OPTIČKE TELEKOMUNIKACIJE

Istorijat

Najprimitivnije optičke komunikacije bile su one posredstvom ljudskog oka. Izvori svetlosti su bili Sunce ili vatra, prenosni medijum vazduh, a prijemnik ljudsko oko. Prvi naučni pokušaj provođenja svetlosti kroz dielektrik izveo je John Tyndall 1870. godine propuštajući svetlost kroz mlaz vode.

Slika 1. Pretpostavke u vezi sa eksperimentom Slika 2. Rezultat eksperimenta

Kao rezultat, možemo da zaključimo sledeće: svetlost može da se kreće kao na slici 3, prateći zakrivljenosti svetlovoda:

Slika 3. Kretanje svetlosti u svetlovodu

Primenu optike u današnjem smislu pokrenuo je izum lasera 1960., i nakon nekoliko godina, prvih optičkih vlakana. Optičko vlakno je tanka staklena nit sačinjena od silicijuma. Staklo koje se koristi ima izuzetnu Čistoću, ne može se ni uporediti sa staklom na koje smo navikli. Staklo debljine nekoliko kilometara ima providnost običnog prozorskog stakla debljine 3-4mm.

Svetlost putuje kroz stakleno vlakno zahvaljujući pojavi koja se naziva totalna unutrašnjarefleksija. Relacije kojima je opisano zarobljavanje svetlosti unutar ravne staklene ploče izveo je Fresnel još 1820. godine. 1966. godine Charles Kao i Georges Hockham utvrdili su da veliki gubici u optičkom vlaknu teoretski nastaju zbog malih nečistoća unutar stakla, a ne zbog unutrašnjih ograničenja samoga stakla. Procenili su da se gubici svetlosti koja putuje vlaknom mogu drastično smanjiti, sa 1000 db/km na manje od 20 db/km.

Zahvaljujući otkriću Charlsa Kaoa i Georgea Hockmana 1970. godine počeo je vrlo intenzivan razvoj optičkih komunikacija kada je tim stručnjaka iz kompanije “Corning Glass” proizveo optičko vlakno dužine stotinu metara. 1976. god. započelo je eksperimentalno korišćenje optičkih vlakana u telefonskim sistemima Atlante i Chicaga, a 1984. godine pušteno je rad optičko vlakno kompanije AT&T povezujući Boston i Washington.

1988. godine je postavljen prvi transatlantski optički kabel, sa pojačavačima na udaljenostima od 64 km. Tokom osamdesetih godina uloženi su ogromni napori da se otklone problemi vezani za popravku prekinutih optičkih kablova i da se poboljša tehnika njihovog postavljanja. 1991. godine prikazani su optički pojačavači koji su ugrađeni u same optičke kablove i koji su u stanju da obezbede 100 puta veći kapacitet od sistema sa elektronskim pojačavačima. 1996. godine postavljeni su kablovi sastavljeni isključivo od optičkih vlakana i preko Tihog okeana.

Optički komunikacioni sistem prikazan je na slici 4.

Slika 4. Blok šema optičke komunikacione mreže

Prenosni medijum čini optičko vlakno na čijim se krajevima nalaze odgovarajući priključci (konektori) koji obezbeđuju povezivanje predajnika i prijemnika sa optičkim vlaknom. Predajnik generiše signal koji je prilagođen prenosu kroz optičko vlakno. Prijemnik detektuje oslabljenu i zašumljenu poruku i konvertuje je u formu potrebnu krajnjem korisniku.

Najvažnije osobine optičkog komunikacionog kanala jesu:

• veliki informacioni kapacitet (ogroman propusni opseg svetlovoda),

• mala podužna slabljenja signala u sistemu,

• otpornost na različite smetnje elektromagnetne ili radiofrekvencijske prirode usleddielektričnog karaktera svetlovoda,

• relativno mali gabariti i masa elemenata prenosnog sistema koji su posledica kratkihtalasnih dužina iz optičkog spektra, kao i

• zaštićenost od ometanja i prisluškivanja.

U malobrojne mane primene optičkih vlakana mogu se ubrojati:

• relativno visoka cena kablova, kablovskog pribora i linijske opreme, kao i

• velika osetljivost na mehanička dejstva.

Danas optička vlakna prenose preko 85% ukupnog saobraćaja.

