Światłowody

Kto wynalazł światłowód?

W 1880 roku inżynier z Concord (Massachusets, USA)
William
Wheeler skonstruował i opatentował konstrukcje
którą nazwał
rurociągiem świetlnym (light piping).
Była to pierwsza poważna próba prowadzenia światła
w ośrodku
szklanym. Wheeler planował wykorzystać swój
pomysł do oświetlania
wnętrza budynków (wynaleziona przez Edisona
żarówka
wyeliminowała pomysł jako zbyt skomplikowany i
niepraktyczny).

Krótka historia transmisji

światłowodowej

1876 - Aleksander Graham Bell wynalazł, a w
1880

opatentował fototelefon (max odległość 200 m).

1854 - John Tyndal zademonstrował efekt
światłowodowy w

dielektrykach,

1910 - Lord Rayleigh, badania i prace teoretyczne
nad

światłowodami

1958 - Propozycja budowy lasera (Schawlow,
Townes)
1960 -

Pierwszy laser rubinowy (Theodor Maiman)

1962 - Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i
in.)

Krótka historia transmisji

światłowodowej

1965 - propozycja stosowania światłowodów
gradientowych w

telekomunikacji (Miller)

1966 - Kao, Hockman: szkła kwarcowe mogą być
stosowane

w telekomunikacji do wytwarzania światłowodów o
małych stratach

1968 - Kao, Davis: publikacja nt. małych strat w
bryłach

topionego kwarcu

1968 - Produkcja pierwszego światłowodu

telekomunikacyjnego (Uchida i in.)

1970 - Produkcja włókna o stratach < 20
dB/km, Corning

Glass Company

Krótka historia transmisji

światłowodowej

1972 - Włókno o stratach 4 dB/km
1982 - Pierwsze włókna jednomodowe
1985 - Opracowanie wzmacniacza światłowodowego.
1991 - Opracowanie standardu transmisji SONET
1995 - Pierwsze instalacje systemów DWDM
1998 - Transmisja > 1Tb/s w jednym włóknie
2000 - Wprowadzenie pasma L (1560-1610nm).
2000 - Transmisja 40 GB/s w jednym kanale
(opracowanie laboratoryjne)

Światłowód rurowy

Soczewka gazowa

Zalety włókien

światłowodowych

Pasmo - zasięg

 nośnikiem informacji jest fala o częstotliwości
z

zakresu 1013 –1016 Hz, która oferuje

znacznie

większe pasmo

transmisyjne

(~100THz/km) w porównaniu z elektrycznymi
systemami transmisyjnymi (na kablach
współosiowych do1GHz/100m),

 wielokrotnie mniejsze straty mocy, co daje
duży

zasięg

transmisji

(~100km

bez

regeneracji),

 możliwość jednoczesnej transmisji różnych
sygnałów w

tym samym medium przy

zachowaniu maksymalnie szerokiego pasma.

Zalety włókien

światłowodowych

Rozmiar i waga medium

 średnica włókna telekomunikacyjnego
nie

przekracza

300µm,

a

kabla

światłowodowego w

zależności od

przeznaczenia od 5mm do 25mm

 kabel światłowodowy jest kilkakrotnie
lżejszy

od

kabli

współosiowych

i

kilkadzięsiątkrotnie

lżejszy

od

wieloparowych kabli telekomunikacyjnych
Bezpieczeństwo

 jako izolator nie stwarza zagrożenia
pożarowego i

wybuchowego,



utrudniony

(prawie

niemożliwy)

podsłuch przesyłanej informacji

Zalety włókien

światłowodowych

Niewrażliwość na zakłócenia

 medium optyczne jest dielektrykiem i
dlatego wykazuje dużą odporność na
oddziaływanie

pola

elektromagnetycznego,

fal

radiowych,

impulsów elektromagnetycznych,

 ograniczony ścisłymi kryteriami proces
propagacji

optycznej

uniemożliwia

przesłuch pomiędzy włóknami
Ekonomiczność



duża

niezawodność

prawidłowo

wykonanej instalacji

malejące

koszty

komponentów

i

montażu

Kamienie milowe

Kamienie milowe

Parametry opisujące

światłowód



Tłumienie (dB) / Tłumienie jednostkowe

(dB/km)

 Pasmo przenoszenia (MHz lub Mbit/s)

 Apertura numeryczna

 Średnica rdzenia (grubość warstwy
prowadzącej) (µm)

 Profil współczynnika załamania

 „Modowość)

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Zakresy fal świetlnych

W węższym sensie nazwy „światło"

używa się do określenia fal
elektromagnetycznych, na jakie jest
wrażliwe ludzkie oko, tj. fal o długości fali λ
zawierającej się między 0,4 μm (barwa
fioletowa) i 0,8 μm (barwa czerwona).

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Zakresy fal świetlnych

W szerszym sensie określenie „światło"

obejmuje również promieniowanie

niewidzialne emitowane przy zmianach

stanów kwantowych elektronów

zewnętrznej powłoki atomu:

promieniowanie nadfioletowe o długości

fali krótszej niż 0,4 μm oraz

promieniowanie podczerwone o długości

fali dłuższej niż 0,8 μm.

