Optické kabely

Optická vlákna mohou být použita pro stavbu telekomunikačních sítí, protože jsou ohebná a mohou být svázána do svazků jako kabely.

Jsou výhodná zejména na dlouhé vzdálenosti, protože světlo prochází přes vlákno s malým útlumem ve srovnání s elektrickými kabely s kovovými vodiči.

Kromě toho můžeme dosahovat rychlosti přenosu až 111 gigabitů za sekundu, i když v aplikovaných systémech jsou typické rychlosti 10 nebo 40 Gb/s.

Každé vlákno může přenášet mnoho nezávislých signálů, každý s použitím jiné vlnové délky světla.

Vytváření sítí na krátké vzdálenosti pomocí optických kabelů, jako například v budově, šetří prostor v kabelovém vedení, protože jediné vlákno může přenášet mnohem více dat než jeden elektrický kabel.

Vlákno je také imunní vůči elektrickému rušení.

Optické kabely nejsou elektricky vodivé, což je dobré řešení pro ochranu komunikačních zařízení umístěných na přenosové soustavě vysokého napětí a kovových konstrukcích náchylných na úder blesku.

Mohou být také použity v prostředích, kde jsou přítomny výbušné výpary, bez nebezpečí vznícení.

Přestože vlákna mohou být vyrobena z průhledného plastu, skla, nebo kombinace obou, na velké vzdálenosti u telekomunikačních aplikací jsou vždy použita vlákna skleněná z důvodu nižších optických útlumů.

Jak mnohavidová, tak i jednovidová vlákna se používají při komunikaci, přičemž mnohavidové vlákno se používá převážně na kratší vzdálenosti do 550 m (600 yardů) a jednovidové vlákno se používá pro delší vzdálenosti.

 

 

Princip funkce

Optické vlákno je válečkový dielektrický vlnovod, ve kterém se šíří elektromagnetické vlny (zpravidla světlo či infračervené záření) ve směru osy vlákna s využitím principu totálního odrazu na rozhraní dvou prostředí s rozdílným indexem lomu.

Vnitřní část vlákna se nazývá jádro, okolo jádra je plášť a primární ochrana. K vazbě optického signálu na jádro musí být index lomu jádra vyšší, než má obal.

U optických vláken používaných v datových sítích se udává průměr jádra a pláště v
mikrometrech, a používají se mnohavidová vlákna (MM) o průměrech 50/125 µm (standardizováno ITU-T podle G.651) nebo 62,5/125 µm (používá se především v USA).

V telekomunikacích se dnes výhradně používají jednovidová vlákna (SM) o průměru 9/125 µm. Jedná se především o standardy G.652, G653, G.655 a G. 657.

Index lomu

Podrobnější informace naleznete v článku Index lomu.

Index lomu vyjadřuje změnu rychlosti šíření světla při přechodu mezi různými prostředími. Světlo se pohybuje nejrychleji ve vakuu, jako například ve vesmíru.

Rychlost světla ve
vakuu je asi 300 milionů metrů za sekundu.

Index lomu se vypočítá vydělením rychlosti světla ve vakuu rychlostí světla v hmotném prostředí.

Běžná hodnota indexu pláště optického vlákna je 1,46. Typická hodnota pro jádro je 1,48.

Čím větší je index lomu, tím pomaleji se světlo pohybuje v tom daném prostředí.

Totální odraz

Související informace naleznete také v článku Snellův zákon.

Když se světlo pohybuje v hustém (těžko proniknutelném) prostředí a dopadá na rozhraní pod šikmým úhlem (větší než mezní úhel), světlo bude kompletně odraženo.

Tento efekt je využíván v optických vláknech k udržení světla v jádru.

Světlo se šíří kolem vlákna a dále pryč z rozhraní.

Světlo musí narazit na odrazovou plochu s úhlem větším než kritický úhel, pouze světlo které vstoupí do vlákna v určitém rozsahu úhlu se může šířit bez propuštění.

