TKK | Tietoverkkolaboratorio | Opetus Ylaosa

Optinen tiedonsiirto

Johdanto
Historia
Tulevaisuuden näkymät
Tekniikkaa
Tekijät
Viittaukset



Optista tiedonsiirtoa on toki kaikkialla jokapäiväisessä elämässä. Useimmille meistä näkö on se tärkein aisti, ja käytämme sitä soveltaen. Optisesti tietoa siirtävät toki majakat ja television kuvaruudut verkkokalvoillemme. Näköhavainnot ovat kuitenkin enemmän biologiaa kuin tekniikkaa. Jätetään sellaiset ennemmin biologeille tai psykologeille, ja otetaan tarkasteltavaksi optiset kuidut, ja kuinka se valo niissä kulkee.

Optisia kuituja käytetään tiedonsiirtoon yhä enenevässä määrin, uudet kaapelit siirtävät tietoa harvoja poikkeuksia lukuunottamatta valon muodossa. Miksi näin? Mikä tekee optisista kuiduista ylivertaisia vaikkapa kuparikaapeleihin verrattuna?

Optisilla kuiduilla päästään helposti jopa muutamien satojen kilometrien toistinväleihin, eli informaatiosignaalia täytyy vahvistaa huomattavasti harvemmin kuin perinteisissä kuparikaapeleissa kulkevaa signaalia. Näin valokaapelista ulos saatavan signaalin laatu varsinkin pitkillä matkoilla on parempi kuin perinteisissä kaapeleissa. Matkalla mukaan ilmestyvää kohinaakaan ei tarvitse vahvistaa kovin montaa kertaa.

Optisten kuitujen toiminta eli tiedonsiirtokyky perustuu valon. Kokonaisheijastus tapahtuu valon tullessa sopivassa kulmassa optisesti tiheämmästä aineesta optisesti harvempaan aineeseen, esimerkiksi vedestä tai lasista ilmaan. Optisesti tiheämmällä aineella tarkoitetaan ainetta, jossa valo kulkee hitaammin, ja aineen optinen tiheys ilmaistaan taitekertoimella n, joka on tyhjiölle (ja käytännössä myös ilmalle - ero ei ole merkittävä) 1, optisesti tiheämmille materiaaleille suurempi.

Metallikaapeleissa jännitteenä ja virtana kulkeva informaatio vaimenee jatkuvasti, kun monet tekijät, esimerkiksi johdon resistanssi, aiheuttavat energiahäviöitä.

Näin käy valokuidussakin, mutta saman vaimennuksen aikansaamiseksi matkaa tarvitaan enemmän.

Kokonaisheijastuksessa valo sananmukaisesti heijastuu kokonaan aineiden rajapinnasta. Tällöin informaatio - joka optiseen kuituun laitetaan kulkemaan siis valopulsseina - tulee toisesta päästä ulos periaatteessa vaimentumatta.

Vaimennusta aiheutuu kuitenkin muista seikoista. Kuitumateriaalin molekyyleillä on ominaisvärähtelytaajuudet, ja näillä taajuuksilla ja niiden monikerroilla olevia aallonpituuksia absorpoituu signaalista pois. Toinen vaimennustekijä on sironta, eli valon hajautuminen satunnaisiin suuntiin. Sironta johtuu materiaalin satunnaisista pienistä tiheyden muutoksista eli satunnaisesti muuttuvasta taitekertoimesta, sekä myös kuidussa olevista kuplista, murtumista, jännityksistä ja epäpuhtauksista. Jännitykset ja murtumat aiheutuvat tavallisesti kuidun taivutuksesta. Kuidut ovat myös äärellisen mittaisia; valmistuspituus on kilometrin luokkaa. Liitoskohtia ei nykyisellä tekniikalla saada tehtyä niin siististi, ettei myös liitoksista aiheutuisi hieman ylimääräistä sirontaa.
 

Myöskään sähkömagneettiset häiriöt eivät tee kiusaa valona kulkevalle tiedolle.

Metallikaapeleita käytettäessä on täytynyt aina huolehtia tarkasti sähköisestä eristyksestä, eristää johdot niin toisistaan kuin muistakin mahdollisista sähköisistä häiriölähteistä. Optisia kuituja sen sijaan voidaan laittaa nipuiksi huoletta, ja ne voi sijoittaa melko rauhassa mihin vain, tarvitsematta miettiä, missäköhän sijaitsee mahdollisia häiritseviä lähteitä. Valo seuraa kuidussa omaa reittiään riippumatta ulkoisista sähkökentistä.

