Optické technólogie

OPTICKÉ TECHNOLÓGIE





ING. MGR. PETER SCHMIDT, PHD.

Čo je to optika a prečo ju používať?












OPTICKÉ TECHNOLÓGIE SÚ TECHNOLÓGIE PRACUJÚCE ZO SVETLOM.






VĎAKA TOMU SÚ SPOĽAHLIVÉ A NEVADIA IM ANI ELEKTROMAGNETICKÉ VPLYVY.


MAJÚ VYSOKÚ STABILITU A SÚ RELATÍVNE ODOLNÉ. KEĎŽE PRACUJÚ ZO


SVETLOM, PRENOSOVÉ RÝCHLOSTI SA POMALY PRIBLIŽUJÚ K RÝCHLOSTI SVETLA.









OPTICKÝ SIGNÁL JE SIGNÁL O VEĽMI VYSOKEJ FREKVENCII.

Výhody optických komunikácií



Výhody optických komunikácií značne prevyšujú ich nevýhody.




• Veľmi vysoká prenosová rýchlosť resp. prenosová kapacita, ktorá môže byť podľa typu vlákna od x10 Mbit/s

až do x10 Gbit/s na 1 vlákno! Dokonca sa da násobiť použitím viackanálového prenosu (WDM) a to až na

x100 Gbit/s.




• Veľmi nízky útlm – ide o jednotky dB/km až do 0,2 dB/km čo je veľmi nízka hodnota a dosah signálu bez
použitia zosilňovača je cez 100km.




• Malé rozmery optických káblov a šnúr - V jednom kábli môžu bit' desiatky až stovky optických vlákien a kábel

bude napriek tomu relatívne tenký.



• Malá hmotnosť - Optická šnúra je veľmi ľahká a vďaka tomu aj samonosné optické káble môžu „visieť" na

dlhých vzdialenostiach bez použitia úchytu (cca 200m vzdušnou čiarou).




• Vysoká spoľahlivosť' - Vzhľadom k tomu, že optika používa svetelné signály nie je náchylná ani na

elektromagnetické vplyvy (na rozdiel od krútenej dvojlinky), pokiaľ je správne „nainštalovaná" neprekážajú jej
ani teplotné rozdiely a je „odolná" voči krádeži (neobsahuje cenné kovy).




• Vzhľadom na počet prenesených dát ide o relatívne lacné riešenie.

Nevýhody optických komunikácií






• Pomerne vysoká cena (náklady) v porovnaní s metalikou - zváračka, lámačka,


millerky atď... nehovoriac o prístrojoch na meranie a diagnostiku optických trás!






• Náchylnosť na ohyby - Bežné optické káble majú problém už pri uhle 80°. Dnes

už máme tzv. bytové káble, ktoré sú odolnejšie voči ohybom, ale tak či tak s


optikou treba zachádzať „ v rukavičkách". Ohyb môže spôsobiť zlú priechodnosť


svetla čo spôsobí poškodenie, alebo stratu dát a v horšom prípade poškodenie

samotného optického vlákna resp. jeho zničenie!






• Veľká náchylnosť na nečistoty - aj najmenšia špinka (okom neviditeľná) môže


spôsobiť stratu dát či dokonca nečinnosť celej siete. Pri montáži a opravách

optických trás vždy dbáme na čistotu!

Optické spoje






Prenos optického signálu vláknom môže biť dvojakého typu:









• Jednosmerne: Na jednej aj viacerých vlnových dĺžkach (lambda),



ale všetky musia ísť tým istým smerom (Tx -> Rx) alebo naopak.


Využitie technológie WDM.








• Obojsmerne: na viacerých vlnových dĺžkach (lambda) a signály



môžu ísť oboma smermi (Tx -> Rx - Rx -> Tx).

Optické vlákno






Optické vlákno ma jadro aj plášť zo skla, ale obe sklá sú rôzneho typu!


Jeho primárna ochrana je zo špeciálneho materiálu, ktorý sa nerozťahuje ani


nesťahuje vplyvom zmeny teploty. Vrchnú ochranu tvorí plášť.


Samotné jadro optického vlákna je veľmi tenké.

