RAČUNARSKE MREŽE

- seminarski rad -

Optičke mreže FTTH

Profesor: Miloš Ljubojević Student: Aleksandar Bjelošević

Broj indexa: 92/13

Optički kablovi koriste se u telekomunikacijama. Služe za prenos signala. Prenosni medijum je optičko vlakno, a informacije se prenose putem svjetlosti. Najviše se koriste optički kablovi koji imaju kapacitet od 6 do 240 optičkih vlakana. Na ulasku u optičko vlako električni signal se konvertuje u svjetlost, a na prijemu se ponovo pretvara u električni signal.

1. Istorija optičkih vlakana

Ideja o tome da se svjetlosni signal prenosi putemstaklenog vlakna potiče iz doba Aleksandra Grahama Bell-a. Ova ideja čekala je osamdeset godina da se pojavi tehnologija, koja bi je ostvarila. Razvoj optičkih vlakana i uređaja za optičke komunikacije počeo je u šezdesetim godinama prošlo vijeka. Proboj je doživio osamdesetih godina, jer su tada optičke komunikacije postale dominantne tehnologije u telekomunikacijama. Optički system za prenos podataka sastoji se od tri glavne komponente:

1. Svjetlosni izvor (LED ili laserska dioda)2. Prenosni medijum (optičko vlakno)3. Detector koji pretvara svijetlost u električni signal (foto dioda)

Postoji oko deset hiljada patenata koji su doprinjeli razvoju ove optičke tehnologije. Nekoliko njih se posebno ističe:

1. Pronalazak lasera krajem 50-ih godina prošlog vijeka. Ovo predstavlja prekretnicu za raazvoj optičke tehnologije.

2. Razvoj optičkog vlakna sa malim gubitcima 70-ih godina prošlog vijeka, kada je optička tehnologija prvi put ugledala svijetlost dana.

3. Pojava optičkog pojačivača 80-ih godina.4. Neprestani razvoj tehnologije poluprovodnika što je veoma značajno za veći razvoj

tehnologija optičke komunikacije.

2. Optički kablovi ( vlakna )

Staklena vlakna, optička vlakna ili svjetlovodi veoma se uspješno i masovno koriste za prenos poruka putem elektromagnetnih talasa optičkog dijapazona učestanosti. Fiber optičko vlakno se sastoji od dva različita tipa čistog stakla, sačinjenog da formira jezgro (core) i omotač (cladding). Zaštitni sloj vlakna (coating) obavija omotač. U većini slučajeva zaštitni sloj je sačinjen u dvoslojnoj formi. Zaštitni omotač se dodaje optičkom vlaknu kao završni proces u izradi fiber optičkih vlakana. On štiti staklo od prašine i grebanja, odnosno oštećenja, što značajno može da utiče na jačinu vlakna.

2

Multimodna fiber optička vlakna su prva vlakna koja su bila primjenjivana. Za razliku od monomodnih, ova vlakna imaju mnogo veće jezgro i omogućuju prostiranje na stotine modova svjetlosti kroz vlakna istovremeno. Ovo svojstvo je dozvoljavalo da se koriste jeftiniji optički predajnici sa LED diodama. Sa druge strane monomodna vlakna imaju mnoo manje jezgro, što dozvoljava prostiranje samo jednog tipa talasa kroz takvo vlakno. Iako se može učiniti da multimodna vlakna imaju veći kapacitet, to je potpuno netačno. Monomodna vlakna su konstruisana tako da održe spektakularnu I prostornu cjelinu svakog optičkog signala koji se prostire na veće distance i to omogućuje prenošenje mnogo većeg broja informacija.

Multi-modna optička vlakna se generalno koriste za aplikacije sa malom brzinom prenosa podataka, ispod 622 Mbps. Limitirana širina propusnog opsega je do 500 MHz. Sistemi koji koriste multi-modna optička vlakna su generalno znatno jeftiniji. Spojevi i završetci instalacija nisu tako kritični kao što je to slučaj sa singl-modnim vlaknima. Slabljenje je mnogo veće nego u singl-modnim vlaknima. Generalno se koriste za prenos podataka.

