Optikai szál
Az optikai kábelek olyan huzalok vagy szálak, amelyeket üveg vagy műanyag anyagokból készítenek, és azokon belül fényhullámokat továbbítanak. Ezekkel a kábelekkel az információt (például hang, adat vagy kép) nagy sebességgel és nagy távolságokon át lehet továbbítani.
Az optikai kábelek alapvetően két fő típusra oszthatók:
- Egyenletes sűrűségű optikai kábelek: Ezek a kábelek olyan üvegszálas vagy műanyagszálas szálakból állnak, amelyekben a fény az egész szál hosszán áthalad. Ezeket gyakran adatátviteli vagy telekommunikációs hálózatokban használják.
- Gyűjtőlencsés optikai kábelek: Ezek a kábelek szintén optikai szálakból állnak, azonban ezeknél a szálaknál a fényt sok kicsi gyűjtőlencse segítségével továbbítják. Ezeket gyakran olyan területeken alkalmazzák, ahol a nagyobb rugalmasság vagy speciális terjedési tulajdonságok fontosak, mint például orvosi képalkotó eszközökben.
Az optikai kábeleknek számos előnye van az elektromos vezetékekkel szemben, többek között:
- Magas sebesség: A fény nagy sebességgel halad át az optikai kábeleken, lehetővé téve a gyors adatátvitelt.
- Nagy adatátviteli kapacitás: Az optikai kábelek nagy mennyiségű adatot képesek továbbítani.
- Nincs elektromágneses interferencia: Mivel fényt használnak a jelátvitelre, az optikai kábelek nem érzékenyek az elektromágneses interferenciára vagy zajra, így stabilabb jelátvitelt biztosítanak.
Ezeket a kábeleket széles körben alkalmazzák a telekommunikációban, az internet-hozzáférésben, az orvosi képalkotó eszközökben, az adatközpontokban és sok más területen, ahol gyors és megbízható adatátvitelre van szükség.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/49/Fibreoptic.jpg/180px-Fibreoptic.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/Optikai_k%C3%A1bel.jpg/180px-Optikai_k%C3%A1bel.jpg)
Az optikai szál egy igen tiszta, néhány tíz (a technológia megjelenése idején még néhány száz) mikrométer átmérőjű üvegszálból és az ezt körülvevő, kisebb optikai törésmutatójú héjból álló vezeték. Működési elve a fénysugár teljes visszaverődésén alapul: A fénykábel egyik végén belépő fényimpulzus a vezeték teljes hosszán teljes visszaverődést szenved, így a vezeték hajlítása esetén is – minimális energiaveszteséggel – a szál másik végén fog kilépni.
Ezt a tulajdonságot kihasználva az optikai szálak rendkívül alkalmasak digitális információ-továbbításra. A fényimpulzusoknak köszönhetően hatékonyabbak, mint a hagyományos rézvezetőjű csavart érpáras UTP-kábelek. A telekommunikációban jóformán minden hosszútávú gerinchálózat optikai kábeleket használ az adattovábbításra hatékonysága, valamint nagy távolságokon az egységnyi sávszélességre jutó jóval alacsonyabb fajlagos költségei miatt.
Története[szerkesztés]
Az üvegszál digitális távközlési vonalként történő alkalmazása 1966-ban merült fel. Akkoriban még a kilométerenkénti csillapítása (jelveszteség) több száz decibel volt, ami mára már az elfogadható 0,2 dB/km érték alá csökkent.
Működési elve, alapvető jellemzők[szerkesztés]
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 az egymódusú szálnál, vagy lehet fokozatos átmenetű, mint a multimódusú szál esetében. A nagy magátmérőjű szálat multi-módusú szálnak nevezzük, az elektromágneses analízis alapján. 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 törésmutatójának aránya határozza meg.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ad/Light_reflection_in_an_optical_fiber.png/500px-Light_reflection_in_an_optical_fiber.png)
A szál hossza L, átmérője D. Essen a szál (tengelyre merőleges) véglapjára egy, a tengellyel szöget bezáró sugár. Ez a sugár törés után a tengellyel szöget bezárva halad tovább, tehát az oldalfalra szögben esik be. A csapdázódás feltétele tehát, hogy .
