Fiber optički kabl

Optički kabl se koristi u telekomunikacijama za prenos signala. Prenosni medijum je optičko vlakno, a informacija se prenosi putem svetlosti. U Srbiji se najviše koriste optički kablovi kapaciteta od 6 do 240 optičkih vlakana. Na ulasku u optičko vlakno električni signal se konvertuje u svetlost pomoću svetleće ili laserske diode, a na prijemu se pretvara ponovo u električni signal pomoću fotodiode.

Fiber optički kabl

Prednost optičkih kablova su:

• njihove daleko manje dimenzije u odnosu na bakarne kablove,
• mogućnost prenosa velike količine informacija,
• malo slabljenje signala što dozvoljava domete i do 200 km bez pojačanja signala
• manja težina po dužnom metru
• lakše polaganje kako u zemlju, tako pod vodu, na stubove ili dalekovode
• sve niža cena
• neosetljivost na električne smetnje, vodu, niske i visoke temperature.

Optički kablovi su jedino osetljivi na radioaktivno zračenje.

Prvi optički kabl u Srbiji je položen oktobra 1984. na relaciji Telekomunikacioni centar Beograd - Centrala Konjarnik u dužini od 5,5 km. Godine 2010, Srbija ima preko 15.000 km položenih optičkih kablova.

Zbog svoje male težine optički kablovi se polažu u ranije zakopane plastične cevi metodom uduvavanja.

Istorijski razvoj

Optički kabal

Široka oblast savremenih telekomunikacija. Posebno intenzivno razvija se posle 1980. godine. Postoje i brojni primeri iz ranije prošlosti koji ne mogu da se svrstaju u optičke komunikacije u današnjem smislu. Koristili su postupke za prenos poruka koje su bile vidljive korisnicima. (signalizacija, zastavice, semafori, svetionici, razni optički sistemi kao francuski telegrafski sistem koji je za 15 min prenosio poruku na udaljenost od 200 km, itd.). Prvi naučni pokušaj kroz mlaz vode.

Kao rezultat, možemo da zaključimo sledeće: svetlost može da se kreće prateći zakrivljenost svetlovoda. Primenu optike u današnjem smislu pokrenuo je izum lasera 1958, poluprovodničkog lasera 1963. godine i nakon nekoliko godina, prvih optičkih vlakana.

Optičko vlakno je tanka staklena nit sačinjena od silicijuma. Staklo koje se koristi ima izuzetnu čistoću. Ne može se ni uporediti sa staklom na koje smo navikli. Staklo debljine nekoliko kilometara ima providnost običnog prozorskog stakla debljine 3-4 mm. Svetlost putuje kroz staklena vlakna zahvaljujući pojavi koja se naziva totalna unutrašnja refleksija. Relacije kojima je opisano zarobljavanje svetlosti unutar ravne staklene ploče izveo je Fresnel još 1820. godine, 1962. god. optičko vlakno imalo je slabljenje 1000dB/km (atmosfera 20-30 db/km). 1966. godine Čarles Kao i Georges Hockham utvrdili su da veliki gubici u optičkom vlaknu teoretski nastaju zbog malih nečistoća unutar stakla, a ne zbog unutrašnjih ograničenja samoga stakla. Procenili su da se gubici svetlosti koja putuje vlaknom mogu drastično smanjiti, sa 1000 db/km na manje od 20 db/km. Zahvaljujući otkriću Čarlsa Kaoa i Georgea Hockmana 1970. godine počeo je vrlo intenzivan razvoj optičkih komunikacija kada je tim stručnjaka iz kompanije “Corning Glass” proizveo optičko vlakno dužine stotinu metara. 1976. god. započela je eksperimentalna primena optičkih vlakana u telefonskim sistemima Atlante i Čikaga, a 1984. godine pušteno je u rad optičko vlakno kompanije AT&T povezujući Boston i Wašington. 1988. godine postavljen je prvi transatlantski optički kabel, sa regeneratorima na udaljenostima od 64 km. Tokom osamdesetih godina uloženi su ogromni napori da se otklone problemi vezani za popravku prekinutih optičkih kablova i da se poboljša tehnika njihovog postavljanja. 1991. godine prikazani su optički pojačavači koji su ugrađeni u same optičke kablove i koji su u stanju da obezbede 100 puta veći kapacitet od sistema sa elektronskim pojačavačima. 1996. godine postavljeni su kablovi sastavljeni isključivo od optičkih vlakana i preko Tihog okeana. Kod nas je postavljanje optičkih sistema počelo 1984 u BG, a 1991. postavljena je optička veza NS - Sremski Karlovci. Uprkos ratu, inflaciji i svemu što se dešavalo, optički sistemi i kod nas preovlađuju u novoizgrađenim komunikacionim sistemima. Primena optičkog vlakna kao provodnika svetlosnog signala značajno je zavisila od tehnologije izrade vlakna, prvenstveno eliminacije nečistoća koje utiču na slabljenje, mehaničke izdržljivosti i zaštite vlakna od lomljenja.

Tipovi optičkih vlakana

Dva osnovna tipa optičkih vlakana su jednomodno (monomode, singlemode) i višemodno (multimode) vlakno, prema broju modova svetlosnog talasa koji se prostiru kroz vlakno. Mod najlakše vizuelizuje kao svetlosni zrak određene debljine, koji se prostire kroz vlakno. Jednomodno vlakno ima toliko mali prečnik jezgra samo jednog zraka-moda. Kroz višemodno vlakno više zraka-modova se prostire različitim putanjama kroz jezgro. Postoje dve vrste višemodnih vlakana: vlakna sa STEP, indeksom, sa naglom promenom indeksa prelamanja na granici jezgra i omotača i vlakna sa gradijentnim indeksom, sa postepenim smanjenjem indeksa prelamanja od centra jezgra prema i u omotaču. Putanja zraka u vlaknu sa step indeksom ima izlomljen cik-cak oblik, što je posledica odbijanja zraka na granici jezgra i omotača. Putanja zraka u gradijentnom vlaknu je glatka i zakrivljena uvek prema unutra, zadržavajući zrak uvek oko centralne ose.

