Foton - jak powszechnie wiadomo jest czÄ…-
steczkÄ… elementarnÄ…, nie majÄ…cÄ… Å‚adunku,
o masie równej zeru. Co z tego wynika? Wła-
ściwie to nic, gdyby nie fakt, że ów kwant
energii promieniowania elektromagnetyczne-
go jest obecnie wykorzystywany w najnowo-
cześniejszym medium transmisyjnym - świa-
tłowodzie. Tak jak się już domyślasz, opo-
wiem troszeczkę o światłowodach i nie tylko...
Światłowód, jak sama nazwa wskazuje, prze-
wodzi światło. Proste? Tak ... ale jak to moż-
liwe, że przez jedno cieniutkie jak włos
włókno światłowodowe można przesłać jed-
nocześnie nawet 100 tysięcy kanałów telewi-
zyjnych, a żeby było ciekawiej, to nie zwy-
kłej telewizji, ale tej cyfrowej, najwyższej ja-
kości. Przez jedno włókno - a przecież kabel Należałoby tu chłonięta przez płaszcz zewnętrzny. I tu na-
zawiera dziesiÄ…tki bÄ…dz
setki takich wspomnieć o je- leży powiedzieć o ważniejszych parame-
włókien... Ciekawe? Jeśli nie, to może inny szcze jednej klasie trach: kącie akceptacji i NA (Numerical
przykład: co byś powiedział na dostęp do In- światłowodów - Aperture). Oba te pojęcia służą do opisania
ternetu z prędkością powiedzmy 100, może światłowodach gra- łatwości wprowadzania światła do światło-
2
200 gigabitów na sekundę? Już biegniesz, że- dientowych, które wodu. Rysunek 4 pokazuje, że aby uwięzić
by kupić sobie taki światłowód? Poczekaj, mają, najogólniej rzecz biorąc, niejednolitą promień w światłowodzie, kąt jego padania
sam światłowód nie wystarczy. Niemniej per- strukturę rdzenia - takie szczegóły wykracza- nie powinien przekraczać pewnej wartości
spektywy są fantastyczne i warto interesować ją jednak poza ramy tego artykułu. maksymalnej (ąMAX
). Tylko promienie pada-
się tym tematem. Ale na dobry początek za- jące pod kątami mniejszymi niż ąMAX
zostanÄ…
czniemy od podstaw. Zasada działania uwięzione w rdzeniu. Według definicji ąMAX
Zarówno rdzeń, jak i płaszcz są zwyczajnym to właśnie kąt akceptacji. Apertura nume-
Trochę historii tlenkiem krzemu - tzn. szkłem (takim jak ryczna (NA) jest sinusem kąta akceptacji.
Pierwsze światłowody, zwane  rurowymi , w oknie, tyle tylko, że nieco czystszym). Ale Proste, prawda?
były w istocie rurą z umieszczonymi w niej światłowód nie jest - jak niektórzy sądzą -
4
soczewkami. Na rysunku 1 przedstawiono szklaną rurką. Zasadnicza różnica polega na
przebieg przykładowego promienia świetlne- tym, że współczynnik załamania światła
go w takiej rurze. w rdzeniu jest większy od owego współczyn-
nika w płaszczu. Zbyt zawiłe? Spróbuję pro-
1
ściej. Istotą pracy włókna światłowodowego
jest odbicie lub załamanie promienia świetl- Proste, ale co z tego wynika? Oczywiście
nego na granicy dwóch ośrodków. Granicą tą cała sterta niepotrzebnej (?) matematyki.
