Οπτικές Επικοινωνίες Μαρινάκης Ιωάννης (2009)

Γιατί η ακτινοβολία Laser στις επικοινωνίες; Η μεγάλη κατευθυντικότητα της δέσμης των LASER, σε σύγκριση με τις πηγές μικροκυμάτων, είναι ένας πρώτος βασικός λόγος. Για να πετύχουμε την ίδια κατευθυντικότητα, πρέπει να φτιάξουμε κεραίες μικροκυμάτων με διάμετρο περίπου 100.000 φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο της δέσμης LASER. Έτσι ίδιο άνοιγμα δέσμης παίρνουμε από LASER διαμέτρου 1cm και από πηγή μικροκυμάτων με κεραία διαμέτρου 1000m.

Μειονεκτήματα Εκτός όμως από τα πολλά πλεονεκτήματα, υπάρχουν και μειονεκτήματα. Ένα απ’ αυτά είναι ότι το πολύ μεγάλο εύρος ζώνης τους πολύ δύσκολα ακόμα μπορεί ν’ αξιοποιηθεί σ’ όλη την έκταση του. Επίσης, οι δυνατότητες των συστημάτων οπτικής τηλεπικοινωνίας περιορίζονται ακόμα από άλλους παράγοντες όπως είναι η χρησιμοποίηση των κατάλληλων φωρατών, δυσκολίες στην εισαγωγή της πληροφορίας στη δέσμη LASER, κακές καιρικές συνθήκες…

Εφαρμογές της ακτινοβολίας Laser στις επικοινωνίες Στην επίγεια τηλεπικοινωνία μεταξύ σημείων που έχουν οπτική επαφή, Και τέλος, σε επικοινωνία με οπτικές ίνες.

Επικοινωνίες με οπτικές ίνες Περισσότερο από κάθε άλλο σύστημα τηλεπικοινωνίας απασχολεί σήμερα τους ερευνητές το σύστημα που συνδυάζει LASER και μετάδοση μέσα από οπτικές ίνες. Το μεγάλο πλεονέκτημα ζεύξης μέσα από οπτικές ίνες είναι η τεράστια δυνατότητα μεταφοράς πληροφορίας, σε σύγκριση με την κλασική μέθοδο σύνδεσης με καλώδια. Στο σύστημα αυτό χρησιμοποιείται σαν (παλμική ) πηγή ακτινοβολίας ένα LASER ημιαγωγού. Βασικό επίσης στοιχείο σ’ ένα τέτοιο σύστημα είναι οι σταθμοί αναγέννησης σήματος, οι οποίοι παίρνουν το σήμα που έχει πάψει να είναι καθαρό (από εξασθένηση, θόρυβο κ.λ.π.), και δίνουν στην έξοδό τους ένα αντίστοιχο καθαρό σήμα. Τέλος το σύστημα κλείνει με τις φωτοδιόδους φωράσεως και τα κυκλώματα τα σχετικά με την ηλεκτρονική αποδιαμόρφωση του σήματος.

Οπτικοί πομποί: Ο ρόλος των οπτικών πομπών είναι: Να μετατρέπουν ένα ηλεκτρικό σήμα εισόδου σε αντίστοιχο οπτικό σήμα. Να το εκπέμπουν στο εσωτερικό της οπτικής ίνας, δηλαδή στο κανάλι επικοινωνίας. Οι πηγές φωτός που χρησιμοποιούνται σε ένα οπτικό δίκτυο μπορεί να είναι είτε δίοδοι εκπομπής φωτός (light emitting diodes, LED) είτε λέιζερ ημιαγωγού (semiconductor lasers). Η επιλογή του είδους της πηγής φωτός που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα οπτικό σύστημα μετάδοσης βασίζεται σε αρκετούς παράγοντες όπως: Μήκος κύματος εκπομπής  παράθυρο μετάδοσης ίνας. Σχέση ισχύος και απόστασης μετάδοσης. Το πλάτος του εύρους των μηκών κύματος  φαινόμενα διασποράς. Αποτελεσματικός τρόπος διοχεύτεσης του παραγόμενου φωτός στην οπτική ίνα μετάδοσης. Οπτικοί δέκτες: Φωτοδίοδος ή φωτοτρανζίστορς Ο ρόλος ενός οπτικού δέκτη είναι να μετατρέπει το οπτικό σήμα πάλι σε ηλεκτρικό  ανάκτηση της οπτικής πληροφορίας. Βασικό εξάρτημα  φωτοανιχνευτής  φως μετατρέπεται σε ηλεκτρικό παλμό.

Απλό τηλεπικοινωνιακό σύστημα με οπτική ίνα

Επεξήγηστη του φαινομένου της μετάδοσης της οπτικής δέσμης μέσα από οπτική ίνα. Η φωτεινή δέσμη παγιδεύεται μέσα στην ίνα εξαιτίας των διαδοχικών ολικών ανακλάσεων.

