Optikai szál
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
Az optikai szál vagy fénykábel igen tiszta, néhány tíz (korábban száz) mikrométer átmérőjű üvegmag szál ból és az ezt körülvevő, kisebb optikai törésmutatójú héjból áll.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] Az üvegszál felhasználásának története
Az üvegszál digitális távközlési vonalként történő alkalmazása 1966-ban merült fel. Akkoriban még a kilométerenkénti csillapítása több száz decibel volt, ami mára már az elfogadható 0,2dB/km alá csökkent. Az egyszerű felépítésű multimódusú fényvezetőben (mérete pl.: 62,5/125 mikrométer mag/héj) a szál egyik végén bevezetett fény a belső vezető falról teljes visszaverődéssel, több sugárban terjed. A egymódusú szálban (mérete a fény hullámhossza az üveg tápvonalban pl.: 8,3/125 mikrométer) a fény gyakorlatilag a vezető tengelye mentén halad, ezért a csillapítása kisebb. A kábelben több fényvezető szálat szoktak elhelyezni. Az optikai kábel mechanikailag ellenállóbb, mint a csavartérpáras kábel. Nem zavarérzékeny és nem sugároz, bár a lehallgatás ellen az optikai kábel sem ad tökéletes védelmet. Monochrom, koherens fényforrásként 850 vagy 1300, illetve 1550 nm hullámhosszúságú lézert használnak. A közeli infravörös tartományba (780-900 nm) esik az egyik, míg a másik a 1200-1600 nm-es hosszúhullámú tartományba tartozik. (Az átvitel fizikai korlátai a csillapítás, a kromatikus és a polarizációs diszperzió és a nemlineáris torzítások). A hosszabb hullámokon kisebb a csillapítás, és az anyagfüggő diszperzió, tehát nagyobb átviteli távolság és sávszélesség érhető el (a legelőnyösebb ebből a szempontból az 1550 nm-es tartomány).
1994-ben egy egymódusú fényvezetővel már 160 Gb/s átviteli sebességet értek el. A 100 Mb/s-os egymódusú csatorna 10 km-es adó/vevő távolságot biztosít. Kisebb távolságokra a kereskedelmi forgalomban lévő olcsóbb berendezések sávszélessége 200-500 MHz, az átviteli sebesség 1 km-ig 250-500 Mb/s, a lézeradó teljesítményétől függően. Ma már elterjedten félvezető (LED) lézereket alkalmaznak, azonban nagyteljesítményű gáz, szilárdtest lézerekkel 100 km-es távolságot is áthidaltak már egy adó-vevő párral (erősítés nélkül).
A hullámhossz-osztásos multiplexálás (WDM) esetén megoldott a 40 Gb/s sebességű átvitel 440 km távolságra. Az optikai távközélési csatorna beruházási költsége jelentősen csökken az évek során. Bár maga a egymódusú optikai kábel olcsóbb, mint a multimódusú a szükséges csatlakozókkal, adó-vevővel együtt drágább. Az optikai kábelek a 100 Mb/s, vagy nagyobb adatátviteli sebesség igényeket kiszolgáló rendszerekben már ma is gazdaságosak. Az előfizetői hálózatokban az előrejelzések szerint 2005 körül lesznek azonosak a réz és az optikai összeköttetések költségei. Ma már a telefonközpontok közötti trönk összeköttetések, a lokális számítógépes hálózatok gerincvonalai főként optikai kábelekkel készülnek.
[szerkesztés] Működési alapelv
Az optikai szál egy olyan hengeres, szigetelt, könnyen hajlítható szál, amely fényt továbbít az üvegmag belsejében, a teljes fényvisszaverődés elve alapján. A szál egy üvegmagból áll, amelyet egy védőréteg vesz körül - ezt héjnak nevezzük. Azért, hogy az optikai jel teljes fényvisszaverődéssel a magban terjedjen tovább (vagyis a szálból ne lépjen ki), a mag törésmutatójának nagyobbnak kell lennie, mint a héjnak. A határ a mag és a védő réteg között lehet hirtelen, mint a egymódusú szálnál, vagy lehet fokozatos átmenetű, mint a multimódusú szál esetében. A nagy magátmérőjű szálat multi-módusú szálnak nevezzük, az elektromágneses analízis alapján (lásd lejjebb). A bevezetett fénysugarak a mag belső fala tengelyének irányában halad végig a szál mentén a teljes visszaverődés miatt. A mag és védőréteg határához nagy szögben érkező sugarak (a határhoz párhuzamosan húzott vonalhoz képest nagy szögben) teljesen visszaverődnek. A teljes visszaverődés által meghatározott visszaverődési határszöget (a legkisebb szög, amelynél a fénysugár még teljes mértékben visszaverődik) az üvegmag és a héj anyagainak törésmutatókülönbsége határozza meg. A kis szögben érkező sugarak átlépnek az üvegmagból a héjba, ahol már nem tudnak végighaladni, elvesznek a héjban. Ebben az esetben, a visszaverődési határszög meghatározza a szál befogadó szögét, amit gyakran numerikus apertúrának neveznek. A magas numerikus apertúrával rendelkező optikai szálat könnyebben lehet csatlakoztatni az optikai vevőhöz vagy adóhoz. Azonban azzal, hogy megengedjük, hogy több fénysugár is haladjon a szálban - és így különböző szögekben terjedjenek a fénysugarak –, a nagy numerikus apertúra miatt nő a bejárt utak száma, és ezzel nő a szórás (diszperzió) is. Ez utóbbi miatt a különböző utakon terjedő jelek különböző idő alatt érnek a szál végére.
