Światłowody - zasada działania i zastosowanie

W dzisiejszych czasach informacja jest najbardziej poszukiwanym i cenionym produktem przeznaczonym do sprzedaży. Pod względem szybkości i jakości przepływu informacji światłowody stanęły wysoko ponad wszelką konkurencją. Transmisja światła jest niewrażliwa na zakłócające pola elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne środowisku przemysłowym. Innym powodem stosowania optycznej transmisji sygnału jest możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma, dlatego nadaje się on szczególnie do telefonii, transmisji danych i sygnałów telewizyjnych w formie cyfrowej.

Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się cały czas w rdzeniu, ponieważ następuje całkowite wewnętrzne odbicie promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia do płaszcza. Wokół płaszcza znajduje się izolacja ochronna. Światłowody wykonuje się zasadniczo jako jednomodowe i wielomodowe. Światłowody wielomodowe, można podzielić na dwa typy: o współczynniku skokowym i gradientowym najczęściej spotykane są światłowody o płynnej zmianie współczynnika załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem, czyli gradientowe.

W światłowodzie jednomodowym, przenosi się tylko jeden mod. Oznacza to, że wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza. Wszystkie promienie mają wiec jednakową drogę do przebycia i zajmuje to taki sam czas. Oznacza to, że nie powstaje dyspersja.

W wielomodowym światłowodzie, jest możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja

Czymś pośrednim miedzy światłowodem o pojedynczym modzie i kablami światłowodowymi o współczynniku skokowym, jest kabel światłowodowy gradientowy. W kablu takim współczynnik załamania zmniejsza się sukcesywnie od środka rdzenia na zewnątrz. Promień świetlny, który ukośnie chce wydostać się z centrum kabla jest uginany w sposób ciągły i kierowany z powrotem w stronę środka kabla. Rdzeń w światłowodzie gradientowym jest tak gruby, że jednocześnie może on przenosić wiele modów światła.

W światłowodzie wielomodowym, rdzeń jest dosyć gruby, ma ok. 50 mikrometrów, czyli jego średnica jest wielokrotnie większa niż długość fali przenoszonego światła. Promień światła może składać się z wielu składowych, z wielu modów, które mogą być przenoszone jednocześnie. Jeżeli zmniejszymy rdzeń dostatecznie (do ok. 5-10 mikrometrów, dla długości fali światła 1,3 mikrometra), to światłowód może przewodzić jedynie jeden mod. Będzie to światłowód typu jednomodowego. Ze względu na bardzo dobre własności częstotliwościowe posiada on możliwość gęstego upakowania informacji - posiada dużą pojemność kanału przenoszenia. Wadą takiego rozwiązania jest cienki rdzeń, co utrudnia łączenie światłowodów ze sobą.

Długość kabla światłowodowego jest ograniczona przez jego dyspersję i tłumienie.
Dyspersja powoduje, że poszczególne promienie światła mają różny czas przebiegu przez światłowód. Impuls świetlny ulega poszerzeniu (rozmyciu), co ogranicza częstotliwość maksymalną powtarzania impulsów, czyli szerokość pasma przenoszenia. Jest to szczególnie istotne przy światłowodach wielomodowych, ponieważ różne mody mają różne czasy przebiegu, a to ogranicza szerokość pasma. Zjawiska te nie występują w światłowodzie jednomodowym. W światłowodach tak jedno, jak i wielomodowych, istnieje również naturalna dyspersja materiału. Wynika ona ze zmian współczynnika załamania światła w szkle. Zależy ona od długości fali, powodowana jest też przez niejednorodności struktury materiału.

Tłumienie i dyspersja zależą od długości fali i materiału światłowodu. Pierwsze włókna wykonane w roku 1970 posiadały tłumienie rzędu 20 dB/km. Z postępem technologicznym zaczęto produkować światłowody o znacznie niższym tłumieniu, zoptymalizowano długość fal pod względem najmniejszego tłumienia. Pierwsza generacja światłowodów pracowała ze światłem o długości fali 0,85 µm, druga generacja 1,3 µm, a trzecia 1,55 µm. Najniższe teoretyczne tłumienie występuje przy fali o długości 1,55 mm i wynosi 0,16 dB/km, podczas gdy najmniejsza dyspersja występuje przy fali o długości 1,3 µm.

