Optična vlakna

1 UVOD

Optična ali steklena vlakna so izredno prozorna tanka vlakna nepretrgane dolžine (monofilamentne preje) in izredno čistega silicijevega stekla ter posebne, tako imenovane plastne indeksne konstrukcije z načrtovanima stopničastima lomnima količnikoma steklenih delov in minimalno absorbcijo svetlobe. Za uporabo so jih razvili v 70. letih prejšnjega stoletja, čeprav je princip svetlovoda iz fizike znan že več kot 100 let. V zgodnjih letih fotonske tehnologije so manjkali materiali – vodniki svetlobe, ki bi ustrezali njenim tehničnim zahtevam. Pri optičnih vlaknih je zaradi svetlobe frekvenca prenosa veliko večja, in s tem tudi pasovna širina oz. količina prenosa podatkov kot pri navadnih (bakrenih) vodnikih. Razvoj optičnih vlaken je omogočil revolucionarni razvoj in razširitev komunikacijskih ter informacijskih sistemov in prenosa sporočil na velike razdalje. Optična vlakna so odporna na elektromagnetne motnje; nevihte, razelektritve, zato ne pride do popačenj prenašanega signala. Optična vlakna se uporabljajo tudi v medicini najpogosteje kot optične kamere pri raznih skopijah, v industriji tudi kot optični senzorji in v vojaški tehniki.

Lom svetlobe, lomni količniki, popolni odboj

Svetloba, ki se širi od vira in pada na telesa v okolici, se glede na njihove lastnosti od njih lahko odbija, vstopa vanje in se pri tem lomi, oziroma se v njih razširja, če so prozorni ali vsaj prosojni. Pri razširjanju v kaki snovi ali sredstvu je njena hitrost različna, odvisna od optične gostote sredstva. Snov lahko del svetlobe absorbira ali pa se svetloba v njej razprši in oslabi svetlobni tok. Hitrost razširjanja svetlobe v različnih medijih je različna. Najhitreje se razširja v vakuumu 300.000.000 m/s, v zraku se upočasni za 0,03%, v vodi za 1, v steklih odvisno od sestave za okoli 1/3. Sredstva, v katerih se razširja hitreje imenujemo optično redkejša, tista, v katerih se širi počasneje pa optično gostejša. Za optična vlakna pridejo v poštev le sredstva oziroma snovi, ki prepuščajo svetlobo in v katerih sta absorbcija in razpršitev svetlobe ter s tem oslabitev svetlobnega toka zmanjšani na najmanjšo možno mero. Vsa optična vlakna izkoriščajo za vodenje svetlobe pojav popolnega notranjega odboja.

Če pade svetlobni žarek na ravno gladko ploskev, se od nje odbije tako, da je odbojni kot enak vpadnemu kotu in da ležita vpadni in odbiti žarek z vpadno pravokotnico v eni ravnini.

Slika 1: Odboj in lom svetlobe pri prehodu iz optično gostejšega v optično redkejše sredstvo.

Svetlobni žarek, ki poševno prehaja iz sredstva v sredstvo, ob vstopu v snovi z drugo optično gostoto spremeni hitrost oziroma se lomi. Pri prehodu iz optično redkejšega v optično gostejše sredstvo se lomi proti pravokotnici na mejno ploskev tako, da je vpadni kot večji od lomnega kota. Pri prehodu iz optično gostejšega sredstva v optično redkejšega pa se lomi stran od pravokotnice, tako da je lomni kot večji od vpadnega. Pri prehodu se spremeni tudi hitrost svetlobnega žarka od večje v redkejšem sredstvu v manjšo v gostejšem. Hitrosti žarkov v obeh sredstvih sta med seboj v enakem razmerju kot sinus vpadnega kota proti sinusu lomnega kota.

To razmerje je splošno veljavno; če se spremeni vpadni kot, se ustrezno spremeni lomni kot, razmerje hitrosti pa za dani sredstvi ostaja enako. To medsebojno odvisnost podaja lomni ali Snell-ov zakon:

Če se pri prehodu iz optično gostejšega sredstva n1 v optično redkejše sredstvo n2 vpadni kot povečuje, se povečuje tudi lomni kot. Pri neki vrednosti vpadnega kota ?c se lomni kot tako poveča, da svetlobni žarek ne izstopa več v optično redkejše sredstvo, temveč se razširja po meji obeh, lomni kot pa je 90o.

Slika 2: Kritična vrednost vpadnega kota, pri kateri se svetlobni žarek lomi pod kotom 90o.

Kritična vrednost vpadnega kota je definirana kot:

Če se vpadni kot še poveča, se žarek na meji obeh sredstev odbije nazaj v isto sredstvo pod kotom, ki je enak vpadnemu kotu. Ta pojav imenujemo popolni odboj, kote, pri katerih nastopa, pa koti popolnega ali totalnega odboja. Vpadni kot, pri katerem se popolni odboj začne in lomni kot znaša 90o, pa je mejni kot popolnega odboja.