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Współczynnik załamania światła
 
Współczynnik załamania światła n jest

definiowany jako:

  

Współczynnik ten podaje, więc ile razy prędkość światła w próżni c

jest większa od prędkości światła v w danym ośrodku.

v

c

n

Propagacja sygnału w światłowodzie

Wartości współczynników załamania w

ośrodkach przezroczystych

Materiał

n

Powietrze

1

Woda

1,33

Kwarc syntetyczny 1,46
Szkło

1,5

Krzem

3,5

German

4

Arsenek galu GaAs 3,35

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Intensywność światła

Intensywność światła, podobnie jak innych

rodzajów fal elektromagnetycznych, można
charakteryzować podając:

• Amplitudę, tj. maksymalne wartości pola

elektrycznego lub magnetycznego fali. Zazwyczaj
podaje się amplitudę pola elektrycznego w V/m
(woltach na metr).

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Intensywność światła

Intensywność światła, podobnie jak innych

rodzajów fal elektromagnetycznych, można
charakteryzować podając:

• Natężenie światła, tj. moc optyczną

skoncentrowaną w jednostce powierzchni,
przez którą światło przechodzi. Podaje się je w
W/m2 (wat na metr kwadratowy). Natężenie
światła jest proporcjonalne do kwadratu
amplitudy.

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Dyspersja i nieliniowość optyczna

Współczynnik załamania danego ośrodka

nie jest wielkością stałą, lecz może zależeć
od:

1. Długości fali (częstotliwości), jest to tzw.

dyspersja,

2. Natężenia światła, jest to tzw. nieliniowość

optyczna.

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Kompensacja dyspersji – solitony

 
Przy odpowiednim dopasowaniu kształtu,

czasu trwania i amplitudy impulsów optycznych
(wielkość efektów nieliniowych zależy od
natężenia światła, a więc od jego amplitudy)
można uzyskać zupełną kompensację
poszerzenia dyspersyjnego.

Propagacja sygnału w światłowodzie

Propagacja światła

  Propagację światła opisuje się na dwa

sposoby:

1.  Dla szerokich wiązek światła wprowadza się

pojęcie fali płaskiej, której wymiary poprzeczne
są nieograniczone.

2.  Wąskie wiązki światła aproksymuje się często

jako tzw. wiązki gaussowskie, tj. wiązki, w
których kształt rozkładu natężenia światła w
kierunku poprzecznym do rozchodzenia się
wyraża się funkcją Gaussa exp(-x

2

).

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Optyka falowa

Optyka falowa uwzględnia falowy charakter
światła. Podejście to jest niezbędne przy opisie
zjawisk optycznych charakterystycznych dla ruchu
falowego: dyfrakcji, interferencji, polaryzacji,
superpozycji fal, fali stojącej. Niezbędne jest
również przy opisie prowadzenia światła w
falowodach o przekroju poprzecznym małym,
porównywalnym z długością fali świetlnej, jak jest
w przypadku światłowodów jednomodowych.

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Optyka geometryczna

Jest to podejście przybliżone oparte na koncepcji
promienia

świetlnego.

Promień

świetlny

symbolizuje kierunek rozchodzenia się fali płaskiej,
o znacznych wymiarach poprzecznych. Nie należy
go mylić z pojęciem wąskiego strumienia światła
(tzn. wiązki ograniczonej przestrzennie).

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Optyka kwantowa

Optyka kwantowa uwzględnia ziarnistą strukturę
promieniowania elektromagnetycznego - światło
rozchodzi się w postaci porcji zwanych kwantami
promieniowania lub fotonami.

Propagacja sygnału w światłowodzie

•Zjawisko całkowitego
wewnętrznego odbicia

n

2

< n

1

Ośrodek przezroczysty

Ośrodek przezroczysty

Kierunek wzdłużny „z”

n

1

β

α α

A

a

Propagacja sygnału w światłowodzie

•Zjawisko całkowitego
wewnętrznego odbicia

n

2

< n

1

Ośrodek przezroczysty

Ośrodek przezroczysty

n

1

β=90

o

α

gr

α

gr

b

Propagacja sygnału w światłowodzie

•Zjawisko całkowitego
wewnętrznego odbicia

n

2

< n

1

Ośrodek przezroczysty

Ośrodek przezroczysty

n

1

α

α

c

Prawo Snella

1

2

90

sin

sin

n

n

gr







1

2

sin

sin

n

n







1

2

sin

n

n

gr





Zasada działania światłowodu

Efekt Goos-Haenchena

Składowe pól TE i TM

Składowe pola modów TE (poprzeczych elektrycznie)

Składowa wzdłużna pola
elektrycznego Ez = 0

Składowe pól TE i TM

Składowe pola modów TM (poprzeczych magnetycznie)