Optické vlákno

Mnoho vidové optické vlákno


(MMF - Multi-Mode Fiber):

• horšie optické vlastnosti,


• používa sa len na krátke vzdialenosti - (siete typu

LAN),


• dosť' vážne skresľuje výstupný signál,


• má omnoho hrubšie jadro, čo spôsobuje rozptyl

vidov,


• je omnoho lacnejšie,

• ako zdroj svetla používa diódu LED,


• má priemer jadra 62,5 (už dožíva - Amerika) a 50


(štandard),

• vlnové dĺžky: 850nm a 1300nm,


• tradične používané na 10, 100 Mbit/s Ethernet, dnes

aj do 1GbE (do 1km) a do 10GbE (do 500m),


• označenie: MMF GI 62,5/125; MMF GI 50/125; OM1;


OM2; OM3; OM4.

Jedno vidové optické vlákno (SMF - Single-Mode Fiber)




• veľmi dobré optické vlastnosti,

• používa sa na extrémne dlhé trasy - (Transportné a


metropolitné siete ...) ,

• pri správnom nainštalovaní takmer neskresľuje výstupný


signál,


• má extra tenké jadro, nevytvára rozptyl vidov,

• ako zdroj svetla sa používa laser,


• je pomerne drahé,

• má priemer jadra 9,


• vlnové dĺžky: 1310nm a 1350nm,


• používa sa vo všetkých typoch sietí - (LAN, MAN, WAN, PAN)

• označenie: SM; SMF; 9/125; 10/125 (staré); G.65x,


• normy: konvenčné vlákno: G.652,

• suché vlákna (moderné): G.652.D; LWP, ZWP, vlákna


odolnejšie na ohyby: G.657.

Prehľad základných geometrických hodnôt optických vlákien







Typ vlákna SMF MMF (GI)




Priemer jadra ~ 9 (MFD) 50 / 62.5





Priemer plášťa 125 125




Priemer primárnej ochrany ~250 ~250




Označenie na plášti 9/125 50/125




Hodnoty sú udávané v mikrometroch

Technické hodnoty optických vlákien




Typ vlákna Označenie Vlnová dĺžka Merný útlm





MMF 50/125 850 nm 2,5 - 3,0



62.5/125 1300 nm 0,5 - 1,0



SMF 9/125 1310 nm 0,33




1550 nm 0,20









pri optickom vlákne je jeho index lomu, ktorý vypočítame: n = c / v





n - index lomu

c - rýchlosť svetla vo vákuu

v - rýchlosť svetla v danom prostredí

Technológia WDM




WDM (Wavelength Division Multiplexing - vlnovo delený multiplexing)



WDM siete umožňujú prenášať dáta prostredníctvom niekoľkých samostatných optických


nosných vĺn jedným optickým vláknom, pričom každá optická nosná vlna je na inej vlnovej

dĺžke.




Počet vlnových dĺžok, ktoré môžu byť súčasne vysielané do jedného optického vlákna, závisí od fyzikálnych

charakteristík samotného vlákna a od aktuálne dosiahnutého stavu v oblasti WDM výskumu. Predovšetkým

od optických prvkov, ktoré umožňujú vysielať viacero optických vlnových dĺžok do jedného vlákna a naopak,

ktoré umožňujú demultiplexovanie jednotlivých vlnových dĺžok.




Je to technológia na zvýšenie kapacity, ktorá ma 3 normy:


•Základné WDM



•CWDM - „riedka vlnová konverzia" WDM, C-pásmo: 1530 - 1565 nm,



(C - conventional) -> Najpoužívanejšie




•DWDM - „hustá vlnová konverzia" WDM, L-pásmo: 1565 - 1625 nm, (L - long)

KONEKTORY





V optických komunikačných sieťach máme mnoho druhov konektorov, ktoré


môžeme deliť podľa viacerých hľadísk.


1. Podľa spôsobu leštenia:


• PC („kolmé" či „rovné") konektory niekedy označované aj ako (UPC, SPC).

Tieto konektory na seba priliehajú kolmo a ich vložený utlm je menej ako 0,5


dB. Hodnota útlmu odrazu ORL je medzi 40 a 50 dB.

• APC („šikmé" či „uhlové") konektory. Tento typ konektorov na seba prilieha


šikmo. Hodnota vloženého útlmu je tiež menej ako 0,5 dB, ale útlm odrazu


ORL je medzi 60 až 70 dB!