Slika 3: Popolni notranji odboj

Predstavljamo si sedaj, da prozorno plast optično gostejšega sredstva z lomnim količnikom n1 položimo med dve plasti optično redkejšega sredstva z nižjim lomnim količnikom n2. Svetlobni žarki, ki padajo od strani in vstopajo v sredstvo z višjim lomnim količnikom pod takim vstopnim kotom, da je vpadni kot na mejno ploskev med obema plastema dovolj velik za popolni odboj, ostanejo ujeti v srednji plasti. Zaradi zaporednih popolnih odbojev na eni in drugi meji med plastema se ta del svetlobe razširja po dolžini optično gostejše plasti, ki tako postane vodnik svetlobe. Temu načinu vodenja svetlobe pravimo razširjanje s pomočjo popolnega notranjega odboja.

Slika 4: razširjanje svetlobe s pomočjo popolnega notranjega odboja

Žarki, ki na omenjeno čelno ploskev vstopajo pod kotom, ki na meji obeh plasti ne zagotavlja popolnega odboja, vstopajo v sredstvo z nižjim lomnim količnikom in se izgubijo iz vodnika svetlobe.

2 ZGRADBA

Pri prvih uporabah optičnih vlaken je prihajalo do mnogih težav; vlakno je prenašalo svetlobo le na kratke razdalje, prenašani podatki so bili zelo slabi in popačeni. To pa zaradi tega, ker prva vlakna niso imela ovoja oz. optičnega plašča, ki poveča razliko lomnih količnikov in zagotavlja konstantne lomne razmere po celem vlaknu, zato, ko se je tako vlakno na enem delu zmočilo je bil na tistem delu drugačen lomni količnik, ki je spremenil odboj svetlobe v vlaknu.

Šele sredi 50-ih let prejšnjega stoletja je Nizozemec Abraham van Heel uporabil še eno plast silicijevega stekla (Slika 5). S tem je onemogočil vpliv vode, umazanije na popolni notranji odboj.
Slika 5: jedro(core) optičnega vlakna obdano z optičnim plaščem (cladding)

Nazadnje je bila dodana še tretja zaščitna plast, ki ščiti optično vlakno pred poškodbami in ga naredi bolj primernega za rokovanje (prenašanje).

Osrednji del optičnega vlakna je stržen ali jedro, ki je izdelano iz optično gostejšega sredstva z višjim lomnim količnikom. Ponavadi je izdelano iz dopiranega silicijevega stekla (SiO2) in ima običajno 1% večji lomni količnik od lomnega količnika plašča, kritični kot je tako okrog 82o. Pri tem se kot dober dopant pokaže Germanij (Ge), ki izboljša lomni količnik pri nespremenjenem faktorju dušenja. Stržen obdaja optično redkejši plašč z nižjim lomnim količnikom. Če ga dopiramo z borom (B) ali fluorom (F), mu s tem zmanjšamo lomni količnik in zvečamo razliko lomnih količnikov. Tako optično vlakno še bolje prenaša svetlobo. Stržen in optični plašč sta najpogosteje izdelana iz zelo čistega stekla, možna pa je tudi kombinacija steklenega stržena in plastičnega (polimernega) plašča. Le pri plastičnih optičnih vlaknih so vsi elementi izdelani iz polimernih snovi. Površina optičnih vlaken mora biti zaščitena pred mehanskimi in drugimi vplivi okolja, zato jo prevlečemo s plastjo primerne zaščite, običajno iz polimernega ovoja.

Slika 6: Zgradba optičnega vlakna

Svetloba je ujeta v jedru, če oklepa kot med mejno ploskvijo in optičnim plaščem, ki je manjši ali enak 8o. Zgornji vrednosti (8o) pravimo omejitveni kot v vlaknu. Omejitveni kot v vlaknu merimo s kotom, s katerim svetlobni žarek vstopa v vlakno in povzroča širjenje svetlobe vzdolž jedra (Slika 7).

Slika 7: Vodenje svetlobe v jedru optičnega vlakna

Dopustni kot (acceptance angle) merimo zunaj optičnega vlakna. Odvisen je od omejitvenega kota v jedru vlakna. Svetloba mora vstopati v vlakno znotraj dopustnega kota, če hočemo, da bo svetloba potovala po vlaknu. Dopustni kot je za svetlobo, ki vstopa v vlakno iz zraka izražen z NA (numerical aperture) in je približno:

kjer je n0 lomni količnik jedra in n1 lomni količnik plašča. Za vlakno katerega lomni količnik jedra je 1,5 in lomni količnik plašča je 1,485 (1% sprememba), dopustni kot znaša NA=0,21, kar je približno 12o.

