Tekniken som förändrade världen

fiberoptik-header

Inledning

I grova drag kan man säga följande. Då du klickade på den länk som tog dig till denna artikel skickades ett antal ljussignaler iväg till en server lokaliserad någonstans på Internet. På vägen till denna server tolkades ljussignalerna och på sådant vis instruerades servern till att skicka hemsidans innehåll till din dator. Det vill säga att all text, alla bilder och dylikt gjordes om till ljus, vilket skickades tillbaka till din dator i fiberoptiska kablar.

Man kan nästan påstå att det är lite magi involverat eftersom allt ovanstående skedde under loppet utav några tusendelars sekund. Tack vare fiberoptikens utveckling kan man alltså i dagsläget ta del utav information som befinner sig på andra sidan jordklotet omgående. I alla fall sett ifrån människans tidsuppfattning, där några tusendelars sekund, millisekunder, upplevs som att det sker mer eller mindre omgående.

Fiberoptiken är en teknik som ständigt förbättras och som idag går mot att vara nutidens standard inom telekommunikation och Internet. Ett intressant faktum kring den fiberoptiska tekniken är att dess princip uppmärksammades redan under 1800-talet.

Kollar man upp begreppet ”fiberoptik” idag säger Wikipedia följande: ”Fiberoptik är ett optiskt system för överföring av ljus eller data där ljus leds genom så kallade optiska fibrer, vars kärnor är gjorda av mycket rent glas eller plast från flera millimeters diameter ned till mindre än ett hårstrås diameter. Dessa glas- eller plastkärnor är omslutna av ett mantelhölje och vanligtvis också av ett skyddande skal.”

Detta citat klargör långt ifrån allting som har med fiberoptik att göra, men är ett bra inledande citat för att sedan gå vidare till nästa del, vilket är fiberoptikens historia i korta drag.

Fiberoptik – Några signifikanta historiska händelser

John TyndallÅr 1854 demonstrerar en man vid namn John Tyndall inför The Royal Society att ljus kan böjas igenom en böjd vattenstråle. Detta var något människan känt till sedan gamla Egypten men dock hade man inte kommit på någon praktisk användning förrens tusentals år senare. Det visade sig att denna upptäckt revolutionerade människans sätt för att kommunicera med varandra på.

År 1880 uppfinner Alexander Graham Bell sin ”Photophone” vilket var lik hans tidigare invention telefonen. Huvudskillnaden mellan dessa två uppfinningar var att den tidigare telefonen överförde ljudet mellan de två samtalande parterna via elektriska signaler, medan fotofånen överförde sina signaler via ljussignaler. Alexander Bell var på den tiden tvungen att använda sig utav solens ljusstrålar och han fick det att fungera relativt bra. Dock lade han sina idéer på hyllan eftersom något så oförutsägbart som moln på himmelen skulle innebära nedtid för ens telefonitjänst.

Under samma år uppfann en man vid namn William Wheeler ett fiberoptiskt kabelsystem med hjälp utav material med bra brytningsindex vilket han använde i fiberkablaget. Ljuskällan han använde sig utav var en elektriskt driven glödlampa.

År 2009 tilldelas nobelpriset i fysik till Charles K. Kao som några decennier tidigare, närmare bestämt 1966, hade gjort en upptäckt som kom att revolutionera fiberoptiken. Hans upptäckt innebar att man kunde öka avståndet på de fiberoptiska kablarna genom att använda en ny typ av material som kärna i de fiberoptiska kablarna. Det han egentligen gjorde var att förfina glaset som användes. Det vill säga att han eliminerade de orenheter i kärnan som tidigare var ett av de större problemen inom fiberoptiken.

Fiberoptik – Teori & Praktisk tillämpning

Till att börja med grundar sig denna teknik i det faktum att man skickar ljus i en speciell typ utav kabel. Det är det mest lämpliga sett vi idag känner till för att skicka signaler, eftersom ljusets hastighet, enligt Einsteins relativitetsteori, är den högsta möjliga hastighet som går att uppmäta i universum.

