Valguskaabel

TOSLINK'i valguskaabel digitaalse heli edastamiseks

Valguskaabel (inglise fiber-optic cable) on kiudoptiline kaabel, mille sooneks on valgust juhtivad klaas- või plastikkiud. Kiudoptilise kaabli infoedastusmaht on ligikaudu tuhat korda suurem kui keskmisel koaksiaalkaablil ja miljon korda suurem kui kahejuhtmelisel telefonikaablil. Kaabli kiu võib teha juuspeene ning kaabel tervikuna võib sisaldada kümneid või isegi sadu kiude.

Ehitus

Optilised kiud

Valguskaabli kiud on pikad, inimese juuksekarva läbimõõduga puhta klaasi salgud. Ühes valguskaablis võib olla sadu või tuhandeid kiude. Üks valguskiud koosneb kolmest osast. Esiteks on tuum – õhuke klaas mida läbib valgus. Teiseks on kattematerjal, mis on tehtud dielektrikust materjalist, tavaliselt kaetud akrüülpolümeeri või polümiidi kihiga. Kattematerjal ümbritseb kaabli tuuma ja peegeldab valgust tuuma tagasi. Kolmandaks osaks on pinnakate, mis on tehtud plastmassist ja kaitseb kiudu vigastuste ja niiskuse eest. Koos moodustavad nad valguskaabli südamiku. Olenevalt kaabli kasutusalast, võib kiudude punti ümbritseda veel mitu välist ümbrist. Mõnikord pannakse kiudude vahele ka valgustneelav tume klaas, mis takistab ühest kiust lekkivat valgust teistesse kiududesse kandumast. See hoiab ära erinevate signaalide segunemise.

Mitmekiuline valguskaabel

Optilisi kiude on kahte tüüpi: üksikmeediumi kiud ja mitmemeediumi kiud. Ühemeediumi kiududel on umbes 9 mikroni läbimõõduga tuumad ja nad edastavad 1300–1550 nanomeetri pikkust infrapuna laserkiirt. Mitmemeediumi kiududel on suuremad tuumad (diameetriga umbes 62,5 mikronit) ja nad edastavad valgusdioodidest infrapuna valgust pikkusega 850–1300 nanomeetrit. Üksikmeediumi ja mitmemeediumi kiude omavahel ühendada ei saa.

Mõningaid optilisi kiude tehakse ka plastmassist. Sellistel kiududel on suurem tuum (1mm läbimõõduga) ja nad edastavat valgusdioodidest nähtavat punast valgust (lainepikkusega 650 nanomeetrit). Plastikkiust valguskaablil on suurem signaali sumbuvus kui klaaskiust kaablil. Ta on ka paksem kui klaaskiust valguskaabel. Selle tuum koosneb tavaliselt polümetüülmetakrülaadist (PMMA), mis on kaetud fluoropolümeeriga. Plastikkiuga valguskaabel loodi kasutuseks autotööstuses. Tema põhiliseks eeliseks on soodsam hind ja parem vastupidavus.

Ühe soonega kaabli ülekande kiirus on ligi 50 korda suurem kui mitmekiulisel valguskaablil. Ühe soonega kaabli eelis on, et väikses südamikus ja üheainsas valguskius on kõrvaldatud dispersioon, mis tuleneb valgussignaalide kattumisest ja laseri signaali sumbumisest, see tagab suurima ülekande kiiruse teistest kiudkaablitest. Ühe soonega kaabel on mitmekiulisest kaablist ka kallim.

Valguskaabli suurust väljendades antakse esiteks tuuma läbimõõdu suurus, ning seejärel kattematerjali läbimõõdu suurus. Näiteks 50/125 tähendab 50 mikroni suuruse läbimõõduga tuuma ja 125 mikroni suuruse läbimõõduga kattematerjali.

Mantel

Vastavalt sellele, kus kaablit tahetakse rakendada, on kaablitel ka erinevad mantlid. Mõningad omadused nagu UV kaitse ja halogeeni puudumine mantlis mõjutavad optilise fiiberkaabli töövõimet ja ohutust inimestele ja ümbruskonnale.