Zgradba optičnega kabla

Optični kabel je lahko različnih dolžin in oblik. Podobno kot pri koaksialnemu kablu, je njegova konstrukcija odvisna od namena uporabe. Ima zelo podoben izgled kot koaksialni kabel. Slika 8 je skica tipičnega optičnega kabla.

Slika 8: Zgradba tipičnega optičnega kabla

Osnovno optično vlakno ima zaščito, ki služi v glavnem za varovanje vlakna med samo izdelavo. Tako vlakno je nato zaprto v osrednjo PVC cev, ki dovoljuje vlaknu premikanje in upogibanje, posebej takrat ko gre okrog vogalov ali ko ga vlačijo po kanalih. Okrog osrednje PVC cevi je prepleten ovoj iz jeklenih žic, ki absorbira večino napetosti, ki se sprošča med samo namestitvijo. Zunanji PVC plašč pa zapre kabel in preprečuje dostop vlage v vlakno.
Osnovno optično vlakno je primerno za večino medstavbnih komunikacijskih povezav, za aplikacije, ki vključujejo visoke temperature, odpornost proti malim glodalcem (jeklen zunanji plašč), itd.

3 KARAKTERISTIKA

Prenos svetlobe po vlaknu ni nikoli 100% učinkovit. Nekaj svetlobe se izgubi, kar povzorča dušenje (slabljenje) signala. To je zaradi stresanja svetlobe iz optičnega vlakna, puščanje svetlobe, ki jo povzročajo okoljski faktorji in absorpcija svetlobe v nečistočah znotraj vlakna. Stopnja dušenja je odvisna tudi od valovne dolžine prenašane svetlobe. Meritve dušenja podajamo v decibelih (dB). To je razmerje med izhodnim in vhodnim signalom, ki ga ponavadi rišemo v logaritmičnih enotah. Izgube (dušenje) v decibelih so definirane kot:

Pin je moč, ki vstopa v vlakno, Pout je moč, ki izstopa iz vlakna. Ker za lažje računanje potrebujemo dušenje na enoto dolžine - karakteristično dušenje vpeljemo še dušilni koeficient ?, ki nam podaja dušenje v decibelih na enoto dolžine, ponavadi v decibelih na kilometer,

kjer je z dolžina vlakna.

Primer: v vlaknu z dušilnim koeficientom 10dB/km, bo samo 10% svetlobe, ki vstopi v vlakno iz njega tudi izstopilo.

Jedro vlakna (stržen) je narejeno iz visoko čistega in nizko izgubnega stekla. Upoštevajoč, da mora svetloba iti skozi 1000 metrov ali več steklenega vlakna mora biti steklo izjemno čisto (99,9%). Za ilustracijo si poglejmo čistočo okenskega stekla. Mislimo, da so okenska stekla enako čista, vendar to je zaradi tega ker so debela samo nekaj mm. Pa poglejmo na rob razbitega stekla, ki izgleda zelen. V tem primeru svetloba vstopa ob robu in vstopa v steklo preko nekaj mm. Samo predstavljamo si lahko kako malo svetlobe bi prišlo skozi nekaj metrov stekla!

Na splošno so izgube optičnih vlaken med 4 in 6 dB na km (60% do 75% izgub na km) pri valovni dolžini 850 nm. Pri valovni dolžini 1300 nm se izgube zmanjšajo na nekje 3 do 4 dB na km (50% do 60% izgub na km). Pri valovni dolžini 1550 nm so še manjše.
Dražja optična vlakna pa imajo izgube okrog 3 dB (50%) na km pri 850 nm in 1 dB (20%) na km pri 1300nm. Izgube 0,5 dB (10%) na km so pri 1550 nm so redke.
Še en vir izgub znotraj vlaken je prekomerno upogibaje vlaken, ki povzroči da nekaj svetlobe zapusti jedro vlakna. Manjši kot je radij ukrivljenja večje so izgube, zaradi tega mora imeti optični kabel v zavoju krivinski radij najmanj 2,5 cm.
Slika 9: pretvorba iz izgub v dB v procentualno vrednost izgub

Pasovna širina

Vsa zgoraj našteta dušenja so navadna dušenja, ki so odvisna od pasovne širine. Z drugimi besedami 3 dB izgube pomenijo da se bo 50% svetlobe izgubilo če je svetloba modulirana med 10Hz in 100MHz. Pri optičnemu vlaknu je torej omejitev tudi v pasovni širini, ki jo merimo v MHz na km. Najboljši način za razumevanje teh izgub nam prikazuje naslednja slika (slika 9).

