Światłowody

dr inż. St. Gago

Początki telekomunikacji

Pierwsze

zdanie,

które

wypowiedział Bell przez telefon,
było skierowane do jego pomocnika
i brzmiało: „Watson, przyjdź tutaj,
jesteś mi potrzebny”. Wynalazek
Bella

jest

uważany

za

jeden

z

najważniejszych

w

historii

techniki na świecie

„Panie Bell, po wnikliwym rozpatrzeniu
pańskiego

wynalazku,

który

jest

rzeczywiście

bardzo

interesującą

nowością, doszliśmy do wniosku, że nie
stwarza on możliwości handlowych” -
Western Union

Początki telekomunikacji

Pierwsza

rozmowa

telefoniczna

w

Polsce

została

przeprowadzona ponad 120 lat temu. 1 września 1885
roku uruchomiona została w Poznaniu pierwsza ręczna
centrala telefoniczna. Znajdowała się ona w Urzędzie
Pocztowym przy ulicy Pocztowej - obecnie 23 Lutego. Linie
telefoniczne

napowietrzne,

łączące

abonentów

z centralą, miały łącznie 32km długości. Centrala w chwili
uruchomienia obsługiwała 27 abonentów

.

Dziś ocenia się liczbę abonentów telefonii stacjonarnej na
świecie na 1,3 mld osób zaś około 800 mln osób na świecie
korzysta
z Internetu. Dla 600 mln ziemian telefon komórkowy
stanowi codzienność. Jeszcze kilka lat temu w podobną
eksplozję

Internetu

i telefonii komórkowej nie wierzył żaden z ekspertów.
Coraz częściej mówi się, że jesteśmy w trakcie wielkiej
rewolucji technologicznej. Jej skutkiem będzie „śmierć
odległości”

Telekomunikacja, ależ to

bardzo proste !

MEDIA TRANSMISYJNE

Telefoniczna

linia

napowietrzna

stanowi

najprostsze

i

najstarsze

medium transportowe.

Linia jedno lub wielotorowa,
symetryczna

Przewody

telekomunikacyjne

miedziane

Żyła (przewód)

izolowany

Powłoka

zewnętrzna

SKRĘTKA NIEEKRANOWANA UTP

Przewód UTP (Unshgielded Twisted
Pair), wykonany jest ze skręconych,
nie-ekranowanych

przewodów

miedzianych

Cu.

Skręcenie

przewodów (ok. 1 zwój na 6-10 cm)
chroni

transmisję

przed

oddziaływaniem

otoczenia.

Przewód tego typu tworzy linię
zrównoważoną

(symetryczną).

Prędkość transmisji dla sygnałów
cyfrowych do 100 Mbit/s przy
wykonaniu przewodu w kategorii 5

Przewody

telekomunikacyjne

miedziane

Kable serii:

XzTKMXw

Normy:

PN-92/T-90335
PN-92/T-90336
ZN-96/TP S.A.-029

Pełna nazwa:

(T)elekomunikacyjny (K)abel (M)iejscowy,

(P)ęczkowy

o

izolacji

polietylenowej

jednolitej

(X)

i

powłoce

polietylenowej

z

zaporą

przeciwwilgociową (Xz), wypełniony

Przeznaczenie:

Do układania w kanalizacji kablowej
i bezpośrednio w ziemi na terenach o małym
zagrożeniu uszkodzeniami mechanicznymi

Konstrukcja i wybrane parametry

:

Parametry elektryczne

J ednostka

Średnica znamionowa żyły

0,4 mm

0,5 mm

0,6 mm

0,8 mm

Rezystancja pary pętli żył

? /km

300

191

133

73

Pojemność skuteczna

nF/km

50

50

50

50

Odporność izolacji między żyłami

V

500 AC

500 AC

500 AC

500 AC

Odporność powłoki

kV

8

8

8

8

Parametry mechaniczne

J ednostka

Średnica zewnętrzna kabla 100x4

mm

28

32,5

36,5

46

Masa kabla

kg/km

968

1385

1595

2721

Światłowód

- prowadnica fali elektromagnetycznej z

zakresu promieniowania optycznego bliskiego
podczerwieni.

