Wybrane problemy

techniki

światłowodowej

Wykład -7-

Światłowody

Optoelektronika II SUM ETI 2011/12

Optoelektronika II SUM ETI 2011/12

zaoczny

zaoczny

Przypominam proponowane

tematy referatów

2

1. Wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości

materiałów

.

2. Wybrane technologie stosowane w wytwarzaniu

elementów elektronicznych – dyfuzja, epitaksja,
fotolitografia.

3. Tranzystor unipolarny i polowy budowa, zasady

pracy.

4. Półprzewodnikowe elementy fotowoltaiczne.
5. Budowa lasera na ciele stałym – budowa i zasady

pracy.

6. Zastosowanie światła laserowego – omów kilka

wybranych zastosowań.

7. Zastosowanie techniki światłowodowej w

telekomunikacji.

Kolejne tematy

referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne: efekt TN,

problemy adresowania matrycowego,
budowa kolorowego wyświetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa

kolorowego wyświetlacza plazmowego i
technika jego adreso-wania.

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL,

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,
realizacja zobrazowania barwnego,
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich –

problemy budowy i kierunki rozwoju.

Wstęp

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem.
W mowie potocznej przez termin „światło” rozumiemy
zarówno wrażenia wzrokowe, jak i zjawiska, które je
wywołują.

Z dzisiejszego punktu widzenia fale świetlne
stanowią

pewien

wycinek

widma

fal

elektromagnetycznych,

obejmujący

fale

o

długościach zawartych w granicach od 380 nm do
780 nm (1 nm = 10

-9

m). Najkrótsze z nich widzimy jako

światło fioletowe, najdłuższe jako czerwone.

Optyka, w szerszym słowa tego znaczeniu, zajmuje się
również promieniowaniem niewidzialnym dla oka
ludzkiego o długościach fal większych niż 780 nm do 100
m zwanym podczerwienią, oraz mniejszych od 380 nm

do 1 nm nazywanym nadfioletem.

Pełny zakres widma fal elektromagnetycznych oraz
„miejsce wśród nich” fal nazywanych „światłem”
przedstawia rys.

4

1 0

7

1 0

6

1 0

5

1 0

4

1 0

3

1 0

2

1 0

1

1

1 0

- 1

1 0

- 2

1 0

- 3

1 0

- 4

1 0

- 5

1 0

- 6

1 0

- 7

1 0

- 8

1 0

- 9

1 0

- 1 0

1 0

- 1 1

1 0

2 1

1 0

2 2

1 0

2 0

1 0

1 9

1 0

1 8

1 0

1 7

1 0

1 6

1 0

1 5

1 0

1 4

1 0

1 3

1 0

1 2

1 0

1 1

1 0

1 0

1 0

9

1 0

8

1 0

7

1 0

6

1 0

5

1 0

4

1 0

3

1 0

- 1 3

1 0

- 1 2

1 0

- 1 1

1 0

- 1 0

1 0

- 9

1 0

- 8

1 0

- 7

1 0

- 6

1 0

- 5

1 0

- 4

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1

1 0

1

1 0

2

1 0

3

1 0

4

1 0

5

E n e r g i a

f o t o n ó w w e V

N a z w a

p r o m i e n i o w a n i a

C z ę s t o t l i w o ś ć

w H z

D ł u g o ś ć

f a l i w m

P r o m i e n i e



P r o m i e n i e X

T w a r d e

M i ę k k i e

N a d fi o l e t

P o d c z e r w o n e

Ś w i a tł o w i d z i a l n e

M i k r o f a l e

T e l e w i z j a

R a d i o f o n i a

F a l e d ł u g i e

1 k i l o m e tr [ k m ]

1 m e t r [ m ]

1 c e n t y m e tr [ c m ]

1 m i k r o m e t r [ m ]



1 n a n o m e tr [ n m ]

1 a n g s t r e m [ A ]

widzialne

5

Poglądy na naturę światła począwszy od XVII wieku uległy
dużym zmianom. Jeden z twórców optyki I.Newton
(opierając się na tym, że podstawową właściwością jaką
wykazuje światło jest rozchodzenie się po liniach
prostych) uważał, że światło polega na ruchu bardzo
drobnych cząsteczek, korpuskuł świetlnych, poruszających
się z określonymi prędkościami i mających określony pęd.
Teoria ta bardzo dobrze tłumaczyła zjawiska załamania i
odbicia.

W wieku XIX zapanowała (zapoczątkowana pod

koniec XVII wieku przez Ch. Huyghensa) teoria falowa –
która zakładała, że światło ma naturę falową. Teoria ta
bardzo dobrze tłumaczyła zjawiska ugięcia i interferencji
oraz prawa załamania i odbicia światła.

6

Obecnie obowiązuje zwarta fotonowa teoria światła.
Według tej teorii światło (promieniowanie
elektromagnetyczne) rozchodzi się w przestrzeni w
postaci paczek energii – fotonów. Foton odpowiadający
promieniowaniu o częstości drgań  ma energię

i pęd

(gdzie h – stała Plancka, c – prędkość światła w próżni).
Tak więc teoria fotonowa jest swoistym połączeniem
teorii korpuskularnej i falowej.



h

E

c

/

h

p





7

 

Podstawowe prawa optyki geometrycznej

Codzienne doświadczenie uczy nas, że

światło

rozchodzi się po liniach prostych.

Jeśli na drodze

promieni ustawimy przeszkodę, to za nią powstanie cień.

W przypadku źródła punktowego (czyli o

rozmiarach

tak

małych,

że

w

porównaniu

z

odległościami, z których to źródło obserwujemy możemy
je pominąć) cień jest geometryczny (rys. a).
Najczęściej jednak źródła są rozciągłe – wówczas
przedmioty nieprzezroczyste dają cień i półcień (rys. b).
Obszar cienia obejmuje punkty, do których światło w
ogóle nie dochodzi, obszar półcienia oświetlony jest
jedynie przez część źródła rozciągłego, przy czym nie ma
ostrej granicy pomiędzy cieniem a półcieniem.

8

Powstawanie cienia i półcienia przy oświetleniu

nieprzezroczystego przedmiotu z a) punktowego, b)

rozciągłego źródła światła

9

Prócz prostoliniowości rozchodzenia się promieni

świetlnych w optyce geometrycznej przyjmujemy, że
promienie świetlne biegną w przestrzeni całkowicie od
siebie niezależnie.

Kolejną cechą jest odwracalność biegu

promieni świetlnych. Oznacza to, że jeśli światło
biegnie po określonej drodze w pewnym kierunku,
to również po tej samej drodze może biec w
kierunku przeciwnym.

Gdy wiązka świetlna trafia na swej drodze na inny

ośrodek, to na powierzchni granicznej (granicy dwóch
ośrodków) część promieniowania zostaje odbita, a reszta
przechodzi do drugiego ośrodka ulegając załamaniu
(rys.10.3).

10

Rys.10.3. Odbicie i załamanie

światła na granicy dwóch

ośrodków

Optyka geometryczna

opiera się na dwóch prawach
charakte-ryzujących
zachowanie

się

promieni

świetlnych na granicy dwóch
ośrodków. Są to prawa
odbicia i załamania.

Prawa odbicia są następujące:

1.      promień padający, odbity i normalna do powierzchni
granicznej leżą w jednej płaszczyźnie;

2.      kąt padania jest równy kątowi odbicia.

11

Prawa załamania

zostały sformułowane przez

W.Snelliusa i brzmią następująco:

1.      promień padający, załamany i normalna do
powierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie;

2.      stosunek sinusa kąta padania  do sinusa kąta

załamania  jest wielkością stałą:

(10.1)

gdzie n

21

nazywamy współczynnikiem załamania ośrodka,

do którego promień wchodzi (ośrodek 2), względem
ośrodka z którego wychodzi (ośrodek 1).

