Światłowody

Światłowody

Spis treści

1. Wstęp.......................................................................................................................................3
2. Filozofia układów transmisji danych....................................................................................5
3. Budowa światłowodu..............................................................................................................6
4. Zasada działania światłowodu...............................................................................................6
5. Transmisja sygnałów w światłowodzie.................................................................................7
5.1 Światłowody jednomodowe, SMF (Single Mode Fiber)................................................8
5.2 Światłowody wielomodowe, MMF (MultiMode Fiber)................................................8
5.3 Okna transmisyjne......................................................................................................... 10
5.4 Multipleksowanie............................................................................................................ 11
6. Światłowody oświetleniowe.................................................................................................. 11
6.1 Światłowody świecące końcem...................................................................................... 12
7. Straty w światłowodzie......................................................................................................... 13
6.1 Tłumienie......................................................................................................................... 13
6.2 Dyspersja......................................................................................................................... 14
8. Dlaczego światłowody?......................................................................................................... 16
9. Przyszłość światłowodów..................................................................................................... 17

Rysunek 1 Filozofia układów transmisji danych. 5
Rysunek 2. Schemat budowy światłowodu włóknistego. 6
Rysunek 3 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła w światłowodzie 7
Rysunek 4 Zasada działania systemu światłowodowego 7
Rysunek 5 Budowa światłowodu jednomodowego 8
Rysunek 6 Światłowód jednomodowy 8
Rysunek 7. Światłowód wielomodowy skokowy 9
Rysunek 8 Przepływ strumienia świetlnego w światłowodzie wielomodowym skokowym 9
Rysunek 9. Światłowód wielomodowy gradientowy. 9
Rysunek 10 Przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym gradientowym 10
Rysunek 11 Złącza fiber connector full duplexowe wielomodowe 10
Rysunek 12. Okna transmisyjne. 11


