Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για τις οπτικές ίνες.

Του συνεργάτη μας Γιάννη Πετσέλη

Το πιο προηγμένο, από τεχνολογικής πλευράς, φυσικό μέσο το όποιο χρησιμοποιείται στις τηλεπικοινωνίες για τη μετάδοση σημάτων και πληροφοριών είναι οι οπτικές ίνες (optical fiber). Πρόκειται για ίνες γυαλιού, οι οποίες έχουν την ιδιότητα να εγκλωβίζουν τις φωτεινές ακτίνες (το φως) και να τις οδηγούν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Η χρήση των οπτικών ινών για μετάδοση............

σημάτων στηρίζεται στην ιδέα της χρησιμοποίησης του φωτός ως φορέα της πληροφορίας αντί για το ρεύμα, το όποιο χρησιμοποιείται στα χάλκινα καλώδια. Για να επιτύχει αυτό, χρησιμοποιείται στον πομπό μια πηγή φωτός η αλλιώς ναι φωτεινή πηγή. Η πηγή αυτή παράγει ένα φωτεινό σήμα, το όποιο διαμορφώνεται με τις πληροφορίες που πρέπει να μεταδοθούν από τον πομπό προς το δέκτη.

Η διαμόρφωση μπορεί να γίνει αναβοσβήνοντας τη πηγή του φωτός με το ρυθμό της πληροφορίας δηλαδή το ένα (1) να αντιστοιχεί σε φως και το μηδέν (0) σε σκότος.
Το φως που παράγουν οι φωτεινές πηγές βρίσκεται στην περιοχή του υπέρυθρου και δεν είναι ορατό από το ανθρώπινο μάτι. Στην άλλη πλευρά της οπτικής ίνας (στο δέκτη) υπάρχει ένας ανιχνευτής φωτός.
Ένας τέτοιος ανιχνευτής είναι ο φωτοδεκτης ο όποιος όταν φωτίζεται, παράγει ένα μικρό ρεύμα. Έτσι, μετατρέπει τα φωτεινά σήματα σε ηλεκτρικά. Τα ηλεκτρικά σήματα που περιέχουν την ωφέλιμη πληροφορία περνούν στις επόμενες βαθμίδες ηλεκτρονικής επεξεργασίας.

Οι οπτικές ίνες οι οποίες χρησιμοποιούνται σαν μέσα μετάδοσης κατασκευάζονται από γυαλί υψηλής καθαρότητας. Στην τελική μορφή της η οπτική ίνα μοιάζει πολύ με μια λεπτή διάφανη τρίχα. Στο εσωτερικό της το γυαλί μπορεί να μεταδίδει το φως. Το περίβλημα (το όποιο βρίσκεται εξωτερικά ) εξασφαλίζει ότι το φως θα παραμένει συνεχώς μέσα στην ίνα.
Το κεντρικό μέρος της ίνας ονομάζεται πυρήνας. Το περίβλημα έχει μικρότερο δείκτη διάθλασης από τον πυρήνα και τον καλύπτει κυλινδρικά. Ο πυρήνας και το περίβλημα μοιάζουν με κυλίνδρους με κοινό άξονα. Για λόγους προστασίας τοποθετείται κατά τη διάρκεια κατασκευής της ίνας, μια επικάλυψη (πρόσθετο προστατευτικό περίβλημα) από συνθετικό η πολυμερές υλικό το οποίο αυξάνει την αντοχή της.
Το φως που εισάγεται στον πυρήνα οδεύει στο εσωτερικό του με διαδοχικές ανακλάσεις στην επιφάνεια διαχωρισμού πυρήνα περιβλήματος.