jest styk płaszcza i rdzenia. Światło w rdze- Mówiąc nieco poważniej, to korzystając
W latach pięćdziesiątych powstały pierw- niu załamuje się  łatwiej i ulega całkowite- z praw załamania światła możemy wyzna-
sze światłowody włókniste składające się mu odbiciu, z czego wynika, że wpuszczając czyć (poprzez NA)  znając jedynie
MAX
z rdzenia i płaszcza - patrz rysunek 2. Śre- promień świetlny do rdzenia  więzimy go współczynniki załamania światła w rdzeniu
dnica zewnętrzna płaszcza jest obecnie aż do opuszczenia światłowodu (zamykamy i w płaszczu (co zresztą jest bardzo uży-
znormalizowana i wynosi 125µm, co jest go nijako w rurze z jednym wyjÅ›ciem) - zo- teczne). PodsumowujÄ…c powiedzmy, że do
jedną ósmą milimetra - w przybliżeniu jest bacz rysunek 3. światłowodu możemy wprowadzić tym
to grubość włosa ludzkiego! Rdzeń jest je- większą część światła ze z
ródła im większa
3
szcze mniejszy. Jego średnica to zaledwie jest apertura numeryczna i kąt akceptacji
50µm (50µm odnosi siÄ™ do tzw. Å›wiatÅ‚owo- Å›wiatÅ‚owodu.
dów wielomodowych, gdyż światłowody Uff! Może wystarczy; zróbmy przerwę na
jednomodowe mają średnicę zaledwie coś przyjemniejszego.
5÷11µm). O rzeczywistych wymiarach
światłowodu, jego płaszcza i rdzenia Wady i zalety
świadczy fotografia. Należy jednak pamiętać, że ilość światła Ponieważ, choć to wydaje się dziwne, wad
odbitego wewnątrz rdzenia zależy od kąta jako takich nie znalazłem, więc przedstawię
pod jakim pada ono na granicę dwóch ośrod- zalety światłowodów:
V'
ków. Jeśli ów kąt jest za mały, to nici z trans- V' bez wątpienia główna zaleta to dostępna
misji promienia świetlnego, gdyż większość szerokość pasma - setki GHz, a nawet tera-
światła wydostaje się z rdzenia i zostaje po- herców (1012Hz) - dla porównania trzeba
Elektronika dla Wszystkich
92
A
ączność
przypomnieć, że zwykły kabel miedziany za- (propagacji) przez światłowód  wadą są róż- wodują jego kruszenie czyli swego rodzaju
chowuje się jak filtr dolnoprzepustowy, czego ne prędkość poszczególnych modów (jedne korozję. Należy też pamiętać przy takich roz-
wynikiem jest ograniczenie pasma (a` propos, propagują się szybciej, inne wolniej). I tak ważaniach o rozmiarach włókna!
czy widzisz już Czytelniku, związek tak duże- możemy podzielić światłowody na światło-
go pasma z przesyłaniem telewizji?) wody jednomodowe  przenoszące tylko mod Konstrukcje
V' kolejną zaletą światłowodów jest obojęt- podstawowy (nr 1) i światłowody wielomo- Na rysunku 7 zebrałem kilka typowych kon-
V'
ność na zewnętrzne pola elektromagnetycz- dowe  przenoszące większą liczbę modów. strukcji stosowanych do produkcji kabli. Kable
ne, z czego wynika fakt, że nie można za- W praktyce stosuje się głównie światłowody takie zawierają zawsze element wytrzymało-
kłócić transmisji informacji lub np. podsłu- jednomodowe ze względu na mniej złożony ściowy (kolor fioletowy) oraz kilka- kilkanaście
chać jej - co jest takie proste w zwykłym ka- proces technologiczny (pomyśl o precyzyj- włókien światłowodowych (kolor żółty).
blu miedzianym; nym wprowadzaniu skupionych wiązek świa-
V' jak wynika z powyższego, kable światło- tła pod różnymi kątami do rdzenia wielomo-
V'
7
wodowe w żaden sposób nie wpływają na dowego światłowodu o średnicy rzędu
otoczenie zewnÄ™trzne - dla porównania po- 5÷11µm!), jak i brak problemu z różnymi
myślmy o przewodach wysokiego napięcia prędkościami przenoszenia wiązki modowej.
w pobliżu osad ludzkich - o ich negatywnym Przykład  jednomodów to urządzenia tele-
wpływie nie muszę chyba przekonywać; komunikacyjne. Jednak nie myśl Czytelniku,
V' do zalet zaliczyć należy jeszcze zasięg - że światłowody wielomodowe to tylko teoria.