Lépcsős indexű optikai szál (graded-index fibre) esetében, a mag fénytörésmutatója folyamatosan csökken a tengely és a héj között. Ez azt eredményezi, hogy a fénysugarak simán elhajolnak ahogy közelítenek a héjhoz, a hirtelen visszaverődés helyett. Ennek eredménye, hogy a hajlított utak csökkentik a több bejárt út miatt okozott diszperziót, mert a nagy szögben érkező, azaz hosszabb utat megtevő fénysugarak számára szükséges időtartam lerövidül, mert kisebb törésmutatójú részen haladnak az üvegmag külső szélén, így a késésük lecsökken. Az törésmutató profilt úgy választják meg, hogy minél kisebb legyen a különbség a különbőző fénysugarak között. Ez az ideális törésmutatóprofil nagyon közel van egy parabolikus függéshez a törésmutató és a tengelytől való távolság között.
Az egymódusú szál magátmérője általában 8 és 10 μm között mozog. Néhány speciális célra kifejlesztett optikai szálat nem hengeres üvegmaggal illetve héjjal terveznek, hanem általában elliptikus vagy téglalap alakú keresztmetszettel. Ezek magukba foglalják a polarizációt támogató szálakat és a szálak melyek elnyomják az átlapolódást.
Nagyobb optikai teljesítmény esetében – több mint egy watt esetén – amikor egy szálat ütés ér vagy másképpen hirtelen megsérül, a szál megéghet. A visszavert fény azonnal elégeti a szálat a sérülésnél, és ez a hiány visszatükröződik, tehát a sérülés elterjed egészen az adóig 1-3 m/s-os sebességgel. A nyitottszál-vezérlő rendszer, ami megvédi a szemet a lézertől a száltörése pillanatában, ugyancsak megfékezheti a szál elégését. Olyan esetekben mint a tengeralatti kábel, ahol nagyobb energia szinteket használnak nyitottszál-vezérlés nélkül, egy szál égés védelmi eszköz az adónál megszakíthatja az áramkört, hogy megóvja a további sérüléstől.
[szerkesztés] Anyagok
Az üveg optikai szálakat majdnem mindig szilicium-dioxidból készítik, de néhány egyéb anyagból, mint például fluoro-circonátot, fluoro-aluminátot, és tisztított üveget használnak hosszab hullámhosszú sugarakhoz, infravörös tartományban működő eszközökhöz. Akár csak a többi üvegnek ezeknek az üvegeknek a törésmutatója is 1,5 körül van. Tipikusan kevesebb mint egy 1%-nyi a különbség az üvegmag és a héj törésmutatója között. Nem lehetséges, hogy a módus struktúrája függjön a használt fény hullámhosszától, ezért ez a szál tulajdonképpen csak néhány további hullámhoszt támogat a látható fény tartományában. Multimódusú szálat, összehasonlítás képpen, 50 μm, 62,5 μm vagy nagyobb magátmérővel gyártják.
Műanyag optikai szál (POF - Plastic Optical Fiber) általában a lépcsős indexű multimódusú szál, 1mm-es vagy annál nagyobb magátmérővel. A műanyag optikai szálnak nagyobb a csillapítása mint az optikai üvegszálnak (a jel amplitudója sokkal gyorsabban csökken mint üvegszál esetében), 1 dB/m vagy annál nagyobb, és ez a nagy csillapítás határozza meg hol használják az ilyen tipusú optikai szálat.
[szerkesztés] Optikai kommunikáció
Az optikai szálat alkalmazhatjuk távközléshez és hálózatépítéshez, mert rugalmas és kötegelhetjük akár a kábeleket. Habár a szálak egyaránt készülhetnek átlátszó műanyagból vagy üvegből, a nagy távolságú kommunikációkhoz alkalmazott szálak mindig üvegből készülnek, mert az üvegszálnak kisebb a csillapítása, mint a műanyag optikai szálnak. Mind multimódusú, mind pedig egymódusú szálakat alkalmaznak kommunikációhoz; általában kis távolságoknál használják a multimódusú szálat (< 500m), míg a nagyobb távolságokhoz egymódusú szálakat használnak. Mivel nagyobb pontosság szükséges fény becsatlakoztatatásához a szálba és összekapcsolni a egymódusú szálakat, egymódusú adókat, vevőket, erősítőket és egyéb részeket, ezért általában sokkal drágább létrehozni, mint multimódusú eszközöket.