Με τις ολικές ανακλάσεις το φως ανακλάται διαδοχικά και συνεχίζει την πορεία του στον πυρήνα χωρίς καμία ακτίνα να διαθλαστεί και να διαφύγει στο περίβλημα. Έτσι η συνολική φωτεινή ενέργεια παραμένει εγκλωβισμένη στο εσωτερικό της οπτικής ίνας, με αποτέλεσμα ένα αποστελλόμενο φωτεινό σήμα να μπορεί να διανύσει πολύ μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες απώλειες σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο μέσο μετάδοσης.
Ανάλογα με τη διάμετρο του πυρήνα και τη διάδοση των φωτεινών ακτίνιων, υπάρχουν οι εξής κατηγορίες ινών:
. Η πολύτροπη
. Η μονότροπη

Στην πολύτροπη διάδοση ένα φωτεινό σήμα, το οποίο αποτελείται από πολλές φωτεινές ακτίνες, εισέρχεται στον πυρήνα της οπτικής ίνας. Η κάθε ακτίνα ανακλάται με διαφορετική γωνία στα τοιχώματα του περιβλήματος. ανάλογα με τη γωνία με την οποία εισέρχεται η κάθε ακτίνα οδεύει κατά μήκος της οπτικής ίνας διανύοντας διαφορετικό δρόμο.

Επειδή ακριβώς υπάρχουν πολλοί τρόποι μετάδοσης που αντιστοιχούν στις διαδρομές των ακτίνιων, η διάδοση αυτή ονομάζεται πολύτροπη. Οι ίνες που επιτρέπουν αυτού του είδους τη μετάδοση φωτός ονομάζονται πολύτροπες ίνες. Όπως είναι λογικό, ο κάθε τρόπος μετάδοσης έχει διαφορετικό μήκος. Επομένως, η κάθε ακτίνα φτάνει σε διαφορετικό χρόνο στην άλλη άκρη της οπτικής ίνας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική παραμόρφωση του σήματος. Επιπλεον, λογω του ότι κάποιες από τις ακτίνες δεν επιτυγχάνουν ολική ανάκλαση, η μέθοδος αυτή διάδοσης επιφέρει κάποια πρόσθετη εξασθένηση στο φωτεινό σήμα.

Οι πολύτροπες οπτικές ίνες χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες, ανάλογα με την τιμή του δείκτη διάθλασης στον πυρήνα:
. Ίνες βηματικου δείκτη διάθλασης και τις
. Ίνες διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης
Οι πρώτες χαρακτηρίζονται από απότομη μεταβολή του δείκτη διάθλασης μεταξύ του πυρήνα και περιβλήματος. Έχουν διαστάσεις διαμέτρου πυρήνα 50 και 62.5 μm και εξωτερική διάμετρο της ίνας 125 μm.
Η εξασθένηση για τις ίνες βηματικου δείκτη διάθλασης είναι 10-50 db ανά χιλιόμετρο. Είναι οι πιο απλές και φθηνές οπτικές ίνες για εφαρμογές που δεν έχουν μεγάλες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης.

Η δεύτερη κατηγορία πολύτροπων ινών είναι οι ίνες διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης. Σε αυτές τις ίνες ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται ομαλά από το κέντρο του πυρήνα προς το περίβλημα. Η διαφορά αυτή στο δείκτη διάθλασης αναγκάζει τις ακτίνες να φράσουν ταυτόχρονα στην άλλη άκρη της οπτικής ίνας, παρόλο που η κάθε μια διανύει διαφορετική απόσταση.
Η εξασθένηση για τις ίνες διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης είναι 7-15 db ανά χιλιόμετρο. Οι ίνες αυτές χρησιμοποιούνται σε δίκτυα υπολογιστών και σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης.

Έχει αποδειχθεί πως όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του πυρήνα, τόσο λιγότεροι τρόποι μετάδοσης υπάρχουν. Όταν αυτή η διάμετρος μειωθεί και γίνει παραπλήσια με το μήκος κύματος του φωτεινού σήματος, απομένει μόνο ένας τρόπος μετάδοσης, ο αξονικός. Η μετάδοση ονομάζεται τότε μονότροπη. Η διάμετρος του πυρήνα στην μονότροπη οπτική ίνα είναι 9 μm και η εξωτερική διάμετρος της ίνας είναι 125 μm. Η εξασθένηση της μονότροπης ίνας στο φως που έχει μήκος κύματος 1.5 μm είναι μόλις 0.19 db ανά χιλιόμετρο. Η περιοχή αυτή του φάσματος από 1.5 έως 1.6 μm ονομάζεται παράθυρο χαμηλής εξασθένησης. Η περιοχή των 1.5 μm ονομάζεται χρησιμοποιείται σήμερα στις τηλεπικοινωνίες και στις ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων.