Priroda svetlosti

Svetlost je veoma interesantna prirodna pojava. Osnovna priroda svetlosti još uvek je obavijena velom tajne. Svetlost se tumači na različite načine kako bi se objasnili različiti eksperimenti i opažanja. Nekada se svetlost ponaša kao talas a nekada se svetlost ponaša kao

čestica. Svetlosni talasi imaju mnogo veću učestanost od radio talasa, ali oni se povinuju istim zakonima i dele mnoge karakteristike.

Svi elektromagnetski talasi sadrže električna i magnetska polja koja putuju veoma brzo. Uslobodnom prostoru elektromagnetski talasi putuju brzinom od 3*10/8m/s. Ova brzina, a obeležavamo je sa c, odgovara brzini prostiranja talasa u vakuumu, a sasvim približno i u atmosferi.

U čvrstom materijalu, ova brzina se razlikuje i zavisi od materijala i geometrije vodeće strukture. Talasna dužina svetlosnog snopa data je izrazom

λ = c/f

gde je c brzina snopa, a f njegova frekvencija.

Frekvenciju određuje izvor svetlosti i ona se ne menja kada svetlost prelazi iz jednog materijala u drugi. Umesto toga, razlika u brzini prostiranja u dve sredine izazvaće promenu talasne dužine u skladu sa gornjom jednačinom. Vidljiva svetlost ima talasne dužine u opsegu od 380nm (ljubičasta boja) do 720nm (crvena boja). Staklena vlakna nisu dobri prenosioci svetla u vidljivom delu spektra. Zbog njihovog velikog slabljenja mogući su samo kratki prenosni putevi.Gubici optičke snage u ultraljubičastom delu spektra su čak i veći. U infracrvenom delu (IR na slici 6) imamo tri opsega učestanosti u kojima je vodljivost svetla relativno efikasna. To su opsezi oko talasnih dužina od 850nm, 1.300nm i 1.550nm i često ih nazivamo optičkim prenosnim prozorima.

Prelamanje svetlosti; Snelov zakon

Svetlost ima najveću brzinu u vakuumu, c = 3⋅108m/s. U drugim medijima brzina je manja.

Indeks prelamanja definiše se kao odnos brzina svetlosti u vakuumu i sredini za koju se određuje indeks:

vn = c

gde je v brzina svetlosti u posmatranom materijalu. Za staklo indeks prelamanja ima vrednosti između 1,4 i 1,5. Međutim, indeks prelamanja ima i sasvim male promene u zavisnosti od talasne dužine svetlosti. Ova osobina ilustrovana je u nastavku teksta, na slici 22. Značaj ove osobine objašnjen je u poglavlju u kom se govori o materijalnoj disperziji.

Optičko vlakno kao svetlovod

Optičko vlakno je cilindrična struktura koja se sastoji od dva koncentrična sloja,

• unutrašnjeg, koji se naziva jezgro, i

• spoljašnjeg, koji se naziva omotač (slika 10).

Slojevi su načinjeni od stakla ili plastike, a nekad od njihovih kombinacija. Slojevi imaju različit indeks prelamanja. Indeks u jezgru n1, treba da bude veći od indeksa prelamanja u omotaču n2, da bi došlo do potpunog odbijanja svetlosnog zraka ka centru jezgra. Omotač se radi veće zaštite vlakna presvlači još jednim slojem od polietilena. Taj spoljašnji sloj se naziva primarna zaštita i nema uticaja na optičke karakteristike vlakna (ne utiče na prenos svetlosnog signala).

Slika 5. Izgled optičkog kabla – 3D i poprečni presek optičkog vlakna sa promenom indeksa prelamanja (bez primarnog omotača)

Vlakna

Tipične dimenzije vlakna

Optičko vlakno proizvodi se u standardizovanim dimenzijama. Ove dimenzije zavise od vrste vlakna i prikazane su na slici 10, za monomodno vlakno i nekoliko varijanti multimodnog vlakna sa raznim profilima indeksa prelamanja. Njihove osobine i primena nabrojane su u tabeli 2.

Slika 6. Karakteristične dimenzije jezgra i omotača optičkih vlakana (dimenzije su u μm)

Tabela 2. Osobine vlakana sa slike 6. i njihova namena:

Tipovi vlakna

Prema materijalu od koga su izrađena, optička vlakna se dele na:

• staklena optička vlakna, jezgro i omotač izrađeni od SiO2, mali gubici, veliki propusniopseg i male dimenzije.

