Optické vlákno

Optické vlákno

Přenos dat pomocí optických vláken nabízí řadu výhod. Umožňuje vysoké přenosové rychlosti až 40 Gbit/s na mnohakilometrové trasy, neovlivňuje paralelně položená vedení a je zároveň odolný vůči elektromagnetickým vlivům. Různé druhy vláken (POF, PCF, GOF) a kategorie vláken (OM1 až OM5 a OS2) umožňují koncepty kabeláže vytvořené na míru specifickým požadavkům.

Princip optického přenosu dat

Princip optického přenosu dat

Výhody přenosu pomocí optických vláken

Optická vlákna (anglicky Fiber Optics (FO)) přenáší data ve formě světla na dlouhé vzdálenosti. Elektrické signály se u vysílače mění na optické signály a pomocí umělých nebo optických vláken jsou zaslány k příjemci. Tam se přenesené světelné signály opět mění na elektrické signály, jsou vyhodnoceny a dále zpracovány. Kabely a vedení jsou až o 90 % lehčí a tenčí než měděné kabely, a přesto umožňují větší přenosové vzdálenosti a rychlosti 40 Gbit/s nebo i více. Současně nejsou zapotřebí žádné nákladné koncepty stínění, protože díky přenosu bez kovu přetrvá absolutní necitlivost vůči rušivým vlivům elektromagnetické kompatibility a elektrostatického výboje. Použití materiálu a s tím spojené náklady na pasivní kabeláž jsou většinou nižší než náklady na měděnou kabeláž. Kromě toho poskytují velké šířky přenosového pásma s vysokou hustotou signálu možnost pomocí stejného optického vlákna přenášet několik signálů v různých vlnových délkách (tzv. multiplexing).

Přenos dat v počítačovém centru

Kabeláž z optických vláken optimalizuje přenos dat v počítačovém centru

Použití optických vláken

Ať už se jedná o krátké, střední, nebo dlouhé vzdálenosti, rychlosti menší než 100 Mbit/s, nebo do 40 Gbit/s, nebo ve sběrnicových nebo ethernetových strukturách: pro prakticky každý požadavek v průmyslové a poloprůmyslové automatizaci existuje vhodný kabel pro přenos dat pomocí vláken. Dokonce i při použití za náročných podmínek např. ve farmách větrných elektráren plní optická vlákna spolehlivě svoji úlohu.
Oblasti použití proto sahají od dopravní techniky a průmyslové kabeláže přes síť LAN v datových centrech až po prostorově rozsáhlé sítě. Pro kabeláž je rozhodující výběr správného druhu a správné kategorie vlákna.

Průměr jádra vlákna a pláště u optických vláken

Srovnání různých průměrů jader vlákna a pláště

Vhodná vlákna pro každou aplikaci

Každý druh vlákna je vhodný pro jinou oblast použití. Čím menší je vnější průměr vlákna, tím jemněji se vlákno chová při osazení. V důsledku fyzikálního působení dosáhneme s menšími průměry jader vlákna vyšších přenosových rychlostí a vzdáleností.

  • POF (Polymer Optical Fiber): Kabely POF mají jádro i plášť (Cladding) z plastu. Obvyklý průměr jádra činí 980 µm a průměr pláště 1 000 µm. S krátkými přenosovými vzdálenostmi do 70 m a rychlostmi do 100 Mbit/s, v závislosti na aktivní komponentě, se POF kabely používají pro kabeláž v dopravní technice nebo pro průmyslovou kabeláž. Díky robustnosti a velikosti vláken ji lze v poli snadno osadit. Pro svůj vysoký útlum a disperzi není tento typ vlákna vhodný pro velké přenosové rychlosti a vzdálenosti.

  • PCF (Polymer Clad Fiber): V případě PCF se jedná o optická vlákna ze skla s plastovým povlakem. Kabely, známé pod různými označeními jako PCS (Polymer Clad Silica), HCS (Hard Clad Silica) a HPCF (Hard Polymer Clad Fiber), jsou robustní a lze je snadno osadit. S PCF vlákny s typickým průměrem jádra 200 µm a průměrem pláště 230 µm se můžeme často setkat v průmyslové kabeláži u středních délek do 300 m a přenosových rychlostí zpravidla ≤ 100 Mbit/s. Dalšími oblastmi použití jsou automobilový průmysl, senzorika a zdravotnická technika.

  • GOF Multimode (Glass Optical Fiber): Optické vlákno má jádro z taveného křemene obklopeného obkladovou vrstvou z antireflexního skla. Průměr jádra kabelů Mulimode činí 50 µm, resp. 62,5 µm. Větší průměr umožňuje vazbu většího množství světelné energie na začátku vlákna, současně však vzniká vyšší útlum po celé délce vlákna. Vlákna Multimode se proto používají především v Local Area Networks (LANs) a počítačových centrech, kde je možné dosáhnout až 550 m s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s.