21

n

sin

sin







Prawa odbicia i załamania możemy wyprowadzić z

równań Maxwella, co oznacza, że obowiązują one dla
wszystkich obszarów widma elektromagnetycznego

12

Prawa dotyczące propagacji

światła





1





2

n

1

n

2





1





2

n

1

n

2

Prawo Snelliusa:
n

1

sin

1

= n

2

sin

2

Teraz rozważymy pewien ciekawy przypadek

szczególny, który znajduje znaczące zastosowanie w
naszym współczesnym życiu – zwłaszcza w systemach
łączności ...

Rozpatrzmy promień świetlny biegnący w ośrodku

optycznie gęstszym (np. szkle), który pada na
powierzchnię ograniczającą ten ośrodek od ośrodka o
mniejszej gęstości optycznej (np. powietrze) – rys.

14

Prawa dotyczące propagacji

światła

Kąt graniczny czyli warunek na
załamanie pod kątem prostym:
n

1

sin

gr

= n

2





g r

n

1

n

2





g r

n

1

n

2

Prawa dotyczące propagacji

światła

Całkowite wewnętrzne odbicie i prawo
odbiciem: 

padania

= 

załamania

n

1

n

2

n

1

n

2

Jeżeli kąt padania  wzrasta, dochodzimy do

sytuacji, w której promień załamany biegnie równolegle
do powierzchni oddzielającej oba ośrodki (powierzchni
łamiącej) – czyli kąt załamania równa się 90

o

. Wtedy

spełniona jest równość:

sin 90

o

= 1 czyli

Dla promieni padających pod kątem większym

od kąta granicznego 

g

nie otrzymujemy już

promieni załamanych – obserwujemy zjawisko
zwane całkowitym wewnętrznym odbiciem

.

o

2

g

1

90

sin

n

sin

n





1

2

g

n

n

sin





17

A

B

Zjawisko to jest powszechnie wykorzystywane

m.in. w światłowodzie, które jest cienkim „włóknem”
szklanym, a wiązka światła jest w nim prowadzona
przez całkowite wewnętrzne odbicie na granicy szkło-
powietrze (rys.10.7).

18

Ogólny schemat budowy

światłowodów

Światłowody składają

się w ogólnym
przypadku
z dwóch warstw:

 rdzenia o wyższym

współczynniku
załamania, przy czym
rdzeń może składać
się z wielu warstw

 płaszcza o mniejszym

współczynniku
załamania

p ła s z c z

r d z e ń

p ła s z c z

r d z e ń

Typy światłowodów

 Światłowody

o skokowej zmianie
współczynnika
załamania w rdzeniu

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

Typy światłowodów

 Światłowody

o gradientowej
zmianie
współczynniku
załamania światła
w rdzeniu

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

Podział światłowodów

• ze względu na strukturę

- włókniste

- planarne

• ze względu na charakterystykę modową

-

jednomodowe

- wielomodowe

• ze względu na rozkład współczynnika załamania w

rdzeniu

- skokowe

- gradientowe

• ze względu na materiał

- szklane

- plastikowe

- półprzewodnikowe

Propagacja w światłowodzie o skokowej

zmianie współczynnika złamania

Wchodzące światło propaguje się wewnątrz

rdzenia. Gdy pada na płaszcz pod kątem

większym od kąta granicznego ulega

całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

n

o

to apertura numeryczna





n

1

n

2





n

1

n

2

Odbicie światła na granicy

światłowód - powietrze

Odbicie światła na granicy światłowód-powietrze

opisywane jest poprzez współczynniki
Fresnela.



n

1

n

2



n

1

n

2

Rozciągnięcie impulsu

propagującego się w światłowodzie

W wyniku dyspersji oraz pokonywania różnych dróg

optycznych następuje czasowe rozciągnięcie się
impulsu światła propagującego w światłowodzie.



n

1

n

2









w

1

w

2



n

1

n

2









w

1

w

2

Wpływ dyspersji

Wpływ tłumienia

Światłowody gradientowe

Zasada Fermata determinuje drogę po jakiej

propaguje się promień świetlny w
światłowodzie gradientowym.



n

2



n

2

Rozkłady gęstości mocy

W zależności od tego jaki

typ modu propaguje
się w światłowodzie
mamy różny rozkład
mocy we wiązce.

L P

0 1

L P

1 1

L P

2 1

L P

0 1

L P

1 1

L P

2 1

Telekomunikacyjne

zastosowanie

światłowodów

referat

Filozofia układów transmisji

danych.

W celu zrozumienia zasady

działania systemów transmisji

danych opartych na liniach

optycznych przyjrzyjmy się

układowi elektronicznemu obok

Rysunek przedstawia układ separacji galwanicznej działający

w spo-sób następujący. Do wejścia (Input) doprowadzony

jest sygnał ele-ktryczny. Sygnał elektryczny zamieniony

jest na sygnał optyczny. Służy do tego fotodioda

nadawcza. Odbiornikiem jest fotoele-ment (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. Dzięki temu zyskujemy całkowitą

izolację galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem.

Sygnał
elektryczny

Sygnał
elektryczny

Sygnał optyczny

Filozofia układów transmisji

danych.

Aby rozdzielić układ nadajnika
od odbiornika, należy zastosować
pomiędzy tymi elementami światłowód.
Struktura układu transmisyjnego oparta
na wykorzystaniu linii optycznej
-światłowodu przedstawia rysunek obok.
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 większości wad
charakteryzujących powszechne układy
kablowe.

Sygnał
elektryczny

Sygnał
elektryczny

Sygnał optyczny

Obecnie

najnowocześniejszym

medium

transmi-syjnym jest światłowód (Fiber Optic

Cable). Zasada jego działania opiera się na

transmisji impulsów świetlnych między

nadajnikiem

(Opti-cal

Transmitter)

przekształcającym sygnały ele-ktryczne na

świetlne, a odbiornikiem (Optical Receiver)

przekształcającym

sygnały

świetlne

odebrane ze światłowodu w sygnały

elektryczne. Sieci oparte na światłowodach

zwane są FDDI (Fiber Distributed Data

Interface).

Struktura włókna

światłowodu

Światłowód to falowód służący do przesyłania

promieniowa-nia świetlnego. Jest w formie włókien

dielektrycznych – naj-częściej szklanych, z otuliną z

tworzywa sztucznego, charakte-ryzującego się

mniejszym współczynnikiem załamania światła niż

wartość tego współczynnika dla szkła.

Promień światła rozchodzi się w światłowodzie po

drodze bę-dącej łamaną tzn. ulegając kolejnym

odbiciom (w przypadku światłowodu z włókien są,

to odbicia całkowite wewnętrzne).

Transmisja światłowodowa polega na przesyłaniu

sygnału optycznego wewnątrz włókna szklanego.

Budowa światłowodu.

Włókno optyczne, złożone z dwóch

rodzajów szkła o różnych

współczynnikach załamania (Refraction

Index):

- część środkowa,

- rdzeń (Core), najczęściej o średnicy

62,5 µm (rzadziej 50µm) - część

zewnętrzną,

- płaszcz zewnętrzny (Cladding), o

średnicy 125 µm;

Warstwa akrylowa Tuba - izolacja o

średnicy 900 µm. Oplot kewlarowy.

- Izolacja zewnętrzna.

Zasada działania

światłowodu.

Promień światła wędrując w rdzeniu światłowodu (o

współ-czynniku

załamania

n

1

),

napotyka

na

środowisko o innym współczynniku załamania (n

2

) -

płaszcz. Gdy promień pada od strony rdzenia na

płaszcz pod kątem α, to pewna część światła zostaje

odbita i wraca do rdzenia.

