1

1. Budowa światłowodu - rodzaje

Światłowody możemy podzielić na kilka grup:

•

ze względu na strukturę - światłowody włókniste i planarne;

•

ze wzgledu na charakterystykę modową - światłowody jednomodowe i wielomodowe;

•

ze wzgledu na rozkład współczynnika załamania w rdzeniu - światłowody skokowe i gradientowe;

•

ze względu na materiał - światłowody szklane, plastikowe oraz półprzewodnikowe

.

Rysunek przedstawia światłowód typu włóknistego. Rozprzestrzenianie się światła wewnątrz rdzenia (Cloadding) światłowodu następuje
poprzez wielokrotne odbicie promieni od płaszcza (Core).

Typowe średnice:
Rdzeń: 4-11

µ

m (jednomodowe), 50,60, 60.5

µ

m (wielomodowe)

Płaszcz: 75

µ

m (jednomodowe), 125

µ

m(wilomodowe)

Pokrycie (powłoka zabezpieczająca): 250

µ

m

Mod falowodu reprezentuje rozkład fal stojących utworzony przez rozchodzące się pole elektroakustyczne w poprzecznym rdzeniu

falowodu. Mówimy, że falowód działa w sposób jednomodowy, jeśli tylko jedna połówka okresu fal stojących układa się na średnicy
falowodu. Jeśli liczba połówek fali jest większa od jedności, to mówimy o falowodzie wielomodowym.

Solitony –należą do V generacji światłowodów.

Najwyższe szybkości transmisji w światłowodach osiąga się przez stosowanie specjalnego kształtu wejściowego impulsu świetlnego

zwanego solitonem, dobór odpowiedniego natężenia sygnału i impulsu o obwiedni „sekans hiperboliczny”, specjalnie formowanej przez
modulator laserowy, umożliwia przesyłane impulsu praktycznie bez dyspersji na bardzo duże odległości. Korzystając ze standartowych
światłowodów z solitonami o szerokości od 20 do 50ps uzyskuje się pojemności transmisyjne BL ~360(Tb/s)km, co umożliwia transmisję o
przepływności 10Gb/s na odległość 36 000km.

2

Obwiednia solitonu fali świetlnej wg funkcji sekans hiperboliczny

Zalety światłowodów

a)

Olbrzymia potencjalna szerokość pasma, wynikająca z zastosowania nośnika optycznego i sięgająca około 2*10

14

Hz

b)

Mała stratność, nawet do 0,2 dB/km

c)

Odporność na interferencje elektromagnetyczne, co jest cechą charakterystyczną dla światłowodów będących falowodami
dielektrycznymi

d)

Niewielkie wymiary i waga, gdyż przekrój światłowodu nie przekracza rozmiaru włosa ludzkiego

e)

Wytrzymałość i giętkość, wyrażająca się dużą odpornością na rozciąganie i wyginanie bez ryzyka uszkodzeń

f)

Oferują potencjalne możliwości budowy tanich linii telekomunikacyjnych, gdyż są wytwarzane z piasku, który w przeciwieństwie
do miedzi używanej w przewodnikach metalicznych, nie jest rzadkim surowcem

2. Sposoby wytwarzania światłowodów

Światłowody są wytwarzane z bardzo czystego szkła kwarcowego (krzemionki).
Płaszcz - wykonywany z czystego szkła.
Rdzeń – do szkła dodaje się odpowiednią ilość domieszek (zwykle german lub ołów) zwiększających jego współczynnik załamania w

stosunku do współczynnika załamania w płaszczu.

Sposoby wytwarzania:

•

Wyciąganie nici z kształtek kwarcowych mających na powierzchni inne rodzaje szkła naniesione metodą reakcji chemicznych (tzw.
wyciąganie z preformy). Najbardziej znana to:

CVD – metoda osadzania wewnętrznego w rurze kwarcowej. Polega ona na osadzeniu z fazy gazowej na wewnętrznej powierzchni

kwarcowej związków dwutlenku krzemu domieszkowanego innymi tlenkami bez udziału wodoru (możliwość osadzenia
wielu warstw - nawet kilkuset, o różnych współczynnikach załamania). Taką rurę potem się kolapsuje – zgrzewa się rdzeń.

AVD – uzyskuje się najdłuższe światłowody

Preforma światłowodowa – jest to pręt

∅

1cm, l=1m wykonany ze szkła krzemionkowego. Współczynnik załamania preformy jest

taki sam jak światłowodu, który się z niego wyciąga.