Slika 10: različna dolžina poti določa pasovno širino vlakna

Kot prikazuje slika 10, ima svetlobni žarek, ki vstopa v vlakno pod majhnim kotom (M1) krajšo pot skozi vlakno, kot žarek, ki vstopa v vlakno pod kotom, ki je blizu dopustnega kota (M2). Zaradi tega različni žarki dosežejo konec vlakna v različnem času, čeprav je njihov izvor ista LED ali laserska dioda. To povzroča efekt motnosti, da ne vemo natančno kdaj je začetek in konec impulza, ki se pojavi na izhodu vlakna in to je pravzaprav vzrok, da imamo neko največjo frekvenco, s katero še lahko prenašamo. Torej manj kot bo žarkov, večja bo pasovna širina vlakna. To dosežemo na tak način, da izdelamo jedro vlakna čim tanjše.

Enorodovna vlakna (single-mode fiber) z jedrom premera 8 do 10 ?m imajo veliko večjo pasovno širino, ker dovoljuje le malo žarkom da se razširjajo po jedru. Vlakna z debelejšim jedrom premera 50 ali 62,5 ?m dovoljujejo mnogo več žarkom da potujejo po vlaknu in od tod mnogorodovna vlakna (multi-mode fibers).

Značilne pasovne širine za navadna vlakna so od nekaj MHz na km za vlakna z velikim jedrom, do nekaj 100 MHz na km za enorodovna vlakna. Z naraščanjem dolžine vlakna pasovna širina proporcionalno vpada. Primer: Optični kabel, ki lahko podpira pasovno širino 500 Mhz na razdalji enega kilometra bo lahko sposoben zagotavljati 250 Mhz na 2 kilometrih in 100 MHz na 5-ih kilometrih.

Enorodovno vlakno ima zelo veliko pasovno širino (pasovna širina se zmanjšuje z dolžino), zato nimamo nobene skrbi pri uporabi, medtem ko pri mnogorodovna vlakih pogostokrat njegova pasovna širina pade iz obsega signala najpogosteje uporabljenega za point-to-point prenosne sisteme.

Naslednja grafa prikazujeta dušenje v odvisnosti od pasovne širine pri silicij-silicij optičnih vlaknih (slika 11) in pri borosilikatnih optičnih vlaknih (slika12). Iz primerjave obeh grafov vidimo, da ima optično vlakno silicij-silicij večjo pasovno širino kot borosilikatno vlakno.

Slika 11: dušenje v odvisnosti od valovne dolžine borosilikatnega vlakna

Slika 12: dušilna karakteristika silicij-silicij optičnega vlakna

4 VRSTE

Pri optičnih vlakni se beseda »rod« nanaša na stabilno širjenje svetlobe po vlaknu. Po tem ločimo dve osnovni vrsti vlaken mnogorodovna in enorodovna vlakna. Mnogorodovna vlakna očitno imajo več rodov svetlobe, ki napredujejo po vlaknu, medtem ko imajo enorodovna vlakna samo enega. Ali je vlakno eno ali mnogo rodovno je odvisno od geometrije vlakna, lomnega količnika med jedrom in optičnim plaščem in od pasovne širine.

Mnogorodovna vlakna

Mnogorodovna vlakna naprej delimo v dve podkategoriji, vlakna s stopničastim profilom lomnega količnika (step index) in vlakna z zveznim profilom lomnega količnika (graded index). Vsak od teh vlaken ima značilne prednosti in slabosti.

Slika 13: vrste optičnih vlaken glede na profil lomnega količnika

Mnogorodovno vlakno s stopničastim profilom lomnega količnika je bilo prvo vlakno, ki je bilo uporabljeno v praktičnih aplikacijah in ostaja v široki uporabi tudi danes. To vlakno dovoljuje svetlobi da se razširja pod mnogimi koti znotraj vlakna, torej dovoljuje napredovanje mnogim rodovom v vlaknu. Stopničast profil lomnega količnika se nanaša na funkcijo lomnega količnika med jedrom in optičnim plaščem. Prednosti mnogorodovnega vlakna s stopničastim profilom so v veliki površini jedra in velikim NA. Obe ti dve lastnosti dovoljujeta svetlobi da se z lahkoto sklaplja v vlakno. Z drugimi besedami, to nam dovoljuje uporabo cenejših zaključnih tehnik, cenejše diode, in visoko zmogljive kapacitete.

Slabost pri teh vlaknih je pasovna širina. Kot vidimo iz slike 13 bo pot svetlobe, ki potuje po mnogorodovnemu vlaknu s stopničastim profilom lomnega količnika odvisna od kota pod katerim se razširja. Ta razlika v svetlobni poti povzroča razširitev impulzov, ki jih prenašamo po vlaknu. Ko se en svetlobni pulz širi po vlaknu prej ali slej začne ovirati sosednji pulz in to povzroča popačenje prenašanega signala. Daljše kot je optično vlakno slabše oblike bo impulz postal. Kakorkoli, to je edino problem povsod tam, kjer potrebujemo koherenten signal na primer v komunikacijskijh povezavah. Senzorski sistemi pa ne potrebujejo povezanega signala in veliko podatkovnih komunikacij ali kontrol v industrijskih procesih se opravljajo na kratke razdalje (manj kot 2km), zato omogočajo razširjeno uporabo mnogorodovnih vlaken s stopničastim profilom lomnega količnika.