Tento rozsah úhlů je nazýván „vstupní kužel“ vlákna.

Velikost tohoto vstupního kuželu je funkcí indexu lomu a rozdílu mezi jádrem vlákna a obložením.

 

 

Typy vláken

Typy optických vláken

Vliv úhlu dopadi paprsku:


 

 

Mnohavidové optické vlákno

Podrobnější informace naleznete v článku vícevidové optické vlákno.

Vícevidové optické vlákno (zkratka MM, anglicky multimode) je druh optického vlákna, který je nejčastěji používán pro komunikaci na krátké vzdálenosti, jako například uvnitř budovy nebo areálu.

Rychlost přenosu u vícevidových linek se pohybuje okolo 10 Mbit/s až 10 Gbit/s na vzdálenosti do 600 metrů, což je více než dostačující pro většinu prostor.

Jednovidové optické vlákno

Podrobnější informace naleznete v článku jednovidové optické vlákno.

Jednovidové optické vlákno (zkratka SM, anglicky single mode) je druh optického vlákna, který je používán pro přenos dat na větší vzdálenosti (mezi městy, státy, kontinenty).

Obecně našla optická vlákna uplatnění v
telekomunikacích a pro vysokorychlostní přenosy v Internetu.

Na kratší vzdálenosti se používají levnější
vícevidová nebo gradientní optická vlákna.

Vlákna pro speciální účely

Některá optická vlákna pro zvláštní účely jsou konstruována s neválečkovitým jádrem a nebo obkládací vrstvou, obvykle s elipsovitým nebo obdélníkovým příčným řezem.

To zahrnuje polarizaci určující vlákno a vlákno navržené k potlačení šíření.

Fotonické krystalové vlákno se vyrábí normálním způsobem, ale tato vlákna používají k zadržení světla v jádře vlákna efekt ohybů namísto totální reflexe.

Vlastnosti vláken mohou být přizpůsobeny (nebo upraveny přímo na míru) širokou škálou možností.

Vlastnosti

Výhody

Z hlediska použití pro účely přenosu signálu mají optická vlákna následující výhody oproti metalickým vodičům:

Útlum

Útlum je zjednodušeně řečeno rozdíl síly signálu na jednom konci vedení (popřípadě kabelu) oproti druhému konci.

Čím nižší bude útlum, tím kvalitnější a přesnější bude přenos signálu.

Hodnota útlumu u křemenných vláken se řádově pohybuje v desetinách
decibelu na kilometr.

Plastová vlákna mají útlum přibližně 50—100 dB/km.

Útlum křemenných vláken je složen z:


Podmořské kabely:

Historie

První pokus o podmořské telegrafní spojení Evropy a Británie proběhl v srpnu roku 1850.

Jednalo se jen o jednoduchý měděný kabel, izolovaný gutaperčou.

Tento pokus posloužil k získání licence pro propojení kontinentu a Británie v příštím roce, kdy byl použit již důkladně izolovaný kabel.

První mezikontinentální podoceánský kabelový spoj byl mezi Kanadou a Irskem zprovozněn na pouhých 26 dní v roce 1858 měděným vedením.

Dosažená rychlost byla 25 slov za hodinu.

Spoj byl obnoven v roce 1866, kdy byla rychlost již 8 slov za minutu.

Spojení bylo komerční a jeho cena se pohybovala kolem 100 USD za 20 slov.

 

Prvním telefonním podvodním kabelovým spojem se stal spoj ze San Francisca do Oaklandu v roce 1884.

Výrazný pokrok přinesly až kabely nové generace s elektronickými zesilovači používající frekvenční multiplex.

Kabel TAT-1 (Transatlantik No. 1), spuštěný roku 1956 měl kapacitu 36 nezávislých hovorů najednou.

Poslední měděný transatlantický kabel TAT-7 položený na dno v roce 1978 disponoval kapacitou 4000 telefonních kanálů, která byla zvýšená až na 10 500 kanálů.

