Światłowody

Elementy technologii światłowodowej

Włókno swiatłowodowe (Fiber Optic Cable) jest najnowocześniejszym medium transmisyjnym. Umożliwia ono przesyłanie sygnałów świetlnych między nadajnikiem i odbiornikiem. Jeden koniec światłowodu podłącza się do nadajnika optoelektronicznego (Optical Transmiter), przekształcającego sygnały elektryczne w sygnały świetlne, przesyłane następnie przez włókno. Drugi koniec światłowodu podłącza się do odbiornika optoelektronicznego (Optical Receiver), przekształcającego odebrane ze światłowodu sygnały świetlne w sygnały elektryczne. Łącze światłowodowe tworzą więc trzy elementy:

1. nadajnik optoelektroniczny,
2. światłowód,
3. odbiornik optoelektroniczny.

Jako nadajniki optyczne stosowane są: dioda LED (Light Emitting Diode) lub dioda laserowa LD (Laser Diode). Prąd płynący przez te elementy powoduje generowanie światła. Jako odbiorniki optyczne stosowane są fotodiody.

Budowa światłowodu

Światłowód nie jest – jak niektórzy sądzą – szklaną rurą. Światłowód produkuje się z dwóch rodzajów szkła o zróżnicowanych współczynnikach załamania (Refraction Index). Widoczną w kołowym przekroju poprzecznym światłowodu część środkową nazywamy rdzeniem (Core), a część zewnętrzną – płaszczem zewnętrznym światłowodu (Cladding). Budowa światłowodu staje się przejrzysta, jeśli zrozumie się proces jego produkcji. Do pieca o temperaturze ok. 2000°C wprowadzana jest laska szklana o średnicy zewnętrznej ok. 125 µm. Wewnątrz tej laski znajduje się rdzeń szklany (o większym współczynniku załamania niż współczynnik płaszcza zewnętrznego) o średnicy ok. 62,5 µm. Szkło przechodząc przez piec topi się, a siła ciągnąca ku dołowi powoduje 1000-krotne zmniejszenie średnic obu części składowych. W ten sposób powstaje włókno światłowodowe o średnicy płaszcza zewnętrznego 125 µm i średnicy rdzenia 62,5 µm.

Istota pracy włókna światłowodowego

Istota pracy włókna światłowodowego zasadza się na tym, że promień światła na granicy dwóch ośrodków może ulegać odbiciu lub załamaniu. Pokazano to na rysunku 3# Jeżeli promień światła pada (od strony rdzenia) na granicę między rdzeniem a płaszczem zewnętrznym pod kątem a, to pewna część światła zostaje odbita i wraca do rdzenia. Ilość światła odbitego zależy od kąta a. Jeśli kąt padania jest mniejszy od a, to sygnał zostanie całkowicie załamany (pochłonięty). W praktyce oznacza to, że jeżeli sygnał jest podawany przy zbyt małym kącie, to większa część światła zostaje pochłonięta przez płaszcz zewnętrzny.

Apertura numeryczna światłowodu NA (Numerical Aperture) jest miarą maksymalnego dopuszczalnego kąta Q (rys. 32) między wchodzącym promieniem światła a osią światłowodu. Największy możliwy kąt Q zwany jest akceptowanym kątem włókna światłowodowego. Kąt ten jest funkcją współczynników załamania materiału N (rdzeń) i materiału N2 (płaszcz zewnętrzny).

Włókno wielomodowe ze skokową zmianą współczynnika załamania

Promień światła wprowadzony do światłowodu wędruje w jego rdzeniu (o średnicy 62,5 µm lub 50 mm). Dzieje się tak dlatego, że płaszcz zewnętrzny (o średnicy 125 µm), mając inny współczynnik załamania niż rdzeń, powoduje odbijanie się promienia wewnątrz rdzenia. Pierwszym rodzajem włókna światłowodowego jest włókno wielomodowe skokowe (Step Index Multimode Fiber). Skokowa zmiana następuje w wyniku generacji przez promień światła szeregu odbić wzdłuż rdzenia. Każde odbicie tworzy nowy skok. Włókno wielomodowe to takie, do którego światło może być wprowadzone pod różnymi kątami. Każdy kąt powoduje propagację światła w różny sposób. W światłowodzie wielomodowym może być do 680 modów przy długości fali 850 nm.