• plastična vlakna, cela načinjena od plastične mase, veliki prečnici (480/500,735/750 i980/1000), veliko slabljenje i mali propusni opseg. relativno niske cene, ali i velikoslabljenje,

• PCS (Plastic-Clad-Silica) vlakna, jezgro načinjeno od dopiranog SiO2, omotač odplastike, slabljenje i cena koja su kompromis prethodna dva tipa.

Posebno je važna podela optičkih vlakana prema broju modova koji se prostiru kroz jezgro. Prema broju modova razlikujemo:

• multimodna vlakna (multimode fiber MM), kroz čije se jezgro prostire više modova(stotine, čak i hiljade) i

• monomodna vlakna (single-mode fiber SM), kroz čije se jezgro prostire samo jedanmod.

Mod je pojam koji je veoma teško definisati na jednostavan način. Radi se o kombinaciji električnog i magnetskog talasa koji se zajedno kreće kroz vlakno. Zbog graničnih uslova koji se javljaju unutar optičkog vlakna, samo neke kombinacije svetlosnih zraka (nazivamo ih MODOVI, MOD, neki autori kažu diskretna talasna forma) mogu da se prostiru kroz vlakno.

Slabljenja igubici u optičkom vlaknu

SLABLJENJE. Signal se prostire kroz vlakno. U toku prostiranja smanjuje se snaga signala.

DISPERZIJA. Uzani (kratkotrajni) impuls koji se generiše na izvoru svetlosti, polako se proširuje u toku prostiranja kroz optičko vlakno. Pojava se naziva disperzija. Disperzija izaziva ograničenja u brzini prenosa, jer impulsi na ulazu u prijemnik ne smeju da se preklapaju. Treba objasniti razloge za pojavu disperzije i ograničenja koja se javljaju.

NELINEARNOST. Danas postoje veoma snažni izvori svetlosti i vlakna sa veoma malim prečnikom jezgra. Kod kombinacije takvih izvora i vlakana ostvaruju se veoma visoke gustine snage (snage po jedinici površine, mW /μm2 ). Nelinearnosti u vlaknu koje ne dolaze do izražaja kod malih gustina snage postaju izražene. Javljaju se ograničenja koja utiču ili na snagu svetlosnog signala, ili na bitsku brzinu ili na ostvarivu dužinu veze.SLABLJENJE. Do slabljenja i gubitaka u prenosu svetlosnog signala dolazi, suštinski, iz dva razloga: ili staklo nije dovoljno providno, ili se signal raspršava u pravcu različitom od pravca kretanja svetlosnog zraka.

Detaljnija podela dovodi do sledećih uzroka:

- apsorpcija u materijalu- apsorpcija na nečistoćama (uglavnom jonima metala i vodene pare)- raspršivanje svetlosti na nečistoćama- nehomogenosti na granicama jezgra i omotača,- zračenje na mestima savijanja.

Svaki od ovih uzroka nezavisno dovodi do pojave gubitaka, a gubici se zatim akumulišu.

Apsorpcija u materijalu

Svaki materijal od kog se izrađuje vlakno, staklo ili plastika, mora da unosi slabljenje. Veličina ovog slabljenja zavisi od nekoliko faktora, uglavnom povezanih sa čistoćom materijala i postupka izrade vlakna. Snaga svetlosnog signala u optičkom vlaknu slabi sa povećanjem udaljenosti od izvora svetlosti. Matematičke veze date su tzv. Lamberovim zakonom:

P x P e p x −α ( ) = (0) ,

gde je P(0) početna ili upadna snaga, P(x) snaga na udaljenosti x od početka vlakna, pα koeficijent slabljenja vlakna, izražen u jedinicama

m1

ili ekvivalentnim. Ova formula se u praksi malo koristi jer je njena primena teška za izračunavanje. Obično se slabljenje izražava preko koeficijenta podužnog slabljenja. Ovaj koeficijent izračunava se kao:

α=-10/L* log10 P(L)/P(0) [db/km]gde je L dužina vlakna a P(0) i P(L) snage signala na ulazu i izlazu.

Ovi gubici značajno zavise od talasne dužine primenjene svetlosti. Obično se zavisnost vrednosti koeficijenta slabljenja od talasne prikazuje grafički, kao na sl 7:

Slika 7. Zavisnost slabljenja optičkog vlakna od talasne dužine za tipično multimodno silicijumsko vlakno.