Fontos kérdés, hogy egy éppen határszögben beeső sugár hányszor verődik vissza egy L hosszúságú szálban? Ezt rögtön megkapjuk, ha a két szomszédos visszaverődés közötti távolságot összehasonlítjuk a szál hosszával. Tehát ha egy L hosszúságú szálban a visszaverődések száma N, akkor az az alábbi módon számítható ki:
Reflexióképesség[szerkesztés]
Vegyünk példának egy 1 méter hosszú, 50 μ átmérőjű, üvegből készült optikai szálat (). A teljes visszaverődés határszöge ekkor , tehát , amiből . Vizsgáljuk meg, hogy mi a kapcsolat a szálban fellépő veszteség és a visszaverődés hatásossága között. A visszaverődés hatásosságát az R reflexióképességgel szokás jellemezni. R-t a következőképpen szokás definiálni:
, ahol a felületre beeső, a felület által visszavert fény intenzitása.
Az első visszaverődés után a fény R-szerese halad tovább a fényszálban, míg az n-edik visszaverődéssel -szerese. Egy nem túl jó minőségű optikai szálon a fény 99%-a jut keresztül, ami a fenti adatokat felhasználva azt jelenti, hogy , amiből pedig az következik, hogy R értéke nagyobb mint 0,9999995. Összehasonlításképp a legjobb minőségű tükrök reflexiós képessége körülbelül 0,97 – és nem szabad elfelejteni, hogy itt egy rossz minőségű optikai szál adatait vettük alapul.
Numerikus apertúra[szerkesztés]
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, ami nagy távolság esetén jeltorzuláshoz vezethet.
A szálak típusai[szerkesztés]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Optical_fiber_types.svg/400px-Optical_fiber_types.svg.png)
Multimódusú szálak[szerkesztés]
A többmódusú szálakkal indult meg az optikai szálak fejlődése. Ezekben a fent leírt működési alapelvek jellemzőek, ugyanakkor mivel ez a legkorábbi technológia, itt a legnagyobb a numerikus apertúra értéke és a jelveszteség. Bár az alapelv a lépcsős indexű, és az egymódusú szálaknál is hasonló, bizonyos technológiai újításokkal sikerült javítani a vezető tulajdonságain.
Folytonosan változó indexű optikai szálak[szerkesztés]
Folytonosan változó indexű optikai szál (graded-index fiber) esetében, a mag fénytörésmutatója folyamatosan csökken a tengely és a héj között. Ezt több rétegű burkolással érik el, ami azt eredményezi, hogy a fénysugarak simán elhajlanak ahogy közelítenek a külső héjhoz, a hirtelen visszaverődés helyett. Ennek eredménye, hogy a hajlított utak csökkentik a több bejárt út miatt okozott diszperziót, hiszen a nagy szögben érkező, azaz hosszabb utat megtevő fénysugarak számára szükséges időtartam lerövidül. Ezáltal kisebb törésmutatójú részen haladnak az üvegmag külső szélén, így a késésük lecsökken. A törésmutató-profilt úgy választják meg, hogy minél kisebb legyen a különbség a különböző fénysugarak között. Ez az ideális törésmutató-profil nagyon közel van egy parabolikus függéshez a törésmutató és a tengelytől való távolság között.
Egymódusú szálak[szerkesztés]
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 szálakat 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.
Fizikai tulajdonságok[szerkesztés]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/84/Singlemode_fibre_structure.svg/200px-Singlemode_fibre_structure.svg.png)
1.- Core 8 µm
2.- Cladding 125 µm
3.- Buffer 250 µm
4.- Jacket 400 µm
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3a/Optical_cable.jpg/200px-Optical_cable.jpg)
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. Az 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 csavart érpáras kábel. Nem zavarérzékeny és nem sugároz, bár a lehallgatás ellen az optikai kábel sem ad tökéletes védelmet. Monokróm, koherens fényforrásként 850 vagy 1300, illetve 1550 nm hullámhosszúságú lézert használnak. A közeli infravörös tartományba (780-900 nm) esik az egyik, míg a másik az 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).[1]
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 nagy teljesítményű 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 csökkent az évek során. Bár maga az 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. Ma már a telefonközpontok közötti trönk összeköttetések, a lokális számítógépes hálózatok gerincvonalai főként optikai kábelekkel készülnek.