•

Wyciąganie nici szklanych z wieloskładnikowej masy szklanej za pomocą cieplnej plastycznej obróbki mas lub kształtek szklanych.
Najbardziej rozpowszechnione:

metoda podwójnego tygla (podwójnej dyszy) – metoda stara - polegająca na jednoczesnym wyciąganiu niskotopliwej
masy szklanej rdzenia i płaszcza z dwóch współosiowo umieszczonych tygli. Wymagane jest wcześniejsze oczyszczenie
składników z jonów OH, homogenizacji masy szklanej i uformowania prętów szklanych zasilających tygiel rdzeniowy i
płaszczowy;

metoda pręt-rura polegająca na przygotowaniu kształtki szklanej w postaci pręta i współosiowo umieszczonej rurki,
podgrzaniu kształtki do temperatury mięknienia szkła i wyciąganiu cienkich nici.

•

Przeciąganie pręta kwarcowego do średnicy rdzenia z jednoczesnym powlekaniem jego powierzchni polimerem.

3. Apertura numeryczna, Prawo Snella, Kąt akceptacji

W światłowodzie może propagować się wiele modów, różniących się rozkładem pola oraz wartością stałych propagacji

β

, czyli prędkością

rozprzestrzeniania się w światłowodzie. Światłowody takie nazywamy wielomodowymi.
Istotnymi parametrami światłowodu wielomodowego to :

•

Różnica współczynników załamania

2

1 n

n

n

−

=

∆

•

Względna różnica współczynników załamania

1

1

<<

∆

=

∆

n

n

PRAWO SNELLA (Snelliusa): sin

θθθθ

c

=n2/n1

Istotne parametry światłowodów wielomodowych określające łatwość wprowadzenia światła do tych światłowodów to: kąt akceptacji oraz
apertura numeryczna(NA).

Kąt akceptacji.
Z rysunku wynika, że aby promień był uwięziony w światłowodzie i doznawał całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzenia i

płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu

0

λ

w powietrzu nie powietrzu nie powinien przekraczać pewnej wartości

maksymalnej. Ta wartość kąta w powietrzu nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu

max

α

.

Wszystkie promienie padające pod kątem mniejszym od

max

α

zostaną „uwięzione” w rdzeniu.

Apertura numeryczna.

Przez to pojęcie rozumie się wartość sinusa kąta

max

α

:

NA = sin

max

α

3

Wykorzystując prawo załamania światła oraz wyrażenie na kąt graniczny dla całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń/płaszcz

otrzymuje się następujące wyrażenie na wartość apertury numerycznej:

NA =

2

2

2

1

n

n

−

4. Tłumienność światłowodów

Tłumienie powoduje zanik mocy sygnału optycznego.

Przyjęto opisywać straty lub tłumienie w skali dB:













=

0

log

10

]

[

P

P

dB

straty

, P < P

0

Dla światłowodu jednorodnego w kierunku propagacji tłumienie jest proporcjonalne do jego długości. Przyjęto charakteryzować tłumienność
danego typu światłowodu poprzez podanie strat na długości jednego kilometra, czyli dB/km. Jest to tzw. tłumienność jednostkowa

α

:

L

dB

straty

⋅

=

α

]

[

, L – długość światłowodu

Tłumienie mocy sygnału optycznego w światłowodzie ma dwojaką przyczynę: straty materiałowe oraz falowodowe.

Straty materiałowe są nie do uniknięcia.
Powody tłumienności SiO2 : (pomijamy niedoskonałości technologiczne)
- Fluktuacje gęstości materiału (rozpraszanie Rayleigh’a)
- Silna absorpcja w podczerwieni i nadfiolecie
- Zanieczyszczenia jonami OH-
Tłumienność w światłowodach ze szkła kwarcowego zależy od długości fali świetlnej. Z tą zależnością związane są trzy zakresy długości fal
świetlnych, które wykorzystuje się do przesyłania sygnałów w łączności światłowodowej: są to fale o długości 0.85, 1.3 oraz 1.55um, zwane
oknami transmisyjnymi.
I okno transmisyjne (0.85um)

- tłumienność wyższa niż 1 dB/km (stosowane w lokalnych sieciach komp., do kilkunastu km)
II okno transmisyjne (1.3um)

- tłumienność około 0.4 dB/km (bezregeneratorowa transmisja do 100km)

III okno transmisyjne (1.55um)

-mniej niż 0.2 dB/km (bezregeneratorowa transmisja do 200km)
Zanik mocy sygnału optycznego wzdłuż jednorodnego światłowodu m charakter wykładniczy.

z

P

z

P

⋅

⋅

=

α

1

.

0

0

10

)

(

,

α

-tłumienność, z – odległość propagacji.

