Optičke komunikacije

Opti

č

ke telekomunikacije, E1 i SAO, 2010.god.   

1 

OPTI

Č

KE TELEKOMUNIKACIJE 

 
ISTORIJAT 
 
Široka oblast savremenih telekomunikacija. Posebno intenzivno razvija se posle 1980. godine. 
Postoje i brojni primeri iz ranije prošlosti koji ne mogu da se svrstaju u opti

č

ke komunikacije u 

današnjem smislu. Koristili su postupke za prenos poruka koje su bile vidljive korisnicima. 
(signalizacija, zastavice, semafori, svetionici, razni opti

č

ki sistemi kao francuski telegrafski 

sistem koji je za 15min prenosi poruku na udaljenost od 200km, itd.). 
Prvi nau

č

ni pokušaj provo

đ

enja svetlosti kroz dielektrik izveo je John Tyndall 1870. godine 

propuštaju

ć

i svetlost kroz mlaz vode. 

Slika 1. Pretpostavke u eksperimentu 

Slika 2. Rezultat eksperimenta 

 
Kao rezultat, možemo da zaklju

č

imo slede

ć

e: svetlost može da se kre

ć

e kao na slici 3, prate

ć

i 

zakrivljenost svetlovoda: 

Slika 3. Kretanje svetlosti u svetlovodu 

 
Primenu optike u današnjem smislu pokrenuo je izum lasera 1958., poluprovodni

č

kog lasera 

1963. godine i nakon nekoliko godina, prvih opti

č

kih vlakana.  

Opti

č

ko vlakno je tanka staklena nit sa

č

injena od silicijuma. Staklo koje se koristi ima izuzetnu 

č

isto

ć

u. Ne može se ni uporediti sa staklom na koje smo navikli. Staklo debljine nekoliko 

kilometara ima providnost obi

č

nog prozorskog stakla debljine 3-4mm.  

Svetlost putuje kroz staklena vlakna zahvaljuju

ć

i pojavi koja se naziva totalna unutrašnja 

refleksija. Relacije kojima je opisano zarobljavanje svetlosti unutar ravne staklene plo

č

e izveo je 

Fresnel još 1820. godine,  

1962.god. opti

č

ko vlakno imalo je slabljenje 1000dB/km (atmosfera 20-30 db/km). 

1966. godine Charles Kao i Georges Hockham utvrdili su da veliki gubici u opti

č

kom vlaknu 

teoretski nastaju zbog malih ne

č

isto

ć

a unutar stakla, a ne zbog unutrašnjih ograni

č

enja samoga 

stakla. Procenili su da se gubici svetlosti koja putuje vlaknom mogu drasti

č

no smanjiti, sa 1000 

db/km na manje od 20 db/km.  

Opti

č

ke telekomunikacije, E1 i SAO, 2010.god.   

2 

Zahvaljuju

ć

i otkri

ć

u Charlsa Kaoa i Georgea Hockmana 1970. godine po

č

eo je vrlo intenzivan 

razvoj opti

č

kih komunikacija kada je tim stru

č

njaka iz kompanije “Corning Glass” proizveo 

opti

č

ko vlakno dužine stotinu metara.  

1976. god. zapo

č

ela je eksperimentalna primena opti

č

kih vlakana u telefonskim sistemima 

Atlante i Chicaga, a 1984. godine pušteno je u rad opti

č

ko vlakno kompanije AT&T povezuju

ć

i 

Boston i Washington. 

1988. godine postavljen je prvi transatlantski opti

č

ki kabel, sa regeneratorima na udaljenostima 

od 64 km.  

Tokom osamdesetih godina uloženi su ogromni napori da se otklone problemi vezani za 
popravku prekinutih opti

č

kih kablova i da se poboljša tehnika njihovog postavljanja.  

1991. godine prikazani su opti

č

ki poja

č

ava

č

i koji su ugra

đ

eni u same opti

č

ke kablove i koji su u 

stanju da obezbede 100 puta ve

ć

i kapacitet od sistema sa elektronskim poja

č

ava

č

ima.  

1996. godine postavljeni su kablovi sastavljeni isklju

č

ivo od opti

č

kih vlakana i preko Tihog 

okeana. 
 
