Zalety światłowodów
• Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
• Brak generacji zakłóceń elektromagnetycznych
• Brak zwarć wewnętrznych
• Małe wymiary geometryczne
• Niski współczynnik tłumienia
• Dobre właściwości transmisyjne
• Duża trwałość
• Niskie całkowite koszty eksploatacji

40 Gb/s – 280 000 kanałów

Straty mocy w światłowodzie
• Rozpraszanie Rayleigha
• Absorpcja szkła kwarcowego
• Absorpcja wywołana przez zanieczyszczenia szkła kwarcowego
• Nieregularności światłowodu

Okna transmisyjne
• I okno transmisyjne 0,85 um
tłumienie 3 dB/km
transmisja bezregeneratorawa: do kilkunastu kilometrów
• II okno transmisyjne 1,3 um
tłumienie 0,4 dB/km
transmisja bezregeneratorawa na odległość: 75÷100 km
• III okno transmisyjne 1,5 um
tłumienie 0,2 dB/km
transmisja bezregeneratorawa na odległość: 150÷200 km
Dyspersja
• jednostka
• rodzaje dyspersji
dyspersja normalna: fale dłuższe poruszają się szybciej niż fale krótsze
dyspersja anormalna: fale krótsze poruszają się szybciej niż fale dłuższe
Rodzaje dyspersji
• Modowa
• Dyspersja międzymodowa wynika z faktu, że różne mody, mając różne stałe propagacji,
propagują się w światłowodzie z różnymi prędkościami.
• Chromatyczna- dyspersja związana z niezerową charakterystyką widmową źródła
• Polaryzacyjna(Dyspersja polaryzacyjna ma znaczenie:
-przy bardzo dużych odległościach oraz
-przy bardzo dużych szybkościachtransmisji.)

– falowa - falowodowa zależność od długości fali efektywnego współczynnika załamania
oddziałującego z danym modem, Spowodowana jest zmianami podziału mocy modu pomiędzy
rdzeń i płaszcz
– materiałowa –wynika z zależności od długości fali współczynników załamania materiałów z
jakich wykonanych światłowód

Klasyfikacja światłowodów
• struktura: planarna, włóknista
• charakterystyka modowa: jedno- i wielomodowe
• profil współczynnika załamania: skokowe, gradientowe
• materiał: plastikowy, szklany
• rodzaj: pasywne, aktywne, specjalne
• dziedzina wykorzystania: przesyłanie danych, czujniki, obrazowody, wzierniki, oświetlenie,
zdobnictwo

Profil współczynnika załamania
światłowód o skokowym współczynniku załamania
światłowód o gradientowym współczynniku załamania

Materiał
• światłowody szklane kwarcowe: SiO2
• światłowody ze szkła domieszkowanego
• światłowody polimerowe
• światłowody krystaliczne: szafir
• światłowody plastikowe

+ łatwość układania
+ łatwość połączeń (średnica rdzenia: 0,5÷1 mm)
+ duża apertura numeryczna
plastikowy: NA=0,5; kąt akceptacji: 60º
szklany: NA=0,14; kąt akceptacji: 16º
- duża tłumienność (10÷1000 dB)
- mały zakres temperatur

Zastosowania
• Pasywne
• Aktywne
• Specjalne

Światłowody specjalne
• Światłowody utrzymujące polaryzację: WADY:
- nieco większe tłumienie
- wysoka cena
• Światłowody dichroiczne prowadzące tylko jedną polaryzację
• Światłowody kompensujące dyspersję

- duży ujemny współczynnik dyspersji w zakresie 1,55mm (-90ps/(km*nm))
- różne profile współczynnika załamania
- kształt rdzenia (eliptyczny)

• Światłowody cieczowe
• Światłowody fotoniczne

Wykorzystanie światłowodów
• Telekomunikacja
• Diagnostyka biomedyczna
• Chemia
• Elektrotechnika
• Przemysł motoryzacyjny
• Przemysł lotniczy
• ..... i wiele innych

Parametry światłowodów
• Tłumienność
• Dyspersja chromatyczna
• Średnica pola modu
• Apertura numeryczna
• Długość fali odcięcia
• Dyspersja polaryzacyjna
• Parametry mechaniczne

Właściwości transmisyjne
- długość fali
- tłumienność
- dyspersja

Średnica pola modu
Mod promieniowania to zbiór promieni padających pod tym samym kątem na powierzchnię
graniczną.