Primer:

Optičko vlakno ima slabljenje od 0,6 dB/ km. Ako predajnik u vlakno ubaci snagu od 100 μW , kolika će snaga postojati u vlaknu na udaljenosti od 22km od predajnika?

Rešenje:

Pošto je slabljenje dato u dB / km Ulaznu snagu pretvaramo u dB. Prvi korak je izbor referentne snage, tj. snage prema kojoj se računa nivo ulazne snage. Postoji više mogućih referentnih vrednosti: 1W , 1mW ili 1μW .

Apsorpcija na nečistoćama

U strukturi staklenog vlakna mogu se javiti nečistoće raznih vrsta. Ove nečistoće su posledica pojavljivanja čestica vodene pare i metalnih jona u staklu. Prilikom sudara svetlosnog zraka sa ovim nešistoćama, deo svetlosne energije može da se pretvori u npr. toplotu pa dolazi doslabljenja signala. Na slici 8 data je ilustracija ove pojave.

Slika 8. Ilustracija apsorpcije na nečistoćama.

Nehomogenosti na granicama jezgra i omotača

Na granicama između jezgra i omotača mogu se pojaviti različite nesavršenosti, u obliku pukotina, udubljenja i deformacija koje mogu da izazovu promenu kretanja pojedinih svetlosnih modova i ukupno slabljenje svetlosti.

Na slici 9. data je ilustracija ove pojave.

Slika 9 Ilustracija uticaja nehomogenosti na granicama jezgra i omotača.

Zračenje na mestima savijanja

Na mestima savijanja vlakna dolazi do promene položaja normale. Ovakva promena može da poveća i da smanji vrednost upadnog ugla. Zbog toga se dešava da modovi najvišeg reda, koji su se kretali putanjama pod uglovima bliskim kritičnom uglu, izlaze iz jezgra vlakna. Ovakav zrak često se gubi u nastavku prenosa ili dolazi do njegovog slabljenja. Na slici 10. data je ilustracija ove pojave.

Slika 10. Ilustracija promene položaja normale i zračenja na mestima savijanja.

Postoje dve vrste krivina, nastalih usled savijanja vlakna: MIKRO i MAKRO krivine. Mikrokrivine se javljaju u procesu izrade omotača vlakna, kao i usled eventualnih mehaničkih pritisaka i nagnječenja vlakna. Ne postoje neki posebni postupci za proračun slabljenja, samo procena da se javlja slabljenje do jednog dB po kilometru. Makrokrivine se javljaju u postupku polaganja - postavljanja vlakna. Proračuni slabljenja zasnovani su na empirijskim formulama. Nisu preterano važne, važniji su zaključci. Makrokrivine značajno utiču na slabljenje samo ako je prečnik krivine manji od jednog centimetra. Ova pojava može da se spreči npr. čvrstim omotačem koji štiti vlakno od tako oštrog savijanja.

DISPERZIJA VLAKANA

Oblik impulsa se pri prenosu kroz optičko vlano proširuje zato što se energija prenosi kroz veći broj modova koji se kreću putanjama različitih dužina. Čak i kod monomodnog vlakna dolazi do disperzije. Ilustrovana je na slici 9.

Postoje nekoliko tipova disperzije. Kao najvažnije izdvajamo:

- modalna

- materijalna (hromatska) disperzija.

Modalna disperzija

Modalna disperzija nastaje zbog toga što modovi unutar step-indeks vlakna imaju različite putanje. Impuls na ulazu pojavljuje se kao prošireni impuls na izlazu vlakna. To je osnovni vid disperzije kod multimodnih vlakana. Kod svetlovoda sa skokovitim indeksom prelamanja bez teškoća može se odrediti maksimalno širenje impulsa.

Materijalna disperzija

Materijalna (intramodalna, hromatska) disperzija nastaje zbog toga što indeks prelamanja, zavisi od talasne dužine svetlosti. Promene indeksa prelamanja veoma su male, na četvrtoj decimali, ali ipak postoje i utiču na brzinu prostiranja svetlosti. Zavisnost indeksa prelamanja od talasne dužine data je na slici 22.

