Ji°φ Peterka

Kroucenß dvoulinka, kterou jsme se zab²vali minule a kterß je dnes ve sv∞t∞ lokßlnφch poΦφtaΦov²ch sφtφ tak oblφben²m p°enosov²m mΘdiem, mß z pohledu svΘho dalÜφho v²voje jednu dosti nep°φjemnou vlastnost: jejφ stßvajφcφ vyu₧itφ rychlostmi v °ßdu 100 Mbps je ji₧ pom∞rn∞ blφzko fyzikßlnφm limit∙m tohoto p°enosovΘho mΘdia. Mo₧nosti dalÜφho zvyÜovßnφ dosa₧itelnΘ p°enosovΘ rychlosti sice existujφ, ale nejsou nijak p°evratnΘ (nep∙jde o v²raznß mnohonßsobnß zrychlenφ), a navφc budou Φφm dßl tφm vφce ädra₧Üφ" - nejen finanΦn∞, ale zejmΘna technologicky, nebo¥ bude Φφm dßl nßroΦn∞jÜφ vyÜÜφch rychlostφ dosahovat, a bude to doprovßzeno stßle nep°φjemn∞jÜφmi vedlejÜφmi efekty (nap°φklad vyza°ovßnφm). D∙vod je ten, ₧e ji₧ dneÜnφ stupe≥ vyu₧itφ kroucenΘ dvoulinky je dosti blφzko jejφmu teoretickΘmu p°enosovΘmu potencißlu, kter² je dßn zejmΘna Üφ°kou p°enosovΘho pßsma.

Pon∞kud lΘpe je na tom koaxißlnφ kabel, zvlßÜt∞ pak p°i p°enosech v tzv. p°elo₧enΘm pßsmu, a s jeho renesancφ se dφky tomu m∙₧eme setkat nap°φklad v oblasti kabelovΘ televize. OvÜem zdaleka nejv∞tÜφ potencißl p°enosov²ch schopnostφ slibujφ optickß vlßkna a po nich uskuteΦ≥ovanΘ p°enosy. O skuteΦnΘ velikosti tohoto potencißlu se vedou uΦenΘ spory - zlΘ jazyky dokonce tvrdφ, ₧e dnes ani po°ßdn∞ nevφme kam a₧ mo₧nosti optick²ch p°enos∙ sahajφ. Jedno je ale jistΘ: jestli₧e kroucenou dvoulinku dnes dokß₧eme ävy₧dφmat" skoro a₧ na dno jejφch sil, v p°φpad∞ optick²ch vlßken a optick²ch p°enos∙ se pohybujeme n∞kde hodn∞ na zaΦßtku, a mo₧nosti dalÜφho zvyÜovßnφ p°enosov²ch schopnostφ jsou opravdu velmi velkΘ.

OptickΘ p°enosovΘ systΘmy

V p°φpad∞ metalick²ch spoj∙ (tj. koaxißlnφho kabelu a kroucenΘ dvoulinky) byla p°enßÜenß data reprezentovßna vhodn²m elektrick²m signßlem a jeho pr∙b∞hem - nap°φklad ·rovnφ nap∞tφ Φi proudu, zm∞nami amplitudy, frekvence Φi fßze harmonickΘho signßlu v p°φpad∞ modulovan²ch p°enos∙, nebo kombinacφ t∞chto zßkladnφch druh∙ modulace. V p°φpad∞ optick²ch p°enos∙ je jist∞ z°ejmΘ, ₧e p°enßÜenß data budou reprezentovßna sv∞tlem, resp. sv∞teln²mi impulsy.

V praxi pak bude zapot°ebφ hned cel² optick² p°enosov² systΘm: ve vhodnΘm generßtoru bude vygenerovßn sv∞teln² impuls, p°enosovß Φßst se postarß o jeho ädovedenφ" a₧ na mφsto urΦenφ, a zde pak citliv² fotodetektor sv∞teln² impuls rozpoznß (a p°evede nejspφÜe na vhodn² elektrick² signßl). Jestli₧e dneÜnφ optickΘ technologie vyu₧φvajφ mo₧nostφ opticky jen na neuv∞°iteln∞ malΘ procento, pak je to dßno p°edevÜφm naÜφ stßvajφcφ schopnostφ p°evßd∞t elektrickΘ signßly na optickΘ (v generßtoru sv∞teln²ch impuls∙), a v jejich opaΦnΘm p°evodu (v detektoru). Na dalekΘm horizontu se mo₧nß ji₧ r²sujφ i Φist∞ optickΘ v²poΦetnφ systΘmy, kterΘ by se nemusely zdr₧ovat p°evodem na elektrickΘ signßly a mohly by tudφ₧ b²t v²znamn∞ji rychlejÜφ, ale prozatφm jsou takovΘto Φist∞ optickΘ poΦφtaΦe jen hudbou dalekΘ budoucnosti.

