Světlovody s optickými vlákny (1. část)

Širokopásmové sítě, datové dálnice nebo rychlý internet – to jsou pojmy úzce spjaté s optickými vlákny. O optických vláknech se často hovoří jako o přenosovém médiu současnosti i budoucnosti. V tomto článku je uveden stručný přehled historického vývoje optických vláken, jejich základní principy, typy, komponenty a použití. Pozornost je zde věnována také správnému zacházení s optickými vlákny, jejich spojování a údržbě spojů. Využití světlovodů pro rychlý a bezpečný přenos informací je mj. úzce spjato s klasickou elektrotechnikou, neboť každý vstupní a výstupní signál optického přenosu je čistě elektrický.

Tento příspěvek si neklade nároky na úplnost. Je stručným přehledem tématu, které je pro každou informační společnost zásadní.

Úvod

Na trhu se lze setkat s optickými kabely se skleněnými optickými vlákny (GOF – Glass Optical Fibre), s polymerovými optickými vlákny (POF – Polymer Optical Fibre) nebo s vlákny v podobě tenkých křemíkových drah na čipech (křemíková fotonika). V tomto článku je pozornost věnována především skleněným optickým vláknům (GOF).

Skleněná optická vlákna – světlovody – jsou pro své vlastnosti široce využívána především k přenosu signálů (dat/informací) prostřednictvím světla. Umožňují přenos světelného záření v rozsahu vlnových délek přibližně 200 nm až 20 µm, což je dáno konstrukcí a fyzikálními vlastnostmi použitých materiálů jádra a pláště vlákna. Optická vlákna se s výhodou používají pro přenos dat na dlouhé vzdálenosti. Oproti elektrickým metalickým vodičům dokážou přenášet signály při vyšších rychlostech s menší ztrátou a bez elektromagnetického rušení. Na krátké vzdálenosti, jako např. v rámci objektu, zase šetří prostor jinak potřebný pro rozvod metalickými kabely, neboť na rozdíl od měděného vodiče může jedno jediné optické vlákno přenášet mnoho nezávislých signálů. Pro své nesporné přednosti se optická vlákna stále více uplatňují v telekomunikacích (v dálkových, městských i místních optických sítích), v průmyslu, zdravotnictví, letectví a kosmonautice, ale také např. v automobilech či vojenských systémech.

1. Přenosové médium budoucnosti

Optická vlákna (obr. 1) jsou tenká jako lidský vlas, ohebná a velmi průsvitná. Proč jsou tak důležitá pro informační techniku, bude vysvětleno v dalším textu.

1.1 Výhody přenosu optickými vlákny

Optická vlákna jsou díky extrémně velké šířce pásma, malému útlumu a s tím souvisejícím velkým dosahem již delší dobu s výhodou využívána pro dálkový přenos signálů. Umožňují přenášet data a informace vysokou rychlostí na velké vzdálenosti bez mezilehlých zesilovačů. Optické přenosové systémy lze ale také s výhodou použít na kratší vzdálenosti v rámci měst, budov, ale také např. na lodích nebo v letadlech, neboť optická vlákna jsou tenčí a lehčí než měděné kabely (obr. 1).

Obr. 1. Optický kabel o průměru 1,8 mm se čtyřmi vlákny

Protože optická vlákna jsou necitlivá na elektromagnetická rušivá pole, je možné je vést i elektromagneticky silně zatíženým prostředím, a dokonce společně s metalickými fázovými vodiči v jednom společném kabelu (obr. 2 a obr. 3). U elektrických měděných datových kabelů jsou vyrovnávací proudy tekoucí stíněním kabelu častou příčinou poruch při přenosu dat, např. mezi budovami nebo uvnitř budov. Galvanické oddělení u nemetalické (optické) konstrukce kabelu zajišťuje, že optickými kabely nepotečou žádné vyrovnávací proudy.

Nemetalické optické kabely jsou navíc necitlivé na údery blesku. Optická vlákna jsou chemicky velmi odolná, tepelně stabilní a mají nepatrný sklon ke stárnutí. Nežádoucím jevem je však vnikání vody, resp. vlhkosti do optického kabelu, neboť vede ke zvyšování útlumu přenosu optického výkonu. Proto je důležité, aby se vhodnou konstrukcí kabelu a kabelovými armaturami (např. kabelovými spojkami) zabránilo pronikání vlhkosti k optickým vláknům.

Obr. 2. Vysokonapěťový podmořský kabel s optickými vlákny používaný např. pro spojení větrných elektráren na volném moři s pobřežní transformační stanicí nebo pro dodávku elektrické energie na ostrovy v moři

Výhody optických vláken v porovnání s metalickými vodiči:
– minimální útlum signálu
– umožňuje velký dosah přenosu,
– velká šířka přenosového pásma frekvencí – umožňuje vysoké rychlosti přenosu,
– malé rozměry (tenké, lehké a ohebné kabely) – šetří instalační prostor,
– necitlivost vůči elektromagnetickým rušivým polím,
– necitlivost vůči úderům blesku,
– odolnost vůči přeslechům a vyzařování,
– galvanické oddělení přijímače od vysílače – eliminace rušení do zemních smyček,
– chemicky odolné a tepelně stabilní, – relativně bezpečné vůči odposlechu.

Nevýhody optických vláken v porovnání s metalickými vodiči:
– komplikovanější spojování jednotlivých vláken (svařováním či lepením) – pouze s použitím speciálních nástrojů,
– při nízkých teplotách vlákno křehne – riziko mechanického poškození,
– omezený ohyb – riziko mechanického poškození,
– v ostřejších ohybech se ohýbá i světelné záření a dochází ke zvětšení útlumu (ztrát).

1.2 Historický vývoj

První optická vlákna – se strukturou, která se používá ještě i v současné době – byla vyrobena v roce 1956. U těchto optických vláken je vedení světla řešeno úplným odrazem na rozhraní mezi optickým jádrem a optickým pláštěm. Tato mnohovidová vlákna MMF (Multi Mode Fiber) se skokovým indexem lomu byla použita nejprve v lékařskotechnických aplikacích, jako je např. endoskopie, kde se optická vlákna využívají ke kontrole tělesných dutin a orgánů.

pokračování...

celý článek čtěte ZDE