Svaki izvor emituje svetlost čiji spektar zauzima određeni opseg učestanosti, tj. talasnih dužina. Svaka frekvencija u tom opsegu kreće se različitom brzinom pa se zbog toga na izlazu iz vlakna dobija impuls promenjenog oblika. Na slici 21. prikazan je oblik spektra koji emituju dve vrste optičkih predajnika, LED dioda i laserska dioda. Promena indeksa prelamanja na širini od 20nm približno iznosi 0,00025. Razlika brzine svetlosti iznosi oko 36km/s. Iako veoma male, ove razlike ipak utiču na pojavu disperzije.

Slika 11. Oblik spektra optičkog signala za LED i lasersku diodu.

Specifikacije proizvođača

Proizvođači vlakna u katalozima daju podatke na osnovu kojih projektanti odlučuju da li im određeni tip vlakna odgovara ili ne. Disperzija se u katalozima opisuje indirektno, preko parametra koji se zove propusni opseg. Propusni opseg dat je u jedinicama MHz ⋅ km, kao proizvod dužine segmenta i širine njegovog propusnog opsega. Npr. Ako vlakno ima propusni opseg 500 MHz ⋅ km, to znači da na dužini od 1km ima propusni opseg 500 MHz , a na dužini 10km propusni opseg iznosi 50 MHz .

Slika 12. Zavisnost indeksa prelamanja od talasne dužine svetlosti

OPTIČKI KOMUNIKACIONI SISTEMI

Optički komunikacioni sistemi u periodu od 1980. do danas postepeno preuzimaju primat i bez njih se više ne mogu ni zamisliti savremene komunikacije. Sistemi mogu da se podele na one koji prenose analogne i one koji prenose digitalne signale. Digitalni prenos znatno je češći i u nastavku ćemo da analiziramo samo sisteme za digitalni prenos. Svaki komunikacioni sistem ima zadatak da ostvari prenos signala što većom brzinom (što više bita u jedinici vremena) na odgovarajuću (eventualno što veću) udaljenost. Ova dva zahteva međusobno su suprostavljena - povećanjem vrednosti jednog zahteva sistem obično ne može da ostvari i povećanje drugog zahteva.

Kod svih komunikacionih sistema, pa tako i optičkih, postoje tehnološka i fizička ograničenja zbog kojih se određena brzina prenosa ne može premašiti, ili zbog kojih se ne može preneti signal na veću udaljenost od neke granične udaljenosti.

Podvodni sistemi

Podvodni sistemi koriste se za povezivanje kontinenata. Na taj način formiraju mrežu koja pokriva celu zemlju. Kod ovih sistema izuzetna pažnja posvećena je pouzdanosti, zbog toga što je njihovo održavanje veoma skupo i komplikovano. Sistemi se obično projektuju za rad u trajanju 25 godina, sa maksimalno tri popravke.

Prvi tranatlantski sistem postavljen je 1988. god. Predviđen je za brzinu prenosa od 280 Mb/s, sa deonicama između repetitora dužine 70km. Prvi sistem preko Tihog okeana postavljen je godinu dana kasnije, sa približno istim karakteristikama.

U kasnijim godinama često su postavljani novi i novi sistemi, uglavnom novijih generacija, sa sve boljim karakteristikama.

Zemaljski sistemi

Optički komunikacioni sistemi evoluirali su u tzv. generacijama. Prva generacija sistema datira iz 1980.god, sa bitskim brzinama od 45Mb/s i rastojanjima između regeneratora manjim od 10km. Druga generacija već je koristila monomodna vlakna. Ostvarivala prenos koji je do 1Gb/s bio ograničen dužinom vlakna, a preko 1Gb/s disperzijom. Treća i četvrta generacija koriste talasnu dužinu od 1550nm, U tabeli je dat pregled nekih sistema korišćenih u periodu od 1980. do 2002. godine.

Optički kablovi

Optički kablovi proizvode se odvojeno od optičkih vlakana. Vrste i izvedbe kablova značajno zavise od njihove namene. Kabel se sastoji od jednog ili više optičkih vlakana pakovanih u odgovarajuću vrstu zaštitnog omotača. Broj vlakana može da bude bilo koji, ali postoje i standardi, prema kojima se kablovi dele na male (1, 2, 4, 6), srednji 12, 18, 24, 30 i 36, a veliki 48, 60, 72, itd.

Vrsta omotača prvenstveno zavisi od namene kabla, okruženja u kom će se koristiti i načina postavljanja.

