Kuva 1, (a) askelkuitu, (b) asteittaiskuitu, (c) yksimuotokuitu toiminta periaatteet [1].
Optisella tiedonsiirto on signaalin siirtämistä valon muodossa optista kuitua pitkin. Lähettäjä muuntaa signaalin valonmuotoon ja vastaanottaja muuntaa valon takaisin sähköiseen muotoon. Optinen tiedonsiirto on avannut aivan uudet ulottuvuudet tiedonsiirrolle. Optista Kuitua käyttäen on päästy huomattavasti suurempiin tiedonsiirtonopeuksiin ja optista tarkkuutta hyväksikäyttäen tiedonsiirrossa tapahtuu vain vähän tiedonsiirtovirheitä. Optinen kuitu on hyvää vauhtia korvaamassa perinteiset kuparista tehdyt parikaapelit tiedonsiirtoverkoissa.
Optinen tiedonsiirto on paljon muutakin kuin valokaapeleita ja taitekertoimia. Ihmiset ovat jo kauan käyttäneet valoa eri muodoissa, esimerkiksi laivasta laivaan valolyhdyllä morsettaminen. Optiseksi tiedonsiirroksi voidaan siis luokitella kaikki sellainen informaationvaihto, jossa käytetään valoa.
Vuonna 1794 otettiin ensimmäisenä käyttöön optisen lennättimen linja, jonka kehitti Claude Chappen. Lennätin perustui semaforeihin ja lennätinlinkit koostuivat varsista, joita kääntelemällä saatiin aikaiseksi erilaisia tunnistettavia asentoja. Semaforeihin perustuvia järjestelmiä näkee edelleen muunmuassa rautateiden varsilla, mutta niiden merkitys on vähentynyt nykyisten moderniempien tekniikoiden tullessa. Suomessa Chappen lennätintä sovellettiin vuonna 1796, jolloin suomalaissyntyinen Abraham Edelcrantz kehitti siitä version, joka ulottui Ruotsista Ahvenanmaalle. Kuituoptiikan käännevuotena pidetään vuotta 1966, jolloin ensimmäistä kertaa osoitettiin mahdolliseksi valmistaa lasista tietoliikenteelle sopivaa tarpeeksi pienivaimennuksista kuitua. Samoihin aikoihin oli kehitetty myös ensimmäiset puolijohdelaserit, joten kaikki tarvittavat komponentit optisen järjestelmän rakentamiseen oli valmiina.
Kuidut jaotellaan eri tyyppeihin taiteprofiilin ja valon etenemistavan perustella. Valon etenemisen kannalta on havainnollista esitellä kolme eri kuitutyyppiä; Askeltaitekertoiminen monikuitu eli askelkuitu, asteittais- taitekertoiminen monikuitu eli asteittaiskuitu ja yksimuotokuitu.
Kuva 1, (a) askelkuitu, (b) asteittaiskuitu, (c) yksimuotokuitu toiminta periaatteet [1].
Nykyään ei käytännössä käytetä askelkuituja. Niissä valo heijastuu suoraan verrannollisena tulokulmaan, koska ytimen halkaisija on huomattavasti suurempi kuin käytetyn valon aallonpituus. Valon aallonpituudesta riippuen valo etenee kuidussa eri kulmissa heijastellen. Koska eritaajuuksilla valolla on eri matka kuljettavana, levenee pulssi edetessään ja syntyy muotodispersiota.
Asteittaiskuidissa valonsäteet taittuvat vähitellen kuorta lähestyessään eikä jyrkästi kuten askelkuidussa. Tämän vuoksi valonnopeus on suurempi laidoilla kuin keskiosassa kuitua ja siksi muodostuu vähemmän muotodispersiota.
Yksimuotokuidussa ytimen halkaisija on niin pieni, että valon taittamista ei juuri tapahdu eli tietyllä aallonpituudella on vain yksi muoto. Vaikka yksimuotokuidussa ei tapahtu ollenkaan muotodispersiota, esiintyy erilaista kromaattista dispersiota. Vaimennus on yksimuotokuiduilla huomattavasti pienempi kuin askelkuiduilla tai asteittaiskuiduilla.
Valokaapeli koostuu yhdestä tai usemmasta optisesta kuidusta ja se voidaan jakaa muovi- ja lasikuituihin. Muovikuidut ovat käytössä lyhyillä, muutaman metrin matkoilla ja ne tulevat halvemmaksi kuin lasikuidut. Pidemmillä matkoilla käytetään lasikuituja, jotka ovat tunnettuja pienien häviöiden ansiosta. Kuidut eivät kestä vetorasitusta, joten kaapelit ovat usein vahvistettu metallilla. Kaapeleiden suojaamiseksi kosteudelta käytetään täyteaineena geeliä tai täyterasvaa ja joskus kaapelit voidaan myös paineistaa. Lasi on sähköisesti eriste, joten valokaapeli on lähes immuuni elektromagneettisille häiriöille. Valokaapelit eivät myöskään säteile ulospäin eikä näin aiheuta ylikuulumista. Myöskään maadoitusongelmia ei ole, koska galvaanista yhteyttä ei tarvita. Kuitu on myös tunteeton sähköverkon ylijännitteille ja salamaniskuille. Optiset järjestelmät sopivat siis hyvin esimerkiksi teollisuusympärisöihin.