Kod nas je postavljanje opti

č

kih sistema po

č

elo 1984 u BG, a 1991. postavljena je opti

č

ka veza 

NS - Sremski Karlovci. Unato

č

 ratu, inflaciji i svemu što se dešavalo, opti

č

ki sistemi i kod nas 

preovla

đ

uju u novoizgra

đ

enim komunikacionim sistemima. 

 
Primena opti

č

kog vlakna kao provodnika svetlosnog signala zna

č

ajno je zavisila od tehnologije 

izrade vlakna, prvenstveno eliminacije ne

č

isto

ć

a koje uti

č

u na slabljenje, mehani

č

ke izdržljivosti 

i zaštite vlakna od lomljenja. 

Opti

č

ki komunikacioni sistem prikazan je na slici 4. 

Slika 4. Blok šema opti

č

ke komunikacione mreže 

 
Prenosni medijum 

č

ini opti

č

ko vlakno na 

č

ijim se krajevima nalaze odgovaraju

ć

i priklju

č

ci 

(konektori) koji obezbe

đ

uju povezivanje predajnika i prijemnika sa opti

č

kim vlaknom. 

 
Predajnik generiše signal koji je prilago

đ

en prenosu kroz opti

č

ko vlakno. 

Prijemnik detektuje oslabljenu i zašumljenu poruku i konvertuje je u formu potrebnu krajnjem 
korisniku. 
 
Najvažnije osobine opti

č

kog komunikacionog kanala jesu:  

•

  veliki informacioni kapacitet (ogroman propusni opseg svetlovoda),  

•

  mala podužna slabljenja signala u sistemu,  

•

 otpornost na razli

č

ite smetnje elektromagnetne ili radiofrekvencijske prirode usled 

dielektri

č

nog karaktera svetlovoda,  

•

  relativno mali gabariti i masa elemenata prenosnog sistema koji su posledica kratkih talasnih 

dužina iz opti

č

kog spektra, kao i  

•

 zašti

ć

enost od ometanja i prisluškivanja.  

 
U malobrojne mane primene opti

č

kih vlakana mogu se ubrojati: 

•

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

•

  velika osetljivost na mehani

č

ka dejstva. 

Opti

č

ke telekomunikacije, E1 i SAO, 2010.god.   

4 

i 

č

esto ih nazivamo opti

č

kim prenosnim prozorima. Detaljnije su opisani u nastavku. Položaj 

pojedinih spektralnih opsega prikazan je na slici 6. 
 

Slika 6.a Spektralni opsezi i položaj vidljive i infracrvene (Infrared) svetlosti 

Slika 6.b Malo druga

č

ija ilustracija spektralnih opsega i položaja vidljive i infracrvene svetlosti 

 
Zbog toga, osim ako nije druga

č

ije naglašeno, uvek kada pominjemo neku talasnu dužinu 

mislimo na njenu vrednost u slobodnom prostoru. Tako na primer, ako imamo izvor svetlosti na 
800nm uzimaju

ć

i da je u slobodnom prostoru 

v 

= 

c

 dobijamo frekvenciju od 3.75

⋅

10

14

 Hz. 

Recipro

č

na vrednost ove frekvencije odgovara periodi ove oscilacije od 2.67

⋅

10

-15

 s. 

PRELAMANJE SVETLOSTI. SNELOV ZAKON 

 
U fizici su zakoni prelamanja svetlosti, svetlosne optike, refrakcije (promene pravca), indeksa 
prelamanja, poznati od po

č

etka 17. veka. 

Opti

č

ke telekomunikacije, E1 i SAO, 2010.god.   

5 

Prva važna stvar jeste 

č

injenica da svetlost ima najve

ć

u brzinu u vakuumu, 

s

m

c

/

10

3

8

⋅

=

. U 

drugim medijima brzina je manja. Indeks prelamanja definiše se kao odnos brzina svetlosti u 
vakuumu i sredini za koju se odre

đ

uje indeks: 

v

c

n

=

gde je 

v

 brzina svetlosti u posmatranom materijalu. Za staklo indeks prelamanja ima vrednosti 

izme

đ

u 1,4 i 1,5. Kasnije 

ć

e se pokazati slede

ć

a interesantna osobina: pošto brzina zavisi i od 

talasne dužine svetlosti, indeks prelamanja se malo menja u zavisnosti od talasne dužine. 
 