Pri izradi kablova koji sadrže optička vlakna mogu se postaviti sledeći ciljevi:

• čvrstina kabla,

• zaštita optičkog vlakna (mehanička, svetlosna, ....),

• minimalna zapremina i težina kabla,

• otpornost na vlagu i isparavanja,

• stabilnost karakteristika pri promenama temperature i usled starenja,

• jednostavnost montaže i održavanja,

Ponekad kabel mora pored optičkog vlakna da sadrži i energetske provodnike, a takođe može da ima sajle za učvršćivanje, itd.

Struktura kabla mora da sadrži sledeće elemente:

- optičko vlakno, jedno ili više njih

- ispuna, mekani materijal koji se nalazi neposredno uz vlakno i štiti ga od mehaničkog dejstva, pritiska, nagnječenja i ostalih lokalnih uticaja,

- pojačanja koja ostvaruju uzdužnu snagu vlakna,

- omotača koji mehanički štiti kabel od oštećenja, vlage, drugih hemijskih i prirodnih uticaja, kao i od oglodara. Spoljni omotač mora da ima hrapavost koja omogućuje jednostavnu montažu vlakna.

Kod optičkih kablova veoma je važna činjenica da su funkcije uzdužne snage i uzdužnog prenosa podataka razdvojene. Snaga kabla često se ostvaruje primenom kevlara. Ako je potreban prenos električne energije (za napajanje regeneratora koji se nalaze na trasi optičkog kabla), u kablove se dodaju bakarni provodnici. Razvlačenje predstavlja ozbiljan problem u izradi optičkih kablova zato što mnogi drugi materijali izdržavaju čak i do 20% produžavanja pre nego što dođe do kidanja, dok je kod optičkog vlakna prihvatljivo razvlačenje samo do 1%. Problem se rešava labavim postavljanjem optičkog vlakna unutar kabla.

Poprečni presek standardnog optičkog kabla prikazan je na slici 13. Poprečni presek optičkog kabla sa samonosivim metalnim pojačanjem, predviđenog za postavljanje na stubovima, prikazan je na slici 14. Poprečni presek optičkog kabla predviđenog za postavljanje u zemlju prikazan je na slici 15.

Slika 13. Struktura standardnog optičkog kabla. Spoljni prečnik iznosi 2-3mm

Slika 14. Struktura samonosećeg kabla za postavljanje među stubovima. Spoljni prečnik iznosi 6-7mm

Slika 15. Struktura kabla za postavljanje u zemlju. Spoljni prečnik iznosi 9-10mm

Težina kablova

Težina kablova zavisi od njihove izvedbe i namene i kreće se u veoma širokom dijapazonu, od npr. 20kg/km kod laganih kablova za unutrašnju upotrebu, sa kevlarskim zaštitnim omotačem, do 500 kg/km za oklopljenih kablova. Hibridni kablovi sa metalnim provodnicima mogu da budu i znatno teži.

Sila zatezanja

Kablovi se veoma često postavljaju u plastične cevi koje su prethodno ukopane pod zemlju. Uređaji za povlačenje kablova moraju da budu opremljeni instrumentima za merenje sile zatezanja, kako ne bi došlo do preterane sile povlačenja i oštećenja kabla u fazi montaže, tj. uvlačenja u podzemne cevi.

Polaganje kablova uduvavanjem

Interesantna, savremena tehnika za polaganje kablova podrazumeva sledeće faze:

1) postavljanje plastičnih cevi sa cevčicama za uvlačenje kablova. Unutrašnji prečnik cevčica treba da bude npr. 6mm.

2) Ubacivanje jednog ili više, (obično četiri) optičkih vlakana. Ova vlakna imaju klizav omotač, a prečnik je oko 3mm. Na početak plastične cevi postavlja se specijalni kompresor, a

optičko vlakno se provlači kroz istu mlaznicu kroz koju prolazi i vazduh. Za vreme uduvavanja vazduha, vlakno lebdi u struji vazduha i uvlači u cev brzinom od oko 2m/s.

Optički predajnici

Optički predajnik je elektronska komponenta koja generiše svetlosni signal. Svetlost može da se generiše samo kada elektron prelazi iz (labilnog) stanja sa velikom energijom u (stabilno) stanje sa niskom energijom. Razlika energije emituje se iz atoma u obliku svetlosti. Ova vrsta emisije naziva se spontana emisija. Kod spontane emisije pravac kretanja fotona i njegova faza mogu da imaju bilo koju vrednost. Talasna dužina zavisi od količine energije.