Tipikusan az infravörös fénytartományt használják azon a hullámhosszon, ahol a betáplált fénnyel szemben a legkisebb az abszorpciója (elnyelődés, elveszik a fény) a szálnak. A szál abszorpciója 1550 nm hullámhossznál, a diszperziója 1310 nm-en optimális; ezt a hullámhosz tartományt használják adattovábbításhoz. Közel 850 nm hullámhossznál található az abszorpció egy helyi minimuma; erre a hulámhosszra terveznek kis költségű adókat és vevőket, és gyakran ezt a hullámhosszt használják kis távú alkalmazások esetében. A szálakat általában párban használják, egy-egy szál továbbítja a jelet egyik illetve másik irányba.
A modern optikai szál esetében a maximális távolságot nem a csillapítás határozza meg, hanem a diszperzió, vagy az optikai impulzus szélessége, ahogy végigterjed a szálban. Tényezők változása okozza a diszperziót az optikai szálakban. A többmódusú diszperziót a fény különböző utakat bejárt sebessége okozza (nagyobb utat tesz meg; ezek az utak különböző hosszúságúak, ezért más-más időpillanatban érnek a szál végére a fénynyalábok, amik zavart okoznak), ez határozza meg a multimódusú szál teljesítményét. Mivel egymódusú szál esetében csak egy úton haladhat végig a jel (csak egy jelúton terjed a fény), a többmódusú diszperzió ezzel kiiktatódott. Az egymódusú szál teljesítményét a kromatikus diszperzió eredményezi, amit az okoz, hogy az üveg törésmutatójának változása kicsit függ az alkalmazott fény hullámhosszától, és a valódi adótól jövő fénynek nem nulla szélességű a spektruma, hanem véges. A polarizációs diszperzió, ami korlátozhatja az egymódusú rendszerek teljesítményét, abból következik, habár a egymódusú szál csak egy hullám terjedését engedi, ezt a módust kétféle polarizációval viheti át és egy kis tökéletlenség vagy torzulás a szálban megváltoztathatja a módusok sebességeit. A diszperzió korlátozza a szál sávszélességét, mert a szélesedő optikai jel meghatározza az impulzusok egymásutáni ismétlődésének azt a sebességét, amelynél a vevő még képes felismerni a továbbított jelet.
Amiatt hogy a szál hosszának növekedésével nő a diszperzió is, egy optikai továbbító rendszert gyakran a sebesség-távolság szorzat határozza meg, gyakran MHz·km-ben kifejezve. Az érték a sávszálesség és a hossz szorzata, mivel egy szál esetén kapcsolat áll fenn a sávszélesség és aközött a távolság között, amelyen az elérhető. Például egy közönséges multimódusú szál esetén, amelynél a sávszélesség-távolság szorzat 500 MHz·km egy 500 MHz-es jelet 1 km-re, egy 1000 MHz-es jelet fél kilométerre képes elküldeni úgy, hogy felismerhető maradjon.
Egymódusú optikai rendszerekben, mind a szál karakterisztikája és az adó spektrumszélessége hozzájárul a sávszélesség-távolság rendszer tulajdonságához. Tipikus távolság ilyen esetben 80 és 140 km-nyi optikai szál lehet két regenerátor között. Azzal, hogy rendkívül keskeny spektrumu lézert használtak forrásként, sikerült 40 gigabit/másodperc adatátviteli sebességet elérniük a valós eszközökkel.
A hullámhossz-osztásos multiplexálást alkalmazva (Wavelength Division Multiplexing (WDM)), az egy szál által elbírt sávszélességet Tbit/s-os tartományba lehet tornászni. Ezt úgy érik el, hogy egy szálba több hullámhosszú fényt továbbítanak. A WDM multiplexereket és demultiplexereket arra használják, hogy a kapcsolat minden végénél a különböző hullámhosszakat keverjék és szétválasszák. A közönséges WDM (coarse WDM, CWDM) technikánál csak néhány hullámhosszt használnak. A CWDM egyik alkalmazása az egy szálon való két irány kommunikáció. A DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), azaz a sűrű hullámhossz osztásos multiplexálás esetén általában több mint 8 fényablakot alkalmaznak adó és vevő oldalon. 16, 40 és 80 ablakos rendszerek az általánosan elterjedtek. Matematikailag 111 ablak lehetséges egyetlen optikaiszál-páron a ma használt hullámhosszakkal.
Based on work by