Straty falowodowe
Straty falowodowe mają swoją przyczynę w niedoskonałościach falowodu jak: fluktuacje średnicy rdzenia, zgięcia falowodu, fluktuacje
współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu przy jego granicy z rdzeniem oraz wszystkie inne odstępstwa od geometrii idealnego
światłowodu cylindrycznego.

Duży wpływ na tłumienie światłowodu mogą mieć istniejące w nim mikropęknięcia, powiększające się w wyniku naprężeń, zmian
temperatury itp.

POMIARY TŁUMIENNO

Ś

CI

•

metoda odcięcia
-

dokładne pomiary

-

dokonuje się kilkumetrowego cięcia (cut-back metod)

-

Dokonuje się 2 pomiarów mocy P

2

na wyjściu B a następnie na wyjściu obciętego już światłowodu P

1

. Różnica mocy

odpowiada tłumieniu odcinka AB:













=

1

2

log

10

P

P

tumienieAB

-

dokładność pomiarów zależy od stabilności źródła światła

•

metoda wtrącenia

-

Rolę odcinanego odcinka przejmuje dołączany odcinek:

-

mało wiarygodna, ale łatwa w realizacji

•

metoda reflektometryczna

-

reflektometr wysyła impulsy do światłowodu i rejestruje natężenie światła powracającego („echo optyczne”) w f-kcji czasu,
poddawane obróbce w procesorze. Zarejestrowane zaniki mocy sygnału ma dwojakie przyczyny:

1)

rozpraszanie dominuje w jednodomowym lub gdy płynne zmiany WSP załamania w kierunku propagacji
(spawy)

4

2)

odbicie, skokowa zmiana WSP załamania w kierunku propagacji (złącza lub koniec włókna)

5.

Rozwiązanie równań Maxwella

Równania Maxwella
+ równania
materiałowe:

+ należy dołączyć warunek jednodomowości (pytanie 26)

5

6.

Sprzęganie źródeł ze światłowodami.

Przy sprzęganiu światłowodu ze źródłami w pierwszym rzędzie należy umieścić wiązkę w wewnątrz apertury numerycznej światłowodu. W
przypadku światłowodów wielomodowych jest to warunek wystarczający. Jeśli promień diody jest równy lub większy od promienia
rdzenia, wtedy układ optyczny nie poprawi efektywności sprzężenia. W przeciwnym przypadku jakość sprzężenia diody ze światłowodem
można polepszyć za pomocą soczewki (stosowany w telekomunikacji zabieg). Najlepsze efekty osiąga się, jeśli obraz źródła na rdzeniu
pokrywa rdzeń w całości.
Współczynnik sprzężenia (efektywność sprzężenia) – stosunek mocy świetlnej wprowadzonej do światłowodu do mocy świetlnej źródła
światła

η

=P

r

/P

d

Aby osiągnąć maksymalne sprzężenie światłowodu ze źródłem za pomocą soczewki apertura numeryczna soczewki musi być co najwyżej
równa aperturze światłowodu, a obraz źródła musi mieścić się w przekroju rdzenia.

W przypadku światłowodów jednomodowych musimy też zadbać, aby wprowadzane promieniowanie mogło być propagowane w

postaci właściwej dla światłowodu fali. Nie jest to jednak w pełni możliwe, dlatego że wprowadzana wiązka jest zwykle gaussowską, a
propagowany w falowodzie mod ma profil opisywany funkcją Bessela zerowego rzędu.

Jeśli włókno oświetlone jest wiązką o zbyt dużym przekroju przewężenia, wówczas powstaną mody płaszczowe i wyciekające powodujące
oświecenie odcinka wejściowego. Rozwiązaniem jest użycie soczewek typu GRIN lub SELFOC.

7. Sprzęgacze światłowodowe, 25-parametry sprzęgaczy światłoowdowych

Funkcja sprzęgaczy:

-

dzielenie i łączenie sygnału optycznego w torach światłowodowych

Sprzęgacz idealny to takie urządzenie, które odprzęga z dowolnego światłowodu określoną wartość mocy optycznej bez wnoszenia strat i
zakłócenia transmisji optycznej.