Na voljo je velika izbira teh vlaken s premerom jedra od 50 pa do več kot 2000 µm. Zgrajeni so lahko iz stekla ali pastični plašč s silicijem, plastiko ali tekočino kot jedro. Poznamo tudi aplikacije brez jedra imenovane votli svetlobni vodniki. Silicij dovoljuje nižje dušenje, večji spektralni obseg in velik naravovarstveni obseg.

Plastična vlakna so cenejša, bolj upogljiva vendar imajo omejitve pri prenosu in v naravovarstvenih lastnostih. Votla vlakna se uporabljajo izključno v IR.
Polymicro vlakna ponujajo široko izbiro stopničastih profilov lomnega količnika mnogorodovnih vlaken, še zlasti za močne laserske sisteme in v grobih oz. ostrih okoljih.

Mnogorodovna vlakna z zveznim profilom lomnega količnika. Ime se nanaša na zvezno zmanjševanje lomnega količnika od jedra proti optičnemu plašču. Namesto cik-cak poti po vlaknu se svetloba zaradi zveznega profila lomnega količnika po vlaknu prenaša po sinusni poti (slika 13). Ker svetloba potuje hitreje v materialu z nižjim lomnim količnikom, svetloba potuje na zunanjem robu zveznega predela bolj hitro, zatorej zmanjšuje količino pulzov, ki potujejo po vlaknu. Rezultat tega je več kot 25 kratno povečanje pasovne širine čez stopničast profil mnogorodovnega vlakna.

Zvezen profil lomnega količnika je nekakšen kompromis med stopničastim profilom in enorodovnimi vlakni. Zvezni profil in manjše jedro poveča pasovno širino nad pasovno širino enorodovnih vlaken s stopničastim profilom, in jedro je ravno prav veliko za primerno zaključitev in uporabo cenejših diod. Ne tako dolgo nazaj so se komponente in tehnike za zaključevanje enorodovnih vlaken bistveno izboljšale, tako da je tržni delež vlaken z zveznim profilom lomnega količnika upadel. Kljub temu zvezni profil lomnega količnika ostaja popularni standard pri komunikacijskih povezavah na srednje razdalje (2-15km).

Najpogostejše velikosti mnogorodovnih vlaken z zveznim profilom lomnega količnika so 50, 62.5 in 100?m. Te velikosti so postale industrijski standardi. Sestava je vedno silicijevo jedro in silicijev plašč. Ta vlakna so izključno uporabljena za komunikacijske povezave na srednje razdalje (LAN), čeprav so včasih uporabljena tudi kot optični senzorji.

Enorodovna vlakna

V enorodovnih vlaknih je velikost jedra zmanjšana v točko (5-10?m premera), po katerem se lahko prenaša samo en (glavni) rod svetlobe. Ta rod potuje naravnost skozi vlakno in zato ne povzroča razširitve impulza kot je to značilno pri mnogorodovnih vlaknih. Pri teh vlaknih se pomembno poveča pasovna širina, ker vsa svetloba potuje po vlaknu z enako hitrostjo.

Enorodovna vlakna uporabljamo za prenos podatkov in govora na dolge razdalje. Imajo majhno motnjo signala, ker prenašani signal ni nikoli čisto monokromatski. Enorodovna vlakna so običajno sestavljena iz silicijevega jedra in silicijevega plašča z stopničastim profilom lomnega količnika. Ker je debelina jedra zelo majhna je zaključevanje takšnih vlaken zelo težko in drago, vendar je za velike razdalje cena sprejemljiva. Majhno jedro ne dovoljuje vhoda velikih moči, zato ni primerno za senzorske aplikacije in za prenos energije.

Mednarodni predpisi natančno določajo dimenzije stržena, plašča in zaščite optičnih vlaken. Primer: dimenzije, ki se uporabljajo v telekomunikacijah: zaščite mora biti 250 ?m, zunanji premer vlakna pa 125 ?m. Tolerance so zelo stroge, saj premer vlakna ne sme odstopati več kot ?2 ?m.