W zależności od kąta padania i współczynników

załamania materiałów rdzenia i płaszcza, zmienia się

ilość odbitego świa-tła. Powyżej pewnego kąta

zachodzi zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego

i światło padające zostaje odbite bez strat.

Elementy optyczne wykorzystywane do transmisji danych to

nadajniki i odbiorniki. Najważniejszym elementem systemu

optycznego jest źródło sygnału (nadajnik). W systemach

światłowodowych fale nośne wytwarzane są przez:

- diody laserowe (LD),

- diody elektroluminescencyjne (LED),

pośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych

w telekomu-nikacji światłowodowej zastosowanie znalazły

trzy:

- Dioda powierzchniowa,

- Dioda krawędziowa,

- Dioda superluminescencyjna

.

Światłowody mają różną budowę. Zależy ona od ich

zastosowania

i

wynikających

stąd

wymagań.

Wszechobecna komputeryzacja i ciągły rozwój usług

multimedialnych "wymusił" powstanie światłowodów

telekomunikacyjnych. Dają one możliwość budowania

łączy

dalekosiężnych,

bądź

lokalnych

sieci

komputerowych o dużych przepływnościach. Rynek

telekomunikacji został zdominowany przez

światłowody

jednomodowe

(do

budowy

linii

dalekosiężnych i sieci lokalnych) oraz

światłowody wielomodowe (do budowy sieci lokalnych)

światłowód wielomodowy skokowy

światłowód wielomodowy gradientowy

światłowód jednomodowy

Światłowody

jednomodowe

Światłowody jednomodowe, których

rdzenie są dodatkowo domieszkowane

erbem, są obecnie najlepszym medium

transmisji sygnałów na odległość.

Światłowody

jednomodowe

są,

efektywniejsze

i

pozwalają,

transmitować dane na odległość 100

km bez wzmacniacza.

Włókna jednomodowych kabli światłowodo-

wych mają zwykle od 5 do 10 mikronów

śre-dnicy i otoczone są ochronnym

wypełnieniem o średnicy 125 mikronów.

Ponieważ

instalacja

oparta

na

światłowodach jednomodowych jest bardzo

droga i cechuje się dużą szerokością

udostępnianego pasma, dlatego stosuje się

ją

przy

budowie

wysokiej

jakości

infrastruktur informatycznych i w sieciach

telekomunikacyjnych.

Złącze światłowodowe jednomodowe cena 3,90 zł
+ VAT

Wadą światłowodów jednomodowych jest

to, że w związku z bardzo małym rdzeniem,

trudniej jest je zakończyć, wszelkie

elementy wymagają większej dokładności,

znacznie droższe są też obecne urządzenia

(karty

sieciowe,

koncentra-tory

itp.)

współpracujące z takimi światłowodami.

Generalnie wydajność systemu wzrasta ze

wzro-stem długości fali świetlnej, wzrastają

także ko-szty.

Światłowody

wielomodowe

Do transmisji sygnałów na małe
odległości (sieci lokalne) służą
włókna światłowodowe
wielomodowe.

Rdzeń

telekomunikacyjnego

światłowodu wielomodowego składa

się z setek (a nawet kilku tysięcy)

warstw szkła kwarcowego (SiO

2

)

domieszkowanego

dwutlenkiem

germanu (GeO

2

), przy czym najwięcej

domieszki jest w osi rdzenia.

Warstwowe domieszkowanie rdzenia

powoduje powstanie gradientowego

profilu współczynnika załamania.

Światłowód wielomodowy charakteryzuje

się tym, że promień światła może być

wprowa-dzony do niego pod różnymi

kątami - modami.

Najważniejszym problemem w przypadku

tego rodzaju światłowodów jest zjawisko

dyspersji, polegające na "poszerzaniu"

się promienia świetlnego wraz z drogą

przebytą

wewnątrz

światłowodu.

Ponieważ dyspersja powiększa się wraz z

drogą promienia świetlnego, więc kable

wielomodowe stosowane są maksy-

malnie na długościach do 5 km.

Transmisja

wielomodowa

jest

sterowana za pomocą diody LED.
Diody

LED

są

źródłem

światła

nieskoncentrowanego. Ponieważ dioda
nie

jest

zdolna

do

wysyłania

skoncentro-wanego

światła,

zatem

wiązka ulega rozpro-szeniu. Nakłada to
ograniczenia na długość okablowania
światłowodowego

sterowanego

za

pomocą diody LED.

Wady światłowodów wielomodowych
są równoważone przez ich

zalety,

takie jak: o wiele niższe koszty w
porównaniu ze światłowodami
jednomodowymi.

Łatwiejsze

prace

montażowe

i

konserwacyjne

ze względu na

większe wymiary od światłowodów
jednomodowych.

Obecnie stosowane są w

telekomunikacji następujące

rodzaje włókien:

- włókna jednomodowe (J),

- włókna jednomodowe z przesuniętą.

dyspersją, (Jp),

- włókna jednomodowe o niezerowej

dyspersji (Jn),

- włókna wielomodowe - gradientowe

(G 50/125),

- włókna wielomodowe - gradientowe

(G 62,5/125),

Zalety światłowodów

:

- odporność na zakłócenia
elektromagnetyczne,
- brak generacji zakłóceń
elektromagnetycznych,
- brak prądów błądzących,
- brak różnic potencjałów,
- mała tłumienność,
- duża trwałość, rzędu 25 lat,
- duża prędkość transmisji.

Przełączniki optyczne

Problemem pojawiającym się przy

optycznym przesyłaniu

informacji w sieciach rozległych

jest odpowiednie pokierowanie

sygnałem świetlnym, tak aby

trafił on od nadawcy do odbiorcy.

Owo przekierowywanie wiązki

światła realizowane jest w

urządzeniach nazywanych

przełącznikami optycznymi,

które są złożone z mikrolusterek.

Kolejny dowód, iż zawansowane technologie opierają się na

obserwacjach codziennego życia. Zabawa w puszczanie

"zajączków" stała się sposobem

na obejście czasochłonnej konwersji sygnału z postaci

analogowej

na świetlną. Taką zasadę budowy przyjęto przy konstruowaniu

przełączników optycznych. Na zdjęciu widać matrycę mikroluster

zawieszonych

na elastycznych wiązadłach - na fotografi: Lucent WaveStar

LambdaRouter.

Połączenia światłowodowe w

Europie

W 2001r. w Europie działała szkieletowa sieć optyczna

Ebone, obejmująca swoim zasięgiem 19 krajów.

Miała długość 17,5 tys. kilometrów i jest własnością grupy

Global TeleSystems. W sieci tej wykorzystywana jest

technologia DWDM (Dense Wavelength Division

Multiplexing), która pozwalała zwielokrotnić przepustowość

światłowodów dzięki użyciu do 40 wiązek laserowych zamiast

jednej. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie łącznie 2,5

gigabita danych w ciągu sekundy.

Ruchem sieciowym sterowało ponad 30 gigabitowych routerów,

rozlokowanych na całym kontynencie. Poprzez Ebone

możliwe jest również przesyłanie danych do Stanów

Zjednoczonych oraz Japonii.

W październiku 2003r. dzięki zwiększeniu z 40 do 80 fal

świetlnych w jednym przewodzie, TP S.A. rozbudowała

szkieletową sieć optyczną i uzyskała transmisję równą

630Gb/s.

Kiedy spojrzymy na mapę ukazującą stan sieci Ebone,

przekonamy się, że Warszawa ma dwa połączenia: jedno z

Berlinem, drugie ze Sztokholmem.

Jako pierwsza połączyła Polskę z Internetem
w 1991 roku sieć NASK. Dziś jej
infrastruktura (górna lewa mapa), w
większości dzierżawiona od innych, nie
wygląda już imponująco na tle operatorów
sieci, takich jak TP SA (która nie udostępniła
mapy) czy TEL-ENERGO (środkowa mapa).
Dzięki współpracy
z TEL-ENERGO również polskie środowisko
naukowe może pochwalić się infrastrukturą
tworzącą szybką sieć POL-34 (górna prawa
mapa). Na samym dole znajduje się
orientacyjna mapa europejskiej sieci
szkieletowej Ebone.