  • GOF Singlemode: Vlákna Singlemode mají výrazně menší průměr jádra – cca 8 µm. U vláken Singlemode se rozlišují pojmy průměr jádra a průměr pole vidu. Průměr pole vidu je závislý na vlnové délce. Čím větší je vlnová délka, tím větší je průměr pole vidu. Protože vlákno přenáší pouze světelný režim, může být do vlákna napájen a přenášen velmi vysoký výkon. Koeficient útlumu vlákna je v rozsahu přenosu velmi nízký. Malý útlum a malá disperze tvoří ideální předpoklady pro použití vláken Singlemode na vzdálenosti až 50 km a pro přenosové rychlosti např. 40 Gbit/s.

Kategorie vláken OM1, OM2, OM3, OM4 pro vlákna Multimode a OS1 a OS2 pro vlákna Singlemode stanovuje mezinárodní norma ISO/IEC 11801. Tyto kategorie uvádí, které přenosové frekvence a hodnoty útlumu vlákno vykazuje. Díky stále se zvyšujícím přenosovým frekvencím roste i počet budoucích kategorií, např. OM5 pro přenosové rychlosti do 400 Gbit/s.

Útlum u optických vláken

Příčiny, které mohou vést k útlumu u optických vláken

Ztráty u optických vláken

Útlum znamená ztrátu světelného výkonu, ke které dochází při přenosu světla od vysílače k příjemci. Cílem je, aby byla světelná energie k příjemci přenesena s co nejmenším útlumem. Rozlišujeme mezi útlumem, který se vyskytuje na konkrétním místě, a útlumem vztahujícím se na délku, tj. koeficientem útlumu. Koeficient útlumu se pro optická vlákna vztahuje na délku 1 km.

  • Ztráty vložení a vazby: Ke ztrátám vložení a vazby může dojít při vazbě světla do vlákna – jak od vysílače, tak při spojení pomocí zásuvných a spojovacích prvků na trase a u příjemce. Příčiny tohoto druhu ztráty jsou různé. Často se jedná o znečištění čelních povrchů konektorů. Vazba různých průměrů jádra v propojení vede ke ztrátám. Propojení pomocí fúzního spojování vykazují velmi malý útlum a pohybují se pod hodnotou 0,1 dB. Podélná, průřezová a úhlová vychýlení konců vlákna mohou rovněž vést k útlumům. Škrábance a zálomy na čelních površích nezpůsobují jen zvýšení útlumu, ale jejich následkem může navíc dojít k poškození na propojené protější straně čelního povrchu. Také montážní chyby, např. zářez zvenku na optickém vlákně během montáže, mohou vést k útlumu, nebo dokonce k pozdějšímu zlomení.

  • Ztráty ohybem: Pro optická vlákna uvádějí technické listy minimální poloměry zakřivení. Při jejich nedosažení vznikají ztráty a útlum se odpovídajícím způsobem zvyšuje. Část světla z jádra uniká. Nedávno byla vyvinuta GOF vlákna pro oblast Multimode a Singlemode, která lze ohnout velmi těsně. S těmito vlákny s menší citlivostí při ohýbání je možné dlouhodobě vytvářet poloměry zakřivení menší než 10 mm. Vlákna jsou specifikována v příslušných mezinárodních normách řady IEC 60793-x a ITU-Tx. Výhodou je pokládka při špatných instalačních podmínkách v budovách, bytových jednotkách a průmyslovém prostředí.

  • Ztráty z důvodu výroby: Útlum může postihnout také materiál k výrobě optického vlákna a výrobní proces. Příčiny mohou spočívat v materiálu nebo mohou být vyvolány např. nečistotami. Optická vlákna se vyrábí tak, aby byla optimalizována pro určité rozsahy vlnové délky. V těchto rozsazích vlnové délky je útlum co možná nejmenší. Koeficienty útlumu, které platí pro tyto vlnové délky, jsou uvedeny v technických listech. Optická vlákna mají pracovat v rámci těchto rozsahů.

Disperze u optických vláken

Derfomace signálu během cestry od vysílače k přijímači

Vliv disperze

Přenosové rychlosti a přenosové frekvence optických vláken jsou navíc omezeny disperzí. Disperze je deformace signálu. Signál ztrácí během cesty od vysílače k přijímači svoji výšku a hrany stále odpadávají. Pokud se dva signály seběhnou za sebou, nemůže přijímač již rozpoznat, zda se jedná o jeden, nebo dva signály. Tak dochází k chybám v přenosu. Čím vyšší je přenosová frekvence a čím delší je propojení, tím důležitější je zaměření na malou disperzi. Právě u dlouhých tras Singlemode jde o faktor, který rozhoduje o spolehlivé a bezchybné kvalitě přenosu.

Portfolio optických vláken od společnosti Phoenix Contact

Rozsáhlý produktový program pro optickou kabeláž

Produkty pro optickou datovou kabeláž

Společnost Phoenix Contact nabízí široké produktové portfolio pro optickou kabeláž. Kromě velkého výběru kabelů a odpovídající technologie připojení doplňují program připojení přístroje, propojovací panely, spojky a rozvaděče pro nosné lišty.

  • Přenosové rychlosti až 40 Gbit/s
  • Řešení IP20, IP65/67 a IP68
  • Pro všechny běžné druhy vláken
  • Pro běžná rozhraní
  • Maximální bezpečnost vůči vlivům elektromagnetické kompatibility a elektrostatického výboje