Optická vlákna

Budoucnost v oblasti vysokorychlostních komunikací na větší vzdálenosti jednoznačně patří optickým přenosům, po optických vláknech resp. kabelech. Jaký ale vůbec je princip optického přenosu, a jaké vlastnosti optické přenosové systémy mají?

Kroucená dvoulinka, kterou jsme se zabývali minule a která je dnes ve světě lokálních počítačových sítí tak oblíbeným přenosovým médiem, má z pohledu svého dalšího vývoje jednu dosti nepříjemnou vlastnost: její stávající využití rychlostmi v řádu 100 Mbps je již poměrně blízko fyzikálním limitům tohoto přenosového média. Možnosti dalšího zvyšování dosažitelné přenosové rychlosti sice existují, ale nejsou nijak převratné (nepůjde o výrazná mnohonásobná zrychlení), a navíc budou čím dál tím více „dražší" - nejen finančně, ale zejména technologicky, neboť bude čím dál náročnější vyšších rychlostí dosahovat, a bude to doprovázeno stále nepříjemnějšími vedlejšími efekty (například vyzařováním). Důvod je ten, že již dnešní stupeň využití kroucené dvoulinky je dosti blízko jejímu teoretickému přenosovému potenciálu, který je dán zejména šířkou přenosového pásma.

Poněkud lépe je na tom koaxiální kabel, zvláště pak při přenosech v tzv. přeloženém pásmu, a s jeho renesancí se díky tomu můžeme setkat například v oblasti kabelové televize. Ovšem zdaleka největší potenciál přenosových schopností slibují optická vlákna a po nich uskutečňované přenosy. O skutečné velikosti tohoto potenciálu se vedou učené spory - zlé jazyky dokonce tvrdí, že dnes ani pořádně nevíme kam až možnosti optických přenosů sahají. Jedno je ale jisté: jestliže kroucenou dvoulinku dnes dokážeme „vyždímat" skoro až na dno jejích sil, v případě optických vláken a optických přenosů se pohybujeme někde hodně na začátku, a možnosti dalšího zvyšování přenosových schopností jsou opravdu velmi velké.

Optické přenosové systémy

V případě metalických spojů (tj. koaxiálního kabelu a kroucené dvoulinky) byla přenášená data reprezentována vhodným elektrickým signálem a jeho průběhem - například úrovní napětí či proudu, změnami amplitudy, frekvence či fáze harmonického signálu v případě modulovaných přenosů, nebo kombinací těchto základních druhů modulace. V případě optických přenosů je jistě zřejmé, že přenášená data budou reprezentována světlem, resp. světelnými impulsy.

V praxi pak bude zapotřebí hned celý optický přenosový systém: ve vhodném generátoru bude vygenerován světelný impuls, přenosová část se postará o jeho „dovedení" až na místo určení, a zde pak citlivý fotodetektor světelný impuls rozpozná (a převede nejspíše na vhodný elektrický signál). Jestliže dnešní optické technologie využívají možností opticky jen na neuvěřitelně malé procento, pak je to dáno především naší stávající schopností převádět elektrické signály na optické (v generátoru světelných impulsů), a v jejich opačném převodu (v detektoru). Na dalekém horizontu se možná již rýsují i čistě optické výpočetní systémy, které by se nemusely zdržovat převodem na elektrické signály a mohly by tudíž být významněji rychlejší, ale prozatím jsou takovéto čistě optické počítače jen hudbou daleké budoucnosti.

Princip optického přenosu

Vygenerovat světelný impulz může při skromnějších nárocích na jeho „čistotu" i jednoduchá dioda LED, a fotodetektorem může být i obyčejná fotodioda či fototranzistor. Ale co je zapotřebí k tomu, aby světelný paprsek byl dopraven od svého generátoru až ke koncovému detektoru, a nerozptýlil se někde po cestě? Zde je nutné použít vhodné optické vlákno, schopné „vést" světelný paprsek, pokud možno s minimem ztrát a různých deformací.