Sieci optyczne w Polsce

Podstawową infrastrukturę sieci optycznych DWDM

w Polsce tworzą sieci szkieletowe znajdujące się w

obszarze kilku największych operatorów sieci

telekomunikacyjnej TP S.A., sieci światłowodowej

energetyki Tel-Energo oraz sieci resortu kolejnictwa –

Enargis- Polska. Wielu innych operatorów takich jak

NASK, NETIA, BTP TELBANK korzysta z własnych

łączy lub dzierżawi fragmenty największych sieci

światłowodowych, doposażając je w odpowiednio

nowoczesne platformy optyczne. Początki DWDM w

Polsce to miedzy innymi przeprowadzona w 2000

roku eksperymentalna transmisja z szybkością do 640

Gb/s najdłuższa kablowa. Najdłuższą kablową

infrastrukturą optyczną o długości ponad 11 tys. km

dysponuje TP S.A., która rozbudowuje od 2001 r.

szkieletową sieć transmisyjną. Drugą co do wielkości

krajową siecią optyczną dysponuje konsorcjum Tel-

Energo o łącznej długości 8.5 tys. km.

Złożonym problemem jest cięcie i łączenie

świa-tłowodów ze sobą. Zwłaszcza dotyczy

to światło-wodów jednomodowych, gdzie

cienkie rdzenie, w każdym segmencie kabla

muszą być w stosunku do siebie ułożone

idealnie centrycznie. Na styku powstają

również tzw. odbicia Fresnela, zwię-kszające

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.

Okna transmisyjne



Okno transmisyjne dla fali 850 nm

Okno transmisyjne dla fali 850 nm – jest

naj-starsze historycznie. Charakteryzuje
go umiar-kowana pojemno transmisyjna,
oraz wysoka tłumienno (4dB/km). Jest ono
wykorzystywane do transmisji opartej o
kabel gradientowy. Stosu-je się tutaj
sygnał modulowany, typowe odległo-ści to
ponad 2km. Wadą jest bardzo niska gra-
niczna szybko transmisji – 1Gb/s.

Wykorzystywane jest światło o kolorze czerwonym (bardzo
jaskrawym), emi-towane przez zwykłą diodę półprzewodnikową. Z
tego powodu koszt takiego połączenia jest stosunkowo niski.



Okno transmisyjne dla fali 1300 nm

Okno transmisyjne dla fali 1300 nm – zostało wprowadzone w

roku 1987. Przeznaczone do współpracy z kablami jednomodowymi
i wielomodowymi gradientowymi. Tłumienno – około 0,4 dB/km.
Przy transmisji wielomodowej transfer bez regeneracji może
odbywać się na odległości do kilkudziesięciu kilometrów. Jako źródło
światła wykorzystuje się najczęściej laser półprzewo-dnikowy.
Maksymalna prędkość transmisji danych to 80 – 100 Gb/s

 Okno transmisyjne dla fali 1550 nm – wprowadzone w roku
1989. Nie
znajdują tutaj zastosowania zwykłe światłowody SMF, muszą być
wyko-rzystywane specjalne kable. Tłumienność – około 0,16
dB/km. Okno to jest preferowane przy transmisjach na duże
odległości

Konstrukcja włókien optycznych

Konstrukcja włókien optycznych

 Rdzeń jest ośrodkiem, w którym
biegnie światło. Wykonany jest z
domieszkowanego szkła np. GeO

2

+SiO

2

zapewniającego dobre właściwości
przewodzące.

 Płaszcz światłowodu wykonany jest
z czy-stego szkła SiO

2

mającego

niższy współ-czynnik załamania niż
rdzeń.

Różnica współczynników załamania pozwala światłu poruszać się w
rdze-niu. Granica rdzeń-płaszcz działa jak lustro nie pozwala
wydostać się świa-tłu poza rdzeń (całkowite wewnętrzne odbicie).

 Bufor wykonany z tworzywa sztucznego np. akrylanu. Nie
ma wpływu na działanie światłowodu. Chroni włókno przed
uszkodzeniem w trakcie
umieszczania w kablu, podczas instalacji i w wykonywania złącz.
Poprawia
również elastyczność

WYBRANE UWAGI O
TECHNOLOGII
ŚWIATŁOWODÓW

Kable wewnątrzobiektowe

przeznaczone są do

transmisji sygnałów cyfrowych i analogowych w całym

paśmie optycznym, wykorzystywanym we wszystkich

systemach transmisji: danych, głosu i obrazu,

stosowanych

w

teleinformatycznych

sieciach

lokalnych.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• giętkie i łatwe w montażu

• mogą być układane w pobliżu instalacji elektrycznych

• nadają się do oprawiania w złączach każdego standardu

Powłoka kabli wykonana jest z materiałów trudnopalnych,

może być równocześnie bezhalogenowa.

Kable uniwersalne

przeznaczone są do transmisji

sygnałów cyfro-wych i analogowych w całym paśmie

optycznym,

wykorzystywanym

we

wszystkich

systemach transmisji: danych, głosu i obrazu.

Kable są przystosowane do:

• wykonywania połączeń między urządzeniami

optoelektronicznymi w pomieszczeniach

• zamkniętych i na zewnątrz budynków

• zaciągania do kanalizacji kablowej i wewnątrzobiektowej

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• łatwe w montażu

• mogą być układane w pobliżu instalacji elektrycznych

• nadają się do oprawiania w złączach każdego standardu
Powłoka kabli wykonana jest z materiałów trudnopalnych.

Kable zewnętrzne

przeznaczone są do transmisji

sygnałów cyfro-wych i analogowych w całym paśmie

optycznym, wykorzystywa-nym we wszystkich systemach

transmisji: danych, głosu i obrazu, stosowanych w

teleinformatycznych sieciach dalekosiężnych, rozległych i

lokalnych, w każdej konfiguracji przestrzennej.

• Kable przeznaczone są do układania w kanalizacji kablowej

pierwotnej i wtórnej. Kable mogą być układane w pobliżu

energetycznych linii wysokiego napięcia.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją

wody poprzez wypełnienie tub żelem hydrofobowym oraz

wypełnienie ośrodka przy pomocy taśm czy sznurków

wodnoblokujących lub żelu hydrofobowego.
Powłoka kabli jest odporna na ścieranie, promieniowanie UV

oraz korozję naprężeniową.

Kable zewnętrzne wzmacniane

przeznaczone są do

transmisji sygnałów cyfrowych i analogowych w całym

paśmie optycznym, wykorzystywanym we wszystkich

systemach transmisji: danych, głosu i obrazu, stosowanych

w

teleinformatycznych

sieciach

daleko-siężnych,

rozległych i lokalnych, w każdej konfiguracji przestrzen-

nej

.

Kable tubowe wzmacniane, są przystosowane do:

• układania w kanalizacji kablowej pierwotnej i wtórnej

• układania bezpośrednio w ziemi na terenach o małym zagrożeniu

uszkodzeniami mechanicznymi

• podwieszania na słupach linii telefonicznych, linii energetycznych średnich

i niskich napięć,

• trakcji kolejowej

• Kable mogą być układane w pobliżu energetycznych linii wysokiego

napięcia.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją wody.