Składowa wzdłużna pola
magnetycznego Hz = 0

Zależności Fresnela

Jeśli kąt padania Q przyjmie wartość
n

1

sinQ=n

2

to R=1 i następuje całkowite

wewnętrzne odbicie

Współczynnik odbicia R

E

dla fali TE

Współczynnik odbicia R

H

dla fali TM

Zależności Fresnela

Jeśli kąt padania Q >Q

g

to R

E

i R

H

są

zespolone:

Oznacza to, że pole E i H doznają przesunięcia fazowego w
procesie odbicia

Zmiana fazy dla fal TE:

Zmiana fazy dla fal TM:

Zależności Fresnela

Zależności Fresnela

Tłumienie optyczne (Attenuation)

Tłumienie optyczne (Attenuation) określa ilość
traconego światła w rdzeniu włókna przy
założeniu, że natężenie impulsu świetlnego I w
funkcji odległości z opisuje wyrażenie:

gdzie:
a - jest współczynnikiem pochłaniania,
I

0

- natężeniem początkowym.

Wykładniczy charakter strat pozwala opisywać je
w postaci
logarytmicznej - w decybelach.

 

 

az

I

z

I

exp

0



Przypomnienie

Prędkość światła propagowanego w ośrodku:

gdzie: c – prędkość światła w próżni 300 000
km/s

n – współczynnik załamania światła

danego

ośrodka

n

c

V 

Przypomnienie

Charakteryzacja światłowodów - jednostki

 Długość fali światła wyraża się w:

µm = 10

-6

m

nm = 10

-9

m

 Tłumienie światłowodu wyraża się w dB:

A [dB] = 10* lg (Pwy/Pwe)

3dB = 50% 20 dB = 1% 30 dB = 0,1% 40 dB =

0,01%

 Tłumienie jednostkowe (tłumienność)
wyraża się w dB/km:

A [dB/km] = 10* lg (Pwy/Pwe)/L

Tłumienność szkła

kwarcowego

Tłumienność szkła

kwarcowego

Tłumienie światłowodu

• absorpcja w ultrafiolecie
• absorpcja w podczerwieni
• absorpcja

na

zanieczyszczeniach

(głownie jony OH

-

)

• rozpraszanie Rayleigha
• straty falowodowe
• rozpraszanie nieliniowe Ramana i

Brillouina

Źródła strat:

Tłumienność szkła

kwarcowego

Tłumienie
światłowodu

Tłumienie
światłowodu

Tłumienie światłowodu

Absorpcja w ultrafiolecie wynika z
wybijania przez fotony elektronów
do pasma walencyjnego i ogranicza
ona „od góry” pasmo transmisji
optycznej.
Doświadczenia wykazują, że w
zakresie długości fal od 800 do
1600 nm efekt ten jest do
pominięcia.

Tłumienie światłowodu

Absorbcja w podczerwieni jest
spowodowana drganiami atomów
krzemu i tlenu w SiO

2

względem

siebie, przy czym długość fali
odpowiadająca częstotliwości
rezonansowej wynosi około 9 mm.
Wokół tej częstotliwości światło jest
silnie pochłaniane.

Tłumienie światłowodu

Absorpcja na zanieczyszczeniach
jest to głownie absorpcja na jonach
OH

-

, których źródłem jest woda.

Druga i trzecia harmoniczna drgań
tego jonu odpowiada długościom
fali 1370 nm i 950 nm, stąd znaczny
wzrost tłumienia w tych zakresach.

Tłumienie światłowodu

Tłumienie światłowodu

Tłumienie światłowodu

Apertura numeryczna

Numerical Aperture (NA) określa zdolność
włókna do
absorbcji światła i jest określana dla danego
wymiaru rdzenia włókna. Generalnie, im
większa średnica rdzenia, tym większa apertura
numeryczna i tym łatwiej podłączyć źródło do
światłowodu.

Apertura numeryczna

Wartość apertury numerycznej określa się wzorem:

gdzie:
α -połowa kąta akceptacji,
n1-współczynnik załamania rdzenia,
n2-współczynnik załamania płaszcza włókna.

2

2

2

1

sin

n

n

NA











m

a x

F a le r d z e n io w e

F a le p ła s z c z o w e

F a le w y c ie k a ją c e

n

1



n

2

Światłowód płaski

2d

h

β

k

h

β

k

θ

n

2

n

1

n

3

φ

3

φ

2

k=k

o

n

k

o

=2π/λ

β=k

o

n

1

sinθ

h=k

o

n

1

cos

θ

Równanie charakterystyczne (warunek
zgodności faz)

2dk

o

n

1

cos θ - φ

2

-φ

3

=2πm

gdzie: m =
0,1,2,3….

Liczba propagowanych
modów:

2

2

2

1

2

n

n

d

M

m







Jeśli: φ

2

,φ

3

=0

d

m

2

cos







kąt akceptowanych
promieni

Światłowód włóknisty

Rozwiązanie graficzne równania

charakterystycznego

Równanie charakterystyczne

Wykresy modowe światłowodu

włóknistego

Światłowód o profilu

skokowym