Mod światłowodowy

pojedyńczy rodzaj drgania

elektromagnetycznego wzbudzonego w światłowodzie

Okno transmisyjne

- zakres promieniowania optycznego

wykorzystywany do przesyłania sygnałów
telekomunikacyjnych.

Trakt światłowodowy

- droga dla sygnałów optycznych

utworzona z nadajnika optycznego, światłowodu,
odbiornika optycznego, elementów sprzężeniowych i
połączeniowych.

Nadajnik optyczny

- układ przetwarzający sygnał

elektryczny w optyczny

Odbiornik optyczny

- układ służący do odbioru i

przekształcania sygnałów optycznych na elektryczne

Tor optyczny

- droga dla sygnałów optycznych

utworzona z połączonych odcinków światłowodowych i
zakończona w złączach na przełącznicy

Dyspersja światłowodowa

- zjawisko fizyczne

polegające na zależności prędkości przemieszczania się
fali świetlnej w zależności od jej długości. Zjawisko to
powoduje zniekształcenie impulsu optycznego
przesyłanego w światłowodzie. Istnieją trzy rodzaje
dyspersji: modowa, materiałowa, falowodowa. Dyspersja
mierzona jest w ns/km lub w ps/km.

Tłumienność jednostkowa

światłowodu - tłumienność

jednostkowa w odniesieniu do 1 kilometra jego długości,
wyrażona w dB/km

Dopuszczalny promień zginania światłowodu

-

najmniejszy promień zginania włókna optycznego bez
spowodowania uszkodzeń mechanicznych i wzrostu jego
tłumienności

Współczynnik załamania światła

w danym ośrodku (n) -

stosunek prędkości światła w próżni do prędkości w
danym ośrodku

• Reflektometr

- podstawowy przyrząd pomiarowy stosowany przy

produkcji kabli światłowodowych oraz podczas budowy i
eksploatacji linii optotelekomunikacyjnych. Umożliwia z jednego
końca linii pomiar rozkładu tłumienności toru optycznego wzdłuż
jego długości. Wynik pomiaru prezentowany jest na ekranie
monitora, z ktorego uzyskyje się informacje dotyczące:

• - tłumienności toru optycznego
• - tłumienności jednostkowej toru

• - tłumienności odbić powstających na granicy dwóch

ośrodków o różnych współczynnikach załamania światła np.
przy pęknięciu włókna,

• - tłumienności złączy

Kabel optotelekomunikacyjny

- kabel OTK zwierający

światłowody stosowane do transmisji sygnałów
telekomunikacyjnych. Ze względu na budowę kable
można podzielić na:

 tubowe, światłowody znajdują się w rurach wykonanych

ze sztucznego tworzywa

 rozetowe, światłowody umieszczone w rowkach

profilowanego elementu

Linia optotelekomunikacyjna

- linia telekomunikacyjna

składająca się z odcinków kabla światłowodowego,
łączonych w mufach (skrzynkach) kablowych, kończąca
się na przełącznicach światłowodowych.

Złącze trwałe

- połączenie światłowodów wykonane

metodą zgrzewania termicznego.

Złącze rozłączalne

- połączenie włókien za pomocą

złączki światłowodowej składającej się z dwóch części
zwanych półzłączkami. Złączka umożliwia wielokrotne
łączenie i rozłączenie dwóch światłowodów. Stosuje się ją
do zakończenia torów optycznych przełącznicy
światłowodowej.

Przełącznica światłowodowa

- stojak ( lub skrzynka

naścienna) wyposażony w osprzęt umożliwiający
dołączenie urządzeń stacyjnych do torów optycznych
Kanalizacja PE - ciąg rur polietylenowych o małej
średnicy (32 - 50 mm) układanych bezpośrednio w ziemi
dla ochrony kabli optotelekomunikacyjnych
Kanalizacja kablowa wtórna - kanalizacja z rur
polietylenowych PE umieszczonych wewnątrz otworów
kanalizacji pierwotnej.

Pigtail

- odcinek światłowodu zakończony z jednej strony

wtykiem złącza światłowodowego, stosowany w
przełącznicach światłowodowych do wyprowadzania
światłowodu liniowego na złącze rozłączalne

Pathcord

- odcinek światłowodu dwustronnie

zakończony wtykami, spełniający funkcje optycznego
sznura połączeniowego. Stosowany do przyłączania
urządzeń teletransmisyjnych do torów optycznych
zakończonych w przełącznicy, dołączania przyrządów
pomiarowych , wykonywania zapętleń itp.