Materjal	Halogeenivaba	UV kaitse	Märkus
LSFH polümeer	Jah	Hea	Sisekasutuseks, enim levinud mantel. Tavaliselt kasutatakse võrgukaablites ja helikaablites. Peab vastu kõrgetele temperatuuridele. Loodud polüvinüül kloriidi asenduseks.
Polüvinüül kloriid (PVC)	Ei	Hea	On asendumas LSFH polümeeriga
Polüetüleen (PE)	Jah	Kehv	Kasutamiseks välistes tingimustes, ei komposteeru kui pannakse maa alla.
Polüuretaan (PUR)	Jah	Võib olla üsna erinev	Väga elastne
Polüetüleentereftalaat (PBT)	Jah	Keskmine	Sisekasutuseks
Polüamiid (PA)	Jah	Heavõi kehv	Vähemlevinud optilise kaabli mantel. Sobib nii sise- kui väliskasutuseks.

Otsikud

FC otsik

Valguskaablite juures on kasutusel palju erinevaid otsikuid. Otsikud vastavad sellele, kus kaablit kasutatakse. Otsiku ülesandeks on valguse suunamine ja kogumine, seejuures peavad nad olema seadmetesse lihtsasti kinnitatavad ja eemaldatavad. Allpool on välja toodud kõige enamkasutatavamad otsikud.

FC otsik

Selliseid otsikuid kasutatakse nii ühe kui ka mitme soonega optilistes kaablites. FC otsikud võimaldavad väga täpset kaabli asetust saatja optilise kiirguri ja vastuvõtja optilise indikaatori suhtes. FC otsikutel on positsioneeriv täke ja keermestatud hoidla. Otsikutel on metallist korpused, mis on kaetud nikliga. Neil on keraamilised ümbrisvõrud, mis on vastupidavad kuni 500-le ühendamisele. Sisestuskadu on 0,25 dB.

SC otsik

SC otsik

Kasutatakse nii ühe kui mitme soonega optilistes kaablites. SC otsik on madala hinnaga, lihtne ja vastupidav. Keraamiline ümbrisvõru tagab täpse ühinemise. Otsikul on lukustuskonks. SC otsiku eluiga on tavaliselt 1000 ühendamist. Sisestuskadu on 0,25 dB.

ST otsik

ST otsikut kasutatakse nii ühe- kui mitmesooneliste kaablite juures. ST otsik on optilisele kaablile lihtsasti lisatav ja eemaldatav. Tehakse kahes variandis: ST ja ST-II. Nad on kruvitavad ja vedrudega. ST otsikutel on metallist korpus mis on pealt nikeldatud. Neil on keraamiline kaitserõngas. Nad peavad vastu umbes 500-le ühendamisele. ST otsiku sisestuskadu on tavaliselt 0,25 dB.

LC otsik

LC otsik

LC otsikud on kasutusel nii ühe- kui mitmesoonelistes kaablites. LC otsikud on plastmassist korpusega ja keraamiline ühenduspuksiga, mis tagab täpse ühenduse. Otsikul on ka lukustuskonks. LC otsikud kannatavad umbes 500 ühendamist. Tavaline sisestuskadu on 0,25 dB.

MT-RJ pistik

MT-RJ otsik

Sobivad nii ühe- kui kahesoonelistese kaablite juurde. Otsikutel on plastikkorpus. Metallvardad ja plastik ühenduspuks tagavad täpse ühenduse. MT-RJ otsikud peavad vastu umbes 1000-ndele ühendamisele. Tavaline sisestuskadu on neil 0,25 dB või 0,35 dB.

MTP/MPO otsik

Kasutusel nii ühesooneliste kui ka mitmesooneliste optiliste kaablite juures. MTP/MTO otsik on spetsiaalselt valmistatud mitmekiulisele lintkaablile. MTP/MTO ühesoonelistel otsikutel on diagonaalne ühenduspuks, mis hoiab tagasipeegeldumise minimaalsena. Mitmesooneliste otsikute ühenduspuks on üldiselt tasane. Tavaline sisestuskadu on 0,25 dB.

