Optické sítě: Architektura, přenosová média a rychlost

Role optických sítí v digitální infrastruktuře

Optické sítě tvoří fyzickou páteř internetu, mobilních sítí i podnikových propojení. Data jsou přenášena světlem vedeným optickým vláknem s extrémně nízkým útlumem, vysokou propustností a odolností vůči elektromagnetickému rušení. Od přístupové vrstvy (FTTH/PON) přes metropolitní sítě až po dálkové DWDM systémy dokáží optické technologie škálovat na desítky terabitů za sekundu a kilometry až tisíce kilometrů bez regenerace.

Základ fyziky: jak světlo putuje vláknem

• Celkový odraz a vedení módu: světlo se šíří jádrem (křemenné sklo) díky rozdílným indexům lomu mezi jádrem a pláštěm.
• Vlnové délky: telekomunikační pásma O, E, S, C, L (cca 1260–1625 nm), s nejnižším útlumem v pásmu C/L.
• Útlum: typicky 0,2–0,35 dB/km podle pásma a typu vlákna.
• Disperze: šíření pulzů v čase (chromatická) a polarizační PMD; omezuje dosah a rychlosti bez kompenzace.

Typy optických vláken a klíčové normy

• Jednovidové (SMF): standard G.652.D (nízký útlum v C/L, ohybová varianta G.657.A1/A2 pro přístup) a G.655 (DSF/NZ-DSF pro DWDM).
• Vícevidové (MMF): OM3/OM4/OM5 v datových centrech (850 nm), kratší dosahy, levnější transceivery.
• Ohybová odolnost: G.657 umožňuje menší poloměry uložení ve FTTH a budovách.

Pasivní a aktivní prvky optických sítí

• Konektory: SC/PC, LC/UPC, APC (úhlové leštění pro nižší zpětný odraz), MPO/MTP pro multifiber svazky.
• Spojky a svary: mechanické vs. tavné svary (nižší ztráty, dlouhodobá stabilita).
• Pasivní rozbočovače: splittery 1:N (1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64) v PON architektuře.
• Multiplexery: CWDM (20 nm kroky) a DWDM (100/50 GHz mřížky, flex-grid s jemnější granularitou 12,5 GHz).
• Aktivní prvky: transceivery (SFP+/QSFP-DD/OSFP), zesilovače EDFA a Raman, ROADM pro agilní směrování vln.

WDM: škálování kapacity po jedné dvojici vláken

Multiplexování po vlnových délkách (WDM) umožňuje současný přenos mnoha kanálů na jednom vlákně. DWDM v pásmu C/L s hustým rozestupem kanálů je základem páteřních a metropolitních sítí. ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer) s konstrukcí CDC-F (Colorless, Directionless, Contentionless, Flex-grid) dovoluje dynamicky přidávat/ubírat kanály a měnit trasy bez fyzických zásahů.

Modulace a koherentní optika

• IM/DD (Intensity Modulation/Direct Detect): NRZ a PAM4 pro 10G/25G/100G na kratší/metropolitní vzdálenosti.
• Koherentní přenos: DP-QPSK/DP-16QAM (a vyšší), digitální zpracování signálu (DSP) pro kompenzaci disperzí a fázové/PMD impairmenty.
• Pluggables: 100/200/400G ZR/ZR+ v QSFP-DD/OSFP pro „router-to-router“ přes otevřené linkové systémy (OLS), s OSNR nároky a dosahem stovky kilometrů.

Optická přístupová síť (FTTx, PON)

• Architektury: FTTH (Fiber to the Home), FTTB/FTTP, point-to-point vs. PON (pasivní rozbočení).
• Technologie: GPON (2,5/1,25 G), XG-PON (10/2,5 G), XGS-PON (10/10 G), 25G PON a 50G PON pro nové služby.
• ODN návrh: split ratio (např. 1:32), útlumová rozvaha, dosah (obvykle do 20 km), třídy optického výkonu (N1/N2).

Transport a páteř: OTN a fotonické vrstvy

• OTN (G.709): rámce ODUk (ODU0–ODU4/ODUCn), FEC, multiplexace služeb (Ethernet, Fibre Channel) do optických kanálů.
• GMPLS/ASON: řízení okružních a meshových topologií, end-to-end SLA a rychlá obnova.
• Alien wavelengths a OLS: otevřené linkové systémy dovolují míchat transceivery různých výrobců a optimalizovat TCO.

Útlumová a výkonová rozvaha (link budget)

Pro spolehlivost je nutné ověřit, že vysílaný výkon po odečtení všech ztrát (vlákno, konektory, svary, splittery) dorazí nad citlivost přijímače a s rezervou.

• Typické hodnoty: SMF útlum 0,2–0,35 dB/km; konektor 0,2–0,5 dB; svar 0,05–0,1 dB; splitter 1:32 ≈ 16,5–17 dB.
• Rezerva (margin): běžně 3–6 dB pro stárnutí, ohyby a teplotu.

Příklad (PON, zjednodušeně): 12 km SMF (0,35 dB/km) → 4,2 dB; 6 konektorů → ~2,4 dB; 10 svarů → ~0,8 dB; splitter 1:32 → 17 dB. Celkem ≈ 24,4 dB. Ověřte proti výkonové třídě OLT/ONT (např. N2: 29 dB), zbývá ~4,6 dB rezervy.