Łączenie światłowodów

FERRULE

FIBER

SIZE

TYPE

TYPICAL

LOSS

Zirconia

125µm

Multimode

.34dB

Zirconia

126µm

Singlemod

e

.15dB

Elementy linii

światłowodowej

Światłowody

Próby wykorzystania idei komunikacji za pomocą promieni

świetlnych prowadził na początku XIX w. Aleksander Graham

Bell. Jako modulator światła słonecznego wykorzystywał ruchome

lustra. Transmisje odbierano w odległości widoczności wzrokowej

ok. 200 m.

Współczesne możliwości związane z uzyskiwaniem transmisji

światłowodowej na odległościach setek kilometrów są wynikiem

badań nad korpuskularno-falową strukturą światła, rozwoju

technologii oraz konsekwencją wielu kluczowych wynalazków, w

tym przede wszystkim laserów.

Transmisja światłowodowa polega na prowadzeniu przez włókno

szklane promieni optycznych generowanych przez laserowe

źródło światła.

Nowoczesne światłowody wykazują znikome zjawisko tłumienia,
odporność na zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Światłowód
stanowi w chwili obecnej najlepsze medium transmisyjne w
telekomunikacji

Światłowody

Uwięzienie

światła

w

strumieniu

wody.

Doświadczenie

Johna

Tyndala

(British

Royal

Society – 1870r)

Światłowody

•

Tłumienność szkła technicznego wynosi ok. 1000 dB/km

•

Problem:

–

Na wyjściu światłowodu chcemy otrzymać energię jednego fotonu, czyli
energię W

fot

= h . c

/

λ = 2 x 10

-19

Ws.

–

Jaką należy energię wprowadzić do falowodu o tłumienności 1000dB/km

i długości 1km?

–

W = W

fot

x 10

1000/10

= 2 x 10

81

Ws. Jest to energia równa energii elektrycznej

produkowanej na świecie przez 5,6 x 10

60

lat (przy założeniu rocznej

produkcji

10

5

TWh).

•

Tłumienie światłowodów:

Okna transmisyjne

•Pierwsze: λ =

0,85 μm

•Drugie: λ = 1,3 μm
•Trzecie: λ = 1,55 μm
•Czwarte: λ = 1,1625

μm

Światłowody

Płaszcz

otulający

światłowód.

Zapewnia

całkowite

wewnętrzne

odbicie światła

Płaszcz o współczynniku n

2

Rdzeń

światłowodu

o

współ-czynniku

załamania

światła n

1

n

2

<

n

1

Linie światłowodowe

• Światłowody:

• wielomodowe

– skokowe
– gradientowe

• jednomodowe

• Okno transmisyjne

– I - 850nm
– II - 1310 nm
– III - 1550 nm

Budowa światłowodów

R

d

ze

ń

P

as

zc

z

ł

P

ok

ry

ci

e

la

ki

er

o

w

an

e

10

0

mµ

14

0

mµ

25

0

-

90

0

µ

m

R

d

ze

ń

P

as

zc

z

ł

P

ok

ry

ci

e

la

ki

er

o

w

an

e

50

6

2,

5

m

/

µ

12

5

mµ

25

0

-

90

0

µ

m

R

d

ze

ń

P

as

zc

z

ł

P

ok

ry

ci

e

la

ki

er

o

w

an

e

9µ

m

12

5

mµ

25

0

-

90

0

µ

m

n = 1,515

2

n = 1,515

1

n = 1,527 do 1,562

1

n = 1,457

2

n = 1,471

1

n = 1,540

2

W

KNO Ś

Ł

WIAT OWODOWE WIELOMODOWE ZE SKOKOWYM SI

ŁÓ

W

KNO Ś

Ł

WIAT OWODOWE WIELOMODOWE Z GRADIENTOWYM SI

ŁÓ

W

KNO Ś

Ł

WIAT OWODOWE J EDNOMODOWE

ŁÓ

Własności fali świetlnej

• Prędkość rozchodzenia światła w próżni

c = 300 000 000 [m/s]