Osim spontane emisije postoji i stimulisana emisija. Stimulisana emisija dešava se u LASERU. Ako je elektron pomeren u nestabilno stanje, i ako se u takvom stanju sudari sa fotonom svetlosti, dolazi do stimulisanog emitovanja još jednog fotona. Sada ova dva fotona imaju potpuno jednaku talasnu dužinu, pravac kretanja i fazu. Emisija svetlosti nije moguća ako se ne dovede odgovarajuća količina energije sa strane. Ova energija može da se dovede na razne načine:

- Zagrevanjem. Na ovaj način rade sijalice sa žarnom niti. Zagrevanje atoma pomera elektrone, a njihovim vraćanjem u niža elektronska stanja oslobađa se svetlost.

- Električnim pražnjenjem. Ako se struja provede kroz gas (npr. neon), ona kida hemijske veze u molekulama gasa. Prilikom ponovnog povezivanja u molekule dolazi do emitovanja svetlosti.

- Dovođenjem električne struje. Ovaj postupak je različit od pražnjenja. Primenjuje se na poluprovodničkim komponentama, laserima i LED diodama. LASER je akronim za “Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation”. Struja dovodi do rekombinacije elektrona i šupljina na PN spoju. Elektroni koji prelaze iz provodnog u valentni opseg emituju svetlost.

- Hemijskom reakcijom. Često se umesto zagrevanja materijala u kom dolazi do reakicje oslobađa svetlost.

- Biohemijskom reakcijom. Slično kao u prethodnom slučaju, ali se radi o procesima uorganizmima živih bića.

- Apsorpcijom svetlosti (prilikom apsorpcije uvek dolazi do promene talasne dužine).

Talasna dužina emitovane svetlosti zavisi od materijala od kog je izrađen poluprovodnik. U proizvodnji poluprovodničkih izvora svetlosti koriste se mešavine tri ili četiri hemijska elementa od Ga, Al, As, P, In.

PN spoj je mehanički spoj poluprovodnika izrađenih uglavnom od silicijuma, sa dodacima drugih materijala. Postoje dva tipa poluprovodnika: P tip i N tip. Anoda je priključak na P tipu, katoda na N tipu. Ilustrovan je na slici 16. P tip poluprovodnika ima povećan procenat

šupljina (pozitivnih naelektrisanja). N tip poluprovodnika ima povećan procenat elektorna (negativnih naelektrisanja).

Slika 16. Ilustracija PN spoja

Svaki tip poluprovodnika, sam za sebe, veoma dobro provodi struju. Međutim, PN spoj ne provodi struju. Na spoju se dešava sledeća pojava. Elektrone iz N tipa koji se nalaze u neposrednoj blizini PN spoja privlače pozitivne šupljine i oni prelaze u P tip. Šupljine privlače negativni elektroni i one prelaze u N tip. Na samom spoju javlja se električno polje, od pozitivnih ka negativnim naelektrisanjima. Potencijali, koncentracije elektrona i šupljina i odgovarajuća električna polja prikazani su na slici 17.

Slika 17. Ilustracija koncentracija elektrona i šupljina na PN spoju

LED diode

LED diode su pouzdani, ekonomični i efikasni izvori svetlosti za sisteme sa digitalnim protokom do 50Mb/s, sa primenom gradijentnih ili multimodnih vlakana. LED diode imaju približno linearnu vezu između optičke snage i pobudne struje. Zbog toga su pogodne za primenu i kod digitalnog i analognog prenosa. LED diode proizvode se tako što se na podlogu (substrate) nanose slojevi (layer) materijala.Minimalno je potrebno četiri sloja, a mogu se dodati i još neki slojevi. Postoje dve osnovne kategorije, sa aspekta njihove konstrukcije: sa površinskim (Surface emitting LED) i sa bočnim (Edge emitting LED) zračenjem.

Laserske diode

Laser je elektronska komponenta kod koje se fotoni otpuštaju na kontrolisani način. "Laser" je akronim od light amplification by stimulated emission of radiation. Laserske diode daju veću optičku snagu, imaju uži spektar i ubacuju više energije u vlakno.

Optički prijemnici

Optički prijemnik je kombinacija optičkog detektora, elektronskog pretpojačavača i komponenti za obradu i rekonstrukciju signala. Blok šema je prikazana na slici 41. Prijemnici su najsloženije komponente u optičkom sistemu. Oni rade sa veoma slabim optičkim signalima, a pri tom treba da sačuvaju signal od šuma koji bi mogao da se doda u postupku obrade i pojačanja signala.