1. Wstęp
Rozwój techniki światłowodowej.
Upłynęło wiele czasu od pierwszego, historycznego doświadczenia z prowadzeniem wiązki światła wykonanego przez irlandzkiego fizyka Johna Tyndalla w 1870 roku. W latach pięćdziesiątych obecnego stulecia, technika światłowodowa zaczęła się rozwijać, głównie dla potrzeb medycznych. Równocześnie, na styku optyki i techniki półprzewodników, powstają zaczątki nowej nauki technicznej, która obecnie nazywa się optoelektroniką światłowodową. Elektronika światłowodowa zajmuje się głównie przesyłaniem wiadomości na odległość, podobnie zresztą jak to czynią inne rodzaje współczesnej telekomunikacji. Obecnie jednak znajduje ona również wiele innych ważnych zastosowań, np. w metrologii, technice wysokich napięć itp. Oprócz światłowodów, wykonywanych najczęściej ze szkła kwarcowego i służących do przekazywania informacji za pomocą świetlnej fali elektromagnetycznej, optoelektronika światłowodowa wymaga stosowania źródeł i detektorów promieniowania, zazwyczaj w postaci przyrządów półprzewodnikowych. Półprzewodnikowe detektory promieniowania zostały dawniej opracowane do innych celów i podlegały stopniowemu udoskonalaniu, natomiast lasery półprzewodnikowe, będące źródłami promieniowania spójnego, nadające się do pracy w temperaturze pokojowej skonstruowano dopiero w sto lat po pierwszym doświadczeniu Tyndalla (w 1970 roku). Okazało się, że w wielu przypadkach lasery mogą być zastępowane przez diody elektroluminescencyjne. Odkrycie źródeł generujących spójną, zbliżoną do monochromatycznej, falę świetlną o częstotliwości drgań około 300 THz w sposób zasadniczy zmieniło perspektywy telekomunikacji. Spróbujmy ocenić, jaką informację może nieść w telekomunikacji światłowodowej taka fala. Jeżeli założymy, że dopuszczalna szerokością widma modulacyjnego wynosi tylko 1% fali nośnej, to odpowiada temu szerokość widma 300 GHz. Wskazuje ona na możliwość równoczesnego przesyłania setek tysięcy rozmów telefonicznych. Takie perspektywy roztacza telekomunikacja optyczna. Zatem użycie światła jako fali nośnej pozwala na uzyskanie pasma transmisyjnego o parę rzędów szerszego niż dla konwencjonalnych źródeł fali elektromagnetycznej, stosowanych w radiokomunikacji czy telewizji. Okazało się jednak, że potencjalne możliwości użycia spójnej fali światła jako nośnika informacji można wykorzystać w pełni jedynie w próżni, na przykład do łączności pomiędzy sztucznymi satelitami. Natomiast przy powierzchni Ziemi, z powodu zmiennych właściwości propagacyjnych atmosfery powodujących zniekształcenia czoła propagowanej fali świetlnej, łączność staje się bardzo trudna lub wręcz niemożliwa. Odpowiedzią techniki na trudności występujące w realizacji transmisji światła w wolnej przestrzeni jest koncepcja zastosowania prowadnic falowych pozwalających na ustabilizowanie warunków propagacji. Znane były już wcześniej włókna szklane, które dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia pozwalają na prowadzenie w swoim wnętrzu fali świetlnej. Początkowo jednak praktyczne wykorzystanie włókien jako mediów transmisyjnych w telekomunikacji było niemożliwe z powodu bardzo dużego tłumienia, jakiemu ulegała fala świetlna, sięgającego nawet 1000 dB na kilometr włókna. Sytuacja ta uległa radykalnej zmianie w roku 1966, gdy została opublikowana sławna później praca Kao i Hockmana, w której autorzy wskazali na źródła tłumienia, jakie istnieją w szklanej prowadnicy falowej przy propagacji promieniowania w bliskiej podczerwieni. Jako pierwsi udowodnili, że to zanieczyszczenie jonami wodorotlenowymi oraz jonami takich pierwiastków jak: żelazo, miedź, kobalt są główną przyczyną pochłaniania energii oraz że graniczna wartość tłumienia światłowodu wynika z rozproszenia energii typu Rayleigha, występującego na niejednorodnościach struktury szkła na poziomie cząsteczkowym. Rozpraszanie to maleje w czwartej potędze długości fali światła. Od tej chwili obserwuje się bardzo szybki dostęp teorii propagacji i technologii w technice światłowodowej. Dla wytworzenia włókien światłowodowych, w których tłumienie przesyłanego sygnału jest na poziomie pojedynczych decybeli na kilometr toru, potrzebne jest opanowanie technologii zapewniające czystość analogiczną jak przy produkcji elementów półprzewodnikowych. Opracowanie technologii światłowodowej umożliwiającej uzyskanie tłumienia około 4 dB/km nastąpiło w 1972 roku w Laboratorium Cornin Glass w USA i było oparte na wcześniejszej metodzie osądzania czystej krzemionki (SiO2) z fazy gazowej (SiCl4). Jest to tzw. metoda CVD - Chemical Vapour Deposition. Metoda ta umożliwia wykonywanie światłowodów o założonym z góry, optymalnym ze względu na właściwości propagacyjne, profilu współczynnika załamania i jest do tej pory szeroko stosowana. W teorii propagacji w światłowodach bardzo ważne było wprowadzenie przez Glogego pojęcia struktury o słabym prowadzeniu fali. Dla światłowodów teoria oparta na rozwiązaniu równań Maxwella, z której korzysta się przy opisie propagacji w falowodach, ma niewielką wartość praktyczną ze względu na warunki graniczne między obszarem prowadzenia światła (rdzeniem) a obszarem zewnętrznym (płaszczem) - mała zmiana współczynnika załamania (kilka procent). Marcuse w 1974 roku opracował teorię propagacji w dielektrycznych światłowodach, dla oceny ilościowej zjawisk zachodzących podczas propagacji wielomodowej. Teoria oparta na zasadach optyki geometrycznej, umożliwia stosunkowo proste oszacowanie zjawisk dyspersyjnych występujących przy propagacji światła zmodulowanego impulsami. Światłowód jest traktowany jako medium transmisyjne cyfrowego systemu telekomunikacyjnego, mające określone właściwości, takie jak tłumienność, szerokość przenoszonego pasma, charakterystyka amplitudowo-fazowa. Postęp w opracowaniu teorii propagacji, z uwzględnieniem min. zjawisk sprzęgania się modów, stymulował opracowanie technologii światłowodów o optymalnych profilach gradientowych, pozwalających na uzyskanie pasma przenoszenia nawet do 1 GHz na kilometr włókna. Równolegle do badań nad włóknami prowadzono badania nad źródłami promieniowania podczerwonego. Już w 1979 roku osiągnięto zadowalający podstawowy parametr źródła - szerokość pasma modulacji l00 MHz przy czasie życia rzędu l05 godzin. Dalsze powiększenie pasma modulacji źródła światła (rzędu GHz) umożliwił laser półprzewodnikowy, którego czas życia w 1973 roku wynosił sześć miesięcy, a obecnie sięga kilkuset lat. Za poprawą parametrów modulacyjnych źródeł nadąża rozwój światłowodów. Opracowano światłowody jednomodowe oraz zmniejszono wprowadzaną przez materiał dyspersję i tłumienność propagowanego impulsu przez przejście od fal o długościach około 0.8 mcm (pierwsze okno widmowe) do fal o długościach około 1.3 mm (drugie okno widmowe), gdzie teoretycznie dyspersja materiałowa dla szkła kwarcowego osiąga wartość zerową, oraz do fal o długości około 1.55 mm (trzecie okno widmowe), gdzie osiągana jest tłumienność rzędu 02 dB/km i znajduje się granica wykorzystania światłowodów kwarcowych. Dla transmisji o przepływności 100 Mbit/s i długości fali 1.3 mm przy zastosowaniu jako źródła diody LED osiągnięto w 1979 roku długość odcinka regeneracyjnego wynoszącą 63 km, natomiast dla transmisji o przepływności 565 Mbit/s i długości fali 1.55 mm przy zastosowaniu źródła laserowego osiągnięto w latach 80-tych długość odcinka regeneracyjnego około 110 km. W końcu lat osiemdziesiątych opanowano produkcję laserów z rozdzielonym sprzężeniem zwrotnym o szerokości widma 0.3 nm. Przy pomocy tych laserów można dokonać transmisji z przepływnością 10 Gbit/s na odcinkach 100 km bez konieczności stosowania regeneracji. Kontynuowane są prace dotyczące rozwoju transmisji optycznej, powstał próbny system o przepływności 2.4 Gbit/s, co odpowiada około 30 000 kanałom rozmownym na jednej fali nośnej. Rozwój techniki światłowodowej zmierza do wytworzenia elementów i urządzeń optycznych mogących zastąpić elementy elektroniczne w łączu, sieci i systemie transmisji światłowodowej. Dąży się do przetwarzania akustooptycznego lub elektrooptycznego sygnału już na wejściu systemu (tzn. w aparacie telefonicznym, komputerze, drukarce tekstu) po to, aby funkcję modulacji, kodowania, komutacji, multipleksji realizować bezpośrednio na sygnale w postaci optycznej. Już dzisiaj ograniczenie przepływu informacji w postaci sygnałów optycznych wynika z szybkości działania urządzeń elektronicznych. Teoretyczny limit transmisji optycznej światłowodu sięga 1 THz (1000 GHz) i długości impulsu 1 ps. Możliwa zaś do zrealizowania szybkość transmisji, z uwagi na ograniczenia elektronicznych urządzeń przetwarzania, sięga obecnie 2040GHz..
2. Filozofia układów transmisji danych.
W celu zrozumienia zasady działania systemów transmisji danych opartych na liniach optycznych przyjżyjmy się prostym układom elektronicznym przedstawionym na rysunku .