• Średnica pola modu określa rozkład pola pojedynczego modu LP01.
• W światłowodzie jednodomowym określa rozkład natężenia światła.
• Średnica pola modu 2wjest miarą wielkości plamki światła w przekroju poprzecznym
światłowodu

Długość fali odcięcia
Długość fali odcięcia to długość fali, λc, dla której moc modu wyższego rzędu stanowi 0.1dB
modu podstawowego.

Mod
Mod to monochromatyczna wiązka propagująca się wzdłuż światłowodu z charakterystyczną dla
siebie prędkością fazową, o charakterystycznym rozkładzie poprzecznym natężenia
promieniowania nie zmieniającym się wzdłuż kierunku propagacji.

Elementy światłowodowe
• Źródła:
- Dioda elektroluminescencyjne (LED)
- Diody laserowe (LD)

Parametry:
- Środkowa długość fali
- Szerokość połówkowa charakterystyki widmowej
- Moc wyjściowa / moc wprowadzana do światłowodu

Sprzęganie źródła ze światłowodem
• decyduje o mocy promieniowania w światłowodzie
• straty sygnału na łączeniach za światłowodem
• Zakładamy że nie ma odbić na granicy szkło/powietrze/szkło (Fresnela)

Sprzęganie źródła (LED) ze światłowodem
• wartość współczynnika sprzężenia światłowodów wielomodowych z LED nie
przekracza 10%
• w przypadku światłowodów jednodomowych zastosowanie mają jedynie LED-y o
specjalnej konstrukcji (np.SLD)
• nie jest możliwe uzyskanie poprawy za pomocą układu optycznego sprzężenia w
przypadku gdy średnica diody jest większa od średnicy rdzenia światłowodu

Sprzęganie źródła (LD) ze światłowodem
• pole bliskie/ pole dalekie
• w przypadku sprzężenia lasera ze światłowodem wielomodowym sprzężenie można
poprawić przy pomocy układów optycznych
• w przypadku sprzężenia lasera ze światłowodem monomodowym sprzężenie jest równe
jedności jeżeli rozkłady pól w światłowodzie i promieniowaniu są jednakowe
• największy współczynnik sprzężenia osiąga się gdy na czole światłowodu wiązka lasera
ma przekrój kołowy o średnicy równej średnicy pola modu
• w praktyce współczynnik sprzężenia uzyskuje się na poziomie 50%

• Detektory

- Fotodiody
- Fotodiody lawinowe

• Soczewki

• bieg promieni zmieniany jest poprzez zmienny współczynnik załamania materiału
soczewki
• GRIN (ang. gradient index)
• Kształtowanie kąta rozbieżności wiązki źródła światła (poprawa sprzężenia)
• Ogniskowanie (mała średnica plamki w ognisku)
• Kolimacja (wiązka równoległa)

• Sprzęgacze

• gwiazdowe (sieci LAN) – równomierne rozprowadzenie sygnału optycznego (NxN)
• selektywne: wrażliwe na długość fali

wrażliwe na polaryzację sygnału wejściowego

* dzielnik (spliter)
* łącznik (combiner)
* sprzęgacz (coupler)

Parametry:
- stosunek podziału mocy
- tłumienność odbiciowa
- straty własne

Sprzęgacze mogą być:
- czołowe
- boczne

• Modulatory

• amplitudy (systemy klasyczne – detekcja bezpośrednia) interferometr Mach-Zehnera
• fazy, częstotliwości (systemy koherentne)