Kable samonośne

są przeznaczone do transmisji

sygnałów cyfro-wych i analogowych w całym paśmie

optycznym wykorzystywanym we wszystkich systemach

transmisji: danych, głosu i obrazu, stoso-wanych w

teleinformatycznych sieciach dalekosiężnych, rozległych i

lokalnych, w każdej konfiguracji przestrzennej. Kable

przystoso-wane są do podwieszania na słupach linii

telefonicznych. Kable z dielektrycznym elementem nośnym

przystosowane są do podwie-szania na słupach: trakcji

kolejowej, linii energetycznych średnich i niskich napięć.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją

wody
Powłoka kabli jest odporna na ścieranie, promieniowanie UV

oraz korozją naprężeniową.

Kable

przeciwgryzoniowe

przeznaczone

są

do

transmisji sygnałów cyfrowych i analogowych w całym

paśmie optycznym wykorzysty-wanym we wszystkich

systemach

transmisji:

danych,

głosu

i

obrazu,

stosowanych

w

teleinformatycznych

sieciach

dalekosiężnych, rozle-głych i lokalnych, w każdej

konfiguracji przestrzennej.

Kable tubowe wzmacniane są przystosowane do:

• układania w kanalizacji kablowej pierwotnej i wtórnej

• układania bezpośrednio w ziemi na terenach o małym zagrożeniu

uszkodzeniami mechanicznymi

• podwieszania na słupach linii telefonicznych, linii energetycznych

średnich i niskich napięć

• trakcji kolejowej

• Kable mogą być układane w pobliżu energetycznych linii wysokiego

napięcia.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją wody

Zastosowanie poliamidu w dwuwarstwowej powłoce stanowi ochronę

kabli przed atakami gryzoni. Powłoka kabli odporna jest na ścieranie,

promieniowanie UV oraz korozję naprężeniową.

Kable do kanalizacji ściekowej

przeznaczone są do

transmisji sygnałów cyfrowych i analogowych w całym

paśmie optycznym wykorzystywanym we wszystkich

systemach

transmisji:

danych,

głosu

i

obrazu,

stosowanych w teleinformatycznych sieciach daleko-

siężnych, rozległych i lokalnych, w każdej konfiguracji

przestrzen-nej.

Kable są przystosowane do układania:

• w kanalizacji ściekowej

• bezpośrednio w ziemi i na ziemi w terenach o dużym zagrożeniu

uszkodzeniami mechanicznymi

• w kanalizacji kablowej pierwotnej

Właściwości użytkowe:

• mają w pełni dielektryczne ośrodki

• są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• są zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją

wody

Dzięki zastosowaniu taśmy stalowej falowanej kable zachowują

giętkość i są odporne na działanie naprężeń poprzecznych oraz ataki

gryzoni. Powłoka zewnętrzna kabli jest odporna na ścieranie,

promieniowanie UV oraz korozję naprężeniową.

Kable taktyczne

mają zastosowanie w:

• wojskowa łączność polowa,

• łączność polowa na terenach gdzie prowadzone są prace

geologiczne, górnicze, archeologiczne itp. na otwartej

przestrzeni oraz pod ziemią

• łączność polowa na terenach przemysłowych, gdzie

prowadzone są prace remontowo-budowlane szczególnie

w przemyśle chemicznym i naftowym, na otwartej

przestrzeni i pod ziemią oraz wszędzie tam, gdzie

występują narażenia na oddziaływanie szkodliwych

czynników chemicznych i mechanicznych,

• czasowe systemy łączności, przesyłania danych oraz

sygnałów telewizyjnych np. dla ekip obsługujących

przekazy z wydarzeń i imprez na terenie otwartym oraz w

obszarach zabudowanych,

• czasowe systemy nadzoru terenów i obiektów

wymagających transmisji sygnałów o dużej przepływności

np. z kamer wizyjnych

Własności użytkowe:

lekkie, wytrzymałe (na działanie sił rozciągających i

zgniatają-cych) dzięki podwójnej warstwie

wzmocnienia z włókien aramido-wych,

 przeznaczone dla służb zbrojnych i cywilnych w celu

szybkiego i łatwego utworzenia światłowodowej

łączności w warunkach polo-wych

zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach

środowiskowych gdzie wymagane są niska średnica

(np. 6,0 mm) i mała masa kabla (np. 27 kg/km),

 przystosowane do układania na otwartej

przestrzeni, pod ziemią w warunkach narażeń na

mechaniczne uszkodzenia czy też w pomie-szczeniach

zamkniętych.

dwie poliuretanowe powłoki kabla zapewniają

wysoką giętkość kabla w niskich temperaturach,

umożliwiają wielokrotne zwijanie i rozwijanie kabla,

są odporne na czynniki chemiczne, ścieranie,

drgania mechani-czne, niepalnione dzięki

zastosowaniu bezhalogenowego poliuteranu

nierozprzestrzeniającego płomienia

wzdłużnie uszczelnione dzięki zastosowaniu

wodnoblokujących włókien aramidowych

odporne na zakłócenia elektromagnetyczne,

zapewniają szybką transmisję danych

Kable górnicze

są przeznaczone do transmisji sygnałów

cyfrowych i analogowych w całym paśmie optycznym. Służą

do wykonywania połączeń między urządzeniami systemów

optoelektronicznych. Są przystosowane do układania na

powierzchni i w podziemnych wyrobiskach zakładów

górniczych. Mogą być podwieszane poziomo i pionowo.

Właściwości użytkowe:

• Kable górnicze maja w pełni dielektryczne ośrodki i są odporne

na zakłócenia elektromagnetyczne. Zastosowanie dielektrycznego

centralnego elementu wytrzymałościowego, wzmocnienia na

ośrodku z włókien aramidowych zespolonych klejem

termotopliwym oraz opancerzenia z drutów stalowych pozwala na

uzyskanie dużej odporności kabli na naprężenia wzdłużne i

poprzeczne. Kable są zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i

wzdłużną penetracją wody poprzez zastosowanie taśm i sznurków

pęczniejących pod wpływem wilgoci. Zewnętrzna powłoka kabli

jest wykonana z polwinitu nierozprzestrzeniającego płomienia

uodpornionego na działanie światła.

W porównaniu z tradycyjnymi kablami

miedzianymi świa-tłowód ma wiele zalet.

Najważniejsze z nich to:

• niskie tłumienie,

• szerokie pasmo transmisyjne,

• brak przesłuchów,

• poufność transmisji,

• niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne,

• nie wytwarzanie zakłóceń w otoczeniu,

• mała masa,

• mała średnica,

• niski koszt,

• szeroki zakres temperatur pracy,

• izolacja między nadajnikiem a odbiornikiem,

• brak niebezpieczeństwa zwarcia elektrycznego,

• brak niebezpieczeństwa iskrzenia.

Światłowód nie jest jednak ośrodkiem idealnym.

Ograniczenia możliwości transmisyjnych

wynikają z następujących efektów:

• tłumienia światłowodu powodującego straty mocy

optycznej sygnału. Określa ono zasięg transmisji, i

tym

samym

długości

odcinków

między

regeneratorowych,

• dyspersja chromatyczna (zależność współczynnika

załamania,

a

więc

prędkości

światła

od

częstotliwości) powodująca posze-rzenie czasowe

impulsów i niebezpieczeństwo przypisania im

błędnych wartości w odbiorniku. Poszerzenie to

rośnie wraz z odległością transmisji. W związku z

tym na krótkich łączach szybka transmisja jest

możliwa, na łączach długich zaś konie-czny jest

kompromis między szybkością i odległością transmi-

sji,

• nieliniowość

optyczna

szkła

(zależność

współczynnika zała-mania od natężenia światła)

powodująca również zniekształce-nia impulsów.

Zastosowanie światłowodów w

telekomunikacji:

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

światłowo-dowego jest bardzo wygodny przy

transmisjach "na żywo, umożliwia, bowiem

znaczną swobodę ruchu kamer i minika-mer. W

zastosowaniach tych wykorzystuje się tylko

jeden ka-nał, a więc sygnał może być

przekazywany w paśmie podsta-wowym w

postaci analogowej. Szerokość pasma 6 MHz jest

w zupełności wystarczająca.