5 OPTIČNA PRENOSNA LINIJA

Naša tehnološka doba je rezultat mnogih odličnih iznajdb in odkritji, vendar je šele naša zmožnost prenosa informacij in tehnologija, ki jo pri tem uporabljamo najbolj zaslužna za njen razvoj. Od bakrenega vodnika pred 100 leti pa do današnjega optičnega vlakna, ki je zmožen prenašati več informacij, hitreje in na daljše razdalje. Ta je razširil tehnološki razvoj na vseh področjih.
Današnji visokokakovostni (kabli z majhno izgubo) optični vodniki ponujajo skoraj neomejeno pasovno širino in enake prednosti kot vsi prej razviti prenosni mediji. Osnovni prenosni sistem imenovan od točke do točke (point to point) je sestavljen iz treh pomembnih gradnikov, optičnega oddajnika, optičnega vodnika in optičnega sprejemnika.
Slika 14: osnovna zgradba optičnega prenosnega sistema

Optični oddajnik prenaša električni analogni ali digitalni signal v ustrezno optično vlakno.
Izvor optičnega signala je lahko svetloba, LED dioda ali laserska dioda. Valovne dolžine, ki jih najpogosteje uporabljamo pri optičnih oddajnikih so: 850, 1300 in 1550 nm.

Slika 15: osnovna principa modulacije vhodnega signala

V optičnemu sistemu so te naprave montirane v ohišju, ki omogoča montažo optičnega vlakna v bližini izvora svetlobe, da čimveč svetlobe prodre v vlakno. V nekaterih primerih na oddajno diodo namestimo lečo, ki zbira in usmeri vsak še tako majhen snop svetlobe v vlakno. LED diode imajo relativno veliko sevalno površino in zato niso tako dobre kot laserske diode, so pa široko uporabljene za prenos na kratke razdalje, ker so bolj ekonomične, bolj linearne; svetilnost v odvisnosti od vhodnega toka, in bolj stabilne; svetilnost v odvisnosti od delavne temperature. Po drugi strani pa imajo laserske diode zelo ozko sevalno površino in lahko oddajo v optično vlakno veliko večjo moč kot LED diode. Laserske diode so tudi linearne; svetilnost v odvisnosti od vhodnega toka, vendar pa niso stabilne glede ne širok razpon delavne temperature, zato potrebujejo bolj obsežno vezje za dosego sprejemljive stabilnosti. Zaradi dodatnih stroškov se uporabljajo predvsem za prenosne sisteme na dolge razdalje. LED in laserska dioda delujeta v infrardečem delu elektromagnetnega spektra, zato je njuna svetloba nevidna za človeško oko. Njuna valovna dolžina je izbrana tako, da je občutljivostno območje diode največje in da so najmanjše izgube v optičnemu vlaknu. Tako LED kot laserska dioda sta grajeni za tri najpogostejše valovne dolžine in za dva načina modulacije. Slika prikazuje poenostavljeni vezji za izvedbo obeh načinov modulacije.

Slika 16: vezji za modulacijo tako z LED kot z lasersko diodo

Vezje 3A uporablja tranzistor kot stikalo za digitalno on-off modulacijo. Krmiljeno je lahko s katerimkoli digitalnim signalom primerne napetosti za bazo tranzistorja. Celotna hitrost je določena s hitrostjo vezja in s hitrostjo fotodiode. Pri tem načinu uporabe lahko dosežemo hitrost nekaj 100 MHz za LED diode in nekaj 1000MHz za laserske diode. Temperaturno stabilizacijsko vezje za lasersko diodo je bilo zaradi poenostavitve primera izpuščeno.

Linearna modulacija LED ali laserskih diod je dosežena z operacijskim ojačevalnikom (vezje 3B slika 16). Invertirajoči vhod služi za primerjanje bazne napetosti (izhoda OO) z referenco, ki jo priključimo na neinvertirajoči vhod.

Digitalno on-off modulacijo LED ali laserske diode lahko naredimo na različne načine. Najenostavnejši je primer, ki smo ga že omenili, ko svetloba pomeni logično 1 in ko ni svetlobe logično 0. Druga navadna oblika je modulacija širine pulzov in število pulzov. Konstantno število pulzov neke širine pomeni logično 1 neke druge širine pa logično 0. Tretja oblika modulacije pa je sestavljena in pulzov z enako širino z spreminjajočim se številom, ki predstavlja spremembo med logično 1 in logično 0. Tudi analogna modulacija je lahko različnih oblik. Najenostavnejša je jakostna modulacija, kjer spreminjamo svetlost LED diode.

Slika 17: Vse možne metode modulacije kot funkcija svetlobe na izhodu

Ko smo enkrat pretvorili električni signal v katerokoli obliko modulirane svetlobe, jo moramo sedaj poslati v optično vlakno.
Ena metoda je ta, da konico optičnega vlakna namestimo čim bližje LED ali laserski diodi. Količina svetlobe, ki vstopa v vlakno je tako odvisna od štirih parametrov; jakosti LED ali laserske diode, odbojne površine vlakna, dopustnega kota optičnega vlakna in izgube zaradi odboja svetlobe.

