Orientace na optické systémy v komunikacích je dána řadou předností, které tyto systémy mají vzhledem ke klasickým systémům (např. koaxiálním). Je nutno zdůraznit, že v obecnosti zahrnujeme do optických komunikačních systémů jak systémy s optickými vlákny, tak i atmosférické spoje. Atmosférické spoje se vzhledem ke značnému útlumu v atmosféře používají jen na krátké vzdálenosti, a to stovky metrů až jednotky kilometrů.
Optický komunikační systém se skládá z vysílače, optického kabelu a přijímače.
Optický vysílač
Optický vysílač transformuje elektrický signál na optický a realizuje tak požadovanou modulaci optického signálu. Druhům modulace pak odpovídají požadavky na zdroj optického signálu, kterým je nejčastěji luminiscenční nebo laserová dioda. Při intenzitní modulaci nemusí být tak přísné požadavky na spektrální vlastnosti, případně koherentní vlastnosti, jako při fázové nebo frekvenční modulaci. Na druhé straně se požadavky na spektrální vlastnosti optické nosné zpřísňují při zvyšování rychlosti přenosu (a to i při intenzitní modulaci) jak z hlediska samotného výstupního signálu vysílače, tak i dalších částí přenosového systému, zejména optického kabelu. Nároky na dynamické vlastnosti vysílače vycházejí z požadavků na rychlost přenosu. Znamená to, že žádnou část systému nelze řešit bez ohledu na vazbu s dalšími částmi. Jako optické zdroje se používají luminiscenční a laserové diody. Mezi výhody laserových diod patří vysoký emitovaný výkon (až desítky mW), vysoká přenosová rychlost a malá šířka spektra. Luminiscenční a laserové diody se vyrábějí vzhledem k přenosovým vlastnostem optických vláken pro vlnové délky 870 nm, 1 310 nm a 1 550 nm.
Optický kabel – kabelová trasa
Optický kabel přenáší optický signál. Hlavními požadavky jsou minimální útlum a minimální zkreslení optického signálu při zvoleném typu modulace. Obecně se kabelová trasa montuje z výrobních délek optického kabelu, aby se dosáhlo požadovaného propojení mezi dvěma či více místy.
Výběr optických vláken závisí na určení přenosové sítě. Z hlediska počtu přenášených vidů jsou rozdělena optická vlákna na mnohavidová a jednovidová. Mnohavidová vlákna mají buď skokový, nebo gradientní profil indexu lomu a pracují obvykle na vlnové délce 870 nm, kde také jsou k dispozici kvalitní zdroje a detektory. Jejich použití se v současné době omezuje na lokální sítě malého rozsahu s menšími přenosovými rychlostmi. Při přenosech na větší vzdálenosti nebo při vyšších přenosových rychlostech se používají jednovidová křemenná vlákna, a to na vlnových délkách 1 310 nm a 1 550 nm. Útlum 0,3 dB/km, dosahovaný na vlnové délce 1 310 nm a 0,2dB/km na vlnové délce 1 550 nm se téměř rovnají teoreticky dosažitelné fyzikální mezi útlumu, která je vymezena Rayleighovým rozptylem. V praxi pak hodnotu útlumu ovlivňuje pokládka kabelu (ohyby), spoje a konektory, vyvedení do rozvaděčů apod.
Volba vhodného optického vlákna je spojena s volbou kabelu. Vyrábí se kabely až s několika stovkami optických vláken v různém uložení (např. v trubičkách, meandrech, páscích ribbon), s různou izolací a různým konstrukčním uspořádáním.
Vedle kabelů jsou významnými spojovacími prvky konektory. Současný sortiment se soustřeďuje na několik druhů a je vyvíjena významná snaha po jejich normalizaci. Ve většině případů je nutné spojovat kabelové úseky v kabelových spojkách. V kabelových spojkách jsou jednotlivá vlákna vzájemně propojena svařením elektrickým obloukem nebo pomocí mechanických spojek. Vzájemné spojování kabelových úseků se provádí až po optické rozvaděče na obou koncích optické trasy. Jednotlivá vlákna optického kabelu jsou vždy ukončena v optickém rozvaděči optickými konektory. Konektory jsou umístěny v konektorových spojkách na čelním panelu rozvaděče v tzv. konektorovém propojovacím poli. V případě telekomunikačních aplikací se montáž konektorů na optickou trasu nejčastěji provádí tak, že se na jednotlivá vlákna kabelu navařují pigtaily s optickými konektory již osazenými z výroby. Pro sítě nižší úrovně se mohou montovat optické konektory rovnou na místě na konce optických vláken.