Rysunek 1 Filozofia układów transmisji danych.
Rys. (a) przedstawia układ separacji galwanicznej działający w sposób następujący. Do wejścia (Input) doprowadzony jest sygnał elektryczny. Sygnał elektryczny zamieniony jest na sygnał optyczny. Służy do tego fotodioda nadawcza. Odbiornikiem jest fotoelement (fototranzystor lub fotodioda odbiorcza) umieszczony blisko fotodiody nadawczej, zadaniem którego jest operacja odwrotna , czyli zamiana sygnału optycznego na sygnał elektryczny. Tak więc na wyjściu układu (Output) otrzymujemy taki sam sygnał jak na wejściu. Zyskujemy całkowitą izolację galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem. Zastosowanie opisanego układu do transmisji danych pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem oddalonymi od siebie jest niemożliwe. Jeżeli fizycznie rozdzielimy nadajnik i odbiornik to otrzymamy układ przedstawiony na Rys (b). Zwykle w takich układach medium transmisyjnym jest powietrze. Zaletą takich układów jest ich nieskomplikowana budowa. Do podstawowych wad zaliczyć należy niewielką odległość skutecznej transmisji, sztywne geometryczne powiązanie położenia nadajnika i odbiornika, podatność na zakłócenia i podsłuch, pracochłonność związana z instalacją i strojeniem. Przedstawione wady wynikają przedewszystkim z niedoskonałości medium, w którym rozprzestrzenia się sygnał optyczny.
Tak więc aby pozbyć się wad należało zamienić środowisko pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem optycznym. Środowiskiem takim jest właśnie światłowód. Struktura układu transmisyjnego oparta na wykorzystaniu linii optycznej - światłowodu przedstawiona jest na Rys (c). Zamiana sygnałów elektrycznych na sygnały optyczne dokonywana jest w światłowodowym module nadajnika a odbiór sygnałów optycznych oraz zamiana ich na sygnały elektryczne dokonywana jest w światłowodowym module odbiorczym. Moduły połączone są światłowodem, który jako środowisko rozprzestrzeniania się fal optycznych pozbawiony jest wiekszości wad charakteryzujących opisane wyżej układy.