Jakost: Jakost LED ali laserske diode je odvisna od njene zgradbe in je ponavadi podana kot celotna izhodna moč pri danem toku. Včasih je podana tudi z močjo svetlobe, ki je dostavljena v določeno vlakno. Več moči kot jo daje LED ali laserska dioda več moči se bo preneslo v optično vlakno.

Površina: Količina svetlobe, ki je dostavljena vlaknu je primerjava površine, kjer se svetloba odbija in površine kjer svetloba vstopa v vlakno. Manjši kot je ta faktor več svetlobe vstopa v vlakno.

Dopustni kot: Dopustni kot optičnega vlakna je izražen s pojmom numerical aperture (NA). NA je definiran kot sinus polovice dopustnega kota. Tipične vrednosti NA se gibljejo med 0,1 in 0,4, kar predstavlja dopustne kote med 11 in 46o. Optično vlakno bo prenašalo svetlobo, če ta vstopa pod kotom, ,ki je enak ali manjši dopustnemu kotu določenega vlakna.

Izgube: Izgube v večini nastanejo zaradi odboja iz vhodne in izhodne površine vlakna, ki so enake približno 4% vseh prenosov svetlobe med zrakom in optičnim vlaknom, zato obstajajo posebni geli, ki jih nanesemo na površino vlakna, da nam zmanjšajo te izgube, ko je to potrebno.

Optični kabel je sestavljen iz enega ali več optičnih vlaken, ki služijo kot vodniki svetlobe. Optični kabel je po svoji zunanji konstrukciji podoben električnemu vodniku, ki tudi optičnemu kablu priskrbi posebno zaščito za optično vlakno znotraj njega. Za sisteme, ki potrebujejo prenos na dolge razdalje nekaj kilometrov ali tam, kjer moramo spojiti dva ali več optičnih kablov skupaj navadno uporabljamo optične spojnike.

Optični sprejemnik pretvarja optični signal nazaj v električni signal, ki je enak originalnemu električnemu signalu. Uporabljen senzor oz. detektor optičnega signala je lahko PIN fotodioda ali plazovna fotodioda. Tak senzor je običajno vgrajen v konektor podobno kot pri LED ali laserski diodi. Fotodiode imajo ponavadi veliko občutljivo področje zaznavanja in je lahko nekaj 100 ?m v premer. To odraža potrebo po posebni previdnosti pri umeščanju (centriranju) vlakna na sprejemni konektor.

Ker je količina svetlobe, ki potuje po vlaknu majhna, vključuje optični sprejemnik ojačevalnike z velikim ojačenjem. Zaradi tega se lahko optični sprejemniki zlahka preobremenijo, zato je pomembno samo, da vlakno uporabimo s pravim sistemom. Če sta na primer oddajnik in sprejemnik grajena za uporabo pri enojnem optičnem vlaknu in se uporabita pri pri optičnemu kablu z več vlakni kjer je velika količina svetlobe prisotna na izhodu bo sprejemnik preobremenjen, zato bo izhod zelo popačen. Podobno če sta oddajnik in sprejemnik grajena za optične kable z več vlakni in se uporabijo pri kablih z enojnim optičnim vlaknom, ne bo dovolj svetlobe prišlo do sprejemnika, zato bo na izhodu prisoten šum ali pa sploh ne bo signala. Edino takrat ko je velika izguba v vlaknu in dodatnih 5 do 15 dB svetlobe poslane v kabel z več vlakni z enojnim svetlobnim izvorom je edina možnost za dosego pravilne operacije, vendar je to ekstremni primer, ki se normalno ne uporablja.

Optični sprejemniki so tako kot optični oddajniki na voljo v analogni in digitali izvedbi. Obe izvedbi običajno vsebujeta analogno predojačevalno stopnjo, ki ji sledi analogna ali digitalna izhodna stopnja (odvisno od tipa sprejemnika). Na sliki 18 je vezje preprostega analognega optičnega sprejemnika.

Slika 18: preprosti analogni optični sprejemnik

Prva stopnja je operacijski ojačevalnik uporabljen kot tokovno napetostni pretvornik, ki majhen tok fotodiode pretvori v napetost območja mV. Druga stopnja pa je napetostni ojačevalnik, ki signal ojači na želeno vrednost.

Slika 13 predstavlja vezje preprostega digitalnega optičnega sprejemnika. Kot že v primeru analognega sprejemnika je prva stopnja tokovno – napetostni pretvornik. Izhod te stopnje je priključen na primerjalnik, ki proizvaja čist in hiter (rise-time) digitalni izhodni signal. Potenciometer nam omogoča nastavitev vrednosti analognega signala kjer komparator preklopi. To nam omogoča želeno nastavljanje vrednosti izhodne napetosti.