8. Telewizja kablowa.

9. Lokalne sieci komputerowe.

10. 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.

11. Pociski sterowane światłowodami.

12. Komputery:

Systemy światłowodowe są

szczególnie

predy-sponowane

do

transmisji

danych w postaci cyfrowej, na przy-kład takich,

jakie powstają w komputerach, Możliwe jest wy-

konywanie

połączeń

między

centralnym

procesorem

a

urzą-dzeniami

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.

13. Wewnętrzne przekazywanie danych.
14. Okablowanie samolotów i statków:

Istotną

zaletą w zastoso-waniach na statkach i w

samolotach jest zmniejszone ryzyko iskrzenia i

pożaru.

Wzmacnianie sygnału

Budowa lasera diodowego oraz zastosowanie

zintegrowanych wzmacniaczy

światłowodowych były ważnymi krokami w

rozwoju komunikacji światłowodowej.

la s e r

e r b

W z m a c n ia c z

o p ty c z n y

la s e r

e r b

W z m a c n ia c z

o p ty c z n y

Laserowy wzmacniacz sygnału

Ramanowskiego

Nietelekomunikacyjne
zastosowania techniki

światłowodowej

Perspektywa przyszłości

– KOMPUTERY OPTYCZNE

ZALETY
• ogromna przepustowość
• promień światła może się krzyżować z innymi

promieniami, nie ulegając przy tym znaczącym

zakłóceniom

• przez światłowód może płynąć jednocześnie

światło o różnych długościach fali. Dlatego też

komputery optyczne nadają się szczególnie

dobrze do roli komputerów równoległych

• SZYBKOŚĆ - Nauka nie zna niczego szybszego

od światła, poruszającego się w próżni z

prędkością 300 000 km/s

Perspektywa przyszłości

– KOMPUTERY OPTYCZNE

Cudowny wynalazek w uścisku pęsety: w tym małym

przedmiocie można zamknąć nanosekundowe światło.

Prototyp optycznego układu pamięci.

Perspektywa przyszłości

– KOMPUTERY OPTYCZNE

Części składowe komputera

optycznego w porównaniu z

okiem muchy.

Przekrój poprzeczny

falowodu (superszybkiego

światłowodu)

przekazującego fale

świetlne.

Znaczące różnice

- Światło zamiast elektryczności

KOMPUTERY OPTYCZNE

• Nośnikiem informacji jest

świa-tło.

Światło

można

rozpatrywać jako falę, ale

również

jako

stru-mień

cząsteczek zwanych foto-

nami.

Nie

niosą

one

ładunku elektrycznego i nie

wymagają chłodzenia.

• Pomiędzy

częściami

komputera

optycznego

sygnały

biegną

światłowodami.

• Brak

wytwarzania

z

układów

ciepła,

oraz

problemów

z

jego

odprowadzaniem.

KOMPUTERY OBECNE

• Nośnikiem informacji są

ele-ktrony.

Części

elektroniczne

są

zbudowane z krzemu.

• Sygnały

pomiędzy

poszcze-gólnymi

częściami

komputera

biegną po metalowych,

alumi-niowych

lub

miedzianych ście-żkach.

• Wysokie częstotliwości

takto-wania

powodują

nagrzewanie

się

układów.

Zalety i właściwości

światłowodów

w dziedzinie systemów

oświetleniowych

• Szeroką gamę zastosowań - światłowody mogą być użyte do

oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. Są odporne na

wpływ warunków atmosferycznych.

• Bezpieczeństwo stosowania - energia elektryczna

dostarczana jest tylko do generatorów światła. W samym kablu

światłowodowym nie płynie prąd, dzięki czemu światłowody

można używać nawet do oświetlenia podwodnego.

• Trwałość - raz zainstalowane światłowody nie tracą swoich

własności. Odpowiednia powłoka chroni je przed glonami

i grzybami.

• Łatwość i niskie koszty obsługi - sam światłowód jest

praktycznie bezobsługowy - może być więc układany

w miejscach trudno dostępnych. Sporadycznej obsługi wymaga

jedynie generator światła, np. w celu wymiany żarówki.

Generator światła powinien być umieszczony w miejscu

o łatwym dostępie.

• Uniwersalność - ten sam kabel światłowodowy można używać

wielokrotnie w różnych projektach, za każdym razem nadając

mu inny kształt i/lub zmieniając kolorowe filtry w generatorze

światła.

Zalety i właściwości

światłowodów

w dziedzinie systemów

oświetleniowych

• Podczas świecenia światłowód nie wydziela ciepła, nie

występuje też promieniowanie UV.

• Dowolna zmiana koloru światła - dzięki zastosowaniu

odpowiednich fil-trów barwnych możliwe jest uzyskanie

dowolnego koloru świecenia.

• Łatwość nadawania kształtu - światłowód jest elastyczny

i posiada niewielki promień gięcia. Można go formować

w praktycznie dowolny sposób.

• Elastyczność w doborze komponentów - istnieje ogromna

różnorodność światłowodów, generatorów światła oraz

akcesoriów dodatkowych, które mogą być zestawiane

w niezliczonej liczbie konfiguracji. Wiele kabli światłowodowych

może być podświetlanych przez jeden generator światła.

• Wiele punktów świetlnych z jednego źródła światła - za

pomocą światłowodów możemy rozprowadzić światło z jednego

źródła w kilka oddalonych od siebie miejsc.

• Możliwość dokładnego określenia poziomu natężenie

światła - dzięki technologii obróbki światłowodów

stosowanych przez firmę Roblon z Danii.

„Niekiedy ten sam przedmiot w
różnym
oświetleniu sprawia odmienne
wrażenie.“
Tania Blixen, pisarka

ŚWIATŁOWODY

Światłowody stosowane są tam, gdzie szczególną rolę
od-grywa subtelne oświetlenie efektowe.
Dzięki zastosowaniu PMMA (polimetylmetakrylat) lub
włókna
szklanego w technice oświetleniowej możliwe jest
instalowa-nie punktów świetlnych w niezwykłych
miejscach bez potrze-by ich późniejszego
konserwowania lub montaż w materia-łach
tworzących spektakularne efekty świetlne.
Za pomocą filtrów interferencyjnych oddających
100% żąda-nej barwy światła (pozostałe fale są
filtrowane) możemy na
życzenie dokonywać zmiany barw mechanicznie lub
za po-mocą nastaw czasowych. W generatorach
światła mogą być
zastosowane filtry korekcji barw.



ZESTAWY ŚWIATŁOWODÓW Z POLIMETYLMETAKRYLATU

(PMMA) LI1QW20WCU

 SCHRACK INFO

Dekoracyjny zestaw w formie gwieździstego nieba

• Nie wymaga konserwacji
• Tylko jedno źródło światła na generator
• Enengrooszczędny generator w zestawie
• Brak zabrudzeń w miejscu wyjścia wiązki światła w punktach
świetlnych
• Możliwość generowania różnych barw światła w czasie
wskazanym przez użytkownika
• Bezszelestny, brak wentylatora w generatorze

 DANE TECHNICZNE
Źródło specjalne 230V/12V 20W w generatorze

Różne zastosowania

domowe

Przykłady wykorzystania

światłowodów

Inne zastosowania

Warto wiedzieć, że światłowody stosuje się też:

 Jako transmisję obrazu i mocy w zastosowaniach

medycznych;

 Jako kabel studyjny do pracy w telewizji "na żywo„

 W pomiarach obciążeń, naprężeń, odkształceń,

przemieszczeń;

 Jako mierniki pH; Jako czujniki drgań, odległości,

przezroczy-stości (wody, atmosfery);

 Do monitorowania temperatury, ciśnienia, naprężeń

pola elektrycznego;

 W diagnostyce i badaniach silników spalinowych;

 Do monitorowania składu mieszanki paliwowo-

powietrznej;

 W optycznych skaningowych mikroskopach tunelowych;

 W kontroli procesów transportu cieczy i gazów.