• Elementy polaryzacyjne

• Polaryzatory
• Izolatory optyczne

• Kontrolery polaryzacji:
- zwykle wykorzystuje się układ 4-5 sztuk
- przetworniki piezo-, magnetooptyczne ściskające światłowód
- kryształy elektrooptyczne
- cewki światłowodowe
- rotatory Faradaya
- obrotowe płytki pół- i ćwierć falowe

• Cyrkulatory

• Funkcja sprzęgacza kierunkowego i izolatora
• Mała tłumienność wtrąceniowa, duże tłumienie fali odbitej od portu wejściowego
(większe niż 50dB),kierunkowość (stosunek mocy w portach wyjściowych >50dB)
Budowa:
• Ośrodek dwójłomny
• Rotatory Faradaya
• Ośrodki opóźniające fazę

• Multipleksery i demultipleksery długości fali

• podstawowe element systemów WDM
Wykorzystują:
siatki dyfrakcyjne
filtry interferencyjne
interferometry
sprzęgacze kierunkowe

• Filtry optyczne

• wydzielanie określonego kanału (WDM)
• za wzmacniaczami – emisja szumu ASE
Strojenie:
- Zmiana długości wnęki
- Zmiana współczynnika załamania wnęki

Parametry:

- szerokość połówkowa linii
- zakres przestrajania,
- szybkość przestrajania,
• tłumienność wtrąceniową,
• wrażliwość na stan polaryzacji,
• stabilność termiczną i mechaniczną
- dostępny zakres widmowy
- współczynnik finesse

Realizacja:

• siatkowy (siatka dyfrakcyjna)
• światłowodowy filtr Bragga
• cienkowarstwowe filtry interferencyjne

Rodzaje:

• filtr Fabry-Perot,
• filtr Macha-Zehndera,
• filtr elektro-optyczny,
• filtr akusto-optyczny

• Optyczne elementy przełączające

Komutacja z podziałem przestrzennym

czasowym
falowym

Zalety:
Szybkość działania
Pasmo
Niezależność od formatu sygnału
Przezroczystość optyczna

• Szybkości działania- czas przełączania
• Pasmo
• Tłumienność wtrąceniowa
• Poziom przesłuchów
• Wrażliwość na polaryzację

• Wzmacniacze optyczne

- półprzewodnikowe

* Wzmacniacze półprzewodnikowy wykorzystują struktury podobne do struktur
laserów półprzewodnikowych.
* Funkcja wzmocnienia realizowana jest poprzez wzbudzanie poziomów
energetycznych materiału–emisja wymuszona.
* Konstrukcja wzmacniacza powinna eliminować efekty laserowania.
* Wzmacniacz półprzewodnikowy są pompowane elektrycznie.
* Stosowane przede wszystkim w II oknie (1300-1330 nm).

Plusy i minusy
- zależność wzmocnienia od polaryzacji sygnału, wrażliwość na polaryzację 3dB
(maksymalne zmiany wzmocnienia spowodowane zmianami polaryzacji sygnału
wejściowego)
- straty związane ze sprzężeniem
- relatywnie wysoki poziom szumów (współczynnik szumów 6dB)
- wąskie pasmo przepustowe
- duża wrażliwość na zmiany temperatury i prądu zasilania
+ niska cena
+ duże wartości wzmocnienia (20dB)

- światłowodowe domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich

Wzmacniacze światłowodowe, przeznaczone dla sieci o dużym zasięgu pracują
jako:
• wzmacniacze mocy wzmacniające bezpośrednio sygnał generowany z nadajnika.
Jest to zwłaszcza istotne w sieciach rozgałęzionych;
• wzmacniacze liniowe, rozmieszczane co 80¸150km w linii;
• stopnie wejściowe odbiorników, poprawiające stosunek sygnał szum na wejściu

odbiornika.