Tööpõhimõte

Valgussignaali liikumine optilises kius:
# mitmemeediumiline astmelise murdumisnäitajaga kiud; # mitmemeediumiline gradientse murdumisnäitajaga kiud; # astemlise murdumisnäitajaga üksikmeediumi kiud

Elektriimpulss muundatakse valgusimpulsiks, mis levib mööda valguskaablit vastuvõtjasse, kus ta muudetakse taas elektriimpulsiks. Valgussaatjana võib kasutada valgusdioodi või tavalist pooljuhtlaserit. Valgussaatja lülitab end sisse/välja ja valgustundlik vastuvõtja kaabli teises otsas muundab valgussignaali taas elektriliseks signaaliks. Kaablisse sisenenud valguskiired kanduvad piki kaablit edasi peaaegu kadudeta. Kuna optilise kiu kattematerjal ise valgust ei neela, suudab valguskiir liikuda suuri vahemaid. Füüsikaliselt põhineb valguskaabli töö täielikul sisepeegeldumise nähtusel. Täielik sisepeegeldumine saavutatakse kiu erilise ehitusega, kus südamiku murdumistegur erineb kiu väliskihi murdumistegurist. Kahekihilise kiu korral on kiu raadiusesuunaline murdumisteguri muutumine astmeline, kuid eri tehnoloogiatega on võimalik toota ka sujuvalt muutuva murdumisteguriga kiudu. Olenevalt valgusallikast on ka andmeedastuskiirused erinevad. Dioodi kasutades on kiirus suurusjärgus 300 Mbit/s, mida kasutatakse lühikestel ühendustel, tavalised pooljuhtlaserid on võimelised genereerima mitme Gbit/s suuruseid kiiruseid ja neid kasutatakse pikematel ühendustel.

Üksikmeediumi ja mitmemeediumi valguskaablite põhiline erinevus on korraga saadetava valguse hulgas. Kui üksikmeediumi kaablis liigub vaid üks valguskiir, siis mitmemeediumi kaablis liigub mitu valguskiirt korraga. Iga kiir saadetakse sel juhul teele erineva nurga alt selleks, et nad üksteist ei mõjutaks. Selle tõttu on ka mitmemeediumi valguskaablit võimalik kasutada vaid väiksematel vahemaadel. Üksikmeediumi kaabel suudab aga ilma suuremate häireteta saata signaali ka pikki vahemaid. Selle tõttu on see ka laialdasemalt levinud, kuna ta on sobib rohkemateks juhtudeks kui mitmemeediumi kaabel.

Üksikmeediumi ja mitmemeediumi valguskaablites kasutatakse ka erinevaid murdumisnäitaja profiile. Laialdasemalt on levinud astmelise murdumisnäitajaga kiud. Selle puhul on murdumisnäitaja alati samasugune. Valguskiir põrkab mööda kiu külgi alati sama nurga all. On olemas ka gradientsed kiud, kus murdumisnäitaja on varieeruv vastavalt kaabli keskosa radiaalkaugusele. Mitmemeediumilise gradientkiuga kaablid on tavaliselt kõrgema töövõimega kui mitmemeediumilise astmelise murdumisnäitajaga kaablid. Üksikmeediumilise kiu puhul on gradientse profiiliga kaabli eelis astmelise murdumisnäitajaga kaabli ees väike. Sellepärast tehakse üksikmeedium kiududega kaableid enamasti ainult astmelise murdumisnäitajaga.

Sisemise klaasi ebapuhtuse tõttu võib osa valgussignaali kvaliteedist kannatada. Signaali kao ulatus sõltub ka saadetava valguskiire lainepikkusest (näiteks 850 nm lainepikkuse puhul kadu 60–75% kilomeetri kohta, 1300 nm puhul 50–60%/km). Kvaliteetsematel kaablitel võib signaalikadu olla vähem kui 10% kilomeetri kohta lainepikkusel 1550 nm.

