Světlovody s optickými vlákny (2. část)

3.1 Mnohovidová vlákna (MMF)

3.1.1 Mnohovidové vlákno se skokovým indexem

V relativně velkém jádru mnohovidového vlákna je mnoho paprsků schopných šíření. Index lomu jádra má konstantní velikost n₁, plášť má index lomu n₂. Na rozhraní jádro–plášť dochází k ostrému optickému lomu. Vedení světelného záření probíhá na základě úplného odrazu na rozhraní jádro–plášť (obr. 8). Mnohovidovým vláknem se šíří paprsky po různých drahách. Nejkratší dráhu urazí přímý paprsek, tj. paprsek s nejnižším videm. Naopak nejdelší dráhu urazí paprsek s úhlem odrazu na úrovni mezního úhlu odrazu, tj. paprsek s nejvyšším videm. V důsledku rozdílných drah (rozdílné rychlosti) jednotlivých vidů dorazí jimi přenášená energie na konec vlákna v rozdílných časových okamžicích. Tím dochází ke zkreslení přenášeného signálu. Tento jev se označuje jako vidová disperze a lze se s ním setkat pouze u mnohovidových vláken.

K mnohovidovým vláknům se skokovým indexem lomu patří např. optická vlákna HCS K200/230 s jádrem z křemenného skla o průměru 200 µm, které obklopuje velmi tenoučká polymerová vrstva (díky tomu je index lomu v oblasti pláště menší, což umožňuje vedení světla úplným odrazem).

Obr. 9. Struktura a rozměry mnohovidového vlákna s gradientním indexem lomu G50/125

3.1.2 Mnohovidové vlákno s gradientním indexem

Oblast jádra s gradientní (postupnou) změnou indexu lomu je tvořena z mnoha diskrétních koncentrických vrstev, jejichž index lomu klesá směrem ven. Světelné záření se šíří rychleji v prostředí s menším indexem lomu než v prostředí s větším indexem lomu. Proto paprsky šířící se blíže k plášti, kde je hodnota indexu lomu menší, mají větší rychlost. V jádru tohoto typu vlákna dochází k plynulé změně drah světelných paprsků. Jejich celková doba přenosu vláknem na velké vzdálenosti se proto málo liší od doby šíření přímého paprsku, který prochází středem jádra, tedy prostředím s největší hodnotou indexu lomu. Oproti vláknu se skokovou změnou indexu lomu zde dochází k významnému snížení disperze.

V normě ČSN EN 50173-1 ed. 4 je kvalita s ohledem na šířku vidového pásma rozlišována pomocí kategorií OM1 až OM5 (viz tab. 1). Aplikace s velmi vysokými rychlostmi přenosu dat (40 Gbps, 100 Gbps) je možné realizovat již pouze pomocí mnohovidových vláken kategorie OM3, OM4 a OM5. Rozhodujícím parametrem pro laserové buzení v přenosovém okně 850 nm je tzv. efektivní vidová šířka pásma. U vysokorychlostních aplikací činí maximální dosah (dosažitelná vzdálenost přenosu) s mnohovidovými vlákny s gradientním indexem lomu (např. typu G50/125) 100 až 150 m. Mnohovidové vlákno typu G50/125 (obr. 9) se používá především v datových sítích LAN a v datacentrech.

Tab. 1. Požadavky na mnohovidová vlákna s gradientním indexem lomu v komunikačních kabelových systémech podle [2]

3.2 Jednovidová vlákna (SMF)

Jednovidová vlákna jsou používána tam, kde se požaduje velká šířka pásma a malý útlum. U jednovidového vlákna odpadá vidová disperze a lze s ním dosahovat podstatně větších přenosových rychlostí na delších trasách než s použitím mnohovidového vlákna. Z tohoto důvodu jsou také jednovidová vlákna téměř výhradně používána pro přenos informací na velké vzdálenosti. Schopnosti tohoto vlákna vést jediný paprsek (vid) bez odrazů ve směru své osy se zpravidla dosahuje velmi malým průměrem jádra (řádově v jednotkách mikrometrů) při současném sladění indexů lomu.