Η μονότροπη ίνα είναι η καταλληλότερη για ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων και εκεί όπου απαιτούνται υψηλοί ρυθμοί μετάδοσης. Φυσικά οι ίνες αυτές παρουσιάζουν κάποιες δυσκολίες στην εισαγωγή αρκετού φωτός στον πυρήνα τους, μια και η διάμετρος τους είναι πολύ μικρή.
Στα βασικά πλεονεκτήματα της οπτικής ίνας έναντι των άλλων ενσύρματων μέσων διάδοσης περιλαμβάνονται τα ακόλουθα:
. Οι οπτικές ίνες διαθέτουν πολύ μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνουν υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, που, με πολυπλεξία φθανουν ακόμη και τα 128 Gbit/s.
. Λογω της κατασκευής τους οι οπτικές ίνες είναι ανεπηρέαστες από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και κατά συνέπεια από εξωτερικά σήματα θορύβου. Για το λόγο αυτό βρίσκουν μεγάλη εφαρμογη σε περιβάλλοντα υψηλού ηλεκτρομαγνητικού θορύβου.
. Είναι επίσης και ιδιαίτερα ασφαλές μέσο μετάδοσης, καθώς είναι σχεδόν αδύνατη η εξωτερική επέμβαση για την υποκλοπή η την παρεμβολή των μεταφερόμενων σημάτων.
. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, τα σήματα που μεταδίδονται σε οπτικές ίνες εξασθενούν ελάχιστα σε σχέση με άλλα ενσύρματα μέσα. Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα φωτεινό σήμα μπορεί να διαδοθεί μέσω οπτικής ίνας, σε αποστάσεις μεγαλύτερες από 200 χιλιόμετρα, χωρίς τη βοήθεια αναμεταδοτών.
. Τόσο ο όγκος, όσο και το βάρος, των οπτικών ινών είναι σημαντικά μικρότερος από άλλα καλώδια. Για παράδειγμα, χάλκινο καλώδιο με εύρος ζώνης 50 MHz και μήκους 500 μέτρων ζυγίζει περίπου 4000 κιλά, ενώ το αντίστοιχο οπτικό καλώδιο ζυγίζει λιγότερο από 45 κιλά. προσφέροντας παράλληλα μεγαλύτερο εύρος ζώνης.
. Δεδομένου ότι τα οπτικά καλώδια μεταφέρουν οπτικά σήματα και όχι ηλεκτρικά, δεν παρουσιάζουν κίνδυνο σπινθήρων γι αυτό και προτιμώνται σε περιοχές υψηλού κινδύνου από σπινθήρες. Ταυτόχρονα δεν επηρεάζονται από την υγρασία, σε αντίθεση με τα χάλκινα καλώδια που η έκθεση τους σε υγρασία μπορεί να προκαλέσει βραχυκυκλώματα η το φαινόμενο της διαφωνίας.

Στα μειονεκτήματα των οπτικών ινών μπορεί να συμπεριλάβει κανείς τη δυσκολία σύνδεσης των οπτικών ινών με άλλα εξαρτήματα.
Ένα σημαντικό πρόβλημα που συναντάται είναι η ευθυγράμμιση της ίνας με τη φωτεινή πηγή του πομπού.
Είναι χαρακτηριστικό ότι και οι μικρές ακόμη αποκλείσεις στην ευθυγράμμιση αυτή μπορούν να προξενήσουν μεγάλη απώλεια του φωτεινού σήματος.