3. Budowa światłowodu

Rysunek 2. Schemat budowy światłowodu włóknistego.
Światłowód składa się z 3 części: rdzenia, płaszcza i pokrycia.
Rdzeń – jego grubość wynosi w zależności od rodzaju światłowodu od 5 do 50 mikronów. Zbudowany jest najczęściej ze szkła kwarcowego lub plastiku, rzadziej z innych rodzajów szkieł lub materiałów krystalicznych, jak np. szafir.
Płaszcz – jego średnica to ok. 125 µm. Jest wykonany z materiału o mniejszym współczynniku załamania światła, niż rdzeń. Najczęściej są to plastiki, lecz niekiedy także stosuje się szkła z odpowiednimi domieszkami.
Pokrycie – jego zadaniem jest chronienie płaszcza i rdzenia przed mikropęknięciami. Wykonane jest z elastycznych materiałów, jak np. akryl. W procesie technologicznym najczęściej składa się z dwóch lub więcej warstw; łączna średnica to ok. 250 µm.
Dodatkowo włókna zabezpiecza się kolejnymi warstwami, scalającymi ze sobą najczęściej po kilkanaście pojedynczych włókien.
Poza przedstawionym światłowodem włóknistym stosuje się także światłowody planarne umieszczane np. pod całą powierzchnią podłóg.
4. Zasada działania światłowodu
Podstawą działania światłowodu jest zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła (bez strat) na styku ośrodków rdzenia i płaszcza.

Rysunek 3 Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła w światłowodzie

Aby promień pozostał w rdzeniu i podlegał całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy rdzenia i płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu nie powinien przekroczyć wartości krytycznej - wartość ta nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu. W płaszczu współczynnik załamania światła jest mniejszy niż w rdzeniu, wiąże się to też ze współczynnikiem odbicia.
Światło używane do transmisji jest monochromatyczne i pochodzi od nadajnika, którym może być dioda laserowa (LD) lub dioda elektroluminescencyjna (LED; najczęściej superluminescencyjna).

Rysunek 4 Zasada działania systemu światłowodowego

5. Transmisja sygnałów w światłowodzie
Ze względu na rodzaj materiału światłowody dzielimy na APF, PCF i Silica (szklane) - rodzina TOSLINK.
Światłowód typu APF posiada rdzeń oraz płaszcz wykonany z plastiku (PMMA). Grubośc rdzenia wynosi 980/1000- mikro metrów, długość fali świetlnej 650 nm, tłumienność - ok 220 dB/km, max. odległość transmisji - do 50m.
Światłowód typu PCF posiada rdzeń wykonany ze szkła, płaszcz natomiast jest plastikowy. Grubość rdzenia wynosi 200/300 mikro metrów, długość fali świetlnej 800 nm, tłumienność - ok 6 dB/km, max odległość transmisji - do 1km.
Światłowód typu Silica popsiada rdzeń oraz płaszcz wykonany ze szkła. Są to światłowody wykorzystywane głównie w telekomunikacji. Pozwalają one na transmisję sygnałów na wiele kilometrów bez potrzeby wzmacniania sygnału. W technice pomiarowej (ze względu na odległość nie są zbyt często stosowane).
Światłowody innych typów nie mają powszechnego zastosowania chociaż niektóre z nich są bardzo ciekawe i rokują duże nadzieje (np.: światłowody domieszkowane).

5.1 Światłowody jednomodowe, SMF (Single Mode Fiber)

Rysunek 5 Budowa światłowodu jednomodowego


Rysunek 6 Światłowód jednomodowy
W światłowodach SMF strumień światła przesyłany jest równolegle do osi. Dzięki temu rdzeń może posiadać grubość zaledwie 5 do 10 mikronów. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez wzmacniania na odległość do 100 km.

5.2 Światłowody wielomodowe, MMF (MultiMode Fiber)

W światłowodach wielomodowych grubość rdzenia wynosi 62,5 mikrona lub 50 mikronów. Każdy z modów wprowadzany jest do światłowodu pod innym kątem (pozwalającym jednak na zajście efektu całkowitego wewnętrznego odbicia), dzięki czemu możliwe stało się zwielokrotnienie przepustowości, jednak zmusiło do zastosowania grubszego rdzenia. Transmisja sterowana jest za pomocą diody LED jako źródła światła nieskoncentrowanego.
W grupie światłowodów wielodomowych wyróżnia się dwa ich typy: skokowe (Step Index Multimode Fiber) i gradientowe (Graded Index Multimode Fiber).
Światłowody wielomodowe - przesyłają wiele modów o różnej długości co powoduje zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, zmniejszenie prędkości i odległości transmisji. W tym rodzaju światłowodu, źródła światła jest dioda LED

Rysunek 7. Światłowód wielomodowy skokowy

Rysunek 8 Przepływ strumienia świetlnego w światłowodzie wielomodowym skokowym
W światłowodzie skokowym poszczególne mody poruszają się skokowo odbijając się od granicy rdzeń-płaszcz. Indeks kroku jest długością światłowodu, jaką przebywa promień bez odbić wewnętrznych. Ze względu na zróżnicowany kąt – długość drogi każdego z modów jest inna. Z tego powodu dochodzi do dyspersji, polegające na „poszerzaniu” się promienia świetlnego wraz z drogą przebytą wewnątrz światłowodu (p. 5.2). Stąd kable te stosowane są tylko na małych odległościach do 5 km. Jednak w praktyce światłowody skokowe nie są stosowane.