* ośrodek wzmacniający światło to odpowiednio domieszkowany i pompowany
optycznie światłowód
* środkowa długość fali i wzmocnienie zależą od rodzaju domieszki
* erb, prazeodym, tulen, neodym, holm itd.
EDFA (Erbium Moped Fiber Amplifier)

Wzmacniacz EDFA składa się z:
• lasera półprzewodnikowego (generującego tzw. Sygnał pompujący)
• odcinka włókna domieszkowanego jonami erbu
Zasada działania: Działanie wzmacniacza wykorzystuje zjawisko emisji
wymuszonej. Sygnał z lasera pompującego o długości fali 1,48mm lub
0,98mm wzbudza atomy erbu do wyższych stanów energetycznych.
Następnie przechodzą one do stanu tzw. metastabilnego. Przejście to jest
niepromieniste, czyli nie wytwarza się podczas niego promieniowanie.
Gdy pojawi się sygnał transmitowany o długości średniej 1,55mm
następuje emisja wymuszona. Jej istotną cechą jest to, że sygnał
wymuszony jest w fazie z sygnałem wymuszającym i ma ten sam

kierunek. Tak więc, gdy osłabiony sygnał optyczny pojawi się na
wejściu wzmacniacza, wówczas wzbudzone atomy erbu wzmacniają go,
przekazując mu swą energię.

• Sygnał pompujący: 980 nm – pozwala osiągnąć mniejsze szumy
wzmacniacza 1480 nm – umożliwia większego wzmocnienia
• Mogą pracować w układzie współbieżnym, przeciwbieżnym,
pompowanie jednoczesne w obu kierunkach

Wzmocnienie zależy od: koncentracji jonów domieszki, średnicy rdzenia,
mocy pompy i długości wzmacniacza.
• Dla pasma C (1530 ÷ 1560 nm) długość włókna aktywnego wynosi kilka
metrów.
• Dla pasma L (1560 ÷ 1625 nm) długość światłowodu domieszkowanego
erbem przekracza 100m.
• Wzmocnienie – kilkaset mW, kilkustopniowe nawet kilka W

PDFA ( Praseodymium Doped Fiber Amplifier)
TDFA ( Thulium Doped Fiber Amplifier) -włókna optyczne wykonane na bazie

szkła fluorkowego domieszkowanego tulenem. W zakresie długości fal
1480 1510nm uzyskano wzmocnienie 25dB oraz współczynnik szumów na
poziomie 6dB.

* mogą być dołączone do linii z bardzo małymi stratami na sprzężenie

Wzmacniacze światłowodowe – zalety

• Brak zależności wzmocnienia od polaryzacji sygnału
• Brak przesłuchu przy wzmacnianiu wielu sygnałów na różnych długościach fal
(WDM)
• Eliminacja odbić (izolatory)
• Mały współczynnik szumów
• Szerokie pasmo - 40 nm
• Duże wzmocnienie - 30 do 40 dB

WADA EDFA:
• Szum wzmocnionej emisji spontanicznej Amplified Spontaneous Emission(ASE)
4-6 dB
• wzmocnienie nie jest stałe w paśmie C,L lub całym paśmie C+L.
Maksymalne wzmocnienie przypada dla l=1530nm, następnie monotonicznie
maleje.

- Ramana

Wymuszone rozpraszanie Ramana
• Jest efektem oddziaływanie światła i wibracji molekularnych SiO2
• Wokół wyjściowej częstotliwości promieniowania powstają prążki boczne,
oddzielone od prążka głównego o częstotliwość równą częstotliwości drgań
molekuł
• Prażek o niższej częstotliwości to fala Stokesa, o wyższej anty Stokesa
• Fala Stokesa jest o wiele silniejsza od fali anty-Stokesa
• Jeżeli do ośrodka w którym zachodzi rozpraszanie Ramana wprowadzone
zostaną dwie fale, których częstotliwości różnią się o częstotliwość Stokesa, to
moc fali o niższej częstotliwości (tzw. fali sondującej) będzie rosła kosztem
mocy fali o częstotliwości wyższej (pompy)
• Powoduje to powstanie w widmie, obok pasma Rayleigha o takiej samej
częstotliwości jak światło padające, tak zwanych pasm stokesowskichi
antystokesowskicho odpowiednio zmniejszonej i zwiększonej częstotliwości,
symetrycznie położonych po obu stronach pasma Rayleigha. Są one na
ogół około 1000 razy słabsze od pasma Rayleigha, a ich liczba i położenie zależy
od budowy cząsteczek rozpraszających.