3

Struktura optičkog vlakna

Multimodno optičko vlakno

Monomodna vlaknaKarakteristika SMF svjetlovoda je da ima jezgro promjera puno manjeg nego što je omotač, te je talasna duzina zraka uporediva sa promjerom jezgra. Zbog tako malog promjera jezgra ulaskom zraka u optičko vlakno ne dolazi do razdvajanja zraka. Svjetlost se propagira sa jednog kraja svjetlovoda na drugi samo putem jedne zraka. Monomodna vlakna se upotrebljavju za dobijanje većih propusnih opsega. Proizvodnja ovih vlakana nije mnogo složenija od proizvodnje dvoslojnih vlakana osim što su prečnik jezgra i razlika indeksa prelamanja izmedu jezgra i omotača veoma mali, tako da je moguće prostiranje samo jednog moda. Tipične dimenzije monomodnih vlakana su reda 5-12 µm za jezgro i 125 µm za omotač.

Postoji pogrešno shvatanje da je fiber optičko vlakno veoma lako lomljivo zbog toga što je napravljeno od stakla. Činjenica je da istraživanja, teoretske analize i praktična iskustva dokazuju da je istina suprotna. Dok je tradicionalno staklo lomljivo i kruto, ultračisto staklo od koje se prave fiber optički kablovi, pokazuje izuzetnu odgovornostna istezanje I izuzetnu izdržljivost. Jačinu I otpornost fiber optičkog vlakna možemo ilustrovati primjenom da vlakno može izdržati 6 do 8 puta veći pritisak nego bakarna žica, što potpuno potvrđuje da se savremena optička vlakna izrađuju tako da su veoma otporna na istezanje. Dubina prirodnog mikroskopski vidljivih naprsnuća na površini fiber optičkih vlakana određuje njihovu jačinu. Ova prirodna naprsnuća postoje u svakom vlaknu. Kao što u jednom lancu njegovu čvrstinu određuje najslabija karika tog lanca, tako kod fiber optičkog vlakna njegovu čvrstinu određuje najdublje prirodno naprsnuće. Mnogi proizvođači primenjuju testove opterećenja vlakna, tako da obezbjeđuje da se u velikoj mjeri briga oko dubokih naprsnuća eleminiše. Osnovne karakteristike monomodnog fiber optičkog vlakna jesu slabljenje i disperzija.Performanse parametara fiber optičkih vlakana mogu biti značajno različite

4

Monomodno optičko vlakno

između različitih proizvođača, što može uticati na performanse cijelog optičkog sistema čiji su dio optička vlakna. Zato je veoma važno shvatiti osnovne karakteristike vlakana, kako bi njihova specifikacija I primjena u u cijelom sistemu bila što adekvatnija.

3. Odbijanje i prelamanje svjetlosti

Putovanje svjetlosti kroz optička vlakna, temelji se na dva, od četiri zakona geometrijske optike. Zakon odbijanja (refleksije) svjetlosti a =β - Ugao upadanja svjetlosti jednak je uglu odbijanja (refleksije), a upadni i odbojni ugao leže u istoj ravni koja je normalna na površinu odbijanja.

Snelliusov zakon loma (refrakcije) svjetlosti - Brzina svjetlosti u vakuumu iznosi c= 299 792 458 m/s. Budući da se svjetlost smatra elektromagnetskim talasom, prolaskom svjetlosti kroz drugu sredinu, njena brzina je manja od one u vakuumu i odredena je dielektričnim i magnetskim svojstvima mcdija kroz koji putuje. Indeks prelamanja materijala n je mjera usporavanja svjetlosti pri prolasku kroz njega. Svetlost najbrže putuje kroz vakuumi u njemu je n =1. U svakoj drugoj sredini svetlost se kreće sporije, što je sredina gušća, brzina je manja, a indeks prelamanja veći. Kada svetlost prelazi iz jedne sredine u drugu, na graničnoj površini, zbog razlike gustina, dolazi do prelamanja-refrakcije. Što je razlika gustina tj. indeksa prelamanja veći, to je prelamanje zraka izraženije.

Ako svjetlost dolazi iz rijeđe sredine npr. vazduha u gušću sredinu npr.vodu, upadni zrak se prelama ka normali na graničnu površinu. Ugao prelamanja se računa preko poznatog Snelijus-Dekartovog (Snellius-Descartes) zakona: n 1*sinα = n2 * sinβ 2.2 totalna refleksija svjetlosti. Kada svetlost dolazi iz gušće sredine n1 u rijeđu sredinu n2, prema Snelijus-Dekartovom zakonu zrak se prelama od normale na graničnu površinu. Što je razlika indeksa prelamanja veća, zrak će se više otkloniti od normale. Takođe, što zrak upada pod manjim uglom u odnosu na graničnu površinu, tj. većim uglom u odnosu na normalu, prelomljeni zrak nastavlja pod sve manjim uglom u odnosu na površinu.