Η γεωμετρική δομή της οπτικής ίνας αποτελείται από δυο ομοαξονικά διαφανή υλικά, που αποτελούν το εσωτερικό κα εξωτερικό τμήμα της. Το εσωτερικό τμήμα καλείται πυρήνας (core), ενώ το εξωτερικό αποτελεί το περίβλημα (cladding). Οι εξωτερικές πλαστικές επικαλύψεις (coating) χρησιμοποιούνται μόνο για μηχανική προστασία, όπως συμβαίνει και στα ηλεκτρικά καλώδια.

Το φως εισέρχεται από την πρώτη μετωπική επιφάνεια και διαδίδεται με πολλαπλές ολικές ανακλάσεις μεταξύ πυρήνα και περιβλήματος. Μια δέσμη φωτός, που προσπίπτει σε γωνία α(α<αmax) και διαθλάται σε γωνία β, ανακλάται στα τοιχώματα του περιβλήματος σε γωνία β΄=90ο−β. Μαθηματική ερμηνεία: Από το νόμο του Snell έχουμε τη σχέση: n0sinα=ncosinβ, όπου n0 είναι ο δείκτης διάθλασης του εξωτερικού χώρου. Για την ολική ανάκλαση ισχύει επίσης η σχέση: ncosinβ΄=nclsin90o.

Συμβατικά ένας παλμός φωτός αντιστοιχεί στο ‘bit’ “1” , ενώ η απουσία φωτός

ΓΙΑΤΙ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που χρησιμοποιούν οπτικές ίνες και όλων των άλλων είναι ότι τα σήματα μεταφέρονται με τη μορφή φωτός. Τα συνήθεις ηλεκτρονικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα βασίζονται στην κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα από τα καλώδια, ενώ τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα μικροκυμάτων βασίζονται στη κίνηση των μικροκυμάτων διαμέσου του σέρα. Στο κομμάτι που ακολουθεί παρατίθενται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες διαθέτουν πολύ μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων, με αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλών ρυθμών μετάδοσης. Υπάρχουν σήμερα εγκατεστημένες οπτικές ίνες με ρυθμούς μετάδοσης έως 5 Gbps, ενώ σε ερευνητικά κέντρα έχουν επιτευχθεί υψηλότερη ρυθμοί. Σήμερα η χωρητικότητα της οπτικής ίνας έχει ξεπεράσει τα 3000 ψηφιακά κανάλια φωνής. Επίσης, αποτελούν το πιο ασφαλές μέσον μεταφοράς, καθώς είναι πολύ δύσκολο να παρέμβει κάποιος για να υποκλέψει ή να παρεμβάλει data. Το error rate ή αλλιώς ο ρυθμός εμφάνισης σφαλμάτων σε καλώδια οπτικών ινών είναι σε πολύ χαμηλά επίπεδα. Μπορούμε να πούμε με σιγουριά ότι είναι ο καλύτερος από τα ενσύρματα μέσα μετάδοσης κατά 3 τάξεις μεγέθους.

Οι οπτικές ίνες είναι ανεπηρέαστες από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και ως τούτου συνιστάται η χρήση τους σε βιομηχανικούς χώρους με περιβάλλον υψηλού θορύβου. Οι αποστάσεις που επιτυγχάνονται χωρίς τη χρησιμοποίηση αναμεταδότη σήμερα ξεπερνά τα 300 χιλιόμετρα και το νούμερο συνεχώς αυξάνεται. Αυτό οφείλετε στο γεγονός ότι οι οπτικές ίνες προξενούν κατά πολύ μικρότερη εξασθένηση στα σήματα από ότι τα χάλκινα και τα ομοαξονικά καλώδια. Τέλος, οι οπτικές ίνες είναι κατά πολύ ελαφρύτερες από όλους τους άλλους αγωγούς που χρησιμοποιούνται σήμερα. Αξίζει να σημειωθεί ότι ένα χάλκινο καλώδιο που αποτελείται από 1000 ζεύγη με μήκος 500 μέτρων ζυγίζει γύρο στα 4000 κιλά, ενώ ένα αντίστοιχο καλώδιο οπτικής ίνας που μπορεί να μεταφέρει τον ίδιο αριθμό καναλιών ζυγίζει μόνο 45 κιλά.

Μειονεκτήματα των οπτικών ινών Παράλληλα με τα πλεονεκτήματα υπάρχουν όμως και κάποια μειονεκτήματα. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, είναι δύσκολη οι τρόποι σύνδεσης και βυσμάτωσης των οπτικών ινών σε πομπό και δεκτή. Οι δυσκολίες εμφανίζονται στη σύνδεση με τον connector και στην προσαρμογή και ευθυγράμμιση της ίνας με τη φωτεινή πηγή του πομπού.

Πηγές-Βιβλιογραφία www.eng.ucy.ac.cy/gellinas/index_ECE455.html - 45k - http://www.hellascams.gr/grc/wi_fi_calculators/knowledge_base/Fiber_Optic.html