Rysunek 9. Światłowód wielomodowy gradientowy.


Rysunek 10 Przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym gradientowym


Rysunek 11 Złącza fiber connector full duplexowe wielomodowe


Rdzeń światłowodu gradientowego wykonany jest z wielu tysięcy warstw. Ma to na celu udawanie płynnej zmiany współczynników załamania światła. Wartość maksymalną przyjmuje na osi rdzenia zaś minimalną na granicy z płaszczem. W pewnym stopniu niweluje to rozmycie sygnału, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, dzięki czemu mają większą prędkość liniową. Kształt . pojedynczego modu zbliżony jest do przebiegu sinusoidy. Dzięki temu osiągnięto zwiększenie szerokości pasma o rząd wielkości w porównaniu ze światłowodem skokowym

Kabel zewnętrzny z włóknami w luźnych tubach, jest odporny na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Wypełnione żelem luźne tuby zawierają jedno lub kilka włókien i oplatają centralny dielektryczny element wzmacniający. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym oplotem oraz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową koszulką zewnętrzną. Kable wewnętrzne przeznaczone są do układania wewnątrz budynku. Posiadają cieńszą warstwę ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne.Do karty sieciowej światłowód przyłącza się za pomocą złącza fiber connector. Może ono wyglądać różnie, w zależności od rodzaju. Np. .
5.3 Okna transmisyjne


Rysunek 12. Okna transmisyjne.
Tłumienie zależne od długości fali odgrywa istotną rolę w transmisji światłowodowej. Zależność ta maleje zgodnie z krzywą Rayleigh'a, z czwartą potęgą długości fali światła. Wyróżnia się trzy okna przydatne do prowadzenia transmisji o obniżonej tłumienności:
I okno transmisyjne - obejmuje fale w okolicy 0,85µm, dość wysokie tłumienie powyżej 1dB/km. atrakcyjności tego okna stanowi dostępność tanich źródeł światła, jednak zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu kilkunastu kilometrów.
II okno transmisyjne - na fali l,3µm, tłumienie około 0,4dB/km, zasięg transmisji od 75 do l00km.
III okno transmisyjne - na fali 1,55µm, tłumienie mniejsze niż 0,2dB/km, zasięg transmisji od 150 do 200km.

5.4 Multipleksowanie
Aby jednym światłowodem możliwe było wysyłanie więcej, niż jednego sygnału, a tym samym, aby wyeliminować konieczność stosowania wielu światłowodów, stosuje się multipleksowanie. Wyróżnia się 3 metody multipleksowania:
o Multipleksowanie z podziałem czasu. Przesyłane sygnały dzielone są na części, którym później przypisywane są czasy transmisji. Najpierw przesyłana jest pierwsza część pierwszego sygnału potem pierwsza część drugiego sygnał itd. Gdy, zostaną przesłane wszystkie pierwsze części, do głosu dochodzą drugie części sygnału. W przypadku wolnych połączeń końcowych metoda ta pozwala na efektywne wykorzystanie przepustowości światłowodu. Multipleksowanie tego rodzaju jest odpowiednie zwłaszcza do przesyłania sygnałów cyfrowych. Multipleksery cyfrowe łączą na ogół do 16 linii wejściowych.
o Multipleksowanie z podziałem częstotliwości (FDM – ang. Freqency Division Multiplexing). Multipleksowanie tego rodzaju zwiększa przepustowość sytemu transmisyjnego. Jest to układ, w którym kanały sąsiadują ze sobą. Przesyłane sygnały niesione są częstotliwości nośnej – innej dla każdego z kanału. Aby nie powstawały interferencje każda z nośnych musi różnic się od pozostałych co najmniej o 2,2GHz. Metoda ta ma zastosowanie w sygnałach analogowych.
o Multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM – ang. Wavelength Division Multiplexing). Przesyłany sygnał pochodzi z oddzielnych źródeł. Każdemu sygnałowi przypisana jest jego własna długość fali. System z modulacją WDM może pracować przy różnych długościach fali różniących się tylko o 5 nm. Sygnały po stronie odbiorczej rozdziela się za pomocą np. siatki dyfrakcyjnej, pryzmatu lub wielowarstwowych filtrów interferencyjnych.

6. Światłowody oświetleniowe
Solid Core to plastikowe światłowody z pojedynczych rdzeni oplecionych warstwą ochronną. Możemy je podzielić na dwie grupy: świecące bokiem (SIDE LIGHT) oraz świecące tylko na końcach (END LIGHT).
Wszystkie Solied Core składają się ze światłowodowego rdzenia (aktywny światłowód) oraz powłoki teflonowej i warstwy zatrzymującej promienie UV (średnica zewnętrzna). Światłowody tego typu można wyginać bez wyraźnych strat ich światłości. Ich żywotność jest oceniana na 10 lat nieprzerwanej pracy.
Ze światłowodami oświetleniowymi typu "SIDE LIGHT" i "END LIGHT" współpracują źródła światła w postaci lamp halogenowych lub metalohalogenkowych wraz ze sterownikami filtrów barwnych.