Tipovi prema profilu indeksa prelamanja

• STEP INDEKS (SI) VLAKNO: Vlakno sa dve vrednosti indeksa prelamanja, sa skokovitom promenom, naziva se SI vlakno.
• GRADIJENTNO VLAKNO (GI) VLAKNO: Radi se o vlaknu sa kontinualnom, gradijentnom promenom vrednosti indeksa prelamanja.

Prostiranje svetlosti kroz optičko vlakno

Svetlost se prostire kroz optičko vlakno na način ilustrovan na slici ispod. Svetlost se kreće kroz jezgro vlakna, pod različitim uglovima u odnosu na zamišljenu normalu prema graničnoj površini sa omotačem. Ako je ugao veći od kritičnog ugla, φ > φc dolazi do totalne refleksije i zrak ostaje zarobljen u jezgru vlakna, pošto se isti ugao ponavlja pri svakom sudaru sa graničnom površinom, sa bilo koje strane. Ako je ugao manji ili jednak kritičnom uglu, φ ≤ φc dolazi do prelaska energije u omotač i zrak veoma brzo slabi i nestaje u omotaču

Optički komunikacioni sistem

Optički komunikacioni sistemi se sastoje od predajnika, komunikacionog kanala i prijemnika.

Optički komunikacioni sistem

Mogu biti vođeni i nevođeni.

• Kod vođenih sistema karakteristično je da se emitovan optički snop pri transmisiji prostorno ograničava korišćenjiem optičkih vlakana. Zbog toga se ovi sistemi često nazivaju fiber – optički komunikacioni sistemi.
• Kod nevođenih sistema optički snop se emituje kroz slobodan prostor. Reč je o free space komunikacijama.

Komponente optičkog komunikacionog sistema su:

• Optički predajnik
• Optičko vlakno
• Optički prijemnik

Optički predajnik

Blok šema optičkog predajnika

Optički predajnici vrše pretvaranje električnog signala u svetlost.

To su uređaji koji služe za slanje govornih i drugih informacija u obliku svetlosnog signala duž svetlovoda. Predajnik ima dvostruku ulogu. U sebi mora da sadrži svetlosni izvor, koji će napajati optičko vlakno, i modulator, koji treba da moduliše tu svetlost, tako da ona reprezentuje binarni ili analogni ulazni signal. U digitalnim sistemima modulacija se najčešće vrši promenom intenziteta svetlosti, koja se šalje na ulaz optičkog vlakna. Može se reći da predajnik predstavlja neku vrstu pretvarača digitalnog elektronskog signala u svetlosni signal. Predajnik se može posmatrati kao”crna kutija”, koja ispunjava određene zahteve vezane za emitovanu optičku snagu, talasnu dužinu emitovane svetlosti, brzinu rada optičkog izvora, fokusiranost zračenja, itd. Predajnici se mogu upoređivati po dva osnova. Jedan je posmatranje karakteristika optičkog dela, koji predstavlja izvor svetlosti, a drugi je način modulacije svetlosnog signala. Prilikom posmatranja karakteristika vezanih za optički deo predajnika, treba uzeti u obzir sledeće:Fizičke karakteristike treba da su usaglašene sa optičkim vlaknom koje se želi koristiti, u smislu da izvor treba da obezbedi emitovanje svetlosti u obliku konusa, prečnika poprečnih preseka od 8µm do 100µm, inače optičko vlakno neće biti pobuđeno svetlosnim izvorom;

• Snaga izvora treba da bude dovoljno velika damože da se postigne željena vrednost verovatnoće greške (BER).
• Neophodno je izvršiti fokusiranje svetlosti izvoravrlo efikasno, kako bi se optičko vlakno pobudilo dovoljnom optičkom snagom.
• Optički izvor treba da generiše signal linearnih karakteristika kako bi se sprečilo generisanje višihharmonika i intermodulacionih izobličenja, pošto se oni teško eliminišu.
• Neophodna je laka modulacija optičkog izvora električnim signalom, i da su pri tome, brzine modulacije velike, inače se prednosti koje poseduje optičko vlakno sa svojim širokim opsegom ne mogu iskoristiti.
• Na kraju, tu su i zahtevi kao što su: male dimenzije, mala težina, niska cena i visoka pouzdanost.

Postoje dve vrste poluprovodničkih dioda koje zadovoljavaju navedene zahteve i mogu se koristiti kao optički izvori u predajniku. To su:

• Nekoherentne − svetleće diode, LED (Light Emitting Diode)
• Koherentne – laserske diode, LD.

Fiber optička vlakna u mraku stvaraju efekat eksplozije u svemiru.

Nastavljanje optičkih kablova

Spajanje optičkih kablova, Beograd

Fabrička dužina optičkog kabla koja se isporučuje iz fabrika je oko 2100 m. Zbog toga se optičke deonice nastavljaju jedna za drugom. Postupak je nazvan „splajsovanje“ a sastoji se u zavarivanju defakto staklenih vlakana. Postupak se izvodi pod mikroskopom pri čemu se za zavarivanje koristi električna energija. Potrebno je obezbediti veliku čistoću pri radu.

Spajanje optičkih kablova, Beograd