V'
w warunkach idealnych przy pominięciu Korzysta się z nich w miarę postępu technicz-
wielu aspektów transmisji fala świetlna nego  obecnie  głównie w lokalnych sie-
 wpuszczona do światłowodu z łatwością ciach komputerowych (LAN). W ramach od-
okrążyłaby np. równik i to bez stosowania po poczynku proponuję parę słów o rdzy.
drodze wzmacniaczy sygnału. Piękne, lecz
w teorii - tak naprawdÄ™ istnieje kilka proble-
mów, ale o tym póz
niej.
Kilka słów o MODzie
Co to takiego jest MOD? Bynajmniej nie jest
to operacja dzielenia bez reszty. Choć intuicyj-
ne zrozumienie modu jako takiego może być
nieco skomplikowane, spróbuję jak najpro-
ściej to wytłumaczyć. Uwaga, oto definicja:
 mod jest monochromatycznÄ… (jednobarwnÄ…)
wiązką propagującą się wzdłuż falowodu
(światłowód jest falowodem) z charaktery-
styczną dla siebie prędkością i bez zmiany
kształtu . Możemy też powiedzieć, że mod Główne problemy
6
opisuje przestrzenny rozkład pola elektroma- Jak wiadomo, piękne są tylko baśnie, a sko-
gnetycznego; rozkład uzależniony od długości ro światłowód nią nie jest, to na pewno ma
fali świetlnej (). Tak na chłopski rozum to swoje za uszami. Istotnie głównym proble-
wiązki modowe tworzą coś na wzór kanałów, Mechanika włókna mem w technice światłowodowej wydaje się
proces ich tworzenia przedstawia rysunek 5. Szkło jest głównym budulcem światłowo- być dyspersja. Dyspersja powoduje  rozmy-
Rozumienie modu jako swego rodzaju kanału dów, i jak każdy budulec, posiada zarówno cie czy też  rozpływanie się sygnału
wydaje się być najbardziej intuicyjne - wpro- zalety ,jak i wady. Przede wszystkim szkło w czasie i przestrzeni. Owe zjawisko zmiany
wadzając promień światła pod różnymi kąta- nie jest materiałem plastycznym (choć ela- kształtu rośnie wraz ze wzrostem odległości
mi (pobudzając światłowód selektywnie) po- styczność włókien światłowodowych jest im- transmisji, co może prowadzić do błędnego
wodujemy powstanie w światłowodzie odpo- ponująca, jednak powinieneś wiedzieć, że odbioru informacji. Proces ten zobrazowano
wiednich modów. Mody możemy obserwo- średnica zgięcia mniejsza niż 8cm prowadzi na rysunku 8.
wać na końcówce światłowodu (tu: również do trwałego uszkodzenia światłowodu  jego Jak widać w podpunkcie c) nakładanie się
musimy ją selektywnie  oglądać ). kruszenia). Zakres elastyczności szkła to impulsów powoduje niemożność prawidło-
okoÅ‚o 0,5÷1% ,czyli maÅ‚o (dla miedzi 20%). wego odczytania informacji zawartej w sy-
W uproszczeniu mówi się, że szkło jest kru- gnale. Tu należy uściślić, że mówimy o du-
che - i chyba wie o tym każdy, komu piłka żych odległościach transmisji (np. 100km).
zboczyła z toru roztrzaskując okno sąsiada. Tłumienie, w odróżnieniu od dyspersji, nie
Wpływ na kruchość szkła ma także jego czy- wpływa bezpośrednio na kształt sygnału -
stość (klarowność) - po prostu szkło pęka zmniejsza jedynie jego moc. Niestety wraz ze
najłatwiej w miejscach zabrudzenia (oczywi- wzrostem długości łącza rośnie tłumienie,
5
ście mowa o zanieczyszczeniach struktury z czego w prosty sposób wynika ogranicze-
Wygląd podstawowych modów przedstawia szkła, a nie tych w stylu nie umyta szyba). nie zasięgu transmisji. Światłowody nie mo-
rysunek 6 (mody o kolejnych numerach ma- Kolejny problem to korozja chemiczna. Po- gą być dowolnie długie - konieczne jest sto-
ją coraz to bardziej finezyjne kształty). Na ry- myślisz zapewne, że sobie żartuję, że niby co sowanie regeneratorów.