Dyspersja – zjawisko, z którym trzeba się liczyć

Poważnym problemem występującym w wielomodowym kablu światłowodowym jest zjawisko dyspersji. Polega ono na tym, że impuls świetlny „poszerza” się w miarę przesuwania wzdłuż światłowodu. Wprowadzając zatem do światłowodu serię krótkich impulsów możemy na wyjściu otrzymać „zlanie” się ich, co oczywiście powoduje efekt wielce niepożądany; impulsy te są nierozpoznawalne. Dyspersja zwiększa się wraz z długością łącza. Z tego powodu wielomodowe kable światłowodowe zazwyczaj są stosowane na dystansach do 3 km.

Można wyróżnić dwa rodzaje dyspersji:

1. modową (Modus Dispersion),
2. chromatyczną (Material Dispersion).

Dyspersja modowa jest związana z tym, że światło jest przesyłane w formie różnych modów, zależnie od kąta jego wprowadzenia (wejścia) do światłowodu. Każdy mod wymaga jednak różnego czasu na przebycie z jednego końca światłowodu na drugi. Ponieważ strumień światła składa się z wielu modów, to różne składowe promienia docierają na koniec włókna w różnych momentach czasowych. Właśnie ten fakt powoduje „poszerzanie” się sygnału w miarę, jak przesuwa się wzdłuż światłowodu.

Dyspersja chromatyczna jest związana z właściwościami materiału źródła światła. Światło generowane przez to źródło ma określoną długość fali i szerokość widma. Im szersze widmo, tym więcej promieni o różnej długości fali przemieszcza się w rdzeniu włókna, docierając do odbiornika w różnym czasie. Inaczej mówiąc, ponieważ strumień światła nigdy nie jest monochromatyczny, to światło o każdej długości fali przemierza światłowód z określoną szybkością i dociera do celu w różnych momentach. I znowu w efekcie otrzymujemy rozmycie sygnału impulsu wejściowego.

Wielomodowe gradientowe włókno światłowodowe

Kolejnym krokiem w rozwoju technologii jest światłowód wielomodowy gradientowy. Rozmiary tego światłowodu pozostają nadal nie zmienione (62,5/125 µm i 50/125 µm). Zmienia się natomiast chemiczna kompozycja rdzenia, składającego się z wielu warstw o różnych współczynnikach załamania. Chodzi bowiem o to, aby światło utrzymać jak najbliżej środka rdzenia. Właśnie wielowarstwowa struktura rdzenia pozwala osiągnąć ten cel.

Włókno jednomodowe

Jeszcze lepszym rozwiązaniem od opisanego wyżej jest włókno jednomodowe o średnicy rdzenia 9 µm. Dzięki temu w światłowodzie propagowany jest tylko jeden mod. Światłowód jednomodowy wymaga nieco większej precyzji przy wprowadzaniu doń światła. Nie ma w nim praktycznie żadnych odbić od interfejsu między rdzeniem a płaszczem zewnętrznym. Zredukowana jest również do minimum dyspersja, co pozwala na stosowanie kabla jednomodowego na dystansach do 60 km. Światłowody jednomodowe mogą także przenosić szersze pasmo częstotliwości.

Jednomodowe dla WAN, wielomodowe w LAN

W praktyce światłowody wielomodowe są używane w sieciach LAN. Stosowanie światłowodu jednomodowego pociąga za sobą potrzebę używania bardziej precyzyjnego nadajnika. W światłowodach wielomodowych stosowane są diody LED, a w światłowodach jednomodowych diody laserowe, znacznie droższe. Ponadto zakańczanie światłowodów jednomodowych jest bardziej skomplikowane niż wielomodowych. W rezultacie używanie światłowodów jednomodowych jest droższe. Z punktu widzenia strat światła, jakie wprowadzają włókna, światłowody jednomodowe są lepsze i mogą pracować w sieciach WAN, a światłowody wielomodowe w sieciach LAN.

Zakańczanie kabli światłowodowych

Rozróżniamy dwa podstawowe sposoby "zarabiania" (termination) kabli światłowodowych:

1. Bezpośrednie łączenie włókien (Splicing).
2. Zakańczanie złączem (Connectorising).

Bezpośrednie łączenie włókien polega na mechanicznym (klejenie) lub w wyniku stopienia (spawanie) połączeniu dwóch włókien. Ten sposób jest wykorzystywany w krosownicach lub szafach dystrybucyjnych do zakańczania włókien kabelkami typu pigtails (z jednej strony zakończonych złączami), bądź w celu naprawy zepsutych (przerwanych) światłowodów. W drugim przypadku złącze jest instalowane bezpośrednio na włóknie światłowodowym poprzez klejenie lub mocowanie mechaniczne do ustabilizowania położenia złącza.