Światłowód włóknisty (inne nazwy: włókno światłowodowe, włókno optyczne) – rodzaj światłowodu(falowodu optycznego) służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Pierwotnie stosowany dla celów dekoracyjnych i oświetleniowych, obecnie najczęściej wykorzystywany jest w telekomunikacji i do transmisji danych. Zwykle występuje w formie włókien dielektrycznych najczęściej szklanych, z otuliną z tworzywa sztucznego. Część światłowodu prowadząca światło, tak zwany rdzeń, charakteryzuje się największym współczynnikiem załamania światła w całej strukturze.

6.1 Światłowody świecące końcem

Zwykłe i wodoszczelne przewody światłowodowe świecące końcem

Światłowody świecące końcem są wykonane z czystego metakrylanu
(PMMA). Jest to najlepszy materiałdo produkcji kabli przewodzących światło na dużych odległościach. W połączeniu z odpowiednimi lampami metalohalogenkowymi światłowody PMMA przewodzą pełne spektrum światła bez widzialnych zafałszowań kolorówi przy zachowaniu kluczowych parametrów światła na dystansie do 30 metrów. Promień zginania wynosi 25-30 mm, dzięki czemu przewody PMMA są elastyczne i łatwe w montażu.

Wiązki światłowodowe Octopus
Są przeznaczone do generatorów z lampami halogenowymi lub generatorów HID z lampami CDMi dostępne w dwóch wersjach:
• Przewody dekoracyjne bez elementów końcowych, przeznaczone na przykład do wielopunktowych instalacji świetlnych. Średnica przewodu to 1 lub 2 mm. Do użycia z końcówkami VCG230, VCG240, VCG660 i VCG670. Przewody przeznaczone wyłączniedo użytku w zamkniętych pomieszczeniach!
• Światłowody o średnicy optycznej 2 mm, 3 mm, 4 mm lub 5 mm.
Są wyposażone w element końcowy. Dostępne w wersji do użytku w zamkniętych pomieszczeniachoraz w wersji wodoszczelnej, przeznaczonej do użytku na wolnym powietrzu.

Wiązki światłowodowe Focus Zawierają część układu optycznego, w związku z czym mogą być stosowane tylko z generatorami FOCUS. Dostępne wersje o średnicy 2 mm, 3 mm, 4 mm i 5 mm, wszystkie wyposażone w element końcowy. Wiązki są oferowane w wersji do użytku w zamkniętych pomieszczeniach oraz w wersji wodoszczelnej, przeznaczonej do użytku na wolnym powietrzu.


Zwykłe i wodoszczelne kable światłowodowe
Przewody w wersji zwykłej, przeznaczonej do użytku w zamkniętych pomieszczeniach. Wiązki wodoszczelne mogą być stosowane w instalacjach klasy IP45(generator + przewody + końcówki) bez ryzyka pogorszenia parametrów włókien czy zalania generatora wodą.
• Przewody są zgodne ze standardem IP68 (mogą być stosowane na głębokości do 10 m pod lustrem wody).
• Elementy końcowe przewodów wraz z wodoszczelnymi końcówkami świetlnymi spełniają wymagania standardu IP67 w instalacjach poprowadzonych do głębokości 1 m pod lustrem wody.
• Połączenie z generatorem spełnia wymagania IP45.

Wiązki niestandardowe
Wiązki dostosowane do potrzeb konkretnego także indywidualne zamówienia klientów, długości i średnicy, w dowolnej ilości wystąpić pewne ograniczenia).

7. Straty w światłowodzie
Sygnał przesyłany światłowodem jest generalnie niepodatny na czynniki zewnętrzne, ale może ulegać różnym zniekształceniom oraz osłabieniu na wskutek zjawisk fizycznych oraz niedoskonałości materiałów.
Mikrozgięcia powstają w procesie wytwarzania włókien i są to nieregularności kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu.