sunku obok wyglądu (po lewej) przedstawio- - szyby rdzewieją? Może nie dokładnie tak Dyspersja i tłumienie to dwie podstawowe przy-
ny jest rozkład pola (po prawej). Zaletą wiąz- jak myślisz, ale szkło też jest nieodporne na czyny zniekształceń sygnału w łączach światło-
ki modowej jest niezmienność kształtu (wła- H2O, a dokładniej na jony wodorotlenkowe - wodowych. Istnieje jeszcze wiele innych jak np.
śnie tego rozkładu pola) przy przechodzeniu OH. Przenikają one do struktury szkła i po- zniekształcenia nieliniowości optycznej szkła
Elektronika dla Wszystkich
93
A
ączność
kwarcowego, absorpcja itp. itd. Bardziej wnikli- tłowodzie dużej (lub nawet bardzo dużej) licz-
9
wych zachęcam do lektury książek poświęco- by fal o różnych długościach . Pamiętaj, że
nych tematyce światłowodowej. mówimy o falach rzędu nanometrów!
c
 =

=
f
c - prędkość światła
f - częstotliwość
Z powyższej zależności wynika dostępna
(ogromna) szerokość pasma dla każdej fali. Te-
raz już zapewne rozumiesz, jak można przesłać
setki kanałów TV w jednym światłowodzie? Je-
śli nie, przeczytaj wszystko uważnie jeszcze raz.
Świetlana przyszłość...
10
8
Przy zastosowaniu w technice komputerowej
2. Klejenie
fotonu zamiast elektronu, dzisiejsze kompu-
Metoda ta daje gorsze rezultaty niż spawanie tery sięgające szybkością 1,5GHz wydadzą
Jak się łączy światłowody i nie gwarantuje niezmienności parametrów się być prymitywnymi dinozaurami. Jeśli za-
W artykule poglądowym na temat światło- połączenia w czasie. Dlatego jest coraz rza- stosujemy fotony jako nośniki informacji,
wodów nie powinno zabraknąć wzmianki dziej stosowana. nadejście kolejnej rewolucji w technice jest
o podstawowych technikach łączenia świa- nieuniknione. Oto kilka porównań, naświe-
3. Mocowanie na styk
tłowodów. Bynajmniej, Drogi Czytelniku, tlających skalę nadchodzącego  przewrotu .
twoja wprawa w posługiwaniu się lutownicą Jest to, jak można się domyślić, metoda łącze- Jak powszechnie wiadomo, do przepływu
nic w tym przypadku nie wskóra. Materiał nia wielokrotnego. Coś na zasadzie gniazdka prądu potrzebny jest metal lub półprzewo-
(szkło) i bardzo małe rozmiary światłowo- i wtyczki. Metoda łatwa i tania, ale niosąca ze dnik, w którym  płynące NOŚNIKI poruszają
dów zmusiły inżynierów do opracowania sobą wiele problemów. Najłatwiej przedsta- się z prędkością około 2 cm/s. Wystarczy po-
specjalnych technik ich łączenia. Zanim je wić te problemy na rysunku - przeanalizuj ry- myśleć o fotonie i już jesteśmy bliscy
pokrótce przedstawię, warto zwrócić uwagę sunek 11. Wstępne wnioski wyciągnij Czy- odkrycia na miarę Einsteina: przecież nic nie
na fakt, że każde połączenie dwóch koń- telniku sam. Trzeba powiedzieć, że każda porusza się szybciej niż foton (światło)
cówek światłowodu powoduje zwiększenie z tych metod wpływa na pogorszenie transmi- 300000 km/s. Wniosek - ... chyba oczywisty.