Princip optickΘho p°enosu

Vygenerovat sv∞teln² impulz m∙₧e p°i skromn∞jÜφch nßrocφch na jeho äΦistotu" i jednoduchß dioda LED, a fotodetektorem m∙₧e b²t i obyΦejnß fotodioda Φi fototranzistor. Ale co je zapot°ebφ k tomu, aby sv∞teln² paprsek byl dopraven od svΘho generßtoru a₧ ke koncovΘmu detektoru, a nerozpt²lil se n∞kde po cest∞? Zde je nutnΘ pou₧φt vhodnΘ optickΘ vlßkno, schopnΘ ävΘst" sv∞teln² paprsek, pokud mo₧no s minimem ztrßt a r∙zn²ch deformacφ.

Pro pochopenφ principu, na kterΘm je zalo₧eno vedenφ sv∞telnΘho paprsku optick²m vlßknem, se staΦφ vydat do elementßrnφ fyziky, konkrΘtn∞ do t∞ch partiφ, kterΘ se zab²vajφ d∞ji na p°echodu mezi dv∞ma prost°edφmi s r∙zn²mi optick²mi vlastnostmi (r∙znou äoptickou hustotou", resp. r∙zn²m indexem lomu). Jak pravφ jedna zßkladnφ fyzikßlnφ pouΦka, sv∞teln² paprsek dopadajφcφ na rozhranφ dvou takov²chto prost°edφ se zΦßsti lßme a prostupuje z jednoho prost°edφ do druhΘho, a z Φßsti se odrß₧φ a vracφ se zp∞t do prost°edφ, ze kterΘho p°ichßzφ. Dov∞tek k tΘto pouΦce pak jeÜt∞ °φkß, ₧e velmi zßle₧φ na ·hlu, pod jak²m paprskem na rozhranφ obou prost°edφ dopadß. Je-li relativn∞ mal² (m∞°eno od kolmice na rozhranφ) a nep°ekroΦφ urΦitou prahovou hodnotu, urΦitß Φßst paprsku skuteΦn∞ prostoupφ do druhΘho prost°edφ. Je-li ale ·hel dopadu dostateΦn∞ velk² (v∞tÜφ ne₧ jistß mez, oznaΦovanß jako tzv. numerickß apertura), cel² paprsek se odrß₧φ zp∞t do v²chozφho prost°edφ, a ₧ßdnß jeho Φßst neprostupuje do prost°edφ druhΘho. A prßv∞ to je princip vedenφ sv∞teln²ch signßl∙ v optick²ch vlßknech: ob∞ optickß prost°edφ i ·hel, pod jak²m sv∞telnΘ paprsky vstupujφ do vlßkna, musφ b²t vhodn∞ volena tak, aby po celΘ dΘlce vlßkna dochßzelo pouze k ·pln²m odraz∙m.

Jednovidovß a mnohovidovß optickß vlßkna

äU₧iteΦnß" informace je tedy p°i optick²ch p°enosech vyjßd°ena p°φtomnostφ nebo naopak nep°φtomnostφ sv∞tla. Sv∞teln² generßtor tudφ₧ ä v rytmu" p°ichßzejφcφch dat generuje sv∞telnΘ impulzy, optickΘ vlßkno je dopravφ a₧ k fotodetektoru, a ten zp∞tn∞ z p°φtomnosti Φi nep°φtomnosti sv∞tla usuzuje na to, jakß data byla p∙vodn∞ vyslßna. Potud zßkladnφ, rßmcov² scΘnß° optickΘho p°enosu. V praxi jsou ale mo₧nΘ dv∞ zßkladnφ varianty, a to tzv. mnohovidov² a tzv. jednovidov² p°enos.

