Optinen tiedonsiirto jyrää...

Optinen kuitu/valokaapeli

Aluksi valokuituja käytettiin lähinnä televerkkojen runkokaapeloinnissa, mutta vähitellen valokaapelit ovat levittäytyneet myös loppukayttäjille. Lähiverkkojen yhdyskaapeleina ja rakennusten nousukaapeleina valokuituja on käytetty jo 80-luv ulta lähtien.

Valokaapeli koostuu optisesta kuidusta, jonka materiaalina käytetään yleensä lasia. Lasi on sähköisesti eriste, joten valokaapeli on immuuni elektromagneettisille häiriöille, kuten radioaalloille tai salaman iskuille. Valokuidut eivät myöskään aiheuta elektromagneettisia häiriöitä tai säteile ulospäin, eivätkä näin myöskään aiheuta ylikuulumista. Näin optiset järjestelmät sopivat hyvin mm. häiriöllisiin teollisuusympäristöihin.

Kuparikaapeleihin verrattuna valokuiduilla on monia etuja. Vaikka kuidut ovat hiuksenohuita, päästään esimerkiksi nelikuituisella valokaapelilla parempaan siirtokapasiteettiin kuin 800-parisella kuparikaapelilla. Valokaapelien siirtohäviöt ovat oleell isesti pienemmät kuin parhaidenkaan kuparikaapelien. Signaalin vaimentuessa kaapelissa, sitä täytyy aika-ajoin vahvistaa. Vahvistaminen vaatii vahvistinlaitteita, kaapelikaivoja ja sähköenergiaa, mikä taas lisää kustannuksia. Valokaapeleilla päästää kupar ikaapeleita huomattavasti suurempiin toistinväleihin, nykyisin jopa satoihin kilometreihin. Vahvistimien tarvetta valokaapeleillakin on tarpeen sekä pitkillä yhteysväleillä että optisen signaalin haaroituksessa. Parhaita sovelluskohteita kuituoptisille va hvistimille ovat haaroittuvat kaapelitelevisiojärjestelmät sekä merenalaiskaapelit ja pitkät toistinvälit yleensä.

Muovikuidut poikkeavat lasikuidusta vaimennusominaisuuksiltaan huomattavasti. Muovikuiduilla valonlähteenä käytetään ihmissilmällekin näkyvää punaista valoa, jonka aallonpituus on 650 nanometriä.

Vaimennus

Valokaapelin vaimennus tarkoittaa valosignaalin menettämää tehoa sen siirtyessä optista kuitua pitkin. Valokuitujen vaimennus riippuu aallonpituudesta ja yleisesti ottaen vaimennus pienenee aallonpituuden kasvaessa. Vaimennusta valok uidussa aiheuttaa kuitu itse sekä valokaapelien väliset liitokset. Itse kuidun aiheuttama vaimennus syntyy valon absorpoitumisesta ja sironnasta sekä kuidun taivutushäviöstä.

Valokuiduissa käytettävä lasi- ja kvartsimateriaali ovat erittäin puhtaita, mutta käytännössä siihen jää aina pieniä määriä epäpuhtauksia. Nämä epäpuhtaudet aiheuttavat lasikuidusta poikkeavaa ominaisvärähtelyä tai värähtelyn kerrannaisvaikutusten koh dalle absorptiopiikin. Nämä piikit näkyvät kuidun absorptiospektrissä alla olevassa kuvassa (Kuva 2). Ns. vesipiikin (n. 1400 nm) aiheuttavat kuidun valmistusvaiheessa siihen päässeet OH- - eli hydroksidi-ionit. Pikillä aallonpituuksilla 155 0 nm jälkeen alkaa kuidun vaimennus jälleen kasvaa kvartsin oman molekyylivärähtelyn aiheuttaman absoption johdosta.