Vaikka sähköistä eristystä ei tarvitakaan, täytyy optiset kuidut silti eristää muusta maailmasta. Kuitujen halkaisija on suhteellisen pieni: 0,1mm-1mm. Tällaiset kuidut yksinään ovat hentoutensa vuoksi helposti fyysisti vahingoittuvia - ne ovat alttiita murtumille ja kolhuille, roudalle jne., niinpä ne suojataankin hyvin, usein sijoittamalla joko geelitäytteisiin putkiin tai paksun (halkaisija muutama senttimetri) "runkokaapelin" pinnalla sijaitseviin uriin.

Valokuitujen kaistanleveys on huomattavasti suurempi kuin metallijohtimilla. Kuiduillakin on kuitenkin omat rajoituksensa. Jotta valo kokonaisheijastuu, valon tulokulman  on oltava sopivan kokoinen. Kaikkia vaolonsäteitä ei kuitenkaan saada menemään kuituun täysin yhdensuuntaisina. Eri kulmissa kuituun saapuneet säteet kulkevat kuidussa eri pituisen matkan, saapuvat vastaanottimeen eri aikaan, ja näin kuituun lähetetty pulssi leviää matkalla. Tätä hajaantumista sanotaan dispersioksi.

Dispersio on eri suuruinen eri tyyppisillä kuiduilla.

Vanhin kuitutyyppi on askeltaitekertoiminen kuitu, jossa taitekerroin muuttuu kerralla kuidun ytimen ja kuoren välisellä rajalla. Tässä kuitutyypissä dispersio on suurin. Dispersion pienentämiseksi on kehitetty uusia kuitutyyppejä. Asteittaistaitekertoimisessa kuidussa taitekerroin muuttuu pikkuhiljaa ytimen ja kuorn välillä. Valo kulkee tulokulmastaan riippumatta suurinpiirtein sinikäyrän muotoista rataa. Säteet, jotka tulivat kuidun suuntaan nähden pienemmässä kulmassa, ohjautuvat lyhyemmille radoille keskelle kuitua mutta toisaalta  kulkevat hitaammin kuin ne säteet, jotka tulevat kuidun suuntaan nähden jyrkemmässä kulmassa. Näin ulostullut pulssi on huomattavasti terävämpi kuin askeltaitekertoimisessa kuidussa.Näitä kuitutyyppejä sanotaan monimuotokuiduiksi ulostulevien säteiden erilaisten vaiheiden vuoksi.

Kolmas kuitutyyppi on yksimuotokuitu, joka saadaan, kun kuidun ytimen halkaisijaa pienennetään  niin, että se on vain muutama aallonpituuden monikerta (muutamia mikrometrejä) ja tehdään taitekerroinero ytimen ja kuoren välillä hyvin pieneksi (muutama promille). Näin vain todella pienet heijastuskulmat ovat mahdollisia, ja voidaan ajatella, että kaikki kuidussa kulkevat säteet ovat siten samanvaiheisia.

Yksimuotokuitujen ominaisuudet ovat huomattavasti paremmat kuin asteittaiskertoimisen kuidun, ja vastaavasti asteittaiskertoimisen kuidun ominaisuudet ovat huomattavasti paremmat kuin askeltaitekertoimisen kuidun. Yksimuotokuidut ovat kuitenkin monimuotokuituja kalliimipia sekä valmistaa että käyttää, koska kuitujen liittäminen toisiinsa on pienen ytimen halkaisijan vuoksi hankalaa ja vaatii kalliita liitoskomponentteja.
 

Kuitujen materiaalina käytetään joko kvartsilasista tai akryylimuovista (POF, plastic optical fiber). Muovikuiduista voidaan tehdä halkaisijaltaan suurempia (0,75mm-1mm), jolloin niiden käsitteleminen on helpompaa kuin lasikuitujen(0,1mm-0,2mm). Muovikuitujen ongelmana on kuitenkin tyypillisesti suuri vaimennus, minkä vuoksi niitä käytetään usein lähiverkoissa, kun siirtomatkat ovat maksimissaan muutamia satoja metrejä.
 

Haasteita optiseen tiedonsiirtoon tuovat myös valolähteet ja vastaanottimet: mistä saada valonlähteitä, jotka pystyvät tuottamaan hyvin kapeakaistaista valoa, ja joiden valoa vielä voidaan nopeasti moduloida? Entä millä laitteilla havaitaan virheettömästi intensiteetiltään heikko ja kestoltaan minimaalinen valopulssi?

Tämä sivu on tehty Teletekniikan perusteet -kurssin harjoitustyönä.
Sivua on viimeksi päivitetty 23.01.2001 16:57
URL: http://www.netlab.tkk.fi/opetus/s38118/s00/tyot/39/tekniikka.shtml