Pri izvjesnom upadnom uglu, određenim odnosom indeksa prelamanja dve sredine, prelomljeni zrak je potpuno paralelan graničnoj površini. Taj ugao se naziva kritični ugao θc i mjeri se u odnosu na normalu na graničnu površinu. Za zrake koji upadaju pod uglom većim od kritičnog ugla nema posebnog prelomljenog i odbijenog zraka. Postoji samo jedan odbijeni zrak koji u sebi nosi kompletnu snagu upadnog zraka. Ova pojava se naziva totalna refleksija i predstavlja osnovni fenomen koji stoji iza prenosa svetlosti krivudavim putem kroz optičko vlakno. Svetlosni zrak koji ulazi u vlakno mora biti ubačen pod relativno malim uglom u odnosu na osu vlakna jer samo takav zrak neće ispasti iz jezgra pri prvom sudaru sa omotačem. Prostiranje svetlosnog zraka kroz optičko vlakno zavisi od: veličine, konstrukcije, sastava optičkog vlakna i od prirode svetlosnog zraka emitovanog u vlakno. Putanje kojima se prostiru svetlosni zraci istih osobina i istog upadnog ugla pri ulasku u vlakno se nazivaju modovi. Mod najnižeg nivoa ima najkraću putanju, dok mod najvišeg nivoa ima najdužu putanju kroz optičko vlakno. Optičko vlakno se sastoji od jezgre i omotača. Jezgro ima veći indeks prelamanja svjetlosti od omotača. Prilikom upadanja zraka na jezgru dolazi do prvog lomljenja zraka, a kad zrak stigne na granicu jezgro-omotač ona se reflektira zbog Snellovog zakona. Pri tome je ugao upada jednak uglu odbijanja zbog zakona refleksije. Pri tome je važno da je ugao upada na granicu dvije površine veći od kritičnog. Na taj način svjetlost nastavlja putovati kroz optičko vlakno. U slučaju idealnog optičkog vlakna, svjetlost bi nastavila beskonačno dugo putovati kroz njega. Međutim zbog nečistoća koje postoje u vlaknima dolazi do loma zrake i dio zrake se gubi u omotaču.

5

Svjetlost slabi i nakon nekog vremena potpuno se gubi. Zbog toga je neophodno postavljanje optičkih pojačavača koji će pojačati oslabljenu svjetlost da bi ona mogla dalje putovati vlaknom.

4. Slabljenje

Optička snaga transmisijom u optičkom vlaknu slabi eksponencijalno: P(x)=P0exp(-ax), gdje je a koeficijent slabljenja i izražava se u dB/km i pokazuje gubitke u dB po jednom kilometru. Uzrok zbog kojeg se javlja slabljenje je postojanje nečistoća u vlaknu, molekularne apsorpcije, nepravilnosti spoja jezgra i omotača, a takođe zavisi i od broja refleksija koje pretrpi zrak na svom putu. Kada foton udari o nečistoću on će se raspršiti ili apsorbovati. Slabljenje višemodnog vlakna je veće od slabljenja jednomodnog vlakna zbog tzv. efekta prbacivanja modova tokom mikrosavijanja i prenosa jednog broja modova kroz omotač vlakna. Generalno je utvrđeno da gubici rastu sa povećanjem broja modova. Monomodna vlakna imaju najmanje prigušenje 0,3-1 dB/km, nešto su lošija multimodna vlakna s gradijentnom promjenom indeksa prelamanja 1-5 dB/km, a najlošija su multimodna vlakna sa stepenastim promjenom indeksa prelamanja 5-10 dB/km. Najmanje prigušenje ima kvarcno staklo 0,5-2 dB/km, nešto lošije je silikatno staklo 5-10 dB/km, dok su plastične mase znatno lošije. Slabljenje vlakna pokazuje jaku spektralnu zavisnost. Postoje tri prozora na kojim je slabljenje najmanje, tako da su talasne dužine 850 nm, 1300 nm i 1550 nm odabrane za ostvarivanje veza optičkim vlaknima.

Minimum slabljenja za prvi prozor iznosi oko 2 dB/km, za drugi 05dB/km, i za treći 0.2dB/km. Danas su već proizvedena vlakna sa slabljenjem koje se bliži teoretskom, pa se danas pojavljuju nova optička vlakna koja mogu imati ii više od 3 prozora, jer je smanjeno slabljenje. U praksi je u početku najviše korišten 1. prozor, iako to nije optimalno rješenje, a danas se koristi prvenstveno zbog jeftine realizacije izvora svjetlosti iako je na 1. prozuru najveće gušenje. Danas se koriste uglavnom 2. i 3. prozor.