Kuvaajasta voidaan nähdä absorptiopiikkien väleissä kolme mielenkiintoista aluetta eli transmissio ikkunaa, joita siirtotekniikassa käytetään eniten hyväksi. 1310 ja 1550 nanometrin ikkunat osuvat alueelle, jossa lasikuidun vaimen nus on matalimmillaan. 850 nanometrin ikkunaa käytetään optoelektronisista syistä, koska tälle taajuusalueelle on saatavissa edullisesti sekä lähettimiä että vastaanottimia.

Kuva 1. Vaimennus eri aallonpituusalueilla.

Historiaa

Kuva 2. Valokaapelijärjestelmien kehitys 1975-2000.

Valon hyväksikäyttäminen viestinnässä on ollut ihmiskunnalle tuttua jo kauan ja monissa eri muodoissa. Ajatellaanpa vaikka muinaisten laivojen ohjaamista turvallisesti satamaan majakkatulien avulla tai intiaanien lähettämiä savumerkkejä.

Vuonna 1794 Ranskassa otettiin käyttöön optisen lennättimen linja, jonka kehitti Claude Chappen. Suomalaissyntyinen Abraham Edelcrantz kehitti siitä version, jonka linja ulottui vuonna 1796 Ruotsista Ahvenanmaalle. Suomen puoleiset asemat tuhoutuivat Suomen sodassa vuonna 1808.

Vuotta 1966 pidetään yleisesti kuituoptiikan teknologisena käännevuotena. Silloin julkaistiin Englannissa tieteellinen artikkeli, jossa ensi kertaa osoitettiin mahdollisesksi valmistaa lasista tietoliikennetarpeiden kannalta riittävän pienivaimennu ksista kuitua. Samoihin aikoihin saatiin kehitetyksi myös ensimmäiset jatkuvatoimiset puolijohdelaserit, joten kaikki tarvittavat komponentit järjestelmien toteuttamiseen olivat kasassa.

Optisen tiedonsiirron kaupallinen soveltaminen alkoi vuonna 1970, kun Corning Glass Work valmisti optisen kuidun. Tällöin kuidun vaimennus oli alle 20 dB/s. Optisesta kuidusta tuli kilpailija koaksiaalikaapelille. Kehitys eteni nopeasti ja vuonna 1973 kuidun vaimennus oli vain 4 dB/s (vrt. 1970: 20dB/s). Ensimmäinen valokaapeli otettiin käyttöön USA:n puolustusvoimissa vuonna 1973. Ensimmäinen puheliverkon valokaapeli otettiin käyttöön USA:ssa vuonna 1976. Suomessa valokaapeli otettiin käyttöön vuonna 1979.

1980-luvulla valokaapelin käyttö laajeni kaukoverkon ja yhdysverkon sovelluksista rakennusten väliseen kaapelointiin ja saman vuosikymmenen lopulla myös rakennusten nousukaapelointiin. 1990-luku on optisen tilaajaverkon rakentamisen aikaa.

Viimeisen viidentoista vuoden aikana valokaapelin käyttö on lisääntynyt jatkuvasti. Valokaapelista ja sen sovelluksista on tullut arkipäivää tiedonsiirrossa. Tietoliikenne- ja paikallisverkkosovellusten lisäksi valokaapelia käytetään laajasti myös mui lla sovellusalueilla.

Optisen tiedonsiirron ominaispiirteet sekä edut ja haitat

Optisella tiedonsiirrolla on ylivoimaisia ominaisuuksia sähköiseen tiedonsiirtoon verrattuna sekä itse siirtotekniikan kannalta, että myös valokaapelin muiden ominaisuuksien ansiosta. Optisten kuitujen käytössä on myös muutamia rajoituksia, mutta edut ovat näitä rajoittavia ominaisuuksia huomattavasti suurempia ja moninaisempia.

Edut

Tiedonsiirtokyky optisella kuidulla on valtavan suuri, mikä johtuu valokaapelin:

pienestä vaimennuksesta (0,5dB/km 1300nm ja 0,2dB/km 1550nm alueella). Vaimennuksen arvot ovat samat kuin pelkän valosignaalin sironnan rajoittamat teoreettiset vaimennukset.

suuresta kaistanleveydestä, mikä ilmoittaa suurimman siirrettävän taajuuden ja riippuu kuidun ominaisuuksista.