Den hastighet ljuset uppmäts till beror på i vilket medium ljuset skickas. I ett vakuum (t.ex. rymden) rör det sig allra snabbast, där hastigheten alltså är 299 792 458 meter per sekund (m/s). Då ljuset istället skickas via en fiberoptisk kabel är hastigheten marginellt mindre då glas är ett tätare medium än ett vakuum (som egentligen är ett ord för att beskriva en tom rymd, d.v.s. avsaknande av materia). För att sätta ljusets hastighet i perspektiv brukar man säga att en ljusstråle hinner sju och ett halvt varv runt jorden inom loppet av en sekund.

Redan här inser man att det är väldigt betryggande att vi tillämpar en teknik som i princip erbjuder människor att kommunicera mellan varandra med den högsta möjliga hastigheten i universum till förfogande. Lyckligtvis består den största delen utav Internet idag av fiberoptiska kablar.

Kablage och standarder

Precis som att vanliga nätverkskablar har olika standarder (t.ex. CAT 5, CAT 6 och CAT 6a) eller att HDMI-kablar finns i olika versioner (t.ex. HDMI 1.0 och HDMI 1.4) finns olika typer utav fiberoptiska standarder, kablar och kontakter som erbjuder olika egenskaper.

Hur en fiberkabel är uppbyggd går att se på bilden nedan, vilken illustrerar en fiberkabel i genomskärning. Detta är en singlemodekabel och vad det är kommer vi strax gå igenom.

Fiberkabel

  1. Glaskärna på 8-10 µm i diameter.
  2. ”Cladding” – Mantel av annan typ av glas på 125 µm.
  3. Sköld (ofta bestående utav kevlar) på 250 µm i diameter.
  4. Plast/gummihölje som kapslar in och håller allt på plats. 400 µm i diameter.

textruta

Totalreflektion

Förklaring enligt Wikipedia: ”Totalreflexion eller totalreflektion är ett fenomen, då ljusstrålar reflekteras i en gränsyta mellan två medier med olika optisk täthet. Om ljuset kommer från det optiskt tätare materialet, finns vid tillräckligt stor infallsvinkel inget utrymme för en bruten stråle i det optiskt tunnare mediet, och allt ljus reflekteras tillbaka in i det optiskt tätare mediet.”

Det är alltså i själva glaskärnan som ljuset går i och det fungerar på sådant vis att man utnyttjar brytningsskillnaden mellan glaset och claddingen. Ljuset går inte raka vägen igenom glaset. Det skulle inte fungera eftersom man då endast skulle kunna ha helt spikraka fiberoptiska kablar, vilket inte skulle vara särskilt praktiskt. Det man istället har gjort, tack vare det John Tyndall år 1854 bevisade, är att utnyttja brytningsskillnaden mellan materialen. Just de material som används i fiberoptiska kablar och dess skillnad i brytningsindex tillåter ljuset att studsa mellan ”väggarna” i glaskärnan.

fiber-bild3
Denna bild visar hur skillnaden i brytningsindex låter ljuset att studsa på insidan utav glaskärnans väggar (totalreflektion).
fiber-bild4
Ifall det blir totalreflektion eller om brytningsvinkeln ändras beror på vilken infallsvinkel ljuset har i den punkt där de två medierna möts, vilket i detta fall är vatten och luft. Föreställ dig samma princip fast i en fiberoptisk kabel. Skulle man vinkla lasern för mycket, eller om den fiberoptiska kabeln skulle böjas för skarpt, kommer inte ljuset längre uppfylla kraven för totalreflektion. Ljuset skulle istället sluta att reflekteras och skulle då lämna glaskärnan och absorberas utav claddingen istället.

Har du svårt att relatera till ovanstående begrepp om totalreflektion och brytningsindex kan du till att börja med föreställa dig följande: Då du har ett sugrör i ett dricksglas fyllt till hälften med vatten och hälften med luft ser sugröret ut att vara knäckt vid vattenytan, trots att sugröret är helt rakt då du tar upp det ur glaset och håller det i handen. Orsaken till detta fenomen är att vatten har ett annat brytningsindex än luft.

fiber-bild5
Denna bild illustrerar hur en ljusstråle bryts då den går från ett medium till ett annat. T.ex. från vatten till luft. Man ser alltså att ljusstrålen ”böjs” och därför skapas illusionen utav att sugröret är avbrutet.

