnΘ impulsy na elektrickΘ signßly.

┌kolem p°enosovΘho mΘdia je dopravit sv∞teln² paprsek od jeho zdroje k detektoru - s co mo₧nß nejmenÜφmi ztrßtami. K tomuto ·Φelu se pou₧φvß optickΘ vlßkno (optical fiber), s tenk²m jßdrem (core) obalen²m vhodn²m plßÜt∞m (cladding). Jßdro mß pr∙m∞r v °ßdu jednotek a₧ desφtek mikrometr∙ (8-10, 50, 62,5 nebo 100), a je vyrobenΘ nejΦast∞ji z r∙zn²ch druh∙ skla, eventueln∞ i z plastu.

Pro pochopenφ zp∙sobu, jak²m je sv∞teln² paprsek optick²m vlßknem veden, je nutnΘ si nejprve uv∞domit jeden zßkladnφ poznatek z oblasti fyziky:

dopadß-li sv∞teln² paprsek na rozhranφ dvou prost°edφ s r∙zn²mi optick²mi vlastnostmi (nap°. na rozhranφ mezi jßdrem a plßÜt∞m), v obecnΘm p°φpad∞ se Φßst tohoto paprsku odrß₧φ zp∞t do p∙vodnφho prost°edφ, a Φßst prostupuje do druhΘho prost°edφ. Zßle₧φ vÜak na ·hlu, pod jak²m paprsek dopadß na rozhranφ (m∞°enΘm od kolmice na mφsto dopadu). Je-li tento ·hel v∞tÜφ ne₧ urΦit² meznφ ·hel (m∞°en² od kolmice na mφsto dopadu a dan² optick²mi vlastnostmi obou prost°edφ), dochßzφ k ·plnΘmu odrazu paprsku zp∞t do p∙vodnφho prost°edφ - viz obr. 20.1 b/.

V d∙sledku opakovan²ch ·pln²ch odraz∙, kterΘ probφhajφ bez jak²chkoli ztrßt, pak sv∞teln² paprsek sleduje drßhu jßdra optickΘho vlßkna - je tφmto jßdrem veden.

Rozmezφ ·hl∙, pod kter²mi m∙₧e sv∞teln² paprsek dopadat na optickΘ vlßkno tak, aby byl veden, definuje tzv. numerickou aperturu - viz obr. 20.1 b/.

Obr. 20.2.:
a/ MnohovidovΘ vlßkno se stup≥ovit²m indexem lomu
b/ MnohovidovΘ vlßkno s gradientnφm indexem lomu
c/ JednovidovΘ vlßkno

Zp∙sob, jak²m optickΘ vlßkno paprsek vede, zßle₧φ takΘ na tom, jak se m∞nφ optickΘ vlastnosti (konkrΘtn∞ tzv. index lomu - refraction index) na p°echodu mezi jßdrem vlßkna a jeho plßÜt∞m. M∞nφ-li se skokem a je-li pr∙m∞r jßdra dostateΦn∞ velk² (50-100 mikrometr∙), jde o vlßkno, schopnΘ vΘst r∙znΘ vlny sv∞teln²ch paprsk∙ - tzv. vidy (modes). Jde tedy o mnohovidovΘ vlßkno (multimode fiber), v tomto p°φpad∞ se stup≥ovit²m indexem lomu (step index fiber) - viz obr.20.2 a/.

Pokud se index lomu na p°echodu mezi jßdrem vlßkna a jeho plßÜt∞m nem∞nφ skokem, ale plynule, jde o mnohovidovΘ vlßkno s tzv. gradientnφm indexem lomu (graded index fiber), kterΘ p°enßÜenΘ vidy oh²bß - viz obr. 20.2 b/.

V²hodou mnohovidov²ch vlßken je relativn∞ nφzkß cena, sna₧Üφ spojovßnφ, velkß numerickß apertura a mo₧nost buzenφ luminiscenΦnφ diodou.

NejvyÜÜφch p°enosov²ch rychlostφ (a₧ Gigabity/sekundu na vzdßlenosti do 1 km) lze dosßhnout na tzv. jednovidov²ch vlßknech (single mode fiber), kterΘ p°enßÜφ jen jedin² vid - viz obr. 20.2 c/. Schopnosti vΘst jedin² vid bez odraz∙ i ohyb∙ se dosahuje bu∩to velmi mal²m pr∙m∞rem jßdra (°ßdov∞ jednotky mikrometr∙), nebo velmi mal²m pom∞rn²m rozdφlem index∙ lomu jßdra a jeho plßÜt∞. V ka₧dΘm p°φpad∞ jsou jednovidovß vlßkna dra₧Üφ ne₧ mnohovidovß, lze je ovÜem pou₧φt pro p°enosy na delÜφ vzdßlenosti (a₧ 100 km bez opakovaΦe), ne₧ vlßkna mnohovidovß. Pro svΘ buzenφ vÜak ji₧ vy₧adujφ laserovΘ diody.

Optickß vlßkna jsou velmi citlivß na mechanickΘ namßhßnφ a ohyby. Jejich ochranu proto musφ zabezpeΦovat sv²m konstrukΦnφm °eÜenφm optick² kabel, kter² krom∞ jednoho Φi vφce optick²ch vlßken obvykle obsahuje i vhodnou v²pl≥, zajiÜ¥ujφcφ pot°ebnou mechanickou odolnost.

Krom∞ velkΘ p°enosovΘ rychlosti je dalÜφ velkou v²hodou optick²ch vlßken jejich naprostß necitlivost v∙Φi elektromagnetickΘmu ruÜenφ (co₧ je velmi d∙le₧itΘ nap°. v pr∙myslov²ch aplikacφch). V²hodou je takΘ velkß bezpeΦnost proti odposlechu, mal² pr∙m∞r a malß hmotnost optick²ch kabel∙. Pon∞kud problematiΦt∞jÜφ je spojovßnφ jednotliv²ch vlßken, technologie jejich lepenφ Φi sva°ovßnφ vÜak ji₧ jsou v praxi dostateΦn∞ zvlßdnuty.

Pro poΦφtaΦovΘ sφt∞ jsou optickß vlßkna atraktivnφ p°edevÜφm pro vysokou p°enosovou rychlost, kterou umo₧≥ujφ dosßhnout s pom∞rn∞ nφzk²mi nßklady. Jde tedy o technologii velmi perspektivnφ (a to nejen pro poΦφtaΦovΘ sφt∞). V souΦasnΘ dob∞ ji₧ existujφ dva standardy, kterΘ se t²kajφ pou₧itφ optick²ch vlßken v poΦφtaΦov²ch sφtφch: FDDI (Fiber Distributed Data Interface) pro lokßlnφ sφt∞ typu s kruhovou topologiφ, s p°enosovou rychlostφ 100 Mbit/sekundu, a DQDB (Distributed Queue Dual Bus) pro tzv. metropolitnφ sφt∞, s p°enosovou rychlostφ a₧ 155 Mbit/sekundu.