Pro pochopení principu, na kterém je založeno vedení světelného paprsku optickým vláknem, se stačí vydat do elementární fyziky, konkrétně do těch partií, které se zabývají ději na přechodu mezi dvěma prostředími s různými optickými vlastnostmi (různou „optickou hustotou", resp. různým indexem lomu). Jak praví jedna základní fyzikální poučka, světelný paprsek dopadající na rozhraní dvou takovýchto prostředí se zčásti láme a prostupuje z jednoho prostředí do druhého, a z části se odráží a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. Dovětek k této poučce pak ještě říká, že velmi záleží na úhlu, pod jakým paprskem na rozhraní obou prostředí dopadá. Je-li relativně malý (měřeno od kolmice na rozhraní) a nepřekročí určitou prahovou hodnotu, určitá část paprsku skutečně prostoupí do druhého prostředí. Je-li ale úhel dopadu dostatečně velký (větší než jistá mez, označovaná jako tzv. numerická apertura), celý paprsek se odráží zpět do výchozího prostředí, a žádná jeho část neprostupuje do prostředí druhého. A právě to je princip vedení světelných signálů v optických vláknech: obě optická prostředí i úhel, pod jakým světelné paprsky vstupují do vlákna, musí být vhodně volena tak, aby po celé délce vlákna docházelo pouze k úplným odrazům.

Jednovidová a mnohovidová optická vlákna

„Užitečná" informace je tedy při optických přenosech vyjádřena přítomností nebo naopak nepřítomností světla. Světelný generátor tudíž „ v rytmu" přicházejících dat generuje světelné impulzy, optické vlákno je dopraví až k fotodetektoru, a ten zpětně z přítomnosti či nepřítomnosti světla usuzuje na to, jaká data byla původně vyslána. Potud základní, rámcový scénář optického přenosu. V praxi jsou ale možné dvě základní varianty, a to tzv. mnohovidový a tzv. jednovidový přenos.

V případě mnohovidového přenosu může být generátor světla relativně jednodušší, a může generovat světelné impulzy tvořené několika světelnými paprsky současně (odborně se jim říká vidy). Každý z těchto vidů přitom vstupuje do optického vlákna pod poněkud jiným úhlem, odráží se v něm pod poněkud jiným úhlem, a v důsledku toho prochází celým optickým vláknem od generátoru až k detektoru po poněkud jiné (jinak dlouhé) dráze než ostatní vidy (paprsky), které byly vygenerovány společně v rámci jediného světelného impulsu. Jinými slovy: každý světelný impulz má zde několik složek, každá z nich cestuje ke svému cíli po poněkud jiné dráze, a to znamená že dorazí na místo určení v poněkud jiném okamžiku než ostatní složky téhož impulzu. Ovšem detektor na této cílové straně není schopen vnímat samostatně jednotlivé složky - on vyhodnocuje pouze výsledný součet „světelností" jednotlivých složek. A jelikož tyto složky jsou poněkud „rozjeté v čase" (dochází u nich k tzv. disperzi), výsledným efektem je zkreslení přijímaného signálu. Toto zkreslení samozřejmě nesmí přerůst přes určitou maximální mez, za kterou by si již přijímající strana nedokázala správně domyslet, co vlastně bylo vysláno. Sečteno a podtrženo, mnohovidová optická vlákna mohou mít jen relativně malý dosah (neboť disperze se s délkou kabelu zvětšuje), v dnešní praxi typicky dva kilometry. Na druhé straně jsou tato mnohovidová vlákna relativně laciná, a vystačí jen s poměrně jednoduchými a lacinějšími generátory a detektory.

Snaha zvýšit dosah optických vláken naráží především na samotnou existenci většího počtu vidů a na negativní vliv disperze. Řešením je zařídit věci tak, aby se přenášel jen jeden jediný vid (jediný paprsek), čímž by byl efekt disperze prakticky eliminován.

Jednovidového přenosu lze dosáhnout v zásadě dvěma způsoby: zmenšováním rozdílu optických vlastností dvou prostředí, na jejichž rozhraní dochází k odrazům, nebo zmenšování průměru jádra optického vlákna. To je tvořeno středovou „žílou" (jádrem, představujícím jedno optické prostředí) a pláštěm (představujícím druhé optické prostředí). V praxi se dnes používá zejména druhá varianta, a tzv. jednovidová optická vlákna mají jádro o velmi malém průměru (typicky 8 až 10 mikronů, zatímco vlákna mnohovidová mají nejčastěji jádra o průměru 50, 62,5 nebo 100 mikronů).

Díky zmenšení svého jádra je pak jednovidový optický kabel schopen vést jen jeden jediný světelný vid (jediný paprsek). Pro jeho generování je samozřejmě zapotřebí přesnější (a dražší) generátor, a obdobně i dokonalejší detektor. Tudíž řešení na bázi jednovidových vláken jsou obecně dražší (dražší je i samotné jednovidové optické vlákno), ale na druhou stranu jeho dosah je vyšší (dnes typicky v řádu desítek kilometrů).

---