Står du framför en spegel kommer du att se en reflektion oavsett vilken vinkel du kollar på den ifrån. Detta är för att just spegelns materials brytningsindex kontra lufts ger en totalreflektion oavsett infallsvinkel.

Våglängder

Då man talar om våglängder i fiberoptiska sammanhang syftar man på en princip som låter en utnyttja de fiberoptiska kablarnas kapacitet något ytterligare. Tidigare då vi förklarat hur kablaget ser ut och fungerar har vi endast talat om en ljusstråle. Men faktum är att det i själva verket kan gå flera olika ljusstrålar/ljussignaler i en och samma glaskärna samtidigt. Dessa ljusstrålar krockar inte och stör inte ut varandra på något som helst vis och det är just för att de går på olika våglängder.

I fiberoptiska singlemodekablar är de vanligaste våglängderna 850, 1310 och 1550 nm (nanometer). Dessa våglängder faller inom spektrumet för infrarött ljus och kan därför inte uppfattas utav det mänskliga ögat.

fargvaglangdtabell

Idag kan man utav fiberleverantörer och ägare utav fibernät hyra våglängder i utvalda fiberoptiska kablar. Det vill säga att leverantören hyr ut en och samma fysiska kabel, men att datan som skickas i kablarna delas upp genom att man skickar ljuset på olika våglängder.

fiber-bild7
Det gråa området är en kon/tratt som visar vilken maximal infallsvinkel ljuset får ha för att det skall kunna reflekteras framåt i kabeln. De två ljusstrålar som faller in utanför detta gråa område absorberas direkt av claddingen. De två strålar som passerar genom glaskärnan och ut på andra sidan är på olika våglängder. Du ser alltså hur ljuset studsar i glaskärnan beroende på våglängd och också att strålarna inte krockar med varandra. Detta kallas ”multiplexing”.

Multimodefiber

  • Detta är en relativt förlegad teknik som man sällan använder sig av i dagsläget vid nya installationer utav fibernät.
  • En fiberoptisk multimodekabel har en glaskärna på 50-100 µm. Rent praktiskt innebär detta i korta drag att man t.ex. kan välja att ha en LED-lampa som ljuskälla i ändutrustningen. Detta gör ändutrustningen betydligt billigare än för singlemode. Dock erbjuder inte multimode-tekniken en att skicka ljus lika långt som singlemode.
  • Med multimodetekniken kan man komma upp i hastigheter upp till 100 Gbps på sträckor upp till cirka 250 meter.

Singlemodefiber

  • En nyare standard som numera används vid fiberinstallationer.
  • Singlemodekabelns glaskärna upp till tio gånger så tunn som multimodekabelns.
  • Möjlighet att skicka ljus i upp till 160 kilometer långa sträckor.
  • Hastighetsrekordet år 2011 (av NEC) var 273 Gbps per våglängd.

Fiberoptikens fördelar gentemot traditionell koppartråd

  • Fibrerna är i regel billigare än koppartråd. Dock är kringutrustningen dyrare.
  • Fibrerna är tunnare än koppartråden och är därför mer praktiskt då man skall bunta ihop flera kablar inom en given diameter.
  • Ljussignaler har mindre dämpning än vad elektriska signaler i koppartråd har. Därför kan man ha en sändare (ljuskälla) som brukar mindre elektricitet. För en större koaxialkabel behöver man en förstärkare varje en och en halv kilometer medan man för singlemodefiber behöver en för varje 100 kilometer. Koaxialkabel är den typ av kopparkabel som används för t.ex. kabel-TV och ADSL.
  • En fiberoptisk kabel påverkas inte utav elektromagnetiska störningar. Exempelvis kan blixten inte slå ned i en fiberoptisk kabel och skada den på samma sätt som en kopparkabel.

Olika varianter av fiberinstallationer

En fråga många kanske ställer sig i detta fall är: ”Varför ser jag ingen fiberkabel i mitt hem? Jag har ett RJ45-kopparuttag, men i informationen vi tidigare fått ifrån Ownit och föreningen framkommer det att vi har en fiberanslutning till fastigheten.”