Złożonym problemem jest cięcie i łączenie światłowodów ze sobą. Zwłaszcza dotyczy to światłowodów jednomodowych, gdzie cienkie rdzenie w każdym segmencie kabla muszą być w stosunku do siebie ułożone idealnie centrycznie. Na styku powstają również tzw. odbicia Fresnela, zwiększające tłumienność połączeń. Na przejściach można ograniczyć straty do teoretycznej granicy ok. 4%. Tłumienie na złączach jest zmienne i zawiera się miedzy 0,2 i 2 dB w zależności od typu użytego złącza i jakości wykonania.

Zastosowanie światłowodów

1. Łącza telefoniczne: w jednym z pierwszych zbudowanych systemów, światłowodowe kable połączyły budynki urzędów telefonicznych w Chicago, oddalone od siebie o l km i o 2,4 km. Kable zawierały po 24 włókna optyczne, z których każde - pracując w standardzie T3 - mogło przenosić 672 kanały telefoniczne. Możliwość realizacji międzymiastowych linii z kablami światłowodowymi stała się faktem, kiedy zademonstrowano łącze optyczne o długości ponad 100 km bez wzmacniaków. Dziś możliwa jest nawet budowa podmorskiej linii światłowodowej ułożonej na dnie Oceanu Atlantyckiego. Odległość między Nowym Jorkiem a Londynem, wynosząca 6500 km, wymagałaby zainstalowania około 200 wzmacniaków rozstawionych, co 30-35 km.
2. Usługi abonenckie.
3. Sieci telekomunikacyjne w elektrowniach: Światłowody mogą być prowadzone przez tereny elektrowni lub podstacji energetycznych bez żadnego uszczerbku dla transmitowanych sygnałów. Możliwe jest dołączenie światłowodu do któregoś z kabli przewodzących prąd lub po prostu wykonanie kabla energetycznego zawierającego również żyłę światłowodową.
4. Linie telekomunikacyjne wzdłuż linii energetycznych.
5. Telekomunikacyjna sieć kolejowa.
6. Łączność terenowa.
7. Rozgłośnie telewizyjne: Niewielki ciężar kabla światłowodowego jest bardzo wygodny przy transmisjach "na żywo, umożliwia, bowiem znaczną swobodę ruchu kamer i minikamer. W zastosowaniach tych wykorzystuje się tylko jeden kanał, a więc sygnał może być przekazywany w paśmie podstawowym w postaci analogowej. Szerokość pasma 6 MHz jest w zupełności wystarczająca.
8. Telewizja kablowa.
9. Zdalna kontrola i ostrzeganie: Światłowody skutecznie konkurują z kablami koncentrycznymi również w zakresie transmisji sygnałów wizyjnych dla celów zdalnej kontroli i nadzoru. Duża odporność na zakłócenia elektromagnetyczne oraz mała podatność na zniszczenie wskutek wyładowań atmosferycznych są w tych zastosowaniach szczególnie istotne.
10. Pociski sterowane światłowodami.
11. Komputery: Systemy światłowodowe są szczególnie predysponowane do transmisji danych w postaci cyfrowej, na przykład takich, jakie powstają w komputerach, Możliwe jest wykonywanie połączeń między centralnym procesorem a urządzeniami peryferyjnymi, między centralnym procesorem a pamięcią oraz między różnymi procesorami. Małe rozmiary i niewielki ciężar, dobre zabezpieczenie informacji wynikające z "zamknięcia" promieniowania wewnątrz włókna optycznego sprawiają, że światłowody są odpowiednim torem do transmisji danych, bez względu na odległość.
12. Wewnętrzne przekazywanie danych.
13. Lokalne sieci komputerowe.
14. Okablowanie samolotów i statków: Istotną zaletą w zastosowaniach na statkach i w samolotach jest zmniejszone ryzyko iskrzenia i pożaru.