• Wymuszone rozpraszanie Ramana w światłowodzie powoduje przenoszenie
energii z pompy optycznej do sygnału użytecznego.
• Największe, użyteczne w telekomunikacji, wzmocnienie uzyskuje się dla
długości fali pompy 1450 nm.

• Dyskretne wzmacniacze Ramana (światłowód o specjalnym profilu

współczynnika załamania, najczęściej minimalizacja średnicy rdzenia)
• Rozłożone wzmacniacze Ramana (światłowód telekomunikacyjny o długości
dziesiątek kilometrów)

+ szerokie pasmo pracy (można uzyskać nawet 100 nm przy użyciu kilku laserów
pompujących o różnych długościach fal)
- duża moc pompująca (setki mW dla DWR, 1W i więcej dla RWR)
- niskie wzmocnienie

- Brillouina- duży współczynnik szumów, wąskie pasmo. Mogą służyć do wyboru

długości fali w systemach WDM.

Wzmacniacze optyczne – zalety
• Większa prostota i mniejsze wymiary w porównaniu z tradycyjnymi regeneratorami
• Mniejszy pobór mocy
• Możliwość: zwiększenia szybkości transmisji, zmiany długości fali nośnej, użycia
dodatkowych fal nośnych
• Możliwość równoczesnej transmisji w obu kierunkach
• Są optycznie przezroczyste
• Możliwość równoczesnego wzmocnienia kilku kanałów komunikacyjnych

Wzmacniacze optyczne – wady
• Mniejsze efektywne wzmocnienie niż w regeneratorach
• Fale odbite mogą powodować niestabilność systemu
• Szumy własne
• Przesłuchy między kanałowe
• Własne zniekształcenia w widmie sygnału

Straty sprzężenia światłowodów SM
W celu utrzymania tych strat na poziomie 0,2 dB:
• różnica między średnicami pola modów nie powinna przekraczać 20% MFD
• przesunięcia między osiami światłowodów nie może przekraczać 20% MFD (1÷2 Om)

Straty sprzężenia światłowodów MM
• Różnica średnic rdzenia
• Różnica apertur numerycznych

Odbicia Fresnela
• przy każdym padaniu fali na granicę szkło/powietrze traci się około 4% mocy
• na granicy powstaje fala odbita

Regeneratory
• używane w cyfrowych systemach transmisji
• wzrost poziomu SNR

Regenerator 1R
Wadą tego typu układów jest to, że wzmocnieniu podlega sygnał oraz częściowo składowa
szumów.

Regenerator 2R
element nieliniowy - poprawa kształtu sygnału
filtr wygładzający - poprawa liniowości sygnału

Regenerator 3R
Wzmocniony sygnał służy:
- do synchronizacji generatora
- jako sygnał odniesienia dla dyskryminatora poziomów.

Efekt Ramana
• Powoduje to powstanie w widmie, obok pasma Rayleigha o takiej samej częstotliwości
jak światło padające, tak zwanych pasm stokesowskichi antystokesowskich o odpowiednio
zmniejszonej i zwiększonej częstotliwości, symetrycznie położonych po obu stronach pasma
Rayleigha. Są one na ogół około 1000 razy słabsze od pasma Rayleigha, a ich liczba i położenie
zależy od budowy cząsteczek rozpraszających.