6

Prostiranje svjetlosti kroz optičko vlakno

5. Gubici usljed savijanja

Usljed savijanja se mijenja geometrija optičkog vlakna, što omogućuje da neki svetlosni zraci "pobjegnu" u omotač, a drugi da se nepravilno odbiju. Time se povećavaju gubici u optičkom vlaknu. Pored pomenutih gubitaka postoje i gubici usljed mikrosavijanja, izazvana malim periodičnim savijanjima ose vlakna, periode ponavljanja nekoliko mm i amplitude nekoliko mikrona. Do ovakvih savijaja dolazi usled nejednake raspodjele opterećenja pri dejstvu spoljnih mehaničkih sila.

6. Modalna disperzija

Disperzija je pojava širenja impulsa tokom puta kroz vlakno. Ovo širenje izaziva dvje negativne posledice:

1. Prošireni impuls je manji po intezitetu i teže ga je detektovati. Ova pojava je ekvivalentna slabljenju i ograničava dužinu prenosa.

2. Dva susjedna proširena impulsa počinju da se preklapaju, stapajući se u jedan. Ova pojava smanjuje propusni opseg prenosa.

Jedan od razloga pojave disperzije je prenošenje ulaznog optičkog impulsa posredstvom više modova kroz višemodno vlakno. Različiti modovi prelaze različite putanje u svom cik- cak kretanju kroz vlakno i stižu u različito vreme do fotodetektora na kraju putanje, dovodeći tako do prostornog i vremenskog širenja impulsa. Kod vlakna sa step-indeksom ova disperzija ograničava propusni opseg prenosa na oko 20 MHz po km, što je dovoljno samo za relativno spori prenos na kratkim rastojanjima. Kod vlakna sa gradijentnim indeksom, modovi koji se prostim najdalje od ose i tako prelaze najduži put, kreću se brže od centralnih modova, jer je na periferiji jezgra indeks prelarnanja niži. Na taj način se vremena putovanja modova donekle izjednačavaju i modalna disperzija se smanjuje na vrednost koja omogućava da se ostvare komunikacione veze dužine nekoliko kolometara.

7. Hromatska disperzijaOvo je osnovni vid disperzije kod monomodnih vlakana i on predstavlja širenje impulsa zbog promenljivosti brzine prostiranja svjetlosti kroz optičko vlakno. Ovaj tip disperzije se izražava u ps/(nmxkm). Hromatska disperzija nastaje zato što indeks prelamanja materijala zavisi od frekvencije (talasne dužine), zbog čega pojedini elementarni dijelovi prenošenog spektra stižu na kraj linije sa različitim vremenskim zakašnjenjima, posledica čega će biti proširenje impulsa. Hromatska disperzija je posledica djelovanja dva različita mehanizma širenja impulsa, zbog disperzije samog materijala i zbog talosovodne strukture vlakna.

7

8. Polarizaciona disperzija

Polarizaciona disperzija je posljedica različite brzine prostiranja dve polarizacione komponente jednog moda u jednomodnm vlaknu. Jezgro vlakna nije idealno simetrično kružno,već se kao posljedica savijanja i raznih nehomogenosti, javlja malo tzv. dvojno prelamanje. Ovim terminom nazivamao postojanje dva različita indeksa prelamanja u jezgru za dve različite polarizacije svetlosnog talasa. Tako se dve polarizacione komponente talasa prostiru različitom brzinom kroz optičko vlakno. Nesavršenosti vlakna koje dovode do dvojnog prelamanja su proizvoljno raspoređene duž vlakna, tako da se i polarizaciona disperzija javlja proizvoljno i teorijski nepredvidivo. Mjerenje polarizacione disperzije na konkretnoj liniji ima smisla tek po postavljanju vlakna. Pošto polarizacionu disperziju izazivaju uglavnom krivine i naprezanja vlakna, rezultat koji se dobija pri mjerenju vlakna namotanog na kalem može biti potpuno različit od rezultata tog istog vlakna na terenu. Polarizaciona disperzija jedne linije se čak mjenja i po postavljanju linije, u toku dužeg vremenskog intervala.

9. Optički predajnici

LaserLaserske diode se koriste u slučajevima kada je potrebna velika brzina prenosa ili veliki domet. Modulišu se direktno, promjenom struje kroz diodu, pomoću relativno složenog elektronskog kola. To su veoma osjetljive komponente i lako se oštećuju ili uništavaju nepravilnim pobuđivanjem ili elektrostatičkim pražnjenjem. Zavisnost izračene snage od temeperature je veoma jaka, pa se često laserske diode moraju temperaturno stabilizovati, što je relativno skupo i sa velikom potrošnjom energije.