Łączenie mechaniczne (Mechanical Splicing)

Ideę mechanicznego łączenia pokazano na rysunku 39. Jak wskazuje nazwa, operacja polega na mechanicznym łączeniu ze sobą dwóch włókien światłowodu, które przed połączeniem należy precyzyjnie uciąć. Aby włókna te miały bardzo dobry kontakt, muszą być ustawione dokładnie naprzeciw siebie. Połączenia dokonuje się w łączniku mechanicznym (Mechanical Splice), wywierając nacisk od góry. Łączenie mechaniczne w szafie dystrybucyjnej jest prawie zawsze związane z użyciem kabelka typu pigtail (zakończonego z jednej strony złączem). Łączenie mechaniczne zapewnia straty nie większe niż 0,5 dB.

Łączenie typu Fusion Splicing

Ideę łączenia Fusion Splicing polega na zgrzaniu dwóch włókien. Metoda ta zapewnia bardzo małe straty wynoszące ok. 0,05 dB. Jest jednak stosunkowo droga, co wynika z potrzeby zastosowania precyzyjnego narzędzia pozycjonującego włókna. Na początku włókna muszą być precyzyjnie ucięte, po czym włożone do przyrządu i ustawione naprzeciw siebie w trzech osiach. Dopiero wtedy następuje zgrzewanie. Łączenie typu Fusion Splicing jest stosowane w sieciach WAN (Wide Area Networks). Niektóre firmy dysponują obecnie przyrządami drugiej generacji do łączenia Fusion Splicing, które są bardziej precyzyjne i mniejsze. Mają wbudowane ekrany pozwalające na bezbłędne ustawianie włókien względem siebie. Zaraz potem następuje podgrzanie włókien do temperatury 2000°C i ich wzajemne zgrzanie. Nowe przyrządy inaczej traktują światłowody jednomodowe, umożliwiając osiąganie wyższych dokładności wzajemnego ustawienia włókien i w efekcie mniejsze straty na takim połączeniu.

Klejenie na gorąco

Jedną z popularniejszych metod zakańczania światłowodów jest klejenie na gorąco włókna ze złączem (Hot Melt Connectorising). Metoda ta jest lepsza od łączenia mechanicznego. Po wykonaniu połączenia jego sprawdzenia dokonuje się mikroskopem będącym zwykle w wyposażeniu specjalnego zestawu do wykonywania połączenia zgrzewanego.

Zasada wyboru kabla światłowodowego i złączy

Zasady te określają standardy ISO/IEC 1180 i EN 50173 oraz TIA/EIA 568A. Według ISO/IEC 1180 i EN 50173 w okablowaniu poziomym są preferowane wielomodowe kable 62,5/125 µm, alternatywą są kable 50/125 µm. Podobnie w okablowaniu pionowym preferowany jest kabel 62,5/125 µm, ale dopuszczalny jest również kabel jednomodowy. W nowych instalacjach należy stosować złącza dupleks SC. Złącza ST są dopuszczalne tylko w instalacjach, gdzie wcześniej już były użyte.

Według TIA/EIA 568A w okablowaniu poziomym należy używać kabla 62,5/125 µm. a w okablowaniu pionowym kabli wielomodowego 62,5/125 µm i jednomodowego. Norma wymaga także zachowania maksymalnej odległości między kondygnacyjnym punktem dystrybucyjnym KPD a campusowym punktem dystrybucyjnym CPD. Odległość ta nie może przekraczać 2000 m dla kabla 62,5/125 µm i 3000 m dla kabla jednomodowego.

Istotne różnice między złączami ST i SC

Złącze ST można optycznie odróżnić od złącza SC w ten sposób, że to pierwsze ma wyraźnie dłuższą ferrulę. Złącze ST, chronologicznie, zostało wprowadzone jako pierwsze. Jest głównie stosowane w sieciach Ethernet. Nowe technologie, na przykład ATM, wymagają złącza lepszego. Jest nim złącze SC, obecnie rekomendowane z powodu następujących cech: połączenie z użyciem złącza SC zapewnia poprawną polaryzację w dwóch systemach transmisji, gdzie użyto światłowodów, natomiast ferrula złącza SC pozostaje dostatecznie stabilna - nawet w czasie przesuwania lub dotykania światłowodu.