7.1 Tłumienie
Tłumienie, czyli osłabianie sygnału, ma wiele przyczyn, które dzielą się na:
Straty materiałowe powstają w wyniku fizycznych właściwości materiału rdzenia. W najczęściej używanym materiale – szkle kwarcowym – światło ulega m.in. rozproszeniu w wyniku niedoskonałości struktury szkła. Poza tym szkło bardzo silnie absorbuje promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe, co uniemożliwia przesyłanie nim fali z poza zakresu widzialnego.
Straty falowodowe powstają w wyniku wszelkich niejednorodności światłowodu. Do tej grupy należą odkształcenia geometryczne rdzenia (jak nierównomierność średnicy, zagięcia) oraz nierówności w rozkładzie współczynnika załamania. Wśród odkształceń geometrycznych dodatkowo wyróżnia się mikro- i makrozgięcia. Mikrozgięcia powstają w procesie produkcyjnym i są to nieregularności kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza (święcąca powierzchnia światłowodu). W światłowodzie jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu. Makrozgięcia to z kolei zakrzywienie włókna. Dla promieni zakrzywień większych od kilku centymetrów jest pomijalne. Mniejsze powodują zmianę współczynnika załamania w obszarze zgięcia, co także prowadzi do tworzenia się modów wyciekających i uwidacznia się efektem świecenia włókna na powierzchni.
Straty mocy sygnału powodowane są również przez przesunięcia, rozsunięcia oraz wzajemny obrót
światłowodów
Absorpcja, czyli pochłanianie energii; w zakresie użytecznych (0,8 - 1,5 µm) jest niewielka, wzrasta natomiast przy niewielkiej nawet koncentracji zanieczyszczeń metali Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonów OH. Ponadto powyższe zanieczyszczenia powodują selektywny wzrost tłumienia; wybór okien transmisyjnych wynika z konieczności pominięcia tych pasm absorpcyjnych.

7.2 Dyspersja

Zjawisko dyspersji powstaje z przyczyny takiej, iż światło ma pewny zakres widmowy dla danej długości fali. Im szersze widmo tym więcej promieni przemieszcza się w rdzeniu. Promienie te przebywają różną drogę, przez co czas przebycia promienia przez włókno jest różny. W rezultacie długość impulsu na wyjściu wzrasta w sposób wprost proporcjonalny do długości światłowodu. Jeśli impulsy będą wysyłane zbyt blisko od siebie – nastąpi ich nałożenie się. Dlatego zjawisko dyspersji ogranicza długość światłowodu.
Rozróżnia się dwa typy dyspersji – międzymodową w światłowodach wielomodowych i chromatyczną – w jednomodowych.
Dyspersja międzymodowa powstaje w wyniku, iż światło biegnące przez światłowód jest superpozycją wielu modów, z których każdy przebywa inną drogę. W przypadku światłowodów skokowych – jak zostało to już wcześniej wspomniane – zjawisko to ma bardzo duży wpływ na sygnał. Z tego względu stosuje się wyłącznie światłowody gradientowe, gdzie dyspersja modowa jest w dużym stopniu ograniczona.
W światłowodach jednodomowych powyższe zjawisko nie występuje, za to uwidacznia się dyspersja chromatyczna. Za ten rodzaj dyspersji odpowiedzialne są dwa zjawiska: dyspersja falowodowa i materiałowa.
Dyspersja chromatyczna - z racji tego, że światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mód, nie występuje tutaj zjawisko dyspersji międzymodowej. Uwidacznia się natomiast inny, dotychczas niewidoczny rodzaj dyspersji, dyspersja chromatyczna. Składają się na nią dwa zjawiska: dyspersja materiałowa i falowodowa.
Dyspersja materiałowa jest skutkiem zjawiska fizycznego, które stawia zależność pomiędzy współczynnikiem załamania a długością fali. Jako, iż nie źródło światła ściśle monochromatycznego, a każdy impuls składa się z grupy rozproszonych częstotliwości, fala ulega rozmyciu w czasie.
Dyspersja falowa jest zależna od jakości płaszcza, przez który porusza się światło podczas odbicia. Wszelkie jego niedoskonałości w tym także w przyleganiu do rdzenia powodują różnice w szybkości rozchodzenia się światła.
Skuteczną metodą w eliminowaniu tych zjawisk było podniesienie długości używanej fali do ok. 1310 nm, gdzie zjawiska dyspersji prawie nie występują, a tłumienie jest niewielkie. Dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien docierający sygnał ma wyraźnie inny kształt i niniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z długością światłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz*km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe. Standardowe światłowody mają dyspersję zerującą się w drugim oknie transmisyjnym. Jednak odpowiednio modyfikując stosunek współczynników załamania w płaszczu i rdzeniu, oraz zmieniając średnicę rdzenia uzyskuje się tzw. włókna o przesuniętej dyspersji, dla których zerowa dyspersja osiągana jest w trzecim oknie transmisyjnym. Produkowane także są światłowody o płaskiej charakterystyce dyspersji, dla których jest ona zerowa w drugim i trzecim oknie jednocześnie.
Rozpraszanie Ramana jest nieliniowym procesem transferowania mocy, pomiędzy dwoma falami biegnącymi w tym samym kierunku z udziałem fal akustycznych, o częstotliwości optycznej, przy czym moc krótszej fali przekazywana jest częściowo fali dłuższej. Podczas transmisji w pojedynczym kanale zjawisko to obserwuje się dopiero powyżej około 5OOmW, jednak w systemie wielokanałowym występuje już przy znacznie niższych poziomach mocy. Rozpraszanie Ramana jest oddziaływaniem szerokopasmowym i pokrywa praktycznie całe okno transmisyjne. Znaczy to, że energia kanałów położonych w dolnej części okna, będzie zakłócać transmisję współbieżną we wszystkich pozostałych kanałach w całym oknie. Rozpraszanie Ramana pojawia się poprzez dwa efekty: zmianę natężenia światła w poszczególnych kanałach oraz przenik zdalny. Pierwszy z nich można kompensować odpowiednią charakterystyką wzmocnienia, drugi ogranicza maksymalną moc jaką można transmitować w kanale składowym WDM.
Zjawisko podobne do rozpraszania Ramana, ponieważ polega na oddziaływaniu fal świetlnych i dźwiękowych w światłowodzie. Powoduje przemianę częstotliwości i odwrócenie kierunku rozchodzenia się fali świetlnej. Padająca fala świetlna zamieniana jest na falę Stoktesa o większej długości i jednocześnie wzbudzany jest fonon akustyczny. Istnieje kilka poważnych różnic pomiędzy rozpraszaniem Brilloina i Raman:
o otóż współczynnik wzmocnienia Brillouina dla światłowodów jednomodowych jest o ponad dwa rzędy wielkości większy od współczynnika wzmocnienia Ramana. W odpowiednich warunkach wymuszone rozpraszanie Brillouina może być dominującym procesem nieliniowym.
Rozproszenie Brillouina powstaje przy znacznie niższych mocach, niż ramanowskie, już poniżej 2,4 mW w liniach dłuższych niż 20 km. Inną różnicą jest fakt, że rozpraszanie Brillouina zachodzi w światłowodach jednomodowych jedynie w kierunku wstecznym, podczas gdy rozpraszanie Ramana zachodzi zarówno w kierunku zgodnym jak i przeciwnym do kierunku rozchodzenia się fali pompującej. Rozpraszanie Brillouina w niewątpliwy sposób zmniejsza moc fali rozchodzącej się w światłowodzie, ponieważ fala rozproszona wstecz zmniejsza moc fali pierwotnej, a w dodatku generuje potencjalnie silną falę rozproszoną w kierunku nadajnika.
8. Dlaczego światłowody?
Do głównych zalet światłowodów należą:
· odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
· brak generacji zakłóceń elektromagnetycznych
· niemożność prostego „podsłuchania” transmisji
· brak prądów błądzących
· mała tłumienność
· duża trwałość, rzędu 25 lat
· duża prędkość transmisji (6,875 Tb/s osiągnięta w 2000 r.)
· niski stopień awaryjności
· duże odległości między kolejnymi wzmacniaczami sygnału
· wysoka niezawodność transmisji (stopa błędów mniejsza niż 10-10 przy najwyższych przepływnościach binarnych)
· mała waga
· małe wymiary