• Tietoturvallisuus on optisissa järjestelmissä erittäin hyvä, joten niillä voidaan rakentaa luotettavia yhteyksiä ja palveluita.

• Taloudellisuus ja luotettavuus ovat optisille siirtojärjestelmille ominaisia. Edullinen hintakehitys edistää kuidun taloudellista käyttöä. Lisäksi taloudellisuus lisää entistä enemmän optisen tiedonsiirron tulevaisuudennäkymiä tiedonsiirron tarpeen lisääntyessä.

• Pienistä ja keveistä kuiduista saadaan pieniä ja keveitä kaapeleita. Tämän vuoksi kuitujen käsitteleminen ja asentaminen on helppoa.

Haitat

Optisen kuidun pieni koko ja sen materiaali lasi tuovat mukanaan myös joitakin haittatekijöitä. Ohuen kuidun käsittely vaatii tarkkuutta ja huolellisuutta. Lasi on materiaaliominaisuuksiltaan hyvin erilainen kuin metallit, koska sillä ei juurik aan ole elastisia ominaisuuksia. Optisia kuituja ei voi taivuttaa kovin jyrkästi ja kuidun kaarevuussäteen tulee olla ainakin 10 cm. Lasin käyttäytyminen tunnetaan kuitenkin hyvin, eikä ongelmia tule, mikäli lasin ominaisuudet otetaan huomio on asianmukaisilla suojarakenteilla ja oikealla käsittelyllä.

Kehitystrendit

Kuva 3. Kuituoptisten tietoliikennesysteemien kehitys Japanissa. Kehitys on ollut hyvin samanlainen USA:ssa ja johtavissa Euroopan maissa.

Tiedonsiirron vallitsevat kehitystrendit ovat optisen kuidun lähestyminen loppukäyttäjää (kotia, koulua tai toimistoa) sekä langattomien järjestelmien nopea kehitys ja lisääntyminen. Nämä kaksi eri perustekniikkaa eivät sulje toisiaan pois, vaan täydentävät ja monipuolistavat tiedonsiirtopalveluiden kokonaistarjontaa. Vaikka valokaapeli soveltuu luonnollisesti vain kiinteään "lankaverkkoon", voidaan sitä käyttää myös langattoman tiedonsiirron osana. Matkapuhelinverkoissa ainoastaan matkapuh elimen ja tukiaseman välinen yhteys, joka on useimmiten vain muutamia kilometrejä, muodostetaan radioteitä käyttäen.

Internet-verkon suosio on ylittänyt kaikki odotukset ja sen tarjoamat palvelut lisääntyvät ja monipuolistuvat koko ajan. Lisääntyvä vipinä verkossa asettaa yhä kasvavia vaatimuksia asiakasliittymän ja verkon kapasiteetille. Nykyisin tunnetuista tekniikoista vain optinen kuitutekniikka pystyy vastaamaan yhä kasvavien siirtotarpeiden asettamiin haasteisiin. Valokaapeli mahdollistaa laajakaistaisen tiedonsiirron suurta siirtonopeutta vaativine palveluineen. Ääni, liikkuva kuva, teksti ja nopea dat a sekä näiden yhdistelmistä koostuvat erilaiset multimediapalvelut siirtyvät parhaiten juuri optista kuitua pitkin ja kuidun kapasiteetti riittää pitkälle tulevaisuuteen sovelluksia ajatellen.

Koska tiedonsiirtonopeudet kasvavat jatkuvasti, valokaapelilla on pitkä elinkaari edessään. Nopeus 10 Gbit/s kuidussa on jo todellisuutta ja 80 Gbit/s yhteyksiä on toteutettu. Tutkimuksen kohteena oleva solitonitekniikka lupailee jopa terabittien nope uksia.

Lähteet