LED diodeLED diode se koriste za ostvarivanje veza čije su brzine reda do 100 Mbit/s, kada je dovoljna snaga od nekoliko desetina mikrovati u višemodnom vlaknu. Emitujuće diode se modulišu direktno, protokom struje kroz p-n spoj, priincnom relativno jednostavno modulišućeg elektronskog sklopa.

10.Konektori optičkog kabla

Postoje različiti tipovi konektora koji se montiraju na optičke kablove. Neki od njih, koji se često upotrebljavaju imaju oznake, kao što su ST, SC ili PC. Nastavljanje kablova zahtvjeva veoma skupu opremu. Taj process je opasa po zdravlje i zbog toga mora da ga obavlja samo sertifikovano osoblje.

Optički konektor tipa ST najviše se koristi u mrežama gdje je brzina prenosa 10Mb/s. Njegova konstrukcija obuhvata nekoloko dijelova, a to su:- ferula od cirkonijuma

8

- metalno kućište za priključivanje- obujmica za pričvršćivanje rasteretnog elementa optičkog kabla, iaksijalni rasteretni bužir.Osobine optičkog ST konektora su:- unetno slabljenje konektora maks. 0.6 dB- promjena slabljenja ponovljenog priključenja maks. 0.3 dB- promjena slabljenja usljed termičkog cikliranja maks. 0.5 dB- promjena slabljenja usljed aksijalnog opterećenja na montirani kabel sa “tight” zaštitom vlakna maks. 0.5 dB

Optički konektor tipa SC konektori se koriste u mrežama gde su brzine prenosa podataka 100 Mb/s. Ovaj konektor je načinjen po ugledu na RJ konektor paričnih kablova.Konstrukcija optičkog konektora obuhvata nekoliko delova:- ferula od cirkonijuma- plastično kućište za priključenje- obujmica za pričvršćivanje rasteretnog elementa optičkog kabla- aksijalni rasteretni bužirOsobine optičkog SC konektora su:- unetno slabljenje konektora maks. 0.2 dB- promjena slabljenja ponovljenog priključenja maks. 0.2 dB- promjena slabljenja usljed termičkog cikliranja maks. 0.2 dB- povratno slabljenje maks. 35 dB

Optičko konektor tipa

11.Kombinacija optičkih kablova konektora

9

Optički konektor tipa ST Optički konektor tipa SC

Optički konektori se montiraju na optičko vlakno sa prijanjajućom zaštitom i koriste se za završavanje optičkih vlakana iz kablova za spoljašnju instalaciju. Ovakva kombinacija vlakna i jednog konektora se naziva pig-tail. Za priključenje optičkih kablova koji su vec terminirani,na linijsku opremu se koriste kablovi koji imaju sa obe strane konektor, a kabal se sastoji odo ptičkog vlakna sa prijanjajućom strukturom, kevlarom i PVC plaštom.

12.Optičke distributivne kutije i patch paneli

Optičke distributivne kutije i optički patch-paneli se koriste za terminiranje dovodnihoptičkih kablova za spoljaljašnju instalaciju konektorima i njihovo pripremanje za priključenje naaktivnu opemu ili prespajanje na druge optičke linije.

Optički patch paneliOptički patch-panel je pasivna komponenta fiber optičkog sistema, dje se završavaju optički kablovi optičkim konektorima. Namjenjen je postavljanju u rack orman. Na prednjoj strani optičkog patch-panela su montirani opticki adapter za spajanje optičkih konektora. U adapter se sa zadnje stran postavlja konektor dovodnog optičkog kabla, a sa prednje strane konektor patch-cord-a. Optički patch-panel predstavlja distributivni centar za prespajanje kablova između sebe ili njihovo spajanje sa komunikacijskom opremom. Ovakve veze se obezbjeđuju preko patch-cord-ova, koji na svojim krajevima imaju kordove. Optički patch-paneli čija je upotreba projektovana sadrži različit broj optičkih portova, ali je to najčešće 8, 16 i 24 optička porta.

13.Prednosti optičkih kablova 

Prednosti optičkih kablova su:- njihove daleko manje dimenzije u odnosu na bakarne kablove- mogućnost prenosa velike količine informacija

10

Kombinacija optički konektor i optički kabal

- malo slabljenje signala što dozvoljava domete i do 200km bez pojačanja signala- manja težina po dužnom metru- lakše polaganje kako u zemlju, tako pod vodu, na stubove ili dalekovode- sve niža cena kablova- neosetljivost na električne smetnje, vodu, niske i visoke temperature 

11