Optická kabelová trasa se potom skládá nejenom z kabelových úseků, ale i z dalších elementů, jako jsou optické kabelové spojky, optické konektory a pigtaily. Ve složitějších sítích může optická trasa obsahovat i další pasivní nebo aktivní prvky. Nejpoužívanějšími pasivními součástkami, samozřejmě kromě optických konektorů, jsou vláknové děliče, optické atenuátory (útlumové články). V modernějších širokopásmových sítích se uplatňují další pasivní komponenty jako filtry, multi- a demultiplexory, polarizační elementy apod. Aktivní součástkou nejběžněji používanou v optických sítích je vláknový optický zesilovač EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier). Optická trasa však vždy začíná a končí optickým konektorem na optickém rozvaděči, ke kterému se připojuje pomocí optických propojovacích šňůr sdělovací nebo jiný systém.
Optický přijímač
Základní částí optického přijímače je fotodioda, nejčastěji typu PIN nebo lavinová. Materiál, z něhož je fotodioda vyrobena, určuje spektrální závislost citlivosti. Z hlediska přenášeného frekvenčního pásma je významná rychlost časové odezvy fotodiody a následného zesilovače. Rychlost odezvy fotodiody závisí na třech faktorech, době přenosu nosičů náboje přes ochuzenou oblast (oblast prostorového náboje, rozšířenou o oblast I u fotodiody PIN), odezvě elektrického obvodu tvořeného kapacitní a odporovou složkou fotodiody a příspěvku nosičů vygenerovaných vně ochuzené vrstvy. K tomu je nezbytné připočítat vstupní odpor a kapacitu následného zesilovače, který zpracovává elektrický signál fotodiody.
Obr. 9: Schéma optického spoje
Výhody přenosových cest s optickými vlákny
Značná šířka přenášeného pásma – optická nosná se – pohybuje v rozsahu od 1013 do 1016 Hz, šířka pásma dosahuje řádově THz.
Malé rozměry a hmotnost – jsou stále tenčí a lehčí v porovnání s metalickými páry – to s sebou přináší miniaturizaci – zmenšení prostoru v rozvaděčích, zjednodušení montáže.
Elektrická izolace – optická vlákna jsou vyráběna výhradně z materiálu jako sklo nebo plastické polymery, jsou to izolační materiály. Je možné je nasadit v elektricky nebezpečných prostředích (přítomnost výbušných plynů apod.), protože při rozpojování a manipulací nevznikají žádné jiskry, zkraty a elektrické oblouky.
Imunita vůči interferencím a přeslechům – optický signál procházející světlovodem není ovlivňován přítomností elektromagnetického rušení z různých zdrojů v jeho okolí, je tedy odolný proti interferencím. V optickém vlákně se šíří energie pouze jádrem a za normálních okolností nevychází mimo plášť. Tím se významně zamezí vzniku přeslechů mezi vlákny optického kabelu.
Bezpečnost přenosu – světlo procházející optickým vláknem není vyzařováno z pláště ven, což v konečném důsledku znamená, že je ztížena možnost odposlouchat přenos signálu v optickém vlákně tak, jak je tomu u metalických symetrických kabelů, kde je elektrická energie, související s přenosem konkrétního signálu rozprostřena v okolí páru a je tedy možné ji indukčně nebo kapacitně navázat.
Nízké ztráty při přenosu světelné energie – optická vlákna se v současné době vyrábějí s útlumem okolo 0,2 dB/km na vlnové délce světla λ = 1 550 nm. Nízký útlum umožňuje navrhnout přenosové systémy s dlouhými úseky bez zesilování signálu, což znamená snížení ceny, složitosti a zvýšení spolehlivosti.
Relativně malé náklady na výrobu – sklo, které se používá pro výrobu optických vláken, není závislé na základní surovině, ale na nákladnosti technologie čištění základního skleněného materiálu. Požadovaná čistota je řádu 10-9 až 10-10 což znamená, že na 109 až 1010 molekul základního materiálu SiO2 může připadat jedna molekula nečistoty.