V p°φpad∞ mnohovidovΘho p°enosu m∙₧e b²t generßtor sv∞tla relativn∞ jednoduÜÜφ, a m∙₧e generovat sv∞telnΘ impulzy tvo°enΘ n∞kolika sv∞teln²mi paprsky souΦasn∞ (odborn∞ se jim °φkß vidy). Ka₧d² z t∞chto vid∙ p°itom vstupuje do optickΘho vlßkna pod pon∞kud jin²m ·hlem, odrß₧φ se v n∞m pod pon∞kud jin²m ·hlem, a v d∙sledku toho prochßzφ cel²m optick²m vlßknem od generßtoru a₧ k detektoru po pon∞kud jinΘ (jinak dlouhΘ) drßze ne₧ ostatnφ vidy (paprsky), kterΘ byly vygenerovßny spoleΦn∞ v rßmci jedinΘho sv∞telnΘho impulsu. Jin²mi slovy: ka₧d² sv∞teln² impulz mß zde n∞kolik slo₧ek, ka₧dß z nich cestuje ke svΘmu cφli po pon∞kud jinΘ drßze, a to znamenß ₧e dorazφ na mφsto urΦenφ v pon∞kud jinΘm okam₧iku ne₧ ostatnφ slo₧ky tΘho₧ impulzu. OvÜem detektor na tΘto cφlovΘ stran∞ nenφ schopen vnφmat samostatn∞ jednotlivΘ slo₧ky - on vyhodnocuje pouze v²sledn² souΦet äsv∞telnostφ" jednotliv²ch slo₧ek. A jeliko₧ tyto slo₧ky jsou pon∞kud ärozjetΘ v Φase" (dochßzφ u nich k tzv. disperzi), v²sledn²m efektem je zkreslenφ p°ijφmanΘho signßlu. Toto zkreslenφ samoz°ejm∞ nesmφ p°er∙st p°es urΦitou maximßlnφ mez, za kterou by si ji₧ p°ijφmajφcφ strana nedokßzala sprßvn∞ domyslet, co vlastn∞ bylo vyslßno. SeΦteno a podtr₧eno, mnohovidovß optickß vlßkna mohou mφt jen relativn∞ mal² dosah (nebo¥ disperze se s dΘlkou kabelu zv∞tÜuje), v dneÜnφ praxi typicky dva kilometry. Na druhΘ stran∞ jsou tato mnohovidovß vlßkna relativn∞ lacinß, a vystaΦφ jen s pom∞rn∞ jednoduch²mi a lacin∞jÜφmi generßtory a detektory.

Snaha zv²Üit dosah optick²ch vlßken narß₧φ p°edevÜφm na samotnou existenci v∞tÜφho poΦtu vid∙ a na negativnφ vliv disperze. ╪eÜenφm je za°φdit v∞ci tak, aby se p°enßÜel jen jeden jedin² vid (jedin² paprsek), Φφm₧ by byl efekt disperze prakticky eliminovßn.

JednovidovΘho p°enosu lze dosßhnout v zßsad∞ dv∞ma zp∙soby: zmenÜovßnφm rozdφlu optick²ch vlastnostφ dvou prost°edφ, na jejich₧ rozhranφ dochßzφ k odraz∙m, nebo zmenÜovßnφ pr∙m∞ru jßdra optickΘho vlßkna. To je tvo°eno st°edovou ä₧φlou" (jßdrem, p°edstavujφcφm jedno optickΘ prost°edφ) a plßÜt∞m (p°edstavujφcφm druhΘ optickΘ prost°edφ). V praxi se dnes pou₧φvß zejmΘna druhß varianta, a tzv. jednovidovß optickß vlßkna majφ jßdro o velmi malΘm pr∙m∞ru (typicky 8 a₧ 10 mikron∙, zatφmco vlßkna mnohovidovß majφ nejΦast∞ji jßdra o pr∙m∞ru 50, 62,5 nebo 100 mikron∙).

Dφky zmenÜenφ svΘho jßdra je pak jednovidov² optick² kabel schopen vΘst jen jeden jedin² sv∞teln² vid (jedin² paprsek). Pro jeho generovßnφ je samoz°ejm∞ zapot°ebφ p°esn∞jÜφ (a dra₧Üφ) generßtor, a obdobn∞ i dokonalejÜφ detektor. Tudφ₧ °eÜenφ na bßzi jednovidov²ch vlßken jsou obecn∞ dra₧Üφ (dra₧Üφ je i samotnΘ jednovidovΘ optickΘ vlßkno), ale na druhou stranu jeho dosah je vyÜÜφ (dnes typicky v °ßdu desφtek kilometr∙).