Kuparikaapeleihin verrattuna valokuiduilla on monia etuja. Valokaapelien siirtohäviöt ovat huomattavasti pienemmät kuin parikaapelien. Jo nelikuituisella valokaapelilla saadaan nopeampi siirtotie, kuin 800 parisella kuparikaapelilla. Tiedonsiirrossa signaalit vaimentuvat mitä pidempiä matkoja niitä lähetetään ja niitä pitää tietyn välein vahvistaa ja regeneroida. Jokainen vahvistin ja regeneraattori tuo huomattavasti lisää kustannuksia. Valokaapeleilla päästään huomattavasti suurempiin toistinväleihin, jopa satoihin kilometreihin. Valokaapelilla on myös huonojakin puolia. Tiedonsiirto on yksisuuntaista ja haaroituksia, joissa on pieni häviö, on vaikea tehdä. Siksi yleisempänä verkko topologiana käytetään regasta. Valokaapelit ovat erittäin herkkiä asennuksessa ja käytössä sattuville häiriöille. Kaapeleita ei saa taivuttaa liikaa, kuiduille pienin taivutussäde on noin viisi senttimetriä ja kaapeleille 15 senttimetriä [2]. Eristyksessä käytettävä muovi ja geeli saattavat jäätyä tai haurastua, joten valokaapelit eivät suvaitse suuria lämpötilan muutoksia.
Kuva 2, siirtotievälin ja kaistanleveyden suhteita [3].
Optisella tiedonsiirrolla on ylivoimaisia ominaisuuksia verrattuna perinteiseen sähköiseen tiedonsiirtoon. Kaistanleveydet ja siirtonopeudet ovat syitä vauhdittamaan alan kehitystä. Optisen kuidun tiedonsiirtokyky on valtavan suuri. Siirrettävä nopeus ja siirtoetäisyys riippuvat vaimennuksesta (0,5dB/m 1300nm), kaistanleveydestä, mikä ilmoittaa suurimman siirretävän taajuuden ja riippuu kuidun ominaisuuksista. Optisissa järjestelmissä tietoturvallisuus on hyvä, joten niillä voidaan rakentaa turvallisia ja luotettavia yhteyksiä. Optisen tiedonsiirron etujen ansiosta alalle on syntynyt paljon kilpailua, mikä on tiputtanut valokaapelien käytön ja asennuksen kustannuksia huomattavasti. Lisäksi valokaapeleista saadaan pieniä, kevyitä ja kestävempiä, joka on helpottanut asentamista ja käsittelyä.
Valokaapeleita rakennetaan jo melkein suoraan käyttäjille asti. Moniin kouluihin ja toimistoihin on rakennettu valokaapeli yhteydet, mutta suurin osa lopullisista käyttäjistä hoidetaan vielä parikaapeleilla. Langattomien järjestelmien kehittyminen esimerkiksi nopeus on nostanut optisen tiedonsiirron tarvetta ja kehittämistä. Ne yhdessä ovat nostaneet palvelujen tasoa ja tarjontaa. Esimerkiksi matkapuhelinverkossa tukiasemien välillä välimatkan ollessa suurempi käytetään valokaapeleita.
Multimedia on tämänpäivän trendi. Internetistä ei löydy enää vain yksinkertaisia HTML-sivuja, joissa on vain tekstiä, vaan jo monipuolisia interaktiivisia sovelluksia. Lisääntyvät käyttäjä määrät ja siirtomäärät vaativat siirtoteiltä paljon ja vain valokaapelit ovat mahdollistaneet tämän. Verkossa siirretään ääntä, kuvaa, tekstiä ja muuta dataa ja näiden pitää liikkua verkossa tarpeeksi nopeasti. Esimerkiksi äänessä ei saa olla viiveitä, kuvassa ei saa esiintyä virheitä jne. Tulevaisuutta ajattelen optinen kuitu mahdollistaa nämä vaatimukset ja valo kuitujen kapasiteetti riittää kattamaan vielä pitkälle tulevaisuuteen edellä mainitut vaatimukset. Nopeus 10Gbit/s on jo saavutettu ja 80Gbit/s yhteyksiä on jo toteutettu. Tutkimuksen kohteena oleva solitonitekniikka lupailee jopa terabittien nopeuksia.
[1] Ericsson Telecom, Telia, Understanding Telecommunications 1
[2]Valokuitu, Jani Peltovuori, Taru Väisänen, Esa Launis, 22.3.1997
www.math.jyu.fi/~janpelt/verkot/2.html
[3] Ericsson Telecom, Telia, Understanding Telecommunications 1
Internet.com LLC, fiber optics
http://webopedia.internet.com/TERM/f/fiber_optics.html
Hämeen-Anttila, R., Hölttä, P., Niinioja, S. Tietoliikennejärjestelmät. Oy Edita Ab, Helsinki 1993. 293s.
Leppihalme, M. Valokuidusta integroituun optiikkaan. Prosessori 8/1992. s. 40-43.
Voipio, K., Uusitupa, S. Tietoliikenne aapinen-teletekniikkaa ymmärrettävästi. Otatieto, Tampere 1999. 188s.
Ericsson Telecom, Telia, Understanding Telecommunications 1