Konektor APC - šikmý

KONEKTORY PC vs. APC






PC konektory sú „kvalitnejšie" ako APC, lebo majú podstatne nižší útlm odrazu,


čo je žiadúce pre kvalitný, rýchly a bezchybný prenos dát po sieti.



Dôležité je NIKDY NESPOJOVAŤ konektory PC s konektormi APC !



Spojenie konektoru typu „PC" a konektoru typu „APC" by malo vplyv na vznik


veľmi veľkých chýb a spôsobovalo by to nesmierne veľký útlm.





Typ leštenia Vložený utlm (dB) Útlm odrazu ORL (dB)




PC (rovne) < 0,5 40 - 50



APC (šikmé) < 0,5 60 - 70

KONEKTORY





2. Delenie podľa ferule:


• Priemer: 2,5mm (používajú ho všetky ostatné konektory okrem konektoru LC.


Teda napr.: FC, SC, E2000, ST ...)


• Priemer: 1,25mm (používa ho len konektor LC)

• Materiál: Kov, alebo Keramika.









Ferula


Existujú i konektory bez ferulí. Čo je to ferula? Malý valček spravidla o priemere

2,5 mm alebo 1,25mm. Ide o najpresnejšiu časť konektora, na jej presnosti


závisia parametre. Ferule sa predtým vyrábali z kovu, dnes sú prevažne

keramické (zirkónové, drahšie), kompozitné a najlacnejšie plastové. Uprostred


valčeka (ferule) je diera na vlákno a vlákno je v nej zafixované epoxidovým


lepidlom. Následne zabrúsené.

Optický pigtail






Ide o MMF (Multi-Mode Fiber)


optický pigtail, ktorý sa navára na



samotné optické vlákno trasy. Je to


niečo ako RJ-45 pre krútenú


dvojlinku, ale s tým, že toto sa zvára


a RJ-45 sa krimpuje a tiež tu treba



biť opatrný a dbať na čistotu a


nezalamovať' vlákno! Tento pigtail je


ukončený SC konektorom a je


vhodný do malých sieti LAN:





Optické pigtaily



Tak ako aj pri krútenej dvojlinke potrebujeme patch káble (napríklad do racku)


potrebujeme ich aj pri optike. Bez nich by sme napríklad nemohli prepojiť SFP prevodník

na switchi s optikou ukončenou v optickej vani. Alebo pripojiť server ku switchu a


podobne. Tak ako aj konektory či pigtaily sú rôzne, máme aj rôzne patch káble.


PC, APC, single-mode, multi-mode, s rovnakými konektormi na oboch stranách ale aj s

rôznymi, duplex, simplex

Optické spojky





Optické spojky slúžia na spájanie optických segmentov.


Takáto spojka sa svojou častou s kovom da


bezproblémovo upevniť' do optickej vane. V nej je

pripojený naváraný opticky pigtail, ktorý ide z optickej


trasy a z druhej strany pripojíme opticky patch kábel.

Optické vane





Optická vaňa v optickej sieti je niečo ako


patch panel pri krútenej dvojlinke. Rozdiel


je v tom, že do patch panelu pre krútenú

dvojlinku len zarežeme káble do jeho


zadnej časti a s prednej ich prepojujeme,

zatiaľ čo u optickej vane je to zložitejšie.


Priamo v nej sa nachádza vstup a výstup


optiky (väčšinou 2 káble), ďalej sú tam

špeciálne úchyty v ktorých sú bezpečne


uložené optické zvary, na ktorých sú

navarené pigtaily a ukončené v spojke.


Samozrejmosťou je aj vláknová rezerva (aj


5m) a mimo vane sa necháva aj káblová

rezerva (cca 20m). Z vane trčia len spojky a

do nich už pripájame optické patch káble.

Optická trasa






Optická trasa sa skladá z aktívnych a


pasívnych súčastí (káble, šnúry, pigtaily,

konektory, spojky, optické vane


(minimálne 2), patch káble a podobne).