Till att börja med finns det två följande principer att leverera bredband via fiber på:

  1. En fiberoptisk kabel går in i fastigheten. Fibersignalen omvandlas till kopparsignal centralt i fastigheten genom en viss typ av switch. Kopparkablar (fastighetsnät) löper sedan upp till vardera hushåll ifrån en central sammankopplingspunkt i fastigheten.
  2. En fiberoptisk kabel går in i fastigheten. Denna kopplas in i en fiberswitch. Ifrån denna går det fiberoptiska kablar ända upp till hushållet till någon form av fiberkonverterare som omvandlar fibersignalen till kopparsignal. Antingen en tjänstefördelare/fiberrouter eller en fiberkonverter.fiber-bild8
    Illustration på hur kablaget är draget fram till och i fastigheten.

Anledningen till att den sista kabelsträckan består utav koppar istället för fiber är för att inga datorer, routrar eller liknande som finns på konsumentmarknaden idag har ett fiberuttag i nätverkskortet. Standarden på nätverksuttag är RJ45 vilket alltså är benämningen på ett ”vanligt” nätverksuttag.

Man behöver inte heller oroa sig över att den sista sträckan består utav kopparkabel. Denna är aldrig över 100 meter, då detta är gränsen för att signalen skall försvagas så pass mycket att användaren upplever problem. Man kan även få samma kapacitet (10-, 100- och 1000 Mbps) samt samma svarstid (egentligen är det en väldigt liten skillnad, men den är försumbar) via denna kabel och denna sträcka är alltså endast en bråkdel utav hela kabelvägen som tar dig ut på Internet.

fiber-bild9
Bild på två stycken RJ45-kontakter (hanar).

Vidare läsning

Känner du att ämnet var intressant och om du önskar lära dig mer om fiber kan vi rekommendera följande.

Förstärkt fiberoptisk kabel
En förstärkt fiberoptisk kabel. De metallcylindrar du ser på bilden är endast till för att stabilisera och skydda kabeln. Detta krävs då den t.ex. skall ligga på botten av atlanten. Det gula och gröna som sticker ut är de fiberoptiska kablarna. Kärna, cladding och skyddshölje.


1000 Mbps
Uppgradera till 1000 Mbps
I många av föreningarna som är anslutna till Ownit går det nu att uppgradera internethastigheten till svindlande 1000 Mbps eller 1 Gbps (en gigabit). Du gör uppgraderingen i portalen som du hittar på portal.ownit.se.

Det här inlägget postades i Artiklar och har märkts med etiketterna , , , , . Bokmärk permalänken.

3 kommentarer till Tekniken som förändrade världen

  1. K-G Lewerth skriver:

    Ja, fibertekniken är helt enkelt suverän när det gäller snabba överföringar av data, men liksom all annan teknik inom IT så gäller axiomet ”skit in, skit ut”. Jag kan inte hur länge fiberoptiken funnits inom IPTV, IPtelefoni, bredband etc men det är i alla fall så att vissa leverantörer av IPTV ännu i detta ögonblick inte har lyckats med att med automatik överföra lokala TV program direkt i anslutning till det att SVT 1, 2 eller TV4 sänt sina huvudnyheter. Man tvingas fortfarande 2013 att knappa över till en annan kanal. Och hur lätt det kan vara med artrosstela fingrar, är lätt att förstå. Marksänd skogs TV klarar detta. Fråga gärna Canal Digital när de kommer med en lösning!

  2. Bertil Olin skriver:

    När vi beslutade att installera fiber i vår förening hoppades vi på at alla tjänsterna skulle finnas tillgängliga i state of the art service.

    Bredband och telefoni funkar men ip-tv är en skandal. Visserligen går det att få tjänsten men, men ,men tjänsten kan inte ens leverera boxar med inspelning eller on-demand. Bara enkel dekoder. Både Viasat och Canal Digital är lika usla!

    Skärpning!!

    • Olga Abramkina skriver:

      Bra Bertil! Jag har efterlyst det sedan 2009,
      varje år får jag ett svar att snart är det möjligt .
      Skandal!

Kommentarer inaktiverade.