Slika 18. Blok šema tipičnog optičkog prijemnika za digitalni prenos

Fotodetektor (Detector) konvertuje optičku snagu u električni izlazni signal. Postoje tri vrste optičkih ili fotodetektora. To su:

- Fotodioda (p-n spoj)

- PIN fotodioda (p-n spoj sa dodatim slojem čistog dielektrika između p i n oblasti)

- Lavinska fotodioda (APD - Avalanche Photodiode, fotodioda sa dodatim još jednim p slojem)

Fotodetektor u toku rada mora da bude INVERZNO polarisan. Kada zrak svetlosti padne na prelaznu oblast između p i n spoja, on izaziva formiranje parova elektron-šupljina, a njih privlači električno polje i javlja se električna struja.

Ostale komponente optičkog prijemnika

Prema slici 41, pretpojačavač treba da pojača električni signal i prilagodi ga za dalju obradu, Ekvilajzer smanjuje izobličenja i interferenciju simbola (naročito u digitalnom prenosu), postpojačavač vrši dodatno potrebno pojačanje da bi doveo signal na potreban nivo snage, a filtar popravlja odnos signal/šum i uobličava talasni oblik impulsa da bi odlučivač što jednostavnije izvršio svoj zadatak. Obnavljač takta regeneriše takt digitalnog signala.

Optičke mreže

Komunikacione mreže predstavljaju veoma modernu pojavu i trend u razvoju komunikacija na kraju 20. i početku 21. veka. Osnovne osobine komunikacionih mreža jesu:

- Velika brzina prenosa

- Integracija različitih usluga (servisa)- Nove usluge (Internet, video konferencije, video on demand...)

Topologija mreža:

Jedna od važnih osobina optičkih mreža jeste njihova konfiguracija (topologija). Konfiguracija je način na koji su povezane pojedine tačke - čvorovi u mreži. Osnovni tipovi mrežne konfiguracije:

• Zvezda

• Bus (prava linija sa grananjem)

• Ring (prsten), kao i njihove kombinacije.

ZAKLJUČAK

Široka primena Interneta i korišćenje usluga koje zahtevaju visoku propusnost poput video konferencije napravili su pomak sa mreže sa bakarnim kablovima na mreže sa optičkim kablovima. Upoređujući električne i optičke transmisione sisteme, vidljive su prednosti optičkih sistema. Možda najvažnija prednost je vremenska isplativost optičkih vlakana. Gotovo je sigurno da će razvojem novih tehnologija optička vlakna postajati sve bolje iskorišćena. Malo slabljenje signala pomerilo je regeneratorske stanice sa rastojanja od 10 km za električne sisteme na rastojanja do preko 100 km. Vrlo je važna i neosetljivost optičkih vlakana na spoljne elektromagnetske smetnje.

Optičke mreže su telekomunikacione mreže velikog kapaciteta zasnovane na optičkimtehnologijama i komponentama koje omogucavaju rutiranje, pripremanja i obnavljanje signala na nivou talasnih dužina, kao i servisa zasnovanih na njima.

Sedamdesetih godina XX veka uvedeni su digitalna tehnika i optički prenos podataka što je uticalo na formiranje tehnika prenosa, sa kojim je započela nova faza u evoluciji telekomunikacionih mreža. Ovaj napredak ce dovesti do značajnih mogucnosti pružanja novih servisa znatno većih binarnih protoka. To dovodi do razvoja optičkih mreža koje sada omogućavaju prenos veće količine podataka većim brzinama.

Optičke mreže, bazirane na pojavljivanju optičkog sloja u transportnim mrežama, obezbedjuju veće kapacitete i smanjuju troškove novim aplikacijama kao sto su Internet, video i multimedijalna interakcija i moderni digitalni servisi.

LITERATURA

Miodrag Radojlovic: “Radio predajnici”,

http://www.telekomunikacije.rs/arhiva_brojeva/drugi_broj/prof_dr_d_gvozdic:_trendovi_razvoja_optickih_telekomunikacionih_sistema_(kopija).193.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_communication

http://www.ee.ucl.ac.uk/~ong/publications/papers/PBayvel_RS_Jan2000.pdf

http://www.telfor.rs/telfor2003/radovi/8-1.pdf

http://www.maturskiradovi.net/forum/Thread-sveoptičke-mreže