Eelised võrreldes metallkaabliga

• suurem ribalaius;
• suurem häirekindlus;
• väiksem kaal ja diameeter;
• sobib hästi info edastamiseks digitaalsel kujul;
• tulekindel; kuna kaablis ei ole elektrit, ei ole ka tuleohtu
• energiasäästlik; signaali tugevus püsib stabiilsemana, võib kasutada madalama võimsusega saatjaid kui vaskkaablis
• multifunktsionaalsus (vt. kasutusalasid)

Puudused

Valguskaablite kasutamine ja hooldamine on vaskkaablitest oluliselt kallim. Valguskaablid on ka hapramad kui metallkaablid. Lisaks sellele on neid keerulisem jätkata kui metallkaableid. Valguskaablil on puudused, mis piiravad tema töövõimet. Suurimad töökuse piirajad on signaali hajumine ja dispersioon. Hajuvus ei ole probleemiks väikevõrkudes, vaid seab oma piirangud pikkadele ühendustele. Signaali hajuvuse vältimiseks saab kasutada elektroonilist regeneraatorit või võimendit (EDFA). Teine probleem on valgusimpulsi laienemisel mööda kaablit. Kui valgusallikas mitmekiulisesse valguskaablisse signaali laseb, võib see hakata mitmekiulisel valguskaablil liikuma eri kiirustel, kui kiud ei ole täpselt samast materjalist. Selle vältimiseks tehakse kaableid võimalikult sarnaste omadustega kiududest, et vähendada aeglaste lainepikkuste mahajäämist.

Kuna infrapuna valgust ei ole võimalik näha võib see olla ohtlik tehnikutele, kes kaableid paigaldavad. Mõningatel juhtudel on optiline tugevus nii suur, et see võib kahjustada silmi.

Kaableid lõigates võivad naha alla sattuda väikesed klaasikillud, sellepärast tuleb sellise töö juures olla eriti ettevaatlik. Kaabli valimisest: Alljärgnev tabel võtab kokku võimalikud kaabli valikud, nende kasutuskohad ning eelised. Kaabli tüüp Rakendus Eelised Tihedalt puhverdatud Sisetingimustes Sitke, tugev, hea jätkata Jaotav Sisetingimustes Väike suurus, palju kiude, odavapoolne Väljapääsev Sisetingimustes Vastupidav, sitke, lihtne lõpetada ja ei vaja spetsiaalseid tööriistu Avar torujas Välistingimustes Vastupidav, vett hülgav (geel, kuivus) Soomustatud Välistingimustes Väldib näriliste kahjustusi Lintjas Välistingimustes Kõrgeim kiudude arv väikeste mõõtmete kohta

Kasutusalad

Kiudoptika võeti esmakordselt kasutusele kohtvõrkudes (LAN) ja hiljem seoses digitaalse telefonitehnika kasutuselevõtuga hakkasid telekomifirmad neid kasutama ka telefoniside magistraalliinidena. Valguskaabel on saanud väga levinuks globaalsetes võrkudes. Lisaks valguskaabli kasutamisele LAN ühendustel on paljud firmad plaaninud oma liinid välja vahetada valguskaabli liinide vastu. Tulevikus kasutavad üha rohkem teabeedastusvahendeid valguskaableid. Valguskaableid kasutatakse nii heli, andmete kui ka video edastamiseks nii lühikestel kui ka pikkadel vahemaadel, mis ulatuvad sadadesse kilomeetritesse. Kaabeltelevisiooni pakkuvad firmad kasutavad valguskaableid HDTV signaali edastamiseks. Valguskaableid kasutatakse erinevates digitaalkaamerates, nagu näiteks endoskoopides, bronhoskoopides ja teistes kirurgilistes vahendites, mehhaanikas mootorite ja torude keevituste kontrollimiseks (lennukite, autode, kosmosesüstikute jms juures).

Kaabli valimine

Alljärgnev tabel võtab kokku võimalikud kaabli valikud, nende kasutuskohad ning eelised:

Kaabli tüüp	Rakendus	eelised
Tihedalt puhverdatud	Sisetingimustes	Sitke, tugev, hea jätkata
Jaotav	Sisetingimustes	Väike suurus, palju kiude, odavapoolne
Väljapääsev	Sisetingimustes	Vastupidav, sitke, lihtne lõpetada ja ei vaja spetsiaalseid tööriistu
Avar torujas	Välistingimustes	Vastupidav, vett hülgav (geel, kuivus)
Soomustatud	Välistingimustes	Väldib näriliste kahjustusi
Lintjas	Välistingimustes	Kõrgeim kiudude arv väikeste mõõtmete kohta