Do czynników wpływających negatywnie na poprawną pracę włókien należy zaliczyć:
o wilgoć (powoduje rozpad sieci krystalicznej płaszcza i rdzenia włókna);
o obecność wodoru (powoduje powstawanie jonów OH—, które zwiększają tłumienie w II i w III oknie transmisyjnym);
o wystąpienie naprężeń mechanicznych od rozciągania, zginania, zgniatania, skręcania, uderzania i wpływu wysokich temperatur (powoduje mikropęknięcia zwiększające tłumienie i skracające okres życia włókien);
o wystąpienie naprężeń ściskających od wpływu ujemnych temperatur (powstające mikro- i makrozgięcia włókna zwiększają, tłumienie i również skracają okres życia włókien).


9. Przyszłość światłowodów

Światłowody są z pewnością przyszłością informatyki i telekomunikacji. Są akceptowane przez większość technologii sieciowych. Umożliwiają stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia wysokoefektywny transfer danych, przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem - nie wytwarzają własnego pola magnetycznego w związku, z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji. Długość światłowodu jest praktycznie nieograniczona - zależy wyłącznie od parametrów tłumiennościowych kabla (dla kabli jednomodowych), w porównaniu do innych kabli światłowody zapewniają minimalne straty sygnału. Ich żywotność wynosi 25 lat. Do wad zaliczyć należy złożoność instalacji - wymagane jest stosowanie kosztownych, specjalistycznych narzędzi oraz bardzo wysoką cenę nie tyle samego kabla co urządzeń dostępowych i montażowych. Dołączenie nowego urządzenia wymaga wyższych kwalifikacji. Ten typ medium transmisyjnego stosuje się w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych, w środowiskach o średnim i dużym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych oraz w połączeniach wymagających wysokiej niezawodności, np. serwerów do sieci.
Podsumowywując, światłowody będą z pewnością coraz częściej wykorzystywane. Zapewniają one idealne parametry transmisji. W chwili obecnej, stosuje się je w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych, w środowiskach o średnim i dużym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych oraz w połączeniach wymagających wysokiej jakości i prędkości transmisji. W małych sieciach komputerowych nadal są rzadkością, a to z powodu wysokich kosztów, jakie trzeba ponieść aby je zainstalować.