Technika światłowodowa w lotnictwie

Zastosowanie

techniki

światłowodowej

w

lotnictwie wydaje się być procesem naturalnym, z
powodu potencjalnych możliwości oferowanych przez
to rozwiązanie. Po pierwsze systemy światłowo-dowe
zapewniają redukcję masy i objętości nawet do 80% w
stosun-ku do klasycznych układów elektrycznych. Jeżeli
uzmysłowić sobie fakt, iż system elektrycznych kabli
samolotu F-22 Raptor ma nadal ponad 18 km długości i
waży ponad 550 kg, to obniżenie wagi tej instalacji jest
szczególnie cenne – oznacza bowiem możliwość zwię-
kszenia udźwigu samolotu. Po drugie, układy te są
‘bezpieczne’ gdyż gwarantują pełną izolację od wpływu
impulsów elektromagnety-cznych EMI (ang. Electro-
Magnetic Impulse), zakłóceń radiowych RFI (ang.
Radio-Frequency Interference) jak i nie stanowią źródła
fal

elektromagnetycznych

umożliwiających

przeciwnikowi namierzenie obiektu. Dla klasycznych
układów elektrycznych izolacja taka jest nie-możliwa
choćby z powodu występowania licznych połączeń
elektry-cznych (w F-22 jest ich ok. 138.000).

Przy relatywnie niskich kosztach, oferują prawie

nieograniczone pasmo przenoszenia, co pozwala na
szybki i efektywny przekaz informacji. Zalety te
pozwalają na ich szerokie zastosowanie na
pokładach współczesnych statków powietrznych
zasadniczo w trzech kategoriach.
>>

Pierwszą

stanowią

systemy

szybkiego

przekazu informacji wew-nątrz statku.
>> Druga to elementy nowoczesnych czujników
takich

jak

światło-wodowe:

giroskopy

i

przyspieszeniomierze, czujniki ciśnienia i tem-
peratury czy też systemy kontroli lotu i
monitoringu pracy silników.
>> W końcu, mogą być zastosowane jako element
czujnikowy

materiałów

kompozytowych,

co

poprzez struktury samo adaptujące pozwala na
pełny monitoring stanu elementów nośnych
samolotu.

Jednakże zastosowanie techniki światłowodowej w

technice

lotniczej

wymaga

spełnienia

pewnych

szczególnych wymagań. Chodzi tu między innymi o
szeroki zakres możliwych temperatur pracy, odporność
elementów i systemów na wibracje, drgania czy też
przeciążenia.

Światłowód jako system szybkiego przekazu
informacji

Od przeszło 20 lat na licznych statkach

powietrznych

stosuje

się

cyfrową

magistralę

komunikacyjną

MIL-STD-1553.

Jednak

awio-nika

samolotów nowej generacji wymaga transmisji dużej
ilości da-nych i większych szybkości transmisji niż
przepustowość 1Mbit/sek oferowana przez MIL-STD-
1553. Problemy te łatwo można rozwiązać stosując
światłowody zamiast tradycyjnych przewodów elektry-
cznych (kabli koncentrycznych czy skrętek).

Światłowodowe

magistrale

komunikacyjne

stanowią już dziś podstawę systemów awionicznych
zarówno statków powietrznych nowej generacji
(samoloty EF-2000 EuroFighter i F-22 Raptor, śmi-
głowiec RAH-66 Comanche) jak i zmodernizowanych
starszych ty-pów. Przykładem może być samolot A-7,
na którym 302 przewody elektryczne zastąpiono 12
światłowodami, co spowodowało redu-kcję masy łącza
o 95 % (z 40 kg przewodu tradycyjnego do 1.7 kg
kabla światłowodowego).

W tym przypadku nie występują również

ograniczenia dotyczą-ce fizycznej długości szyny, a co
najważniejsze rozwiązanie optyczne całkowicie eliminuje
wpływ impulsu elektromagnetycznego (EMI) i zakłóceń
radiowych (RFI), gdyż światłowód pozwala na pełną
separację elektryczną połączonych ze sobą urządzeń.

Parametr

Sieci lokalne

Sieci pokładowe

Temperatura

pracy

0 do 70C

-65 do 150C

Wilgotność

0-95

Szczelne hermetycznie

Wibracje

Częstotliwości do 5

Grms

Szerokopasmowe, 15-40

Grms

Przeciążenia

5-

50-

Siły
rozciągające

65 N

powyżej 10 000 N

Skręcenia
kabla

13 N

40 N

Zginanie kabla 100 cykli w 90

100 cykli w 180

Łatwopalność
Toksyczność

Zgodnie z krajowymi

normami
elektrycznymi

Ustalana przepisami FAR

Tolerowane
ciśnienie

Praca na ziemi

Do

Zanurzenie w
cieczy

Nie wymagane

Odporne na działanie
środków czyszczących i

paliwa lotniczego

Mgła solna

Nie wymagany

Hermetyczne

Piasek i kurz

Nie wymagany

Hermetyczne

Porównanie komercyjnych i lotniczych wymagań na

sieci światłowodowe

Światłowód jako element systemu kontroli lotu

Ostatnio wprowadzone do eksploatacji samoloty

Boeing 777 i Airbus 320 używają systemu kontroli lotu
bazującego na kablach ele-ktrycznych tzw. FBW (ang.
Fly-by-Wire)

zamiast

tradycyjnych

ukła-dów

mechanicznych.

Pomimo wielu zalet takiego systemu główną jego

wadą jest wrażliwość na EMI oraz wysoko-natężeniowe
pola radiacyjne. Stąd powstała koncepcja budowy
optycznego systemu kontroli lotu – FBL (ang. Fly-by-
Light) opartego o włókna optyczne (rys.4), który
ostatnio rozszerzony jest o koncepcję zastosowania
światłowodów do syste-mu kontroli silników ECS (ang.
Engine Ciontrol System) - rys. 5

Diagram konfiguracji systemu FBL opracowany w 1994 przez

Systems Research Aircraft

Czujniki optyczne w systemie kontroli silnika

Zasadniczy problem z budową tych systemów jest ich
niezawodno-ść. Albowiem pierwszym i zasadniczym
wymaganiem

stawianym

systemowi

kontroli,

zwłaszcza lotu, jest jego wiarygodność. Można
stwierdzić,

iż

z

definicji

kontrola

lotu

jest

niebezpieczeństwem lotu – jeśli zawodzi samolot oraz
przebywający w nim ludzie stają się ekstremalnie
zagrożeni.

Do określania jakości systemu kontroli

lotu

używa

się

współczynnika

prawdopodobieństwa utraty kontroli - PLOC
(ang.

probability-of-loss-of-control),

który

wynosi 10

-5

usterek na godzinę lotu (dla

samolotów wojskowych) oraz 10

-9

dla lotnictwa

cywilnego.

Zatem

elementy

światłowodowe

stosowane w takim systemie muszą gwarantować co
najmniej taką lub wyższą niezawodność, co nie jest
łatwe do osiągnięcia.

FA-18 podczas test systemów fotonicznych w ramach
programu FOCSI

Dla FBL, wszystkie typy czujników, poza

przyspieszeniomie-rzami maja swe światłowodowe
odpowiedniki. Natomiast system ECS poza czujnikiem
położenia, temperatury i ciśnienia wymaga do-datkowo
czujników: prędkości obrotowej turbiny oraz detektora
pło-mienia. Jednakże, do budowy całego systemu FBL
na bazie włókien optycznych w niedalekiej przyszłości,
konieczne jest osiągnięcie dla nich komercjalnego
poziomu rozwoju zgodnego z wymaganiami stawianymi
przez lotnictwo wojskowe.