• Współczynnik załamania światła

n = c/v

( dla szkła kwarcowego stosowanego do budowy

światłowodów n = 1,45)

• Kąt graniczny

sin

kr

= n

2

/n

1

TRAKT ŚWIATŁOWODOWY

• NADAJNIK OPTYCZNY
850 nm - diody LED - szerokość widma 20 -100 nm
1310nm, 1550 nm - diody laserowe jednomodowe - szerokość

widma mniej niż 0,2 nm

• ODBIORNIK OPTYCZNY
Fotodiody PIN i fotodiody lawinowe APD

• ŚWIATŁOWODY
Światłowody wielomodowe - 50m/125m
Światłowody jednomodowe - 9m/125m

Parametry światłowodów

•

Tłumienność

A [dB] = 10 lg Pwe/Pwy

Tłumienność jednostkowa dla fali 850 nm - ok.3 [dB/km]

(wielomodowe)

Tłumienność jednostkowa dla fali 1310 nm - ok.0,4 [dB/km]
Tłumienność jednostkowa dla fali 1550 nm - ok.0,25 [dB/km]

•

Parametry światłowodów

• Dyspersja materiałowa - prędkość rozchodzenia fali

zależna od jej długości [ps/nm km]

• Dyspersja falowodowa - rozkład mocy promieniowania

między rdzeniem a płaszczem zależny od długości fali

• Dyspersja modowa - różnica dróg optycznych po jakich

rozchodzą się promienie światła

• Pasmo przenoszenia - max. częstotliwość sygnału

modulującego falę świetlną, przy której moc optyczna na
wyjściu światłowodu uzyskuje połowę mocy wejściowej
( spadek o 3 dB) - [MHz/km]

Kable światłowodowe

• tubowe, rozetowe

• doziemne, kanałowe, samonośne, stacyjne,

podwodne

• OPGW, ADSS, OPPC, AD-Lash

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Schemat systemu światłowodowego

Światłowód tłumi i „rozmywa” (dyspersja) sygnał

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Źródło:

NetWorld

Wartości dyspersji zależą od typu włókna

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Światłowody optymalizowane
dla fali 1310 nm

Światłowody te są przeznaczone w
szczególności dla transmisji przy
znamionowej długości fali 1310 nm,
ale mogą też być stosowane dla fali
1550 nm. Parametry tego światłowodu
powinny odpowiadać zaleceniu ITU-T
G.652.

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Światłowody G.652

Tłumienność jednostkowa światłowodu
powinna wynosić:
- nie więcej niż 0,40 dB/km dla = 1310 nm,
- nie więcej niż 0,25 dB/km dla = 1550 nm.

Dyspersja chromatyczna światłowodów w
kablu powinna być mniejsza od 3,5ps/nm×km
w zakresie 1285-1330 nm oraz mniejsza od
20 ps/nm.km w zakresie 1525-1575 nm.

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Uproszczony schemat toru światłowodowego

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Narzędzia pomiarowe

Podstawowymi przyrządami pomiarowymi używanymi również
podczas pomiarów przygotowawczych są reflektometry -
OTDR (Optical Time Domain Reflectometer).

Funkcje pomiarowe OTDR:



tłumienność jednostkowa poszczególnych włókien [w dB/km]



tłumienność optyczna spoin i połączeń mechanicznych [w dB]



tłumienność odbicia wstecznego złączek czyli reflektancję [w

dB]



graficzne przedstawienie poziomu mocy optycznej w funkcji

odległości
(określenie niejednorodności występujących na trasie
pomiaru)



deformacje spowodowane zgnieceniami, pęknięciami, a

przede
wszystkim błędami montażowymi takimi jak: zbyt mały
promień
wyłożenia włókien w kasetach i uszkodzenia mechaniczne
powstałe na
skutek nieostrożnego obchodzenia się z kablem.

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

linia czerwona - pomiar w II oknie transmisyjnym, czyli
1310nm
linia żółta - III okno transmisyjne (1550nm)

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

SIEĆ SZEROKOPASMOWA

Pomiary reflektometryczne na
zmontowanej linii powinny umożliwiać
określenie:



całkowitej długości optycznej linii



całkowitej tłumienności linii



tłumienności jednostkowej całej linii i jej

odcinków składowych



tłumienności połączeń