Další transatlantický spoj TAT-8 byl již realizován optickými vlákny a to roku 1988.

Jeho kapacita byla až 280 Mbit/s (až 40 000 telefonních kanálů).

Před tím byl realizován v roce 1984 první optický spoj na kratší vzdálenost (Belgie a Velká Británie).

Zajímavé:

Položeno je kolem 400 000km

39 tisíc kilometrů je dlouhý nejdelší podmořský kabel Sea-Me-We 3. Má zastávky ve 32 zemích.

13 kabelů propojuje Evropu se Spojenými státy americkými.

10 kilogramů obvykle váží 1 metr optického kabelu pokládaného do moře při průměru cca 7 centimetrů.

8 tisíc metrů – Největší hloubka, ve které leží optické kabely. 

11 kilometrů kabelu propojujícího Vietnam a Hong Kong ukradli piráti v roce 2007. Stotunový úlovek se pokusili prodat do sběru a byli dopadeni.

Antarktida je poslední kontinent, který ještě nebyl propojen podmořským kabelem. Tamní obyvatelé (výzkumníci) musí komunikovat přes satelit.

Pokládání kabelů

Pokládání kabelů na dna oceánů a moří je náročný proces, vyžadující lodě se speciálním vybavením.

Trasa, kudy má kabel vést, je nejprve pečlivě zmapována, aby se maximalizovala ochrana položeného kabelu.

Pomocí zmapované trasy se určuje typ kabelu, který se kde použije (s vyšším/nižším stupněm ochrany).

Délka spojů může dosahovat až desítky kilometrů, ovšem takovou délku celistvého optického kabelu nelze zajistit, proto se kabely spojují, a to přímo na palubách pokládacích lodí.

Na takovéto vzdálenosti je také značný útlum signálu, proto se na optické trasy zhruba každých 50 – 100 km „přivařují“ takzvané opakovače, díky kterým se signál znovu posílí.

Tyto opakovače jsou napájeny z vedení uvnitř kabelu (někdy i 5000 V stejnosměrného napětí).

Na kabelu tvoří jakousi bouli, která je cca 2,5 m dlouhá a má průměr 50 cm.

Aby se omezilo riziko přetrhnutí při mechanickém namáhání, pokládají se kabely po mírně zvlněné trase.

Ve velkých hloubkách se kabel většinou pokládá přímo na mořské dno, v takovém případě trvá položení 100 km kabelu zhruba 24 hodin.

V rizikovějších oblastech, kde je hloubka menší a hrozí jejich poškození, například kotvami lodí nebo hloubkovým rybolovem, tam bývá kabel pokládán do rýhy hluboké 1 – 3,5  m.

Tu vytváří pokládací loď pomocí vlečné radlice.

Pak je ovšem pokládáno 10 – 30 km kabelu denně.

Druhy podmořských optických kabelů

Průřez podmořským optickým kabelem

Kabely používané v podmořských systémech musí (kromě dalšího) splňovat následující předpoklady:

Existuje několik základních typů, lišících se v počtu optických vláken a stupně ochrany.

Běžné kabely jsou schopny odolávat teplotám od -40 °C do 80 °C.

Oprava porušených spojů

Největší nebezpečí představuje pro podmořské optické kabely tektonická činnost vyvolávající zemětřesení a vulkanickou činnost.

V případě poruchy přichází na řadu servisní loď. Místo poruchy je lokalizováno pomocí odrazu signálu s vysokou, až decimetrovou přesností.

Kabel je z mořského dna vyloven pomocí háků a poškozená část je nahrazena novým kabelem, který je navařen na ten starý (kolem sta metrů před a za porušenou částí).
Spojka kebelu je ale menší než kontejner s opakovači.

Trasy kabelů http://edition.cnn.com/2014/03/04/tech/gallery/internet-undersea-cables

Trasy společnosti Vodafon: http://www.telecomramblings.com/files/media/vf-wall-map-Jan12-26-v1.png

 

http://www.telecomramblings.com/network-maps/international/