Światłowód jako czujnik wielkości fizycznej

W

wielu

laboratoriach

prowadzone

są

zaawansowane

badania

nad

możliwościami

zastosowania czujników światłowodowych do detekcji
przyspieszeń, pól elektrycznych i magnetycznych,
tempera-tury, pola akustycznego, drgań, wilgotności czy
ciśnienia. Badania te mają na celu wytworzenie układów
aplikacyjnych dla przyszłych zastosowań.

Pozytywnym

przykładem

może

być

kompensowany

tempera-turowo

światłowodowy

przetwornik ciśnienia dla bezwzględnego po-miaru
ciśnienia - FOTPS (ang. Fiber Optic Total Pressure
Sensor) Przetwornik ten mierzy sumę ciśnienia
barycznego na danej wysokości oraz ciśnienia
dynamicznego z rury Pitota, które jest proporcjonalne do
szybkości powietrza. Układ ten przeszedł pozytywne
badania na pokładzie FA-18 (w ramach programu
FOCSI). W zakresie pomiarowym od 0 do 276 kPa
uzyskano odchylenie standardowe w granicach 1%.

Niewątpliwym liderem jest jednak żyroskop

światłowodowy - FOG (ang. Fiber Optic Gyro), będący
pierwszym czujnikiem światło-wodowym który osiągnął
poziom rozwoju pozwalający na jego zasto-sowanie na
szersza skalę w tym także w lotnictwie. Głównym
elemen-tem tego sukcesu są proponowane przez FOG
parametry z wolna po-wodujące dominację tej
technologii w dowolnych systemach nawiga-cji.
Klasyczne żyroskopy mechaniczne w wielu przypadkach
nie zape-wniają już bowiem odpowiednich parametrów
pomiarowych. Z kolei żyroskop laserowy ze względu na
zjawisko sprzęgania modów wyma-ga stosowania
uciążliwego systemu drgań mechanicznych nie dając
spodziewanej jakości wskazań dla niskich prędkości
pomiarowych. Natomiast FOG jest prostszym w użyciu,
zaś możliwe do osiągnięcia parametry pozwalają na
jego szerokie wykorzystanie w wielu dziedzinach
pokazanych na rys

Pierwsza generacja żyroskopu światłowodowego

I-FOG, bazu-je na interferometrze (rys. 10a).
Przeciwbieżne wiązki świetlne mają, z tytułu efektu
Sagnaca, różnicę faz proporcjonalną do wejściowej
prędkości kątowej (W). Ta różnica faz jest mierzona
przez

detektor

jako

zmiana

natężenia

interferencyjnego. Obecnie I-FOG są na tyle dobrze
rozwinięte, iż zaczynają być wdrażane w praktyce.
Zapewniają

krótkie

czasy

uruchamiania,

małą

konsumpcje mocy, są lekkie i raczej niekosztowne; w
zamian oferują szeroki zakres pomiarowy oraz sze-
rokie pasmo. Wytwórcy tych układów zwiększają
czułość poprzez użycie dłuższych włókien (100-
1000m), które to podnosi koszt urzą-dzenia oraz
wprowadza wyższe szumy. Pozostałe typy takie jak:
pokazany na rys. 10b rezonator FOG (R-FOG) i FOG z
wykorzystaniem rozproszenia wstecznego Brillouina (B-
FOG - rys. 10c) mogą oferować wyższą czułości oraz
szersze pasmo dynamiki przy krótszych odcinkach
światłowodu. Jednakże ich rozwój znajduje się w
stadium początkowych stad należy traktować je jako
ewentualne rozwiązania przyszłościowe.

Przestrzeń kosmiczna poza strefą przyciągania

Ziemskiego,

precyzyjna

nawigacja

kosmiczna,

pozycjonowanie

i

stabilizowanie

w

przestrzeni

kosmicznej wymagają czułości lepszej niż 0.001

o

/h. Dla

I-FOG pomocne w osiągnięciu tego zakresu może być
zastosowanie lasera światłowodowego na bazie
domieszkowanego

Er

włókna

oraz

precyzyjnej

stabilizacji termicznej, a także wydłużenie włókna
optycznego tworzącego pętlę czujnika. Alternatywne
rozwiązanie stanowi R-FOG (rys. 10b). Przy 10 m. pętli i
wysoko spójnym źródle laserowym o szerokości
widmowej 100 Hz, układ ten ma czułość wystarczającą
dla zastosowań lotniczych. Ta krótsza długość włókna
jest też korzystna z punktu widzenia ograniczenia
dryftu wynika-jącego ze zmian termicznych, zaś źródło
laserowe jest znacznie stabilniejsze od SuperLEDa.
Polepszenie parametrów poniżej magicznego progu
0.001

o

/h należy spodziewać się także w najnowszej

generacji B-FOG (rys. 10c). Układ ten bezpośrednio
dostarcza na swe wyjście zmianę częstotliwości
proporcjonalną do mierzonej prędkości obrotu - zatem
może oferować bardzo szeroki zakres pomiarowy.

Czujniki światłowodowe w materiałach
kompozytowych

Od wielu lat materiały kompozytowe znajdują

coraz szersze zastosowania w przemyśle lotniczym.
Niewątpliwym

‘przyspiesza-czem’

stały

się

tu

zastosowania kewlaru i włókien karbonowych co, w
połączeniu z żywicami epoksydowymi, dało nową
rodzinę mate-riałów charakteryzujących się lekkością i
olbrzymią wytrzymałością. Materiały te stosowane są
coraz szerzej w przemyśle lotniczym jako pokrycia
statku powietrznego. Przykładem może być F-117A,
SR-73, itd. Z drugiej strony konstrukcja lotnicza
poddawana jest w trakcie eksploatacji licznym, bliskim
granicznym obciążeniom, które mogą być źródłami
zmęczeń materiałów i ich uszkodzeń. Stąd, możliwości
stałego monitoringu struktury podczas jej pracy jest
nader kuszącą perspektywą. W przypadku zastosowań
lotniczych określono, iż system taki powinien
zapewniać możliwość obserwacji z pokładu samolotu
struktury

o

wymiarach

od

5

do

50m.,

charakterystycznej średnicy (lokalizacji) około 0.5 m.,
w ciężkich warunkach pracy, ze stałą czasową od mili-
do sekund. Natomiast ze względu na koszt samolotu,
cena takiego systemu może być nawet bardzo wysoka

W rozwiązaniach tych zatopiony w strukturze
może być do-wolny czujnik światłowodowych
zarówno punktowy jak i roz-łożony, zaś
optymalnym rozwiązaniem jest tu czujnik inter-
ferencyjny. Przykładową aplikacją może być
pokazany na rys. 11 układ pozwalający na
lokalizację defektu struktury drogą rejestracji
przez czujniki światłowodowe zmian sygnału
ultrasonicznego.

Przypominam proponowane

tematy referatów

121

1. Wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości

materiałów

.

2. Wybrane technologie stosowane w wytwarzaniu

elementów elektronicznych – dyfuzja, epitaksja,
fotolitografia.

3. Tranzystor unipolarny i polowy budowa, zasady

pracy.

4. Półprzewodnikowe elementy fotowoltaiczne.
5. Budowa lasera na ciele stałym – budowa i zasady

pracy.

6. Zastosowanie światła laserowego – omów kilka

wybranych zastosowań.

7. Zastosowanie techniki światłowodowej w

telekomunikacji.

Kolejne tematy

referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne: efekt TN,

problemy adresowania matrycowego,
budowa kolorowego wy-świetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa

kolorowego wyświe-tlacza plazmowego i
technika jego adresowania.

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL,

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,
realizacja zobrazowania barwnego,
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich –

problemy budowy i kierunki rozwoju.