Disperze a její kompenzace

• Chromatická disperze (CD): rychlejší složky dorazí dříve, pulzy se rozmazávají; u koherentních systémů kompenzuje DSP, u IM/DD se používají DCM (DCF cívky) nebo kratší trasy.
• PMD: náhodná; kritická na velmi vysokých rychlostech, mitigace kvalitním vláknem a přenosem s FEC/DSP.
• OSNR: klíčová pro koherentní kanály; zhoršuje se zesilováním a šumem ASE.

Bezpečnost práce s laserem a hygieny konektorů

• Laserové třídy: nikdy se nedívejte do zakončeného vlákna; používejte detektory viditelného světla (VFL) opatrně.
• Čistota konektorů: 80 % problémů je způsobeno kontaminací; vždy čistit a kontrolovat mikroskopem „inspect before connect“.
• Poloměr ohybu: respektujte minimální hodnoty (typ. ≥ 10× průměr kabelu).

Měření a testování: od výstavby po provoz

• Optický výkonoměr a zdroj: ověření útlumu trasy (OLTS).
• OTDR: lokalizace zlomů, svarů a konektorů, měření odrazivosti.
• OSA/OSNR metry: analýza spektra a kvality DWDM kanálů.
• BERT a Eye-diagram: kvalita signálu u IM/DD; u koherentních systémů metriky Q a FEC BER.

Topologie a ochrana

• Body–point a kruhy: pro přístup a metropolitní vrstvy; OLT–splitter–ONT (PON), metro ring s lambda ochranou.
• Ochrana 1+1, 1:1 a sdílená ochrana: redundance vláken a ROADM cest, rychlé přepnutí (50 ms) s GMPLS.
• Fyzická diverzita: separace tras, odlišná kanalizace a přechody.

Datová centra a krátké optické spoje

• MMF s MPO/MTP: 40/100/400G v řádu desítek až stovek metrů (SR4/SR8).
• SMF v DC: 100/200/400G DR/FR/LR kanály, jednodušší kabeláž, delší dosahy a lepší škálování.
• Konektorová hygiena a správa vláken: značení, patch panel management, poloměry ohybu.

Automatizace a otevřenost: SDN a otevřené optické linky

• SDN/NetDevOps: telemetrie z linek (OSNR, výkon, teplota), API pro provisioning vln, modely YANG.
• Open Line System (OLS): oddělení „fotoniky“ a „transpondérů“, vícevýrobkové prostředí.
• Intent-based řízení: popis požadované kapacity/latence a automatická alokace spektra.

FTTH návrhový checklist

1. Volba architektury (PON vs. P2P), cílové split ratio a servisní profil (symetrie, SLA).
2. Mapování trasy ODN: trubičky, mikrotrubičky, mikro kabely, přístupové rozvaděče a patní rozbočovače.
3. Rozvaha útlumu s rezervou (stárnutí, rozšíření, teplota), plán konektorů/svarů.
4. Výběr OLT a ONT tříd výkonu, kompatibilita s existující infrastrukturou.
5. Plán měření (OTDR, OLTS) a čistící/prohlížecí postupy.

Metropolitní a dálkové DWDM checklist

1. Definujte kapacitní plán (počet kanálů, modulační formáty, spektrální efektivita).
2. Rozpočet OSNR a výkonu: zesilovače (EDFA/Raman), ROADM ztráty, přídavné FEC.
3. Volba gridu (50/75/100 GHz vs. flex-grid), plán guard-bandů a případných superkanálů.
4. Topologie ochrany a diverzity, automatické přepínání (GMPLS/SDN).
5. Monitoring: in-band telemetrie, optické sondy, OSA, alarmové prahy.

Trendy a budoucnost optiky

• 400G/800G koherentní pluggables: konsolidace do běžných portů v routerech/switchech.
• Flex-grid a spektrální sdílení: vyšší spektrální efektivita a dynamické vyhrazení pásma.
• SDM (Space-Division Multiplexing): multijádrová a vícevýduťová vlákna pro další škálování.
• Hollow-core vlákna: nižší latence díky šíření světla vzduchem, perspektiva pro latency-kritické služby.
• Fotonicky integrované obvody: křemíková fotonika (SiPh) a InP pro menší, úspornější transceivery.
• Kvantová bezpečnost a QKD: přenos klíčů po vlákně pro budoucí kryptografické scénáře.

Nejčastější provozní problémy a jejich mitigace

• Kontaminace konektorů: pravidelné čištění, zásada „inspect–clean–connect“.
• Mikroohyby a makroohyby: přeložení kabelů mimo specifikace → zvýšený útlum; správné trasy, chráničky.
• Nesoulad výkonů: příliš vysoký launch power může saturovat přijímače; použijte atenuátory.
• Nezvládnutá disperze/OSNR: přelaďte formát, přidejte FEC, optimalizujte zesilovače a ROADM průchody.

Závěr

Optické sítě představují nejefektivnější médium pro přenos velkých objemů dat na libovolné vzdálenosti. Úspěšný návrh a provoz propojuje správnou volbu vláken a komponent, kvalitní výkonovou/OSNR rozvahu, důsledné testování i automatizované řízení. Díky WDM, koherentní optice a otevřeným linkovým systémům lze kapacitu škálovat modulárně a ekonomicky, a zajistit tak páteř moderní konektivity pro roky dopředu.