tłumienia w kanale transmisyjnym. Wartość sji w światłowodzie. Zwiększa się tłumienie, Oto inny aspekt fotoniki - jak już wiesz, przez
tego tłumienia (wnoszonego przez złącze) dyspersja, rozproszenie i wiele innych. Jeśli światłowód może płynąć jednocześnie świa-
zależy od jakości wykonanego połączenia. chodzi o zmianę tłumienia, to najmniej proble- tło o różnych długościach fal, a promienie
Ogólnie możemy przyjąć zasadę:  im lepsze mu sprawia spawanie. Dzisiejsze spawy wno- mogą się krzyżować z innymi nie ulegając
łącze, tym mniejsze tłumienie . Tyle mia- szą tłumienie mniejsze lub równe 0,1dB! przy tym znaczącym zniekształceniom. Tym-
s
nem wstępu, a teraz o podstawowych meto- czasem w poczciwej elektronice każda ścież-
dach łączenia: Szczątkowo o WDM ka musi być izolowana od innej, a pasmo np.
WDM - czyli transmisja wielofalowa. Jak za- dla kabla miedzianego jest ograniczone...
1. Spawanie
pewne wiesz z lekcji fizyki, światło można Teoria dotycząca fotoniki i jej przyszłości jest
Spawanie polega w ogólności na umieszcze- rozszczepić za pomocą pryzmatu. Uzyskujemy bardzo kusząca. Istnieje jednak jeszcze dużo
niu odpowiednio przygotowanych i precy- wtedy takie fajne kolorki. Te kolorki to nic in- problemów, a wiele potrzebnych technologii
zyjnie obciętych włókien naprzeciw siebie. nego jak różne fale świetlne. Mówiąc precy- nie zostało jeszcze opracowanych. Co prawda
Następnie w celu trwałego połączenia sta- zyjnie - fale o różnych długościach (). Pro- elementy typu świetlny tranzystor zostały już
pia się końcówki w łuku elektrycznym. mienie świetlne nie wpływają na siebie, to zna- wynalezione, ale to nie wszystko. Ciągle po-
Włókno trzeba odpowiednio oczyścić z war- czy można wysyłać dużo różnych sygnałów, zostaje główny problem sprzęgania (łączenia
stwy akrylowej i precyzyjnie obciąć koń- które się nie zakłócają. Nie tak jak w elektroni- i przełączania) podzespołów elektronicznych.
cówkę (precyzyjnie tzn. jak najbardziej pła- ce, gdzie trzeba stosować odizolowane ścieżki.
sko, by pomiędzy dwoma włóknami nie by- Dzięki temu możliwe jest wysyłanie w świa- Podsumowanie
ło nierówności). Pokazuje to rysunek 9. Na- O fotonice będziemy słyszeć coraz częściej.
stępnie umieszczamy dwie końcówki w tzw. Śmiało możemy stwierdzić, że światłowód jest
11
spawarce i ... o ile pracujemy ze sprzętem medium transmisyjnym przyszłości. W ramach
starszego typu to musimy dokładnie wyrów- tego artykułu starałem się zawrzeć wszystkie
nać położenia włókien względem siebie ważne aspekty tej  nowo powstałej dziedziny.
(w najnowszych urządzeniach proces pozy- Rzeczą oczywistą jest, że nie wszystko da się
cjonowania zachodzi automatycznie). Sche- uwzględnić na paru stronach. Jednak skutecz-
matycznie przedstawia to rysunek 10. Po- nie udało się uciec od matematyki. Na koniec,
tem pozostaje już tylko włączenie łuku elek- w przeciwieństwie do elektroników, nie będę
trycznego, który zgrzeje (stopi) razem koń- zachęcał do praktyki, gdyż ze względu na sto-
cówki światłowodu. Jakość takiej operacji pień zaawansowania technologicznego, hobby
zależy oczywiście od czystości końcówek, tego typu pozostaje marzeniem. W tym wy-
jakości obcięcia, dokładności ustawienia padku proponuję stwierdzić przekornie, że:
i czasu spawania! Tak, tak - niestety jak za  nie ma lepszej praktyki, niż dobra teoria
długo przygrzejemy  klienta , to się zrobi Jarosław Garski
bańka szklana. [e-mail]
Elektronika dla Wszystkich
94