Tabela 1   Indeks prelamanja nekih materijala 
 

Materijal Indeks 

prelamanja 

Vazduh 1.0 
Voda 1.33 
Etil alkohol 

1.36 

Kvarcno staklo 

≅

1.5 

Indijum fosfat 

3.21 

Galijum arsenid 

3.35 

Silicijum 3.5 
Aluminijum galijum arsenid 

3.6 

Germanijum 4.0 

 
Prema Snelovom zakonu, postoji veza izme

đ

u indeksa prelamanja i uglova pod kojima svetlost 

pada na grani

č

nu površinu: 

2

2

1

1

sin

sin

φ

φ

⋅

=

⋅

n

n

Postoji i kriti

č

ni ugao, 

c

φ

 za koji je 

2

/

max

2

2

π

φ

φ

=

=

 pa je 

1

2

sin

n

n

c

=

φ

 
Snelov zakon, prelamanje i refleksija ilustrovani su na slici 7. Na slici 8. data je lustracija 
prelamanja preko svetlosnih frontova. O

č

igledno je da rastojanje frontova ukazuje na njihovu 

brzinu, a promena pravca je posledica promene brzine. 
 

Slika 7. Ilustracija Snelovog zakona

Opti

č

ke telekomunikacije, E1 i SAO, 2010.god.   

7 

Prostiranje svetlosti kroz opti

č

ko vlakno 

 
Svetlost se prostire kroz opti

č

ko vlakno na na

č

in ilustrovan na slici 10. Svetlost se kre

ć

e kroz 

jezgro vlakna, pod razli

č

itim uglovima u odnosu na zamišljenu normalu prema grani

č

noj površini 

sa omota

č

em.  

Ako je ugao ve

ć

i od kriti

č

nog ugla, 

c

φ

φ

>

 (kao zrak br.3. na slici 7.) dolazi do totalne refleksije i 

zrak ostaje zarobljen u jezgru vlakna, pošto se isti ugao ponavlja pri svakom sudaru sa 
grani

č

nom površinom, sa bilo koje strane.  

Ako je ugao manji ili jednak kriti

č

nom uglu, 

c

φ

φ

≤

 (kao zraci br.1 i 2. na slici 7.) dolazi do 

prelaska energije u omota

č

 i zrak veoma brzo slabi i nestaje u omota

č

u.  

Slika 10. Kretanje svetlosnog zraka kroz vlakno 

 
Tipovi opti

č

kog vlakna prema obliku profila indeksa prelamanja 

 
Postoji više na

č

ina za podelu opti

č

kih vlakana.  

Prema obliku profila indeksa prelamanja postoje dve osnovne vrste i nekoliko varijacija. 
 

STEP INDEKS (SI) VLAKNO  

 
Vlakno sa dve vrednosti indeksa prelamanja, sa skokovitom promenom, kao na slici 11.a), 
naziva se SI vlakno. 
Promena indeksa prelamanja može se analiti

č

ki opisati izrazom: 

⎩

⎨

⎧

>

<

=

a

r

n

a

r

n

r

n

2

1

)

(

gde je 

1

n

 indeks prelamanja jezgra vlakna, 

2

n

 indeks prelamanja omota

č

a, a polupre

č

nik jezgra 

ima vrednost 

a

. 

GRADIJENTNO (GI) VLAKNO  

 
Radi se o vlaknu sa kontinualnom, gradijentnom promenom vrednosti indeksa prelamanja.  
Promena se može opisati izrazom: 

⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

>

<

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ

−

⋅

=

a

r

n

a

r

a

r

n

r

n

g

2

2

1

1

2

1

)

(

gde je 

1

n

 indeks prelamanja na osi jezgra vlakna, 

Δ

 normalizovana razlika indeksa prelamanja 

od sredine do ivice jezgra, 

r

 udaljenost od ose vlakna, 

a

 polupre

č

nik jezgra vlakna, a 

g

 je 

parametar profila ili gradijent gradijentnog vlakna. Za 

2

=

g

 radi se o vlaknu sa paraboli

č

nim 

profilom, za 

1

=

g

 profil je trougaoni (kao na slici 12.d), a za step-indeks vlakno 

∞

→

g

(sadržaj zagrade manji je od 1 pa zagrada teži nuli).