59

Optické spoje


Funkci nosné vlny přejímá světelné záření. Místo elektricky nabitých elektronů jsou nosiči signálu elektricky neutrální fotony, které na sebe vzájemně napůsobí. Při přenosu nevznikají elektrická a magnetická pole, která bývají v elektrických obvodech příčinnou různých parazitních vazeb, přeslechů a rušení. Optický spoj je velmi odolný proti vnějšímu rušivým signálům a je těžko odposlouchatelný, nedochází ke zpětnému působení výstupu na vstup – spojení je dokonalé jednosměrné. Optické spoje mají velkou přenosovou kapacitu neboť šířka pásma – 1% nosné frekvence je řádu 1000GHZ. Kvalitní souosí kabel s průměrem 30 mm má při šířce pásma 300 MHz nutné pro širokopásmový přenos měrný útlum 30 dB/km. Dnešní vláknové světlovody dosahují již měrného útlumu menšího než 1 dB/km, tedy nejméně 1000krát menšího, přičemž jejich průměr i s ochrannou izolací je přibližně 1 mm a průměr vlastního světlovou je menší než 100um. Pro rozvoj vláknové optiky je však stejně důležitý vývoj kvalitních, tj. rychlých a výkonných světelných zdrojů, citlivých a lineárních fotodetektorů a modulátorů i dalšího příslušenství jako jsou konektory, spojky atd. V souvislosti s tímto vývojem se zdokonalují tzv. optické integrované obvody, které budou postupně nahrazovat některé funkce vyhrazené dnes elektrickým obvodům. Rozvoj optoelektroniky předčil všechna očekávání a lze ho srovnat s nástupem polovodičů před čtvrt stoletím.

Podstata optických přenosů

Princip přenosu informací vláknovými převody je na obr a. Elektrický signál určený k přenosu se zpracuje a uspořádá obdobně jako u metalických přenosových linek. Takto uspořádaný elektrický signál se v optickém modulátoru přemění na světelný signál, který se koncentruje na vstup do vláknového světlovodu. Na výstupu světlovodu se světelný signál v demoduláotru (fotodetektoru) přemění opět na signál elektrický, který se dále zpracovává některým ze způsobů popsaných u přenosu metalickými vedeními. Nositelem informace jsou elektricky neutrální fotony. Protože mezi vstupem a výstupem spojové trasy není galvanické propojení, lze použít optický spoj i mezi místy se značně rozdílným potenciálem.

obr. a

Podstata vláknových světlovodů

Světlovod je tvořen jádrem a pláštěm. Princip přenosu světla skleněným nebo křemíkovým vláknem je založen na úplném odrazu všech paprsků, které dopadají na vstupní rovinu vlákna pod úhlem menším než je kritický úhel (H) obr. b, Proto musí být splněna základní podmínka, aby index lomu jádra n1 byl větší než index lomu pláště n2. Důležitým parametrem vláknového světlovodu je proto číselná apertura NA, která je definována maximálním vstupním úhlem světlovodu (H)max

a která určuje účinnost navázání světelného zdroje na vstup do světlovodu.

obr. b

Počet vidů šířících se světlovodem, který by měl být co nejmenší, klesá shodně s poměrem a, kde λ je vlnová délka světla a a je poloměr jádra.

U světlovodů vykazujících skokovou změnu indexů lomu dochází v důsledku různých skupinových rychlostí při šíření jednotlivých vidů k omezení šířky přenášeného pásma, takže signál přenášený současně větším počtem vidů se průchodem ve světlovodu zkresluje.

Při malém průměru jádra a malém rozdílu indexů lomu n1 a n2 se vláknem šíří pouze jediný vid. V jednovidovém světlovodu dochází k podstatně menšímu zkreslení přenášených informací, které je pak způsobeno pouze disperzí materiálu vlákna. Průběh indexů lomu u mnohovidových světlovodů je v rovině kolmé na podélnou osu parabolický, při jeho úpravě na gradientový průběh je možné i u mnohovidových světlovodů dosáhnout značného zmenšení zkreslení přenášených informací. Mnohovidový skokový (skoková změna indexu lomu), gradientový (gradientní průběh indexu lomu) a jednovidový typ světlovodu obr c.

Ztráty ve světlovodech jsou způsobeny především absorpcí a rozptylem světla. Absorpci světla způsobují zejména nečistoty a příměsi kysličníků některých kovů. Ztráty rozptylem světla jsou způsobeny nedokonalým povrchem jádra, nerovnoměrností jaho průměru s ohybem světlovodů. Tyto ztráty jsou závislé na vlnové délce světla šířícího se vlnovodem. Typický průběh měrného útlumu křemenného světlovodu na vlnové délce je znázorněn na obr. d. Tato závislost vykazuje dvě minima, a to v okolí 810nm a 1050 nm. Pro tyto oblasti se volí vhodné zdroje světelné energie. Pro první oblast velmi dobře vyhovuje křemíková lavinová dioda, jejíž kvantová




účinnost v závislosti na vlnové délce světla je na obr. e, a dále lasery na bázi arsenidu. Pro druhé minimum velmi dobře vyhovují některé druhy svítivých diod (LED) a lasery v pevné fázi (YAG).

Na straně příjmací se jako fotodetektor převážně používá křemíková fotodioda typu PIN nebo lavinová fotodioda. Oba tyto typy detektorů mají jak dostatečnou kvantovou účinnost, tak dostatečnou rychlost, malou setrvačnost a malý proud za tmy (proud temné diody).

obr.c


Praktické aplikace optických spojů pro širokopásmové přenosy

Přenos signálu světlovody je vhodný jak pro analogové tak pro digitální signály. Jejich hlavní předností je tisíckrát menší útlum než u metalických kabelů, značně široké přenášené pásmo až 1,6GHz, odolnost proti elektromagnetickým interferencím a rušení všeho druhu.

Jednotlivé druhy přenosů se řídí těmito zásadami:

  1. Přenos analogových signálu pomocí modulace AM/IM

Zásadní předností optického přenosu před přenosem metalickými kabely je, že se při rozvodu amplitudové modulace AM pomocí intenzitní modulace světelného paprsku IM neuplatňuje nelineární zkreslením a proto je délka trasy omezena pouze šumem vznikajícím při fotomodulaci a demodulaci a měrným útlumem světlovodné trasy.

Kromě tepelného bílého a výstřelového šumu se zde uplatňuje tzv. šum temné diody, což je šum vzniklý proudem procházejícím fotodiodou za tmy.

  1. přenos s použitím modulace FM/IM

Při analogovém přenosu pomocí modulace FM/ IM je přenášený signál kmitočtově modulován na nosný kmitočet v oblasti 30 až 60MHz a pak se intenzivně moduluje na světelný signál. Při přenosu většího počtu kanálů se používá kmitočtově dělený multiplex (FDM).

  1. Přenos s použitím číslicové modulace

  2. Při přenosu PCM se moduluje úplný signál PCM (vzorkovaný a kvantizovaný) impulsovou modulací start – stop na světelný signál.

Mají-li být chyby v přenosovém kanálu zanedbatelné, musí být odstup signálu od šumu závislý na počtu kvantizačních hladin a na vzorkovacím kmitočtu fs

Pro vzdálenost mezi dvěma opakovači je u přenosu PCM směrodatná četnost bitových poruch v přenosovém systému (BER). Nemá-li být znatelně narušena kvalita výsledného (dekódovaného) signálu, má být při osmibitovém systému BER 10 -7. Při BER 10-4 je výsledná degradace signálu „právě pozorovatelná“.

dlabos.wz.cz