Ez a lap vagy szakasz tartalmában elavult, korszerűtlen, frissítésre szorul. Frissítsd időszerű tartalommal, munkád végeztével pedig távolítsd el ezt a sablont! |
Felépítése[szerkesztés]
Felhasznált anyagok[szerkesztés]
Az üvegmagos optikai szálakat majdnem mindig szilícium-dioxidból készítik, de néhány egyéb anyagot, mint például fluoro-cirkonátot, fluoro-aluminátot és tisztított üveget használnak hosszabb 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 hullámhosszt támogat a látható fény tartományában.
Műanyag optikai szál (POF – Plastic Optical Fiber) általában a lépcsős indexű multimódusú szál, 1 mm-es vagy annál nagyobb magátmérővel. A műanyag optikai szálnak nagyobb a csillapítása mint az optikai üvegszálnak (a jel amplitúdója sokkal gyorsabban csökken mint üvegszál esetében), 1 dB/m vagy annál nagyobb, és ez a nagy csillapítás határozza meg hol használják az ilyen típusú optikai szálat.
Optikai kommunikáció[szerkesztés]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/Distribution-frame-0a-messy.jpg/200px-Distribution-frame-0a-messy.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/da/Optical-fiber-distribution-frame-0a.jpg/200px-Optical-fiber-distribution-frame-0a.jpg)
Az optikai kábeleket széles körben alkalmazzák távközléshez, valamint számítógép-hálózatok építéséhez, mert rugalmas és a hagyományos rézvezetékekhez képest rendkívül nagy sávszélességet biztosít. Habár a szálak egyaránt készülhetnek átlátszó műanyagból vagy üvegből, a nagy távolságú kommunikációkhoz alkalmazott szálak mindig üvegből készülnek, mert az üvegszálnak kisebb a csillapítása, ezáltal nagyobb távolságok ívelhetőek át vele. Mind multimódusú, mind pedig egymódusú szálakat alkalmaznak kommunikációhoz; általában kis távolságoknál (500 m-nél kisebb) használják a multimódusú szálat, míg a nagyobb távolságokhoz egymódusú szálakat használnak. Mivel az egymódusú szálaknál nagyobb pontosság szükséges az, adók, vevő, erősítő és egyéb részek becsatlakoztatásához, ezért ezeket a hálózatokat általában sokkal költségesebb kiépíteni, mint a multimódusú eszközöket.
Tipikusan az infravörös fénytartományt használják azon a hullámhosszon, ahol a betáplált fénnyel szemben a legkisebb az abszorpciója (elnyelődés) a szálnak. A szál abszorpciója 1550 nm hullámhossznál, a diszperziója 1310 nm-en optimális – ezt a hullámhossztartományt használják adattovábbításhoz. Körülbelül 850 nm hullámhossznál található az abszorpció egy helyi minimuma – erre a hullámhosszra 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.
Jeltorzulási problémák[szerkesztés]
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. 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.
Az impulzusok kiszélesedése[szerkesztés]
A fenti probléma nagy távolságok esetén komoly problémát jelenthet, hiszen a bináris jelek bizonyos időkülönbségek után már túlságosan eltorzulnak ahhoz, hogy tisztán dekódolhatóak legyenek.
Az optikai távközlés során kritikus tényező az adatátvitel sebessége. A nagy sebességhez az szükséges, hogy a biteket reprezentáló fényimpulzusok minél sűrűbben követhessék egymást, ami viszont csak akkor lehetséges, ha maguk az impulzusok rövidek. Ebből következően végül is a sebességet az határozza meg, hogy milyen hosszú az a legrövidebb impulzus, amely a szálban történő terjedés során még megtartja időtartamát, vagyis nem szélesedik ki. A kiszélesedés oka, hogy a fénysugár a szálban nagyon sokféle úton terjedhet: A legrövidebb úton a szál tengelyével párhuzamosan beeső sugár halad, míg a leghosszabb utat nyilvánvalóan a szög alatt beeső sugár teszi meg. Ha a két sugármenet megtételéhez szükséges idők közötti különbség eléri, vagy meghaladja a beküldött fényimpulzus időtartamát, akkor a kimeneten impulzus kiszélesedést észlelünk.