Teraz sa pozrieme, ako taká optická sieť

vlastne vyzerá a potom prejdeme na jej


aktívne prvky. Teda rôzne prevodníky

medzi optikou a metalickou častou siete,


pozrieme sa podrobnejšie aj na optické


vane, budeme sa zaoberať aj SFP-čkami, a

samotnými switchami. Ale späť k našej


trase. Bude vyzerať podobne ako na

obrázku. Viďme tam nejaké SFP-čká na


vstupe aj výstupe, ďalej samotnú optickú


trasu, nejaké zvary, spojky, a vaňu.

Aktívne prvky optických sieti




Prevodník (Mediaconvertor)- slúži na prevod elektrického signálu (z

krútenej dvojlinky) na optické signály a naopak. Netreba zdôrazňovať,


že existuje celý rad rôznych typov prevodníkov, ale všetky majú za úlohu

to iste. Spojiť metalickú časť siete s optickou častou.










SFP – je svojim spôsobom tiež prevodník, ale na rozdiel od vyššie

popísaného sa najčastejšie vkladá do switchu.

MiniGBIC modulov je veľké množstvo, ale prevažujú s konektormi LC


konektory (malé s 1,25mm ferulou).

SFP sa zasunie do switchu na vyhradené miesto a konfiguruje sa ako

normálny port (SFP vstupy majú len manažovateľné switche).


Rozdelenie SFP podľa rýchlosti (štandardu).

SFP na 10/100 Mbit/s Ethernet

SFP na 10/100/100 Mbit/s Ethernet

SFP na 10 Gbit/s Ethernet. Treba vždy zvoliť ten správny!



Správne zaobchádzanie s optikou





Udržujeme čistotu! - Nakoľko optické technológie pracujú zo svetelnými impulzmi a ich prierezy sa merajú v

mikrometroch môže aj to najmenšie zrnko prachu spôsobiť' nefunkčnosť celej siete. Keď manipulujeme s

optikou a nie je zapojená vždy musí bit na konektoroch, pigtailoch, SFP-éčkach a podobne tzv. záslepka. T á

„zabráni" špine dostať sa ďalej. Po odstránení záslepky z pigtailu aj z SFP ich nesmieme hneď spojiť. Najprv

zoberieme úplne čistú špeciálnu handričku na optiku, nezanecháva po sebe nič a tiež čistiace tyčinky.

Namočíme ju do izopropil alkoholu a opatrne očistíme ferulu konektoru a tyčinkou otvor na SFP. Až potom

môžeme opatrne spoj spojiť. Pri zváraní je toto ešte dôležitejšie. Zlý zvar (kvôli špine, či zlému zalomeniu)

spôsobuje nefunkčnosť' celej trasy. Preto pred vložením vlákna do zváračky aj ju pretrieme izopropil alkoholom.

Čistota je na 1. mieste.


Pozor na zhyby a ohyby! - Optika je veľmi náchylná na ohyby. Preto pri práci s ňou zaobchádzame veľmi

opatrne. Pri bežnom vlákne nesmieme pri odkladaní vlákno stočiť na menej ako 6cm priemer. Pri

nainštalovanom vlákne by sme nemali robiť ohyby väčšie ako 90° a oblúkom. Neprimeraný ohyb na trase by

mohol spôsobiť nefunkčnosť celej trasy preto treba dávať pozor! Dnešné káble už sú menej náchylné, ale aj

napriek tomu im to nerobí dobre.



Pozor na laser! - môže poškodiť zrak! - Je všeobecne známe, že laser je nebezpečný pretože poškodzuje zrak.

Preto sa v racku nikdy nepozeráme do nezakrytovaných optických vaní. (Podľa správnosti by sa to stať ani

nemalo pretože nechať nezakrytkovanú spojku na optickej vani je neprípustné!). Taktiež nikdy neskúšame, či

je vlákno živé tým, že sa do neho budeme pozerať!

