Optické kabely
Jak jsme si již uvedli v 5. dílu našeho seriálu, je dosažitelná přenosová rychlost závislá především na šířce pásma přenosového kanálu, tedy na rozsahu frekvencí, které je tento kanál schopen přenést.Chceme-li dosahovat velmi velkých přenosových rychlostí, musíme samozřejmě volit takové způsoby přenosu, které mají šířku přenášeného pásma co možná největší. Je přitom vcelku zřejmé, že velké šířky přenášeného pásma lze dosáhnout nejsnáze tam, kde jsou frekvence přenášených signálů velmi vysoké.
Z tohoto pohledu je velmi lákavé používat pro přenos dat např. viditelné světlo, které má frekvenci přibližně 108 MHz, a vzhledem k tomu skýtá opravdu nebývalé možnosti.
Přenášená číslicová data můžeme reprezentovat pomocí světelných impulsů - přítomnost impulsu může představovat např. logickou 1, zatímco jeho nepřítomnost logickou 0. Pro praktickou realizaci potřebujeme ovšem celý optický přenosový systém, složený ze zdroje, přenosového média a přijímače - viz obr. 20.1 a/.
 |
Vlastním zdrojem světla může být obyčejná elektroluminiscenční dioda (dioda LED, Light Emitting Diode) nebo nákladnější laserová dioda (laser diode), které emitují světelné pulsy na základě přiváděného proudu. Detektorem na straně přijímače pak bývá fotodioda (photodiode), která naopak převádí dopadající světelné impulsy na elektrické signály.
Úkolem přenosového média je dopravit světelný paprsek od jeho zdroje k detektoru - s co možná nejmenšími ztrátami. K tomuto účelu se používá optické vlákno (optical fiber), s tenkým jádrem (core) obaleným vhodným pláštěm (cladding). Jádro má průměr v řádu jednotek až desítek mikrometrů (8-10, 50, 62,5 nebo 100), a je vyrobené nejčastěji z různých druhů skla, eventuelně i z plastu.
Pro pochopení způsobu, jakým je světelný paprsek optickým vláknem veden, je nutné si nejprve uvědomit jeden základní poznatek z oblasti fyziky:
dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), v obecném případě se část tohoto paprsku odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží však na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (měřeném od kolmice na místo dopadu). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel (měřený od kolmice na místo dopadu a daný optickými vlastnostmi obou prostředí), dochází k úplnému odrazu paprsku zpět do původního prostředí - viz obr. 20.1 b/.
V důsledku opakovaných úplných odrazů, které probíhají bez jakýchkoli ztrát, pak světelný paprsek sleduje dráhu jádra optického vlákna - je tímto jádrem veden.
Rozmezí úhlů, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno tak, aby byl veden, definuje tzv. numerickou aperturu - viz obr. 20.1 b/.
 |
Pokud se index lomu na přechodu mezi jádrem vlákna a jeho pláštěm nemění skokem, ale plynule, jde o mnohovidové vlákno s tzv. gradientním indexem lomu (graded index fiber), které přenášené vidy ohýbá - viz obr. 20.2 b/.
Výhodou mnohovidových vláken je relativně nízká cena, snažší spojování, velká numerická apertura a možnost buzení luminiscenční diodou.
Nejvyšších přenosových rychlostí (až Gigabity/sekundu na vzdálenosti do 1 km) lze dosáhnout na tzv. jednovidových vláknech (single mode fiber), které přenáší jen jediný vid - viz obr. 20.2 c/. Schopnosti vést jediný vid bez odrazů i ohybů se dosahuje buďto velmi malým průměrem jádra (řádově jednotky mikrometrů), nebo velmi malým poměrným rozdílem indexů lomu jádra a jeho pláště. V každém případě jsou jednovidová vlákna dražší než mnohovidová, lze je ovšem použít pro přenosy na delší vzdálenosti (až 100 km bez opakovače), než vlákna mnohovidová. Pro své buzení však již vyžadují laserové diody.
Optická vlákna jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby. Jejich ochranu proto musí zabezpečovat svým konstrukčním řešením optický kabel, který kromě jednoho či více optických vláken obvykle obsahuje i vhodnou výplň, zajišťující potřebnou mechanickou odolnost.
Kromě velké přenosové rychlosti je další velkou výhodou optických vláken jejich naprostá necitlivost vůči elektromagnetickému rušení (což je velmi důležité např. v průmyslových aplikacích). Výhodou je také velká bezpečnost proti odposlechu, malý průměr a malá hmotnost optických kabelů. Poněkud problematičtější je spojování jednotlivých vláken, technologie jejich lepení či svařování však již jsou v praxi dostatečně zvládnuty.
Pro počítačové sítě jsou optická vlákna atraktivní především pro vysokou přenosovou rychlost, kterou umožňují dosáhnout s poměrně nízkými náklady. Jde tedy o technologii velmi perspektivní (a to nejen pro počítačové sítě). V současné době již existují dva standardy, které se týkají použití optických vláken v počítačových sítích: FDDI (Fiber Distributed Data Interface) pro lokální sítě typu s kruhovou topologií, s přenosovou rychlostí 100 Mbit/sekundu, a DQDB (Distributed Queue Dual Bus) pro tzv. metropolitní sítě, s přenosovou rychlostí až 155 Mbit/sekundu.