Az impulzusok kiszélesedésének mértékét úgy határozhatjuk meg, hogy egy hosszúságon kiszámítjuk a terjedési idő különbséget, és megszorozzuk annyival, ahányszor hosszabb a szál teljes hossza -nál. A hosszra eső terjedési idő különbséget úgy kaphatjuk meg, ha a geometriai útkülönbséget elosztjuk a közegbeli fénysebességgel. A geometriai útkülönbség tehát:
, azaz , amibe behelyettesítjük -t, ami a trigonometriai azonosságok szerint megegyezik -val. Mivel a közegbeli fénysebesség állandó , így az időkülönbség:
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 határozza meg, amit az okoz, hogy az üveg törésmutatójának változása csekély mértékben függ az alkalmazott fény hullámhosszától, és a valódi adótól jövő fénysugárnak nem nulla szélességű a spektruma, hanem véges. A polarizációs diszperzió, ami korlátozhatja az egymódusú rendszerek teljesítményét, abból következik, hogy habár az 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 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, amit szokás MHz km-ben is kifejezni. Az érték a sávszélesség 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 az felismerhető maradjon.
Egymódusú optikai rendszerekben a szál karakterisztikája és az adó spektrumszélessége is hozzájárul a sávszélesség-távolság rendszer tulajdonságához. Tipikus távolság ilyen esetben 80 és 140 km-nyi optikai szál lehet a két végpont, vagy jel-regenerátor (repeater) között.
Sávszélesség-maximálás[szerkesztés]
A hullámhossz-osztásos multiplexálást (Wavelength Division Multiplexing, WDM) alkalmazva, az egy szál által elbírt sávszélesség a Tbit/s-os tartományt is elérheti. Ennek módja, hogy egy szálban több hullámhosszú fényt is továbbítanak. A WDM multiplexereket és demultiplexereket arra használják, hogy a kapcsolat minden végénél a különböző hullámhosszakat keverjék és szétválasszák. A „durva WDM” (coarse WDM, CWDM) technikánál csak néhány hullámhosszt használnak. A CWDM egyik alkalmazása az egy szálon történő kétirányú 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.
Egyéb felhasználások[szerkesztés]
Száloptikás érzékelőket használnak erő, hőmérséklet, vagy nyomás mérésére is. A kis méret, és a tény, hogy a használathoz nincs szükség elektromosságra jóval előnyösebbé teszi az ilyen érzékelők használatát a hagyományos elektromos szenzorokkal szemben. Optikai szálakat használnak például a víz alatti mikrofonokban, vagy a SONAR rendszerekben is. Víz alatti mikrofonokat főleg az olajcégek használnak a tenger alatti kifejtéseknél, illetve bizonyos nemzetek haditengerészete alkalmazza a technológiát védelmi célokra. A német Sennheiser cég kifejlesztett egy lézeres és optikai szálas technológián alapuló ilyen eszközt.[2]
Források[szerkesztés]
- ↑ Gerencsér András: Elektronikus kommunikáció'. [2006. május 19-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2006. május 20.)
- ↑ TP: Der Glasfaser-Schallwandler. (Hozzáférés: 2005. december 4.)
További információk[szerkesztés]
- The Fiber Optic Association
- "Fibers", article in RP Photonics' Encyclopedia of Laser Physics and Technology
- "Fibre optic technologies", Mercury Communications Ltd, August 1992.
- "Photonics & the future of fibre", Mercury Communications Ltd, March 1993.
- "Fiber Optic Tutorial" Educational site from Arc Electronics
- MIT Video Lecture: Understanding Lasers and Fiberoptics
- Fundamentals of Photonics: Module on Optical Waveguides and Fibers
- Webdemo for chromatic dispersion at the Institute of Telecommunicatons, University of Stuttgart