Průměr jádra standardního jednovidového vlákna je asi 8 µm. Protože se ale část světla šíří také v optickém plášti, je v technické specifikaci udáván průměr vidového pole (např. 9 µm). Průměr primární ochranné vrstvy optických vláken pro přenos informací je obvykle 250 µm. Stále častěji se ale vyrábějí jednovidová vlákna s průměrem 200 µm. Toto umožňuje zvýšit hustotu uložení a vtěsnat ještě více vláken do tenkých optických kabelů.

Poměrně dlouhou dobu byla spojovací technika pro jednovidová vlákna díky malému průměru jádra a s tím související vysoké přesnosti zpracování podstatně dražší než spojovací technika u mnohovidových vláken. V současné době je však již možné zhotovit jak optická vlákna, tak otvory v optických ferulích konektorů velice přesně s minimálními tolerancemi, takže se dají také snadněji vyrábět zásuvné i svařované spoje s nepatrným vložným útlumem.

Jednovidová vlákna typu E9/125 (obr. 10) se používají v datových sítích LAN pro délky tras od 100 m výše. Používají se při budování tras telekomunikačních a širokopásmových přístupových sítí. Požadavky na vlastnosti kabelových jednovidových vláken datové sítě LAN jsou definovány v kategoriích OS1, OS1a a OS2 v souboru norem ČSN EN 50173 (tab. 2). Při budování telekomunikačních sítí nebo širokopásmových přístupových sítí FTTx (viz pozn. 2) jsou často brány za základ požadavky uvedené ve standardech ITU (International Telecommunication Union, Mezinárodní telekomunikační unie). V tab. 2 je uvedeno, jak se rozlišují požadavky na měrný útlum pro jednovidová vlákna. Splňují-li jednovidová vlákna požadavky podle standardu ITU-G.652D nebo ITU-G.657, splňují současně také požadavky OS2 podle souboru norem ČSN EN 50173. Další požadavky na jednovidová vlákna jsou uvedeny např. také v normě ČSN EN 60793-2-50 ed. 5.

Pozn. 2: FTTx (Fiber To The x, vlákno k x), kde x představuje místo zakončení, jako např.: – FTTN (Fiber To The Node, vlákno k uzlu)    Vlákno je zakončeno ve přípojné skříni (uzlu), která je umístěna dále než 300 m (někdy až několik km) od objektu zákazníka – FTTC (Fiber To The Curb/Cabinet, vlákno k obrubníku/skříni)    Optické vlákno v tomto případě nevede přímo do objektu s koncovými uživateli, ale je zakončeno obvykle ve venkovním rozváděči (pouliční kabinet) umístěném (u obrubníku) mimo objekt, obvykle do 300 m od koncového uživatele. – FTTB (Fiber To The Building, vlákno do budovy) Vláko dosahuje hranice budovy, přípojná skříň je umístěna např. v suterénu bytového domu. – FTTH (Fiber To The Home, vlákno do domu)    Zatím asi nejmodernější alternativa připojení, kdy z centrální ústředny vede optické vlákno přímo do bytu koncového zákazníka.

3.3 Vzájemné porovnání jednovidových a mnohovidových vláken

Výhody jednovidových vláken:
– menší útlum
– umožňuje přenos dat na vzdálenost až 50× větší než mnohovidovými vlákny (až 100 km bez opakovače),
– větší šířka přenosového pásma – umožňuje přenos velkého množství dat velkou rychlostí, resp. menší rychlostí na větší vzdálenosti,
– větší rychlost přenosu.

Výhody mnohovidových vláken:
– větší hodnota numerické apertury NA (viz pozn. 3) – umožňuje snadnější navazování světelného záření do vlákna a lze použít i jiné zdroje světelného záření než laserové diody (např. LED diody),
– snadnější spojování vláken vzhledem k větším rozměrům jádra,
– nižší cena než u jednovidových vláken.

4. Optické vlastnosti optických vláken

Při přenosu signálů optickými vlákny hrají významnou roli dvě veličiny, a to útlum a disperze.

Základní otázky související s tímto tématem:
– Co je to vlastně tzv. útlum?
– Jaké fyzikální veličiny se na útlumu podílejí?

... pokračování

> celý článek čtěte ZDE <

 

 1. část vyšla v Elektro 8-9/2020 
http://www.odbornecasopisy.cz/elektro/casopis/tema/svetlovody-s-optickymi-vlakny-1-cast--17411