Jak projektować infrastrukturę kablową

Podstawowe elementy infrastruktury kablowej

Relacje między elementami infrastruktury kablowej tworzą hierarchię drzewiastą. Na taką infrastrukturę składają się:

1. Przyłącza P oznaczone K (komputerowe), T (telefoniczne) i S (sterujące).
2. Punkty dystrybucyjne oznaczone KPD (kondygnacyjny punkt dystrybucyjny), BPD (budynkowy punkt dystrybucyjny) i CPD (kampusowy punkt dystrybucyjny).

Przyłącza P służą do dołączania urządzeń końcowych (komputerów, telefonów, urządzeń sterujących). Punkty dystrybucyjne służą do instalowania sprzętu sieciowego aktywnego (huby, przełączniki, routery) i biernego (panele dystrybucyjne, kable krosowe, listwy zasilające, prowadnice kablowe).

1. Przyłącza (P) są wyposażone w zunifikowane gniazda RJ45 lub gniazda światłowodowe. To tutaj są zakończone („zaterminowane”) wszystkie kable okablowania poziomego. Przyłącza stanowią zunifikowany interfejs między okablowaniem poziomym a okablowaniem miejsca pracy.
2. Kondygnacyjny punkt dystrybucyjny (KPD) koncentruje w sobie wszystkie kable okablowania poziomego i okablowania pionowego. Najczęściej w okablowaniu poziomym stosuje się 4-parowe, miedziane kable skrętkowe (UTP, FTP, STP lub SFTP), a w okablowaniu pionowym wieloparowe kable miedziane (dla telefonii) i kable światłowodowe (dla sieci komputerowej). Nie zawsze jedna kondygnacja fizyczna odpowiada kondygnacji logicznej. Inaczej mówiąc, nie zawsze jeden kondygnacyjny punkt dystrybucyjny KPD jest instalowany na każdej kondygnacji. Mały budynek może mieć dwie kondygnacje i jeden KPD. Wtedy dwie kondygnacje fizyczne traktowane są jako jedna logiczna dopóty, dopóki przestrzegana jest zasada maksymalnej długości kabla skętkowego (90 m). Duży budynek może mieć jedną kondygnację i dwa KPD w sytuacji, gdy okablowanie poziome przekracza długość 90 m lub powierzchnia jest większa od 1000 m#
3. Okablowanie poziome to zbiór kabli łączących każde przyłącze P z kondygnacyjnym punktem dystrybucyjnym KPD. Istotnym wymaganiem jest to, by maksymalna długość każdego kabla poziomego (miedzianego) nie przekraczała 90 m oraz by maksymalna długość kabla krosowego (w kondygnacyjnym punkcie dystrybucyjnym KPD) i kabla przyłączeniowego (w miejscu pracy) nie przekraczały 5 m. Razem więc trasa: kabel poziomy, kabel krosowy i kabel przyłączeniowy, nie powinna przekroczyć długości 100 m.
4. Budynkowy punkt dystrybucyjny (BPD) jest miejscem schodzenia się wszystkich kabli pionowych. W tym miejscu rozpoczyna się też okablowanie campusowe (międzybudynkowe). Jeśli sieć jest budowana w jednym budynku, to BPD jest miejscem koncentracji sprzętu składającego się na punkt centralny sieci PCS (przełączniki główne, routery centralne, farma serwerów, system zarządzania siecią). Jeśli natomiast sieć jest budowana w kilku budynkach, to zwykle lokalizacją punktu centralnego sieci jest campusowy punkt dystrybucyjny.
5. Okablowanie pionowe łączy budynkowy punkt dystrybucyjny z kondygnacyjnymi punkami dystrybucyjnymi. Dla sieci telefonicznej okablowaniem pionowym są najczęściej wieloparowe kable miedziane, a dla sieci komputerowej kable światłowodowe.
6. kampusowy punkt dystrybucyjny CPD jest miejscem, z którego rozchodzi się okablowanie kampusowe (międzybudynkowe). W tym punkcie zwykle lokuje się centralny punkt sieci.
7. Okablowanie campusowe łączy campusowy punkt dystrybucyjny z budynkowymi punktami dystrybucyjnymi. Okablowanie kampusowe dla sieci komputerowej zawsze wykonuje się używając kabli światłowodowych, co charakteryzuje się następującymi zaletami: budynki są galwanicznie odseparowane, kabel światłowodowy jest odporny na interferencję elektromagnetyczną EMI (Electromagnetic Interference), transmisja przy większych odległościach między budynkami jest efektywniejsza (niska tłumienność, brak NEXT). Dla sieci telefonicznej w instalacji okablowania campusowego można stosować kabel miedziany, ale co najmniej kategorii# przy każdym wejściu do budynków należy stosować zabezpieczenia.