Slika 19: osnovni digitalni optični sprejemnik

Pogosto so dodane še dodatne stopnje tako k analognemu kot digitalnemu optičnemu sprejemniku. Omogočajo nam direkno priključitev koaksialnega kabla, pretvorbo drugih funkcij v želji po čim boljši produkciji prenašanega signala. Poudariti je potrebno da so optična vlakna res odporna proti raznim motnjam, vendar optični sprejemnik ni, zato je potrebno poskrbeti za primerno zaščito - ozemljitev.

Prednosti optičnega prenosnega sistema

1. zmožnost prenašanja veliko več informacij in z večjo natančnostjo, kot pri bakrenem ali koaksialnem vodniku
2. optični kabel lahko podpira veliko večje hitrosti in večje razdalje za prenos serijskega digitalnega signala
3. optično vlakno je skoraj imuno na vsakršno spremembo; razelektritve in ne prevaja elektrike. Lahko pride v direktni kontakt z električnimi napravami, ki delujejo na visoki napetosti kot npr. daljnovodi
4. ker je osnovno vlakno narejeno iz steka ne bo korozivno, torej bo odporno na večino kemikalij. Lahko ga direkno zakopljemo v zemljo ali brez večjih skrbi izpostavimo večini korozivnih atmosfer v kemičnih tovarnah.
5. edini prenašalec po vlaknu je svetloba, zato ni nobene možnosti iskrenja iz pretrganega vlakna. V večini eksplozivnih atmosfer ni nobenega požarnega tveganja in nobene nevarnosti električnega udara za serviserja.
6. optični kabli so neodvisni od zunanjih atmosferskih vplivov in so lahko direktno pritrjeni na telefonske ali električne vodnike, brez strahu pred motjami
7. optični kabel tudi tak, ki vsebuje več vlaken je ponavadi mnogo manjši in lažji od bakrenega ali koaksialnega kabla za podobno prenosno kapaciteto. Enostavneje je rokovanje in namestitev in zasede manj prostora v kanalih (vodilih). Lahko je nameščen tudi brez kanalov (vodil).
8. optični kabel je idealen za varnostne komunikacijske sisteme, saj mu je zelo težko prisluškovati, a lahko nadzirati. Iz kabla ni absolutno nobenega električnega sevanja.

6 ZAKLJUČEK

Članek prikazuje principe delovanja, zgradbo, karakteristike, vrste in optično prenosno pot optičnih vlaken. Vsa optična vlakna delujejo na principu totalnega notranjega odboja in so ponavadi zgrajena iz treh osnovnih plasti. Karakteristika vlaken je odvisna od vrste vlaken, ki jih v grobem ločimo v dve skupini; enorodovna in mnogorodovna vlakna. Vsaka vrsta ima svoje prednosti in svoje slabosti, zato je tudi njihova uporaba zelo različna. Nekatera so bolj primerja za prenašanje telekomunikacijskih signalov na dolge razdalje, druga pa bolj za kratke razdalje in razne optične senzorje. Optična vlakna zaradi svojih lastnosti vse bolj izpodrivajo električne vodnike in razširjajo tehnološki razvoj na vseh področjih. Verjetno tudi jaz ne bi napisal tako tega članka, ker večino mojih virov predstavljajo tuje spletne strani, katerih podatki se danes večinoma prenašajo po optičnih vlaknih.

LITERATURA

[1] Življenje in Tehnika, maj 2000, str.
62
[2] Življenje in Tehnika, marec 1997,
str. 20-23

Drugi uporabljeni viri:

[3] spletna stran: http://www.fiberopticsystems.com/stand1.htm
[4] spletna stran: http://www.playhookey.com/optics/fiber1.html
[5] spletna stran: http://electronics.howstuffworks.com/fiber-optic5.htm
[6] spletna stran: http://www.commspecial.com/fiberguide.htm
[7] spletna stran: http://www.polymicro.com/
[8] spletna stran: http://www.cooper.edu/engineering/projects/gateway/ee/solidmat/modlec4/node1.html
[9] spletna stran: http://www.psrc.usm.edu/macrog/fiberopt/of.htm
[10] spletna stran: http://www.upscale.utoronto.ca/IYearLab/Opfib_fin.pdf
[11] spletna stran: http://digitaloptronics.com/upload/pdf_forms/Principles%20of%20Fiber%20Optics.pdf
[12] spletna stran: http://www.uc3m.es/uc3m/dpto/IN/dpin08/Trends_in_Polymer_Optical_Fibers.pdf

Ta prispevek je na portalu publikacije.net objavil/a Aljaž Velikonja dne 2006-09-17.

Ocenite prispevek:

5 out of 54 out of 53 out of 52 out of 51 out of 5 

# of Ratings = 18 | Rating = 4.2/5