Zváranie vlákien




Zváranie optických vláken sa robí optickou zváračkou. Optické zvary 0,01 - 0,1 dB

Požiadavky na zváranie optických vláken:
Mechanicke spojky 0,1 - 0,3 dB

• nízky vloženy útlm: Konektorove spoj enie 0,1 - 0,5 dB

• vysoký útlm odrazu (ORL) resp. nízky odraz

• u optických konektorov dobrá opakovateľnosť‚

• jednoduchá inštalácia a nízka cena



Vplyv na utlm spojenia vláken resp. chyby pri zvaroch:


Rozdielne priemery vidových polí - rôzne priemery jadra vlákna. (Napr. zvar medzi 62,5nm MMF a 50nm
MMF by mal veľmi vysoký utlm)

Posunutie vláken - ak jadro jedného vlákna nie je presne oproti jadru druhého, alebo ak je trochu ohnute

Šikmo zalomené konce vlákien môže spôsobiť zlé odrazy a teda stratu dát, alebo dokonca nefunkčnosť zvaru.


Nečistoty - pri zvaroch je veľmi dôležité, aby boli absolútne čisté. Ak sa tam dostane pri zváraní špina, nedá
sa odstrániť.

Zvar s bublinou spôsobuje napr. malé predtavenie či nečistota.

Vydutý zvar - veľký presah, nedokončený zvar - malý presah.

Studený zvar je taký, ktorý má malú pevnosť v tlaku (je slabý).

Postup pri zváraní vlákien:








• Pripravíme si vlákna k zváraniu


• odstránime všetky ochrany vrátane sekundárnej,

• nasunieme mechanickú ochranu na vlákno,


• vlákna očistíme izotropil alkoholom

• nakoniec zalomíme lámačkou.






• Potom pokračuje samotné zváranie, ktoré má 4 fázy a prebieha úplne automaticky.

• Našou úlohou je dať zalomené a očistené vlákno jemne a presne do zváračky. To iste


spravíme aj s vláknom na druhej strane.

• Nakoniec nesmieme zabudnúť' na mechanickú ochranu zvaru, ktorú dáme na zvar tak,


že zvar samotný bude v jej strede


• dáme zapiecť do zváračky. Zapeká sa to par sekúnd (automatika), pri teplote cca 600°C.

• Nakoniec všetky zvary uložíme do špeciálneho držiaka, kde ich spevníme.

Spájanie optických vlákien



mechanickými spojkami







Spojenie optických vlákien pomocou technológie Fibrlok vyžaduje iba odstripovanie

vlákna od ochrany, očistenie a zalomenie vlákna. Potrebujete spojiť vonkajšie alebo

vnútorné optické rozvody? Spojujete optický kábel alebo zakončujete na optický

pigtail, konektor? Na to všetko môžete použiť mechanickú spojku optického vlákna

Fibrlok.

Hlavným produktom technológie FIBRLOK od spoločnosti 3M je univerzálna

mechanická spojka optických vlákien Fibrlok II 2529. Je určená pre rýchle spájanie

singlemódových a multimódových optických vlákien o priemere 125 mikrónov s

priemerom primárnej ochrany 250 – 900 mikrónov. Fibrlok je vyplnený špeciálnym

gélom s rovnakým indexom lomu ako optické vlákno. Kvalitné spojenie vlákien je

založené na mechanickom princípe a vyznačuje sa svojou kvalitou, jednoduchosťou,

rýchlosťou a nízkou cenou.

Existujú aj bezgelové mechanické spojky Clip-Clop s rovnakými parametrami ako

Fibrlok.

Základné vybavenie pre údržbu optickej siete







• Pomôcky pre čistenie - čistiace vreckovky (špeciálne), isopropil alkohol, čistiace pásky,

tyčinky, stlačený vzduch a podobne



• VLF - Vizuálny zameriavač porúch, teda laser s vlnovou dĺžkou približne ~ 650nm. Ak je

niekde zlomené vlákno, na tom mieste zasvieti. Musíme mat vizuálny kontakt s optickým


káblom.


• Mikroskop (relatívne lacný) dobre použiteľný a užitočný. Pripadne video mikroskop,


ktorý je však veľmi drahý, ale veľmi presný a účinný.


• Identifikátor živého vlákna by tiež nemal chýbať nakoľko sa do vlákna nesmie pozerať


(nevieme či je tam laser alebo LED!) tak ho len pripneme na kábel a sám zobrazí či kábel


žije, alebo nie


• A merač výkonu je užitočný pri diagnostike živej trasy. Je univerzálne pre použitie SMF aj


MMF na vlnových dĺžkach od 850 do 1600nm

Ďakujem za pozornosť