Rodzaje sprzęgaczy
-

typu X – 4 [porty z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem]

-

typu Y – 3 porty z których każdy może być zarówno wejściem jak i wyjściem

-

1 x N

-

N x N

-

N x M

6

Parametry:
-

stosunek podziału

-

tłumienność odbiciowa

-

straty własne

-

współczynnik sprzężenia

-

kierunkowość

Wprowadźmy do wejścia 1 światło o mocy P

0

. Rozdziela się ono na wyjścia 2 i 3 z mocą określoną przez współczynnik sprzężenia (P

2

P

3

),

jednocześnie część mocy ulegnie rozproszeniu.
Na wyjściach 1 i 4 pojawią się moce rozproszenia wstecznego (P

1

i P

4

)

1

4

2

3

Dla zasilonego wejścia 1 można wyznaczyć parametry:

straty













+

−

=

0

3

2

log

10

P

P

P

S

[dB]

WSP. sprzężenia

%

100

*

3

2

3

P

P

P

Ws

+

=

[%]

Kierunkowość













−

=

0

4

log

10

P

P

K

[dB]

Sprzęgacz jest

jednorodny

jeśli przez zasilanie każdego portu otrzymamy takie same parametry.

Symetryczny

gdy macierz przejścia dla

danego sprzęgacza jest symetryczna względem głównej przekątnej.

Asymetryczne

brak symetrii.

Parametry sprzęgacza opisuje macierz przejścia:

























=

nn

n2

n1

ij

2n

22

21

1n

12

11

t

.

t

t

.

t

.

.

t

.

t

t

t

.

t

t

T

gdzie tij jest częścią optycznej mocy Pij przenoszonej z portu i do portu j, w

stosunku do mocy wejściowej P

i

.

i

ij

ij

P

P

t

=

. Można również przedstawić tą macierz w postaci logarytmicznej macierzy przejścia

)

log(

10

ij

ij

t

a

−

=

.

Konstrukcja:

Techniki sprzęgania:

-

boczne

-

czołowe

Czołowe

polega na bezpośrednim optycznym kontakcie rdzeni łączonych włókien. Średnice łączonych rdzeni zazwyczaj pokrywają się,

wiec w metodzie 1xN średnica musi zmniejszyć się N razy.

Wykonuje się za pomocą dwu technik:

-

spawania (topnienie w płomieniach palnika lub łuku elektrycznym )

-

mikrooptyki

Spawanie Boczne –

polega na bezpośrednim styku optycznych włókien wzdłuż osi na długości sprzężenia l.

Spawanie boczne – włókna układa się równolegle, następnie skręca w obszarze spawania i stapia w promieniach palnika lub w łuku
elektrycznym w jeden falowód. W trakcie spawania włókno się rozciąga (otrzymujemy zwężenia). Na koniec należy zabezpieczyć
wszystko płaszczem optycznym, obudować pokrycie i umieścić w twardej obudowie.

Sklejanie boczne włókien –

-

światłowód wkleja się w rowki w blokach kwarcowych na promieniu wygięcia R

-

zewnętrzną część włókna wraz z bloczkiem szlifuje się na głębokość h

7

-

dwa zeszlifowane elementy łączy się przy pomocy cieczy immersyjnej lub kleju o określonym wsp załamania aby uzyskać pożądane
parametry

-

odpowiednio sprzęgając sprzęgacze X można otrzymać sprzęgacze typu gwiazda

Zastosowanie:

Sprzęgacze światłowodowe znajdują zastosowania w systemach sieci lokalnych oraz czujnikach światłowodowych. Przy dużej

liczbie abonentów w sieciach korzystnie jest (ze względu na lepszy bilans mocy) stosować sprzęgacze typu gwiazda lub sprzęgacze
asymetryczne. Sprzęgacze asymetryczne charakteryzują się tym, że stosunkowo dużo mocy wprowadzają do linii głównej, a mało z niej
wyprowadzają, co pozwala do sieci liniowej wprowadzić większą liczbę użytkowników.

8. Siatki Bragga

To siatka dyfrakcyjna (zespół regularnie rozmieszczonych szczelin, powodujących dyfrakcję przechodzącego przez nie światła), na której
zachodzi dyfrakcja Bragga.
Odbicie Bragga:

2d sinΘ = vλ, v=1,2,3…

Siatki Bragga . Dzięki nim uzyskuje się wewnątrz światłowodu zmienny rozkład współczynnika załamania.
Działanie: Świato wprowadzone do światła ulega odbiciu na kolejnych zmianach współ. załamania a część przechodzi.

2 metody uzyskiwania siatek Bragga: -maski fazowej, metoda interferomatryczna

Czynniki wpływające na efektywność działania siatki:

o

grubość światłowodu (t),

o

głębokość rowka (a),

o

długość siatki

9. Filtry optyczne

Parametry filtrów:

• szerokość połówkowa linii (

∆

f)

• dostępny zakres widmowy (FSR)
• finezja = FSR/

∆

f (finess = smukłość)

Podział filtrów: (wg Pawlik)

8

a)

objętościowe

- filtry interferencyjne,- dielektryczne cienkie warstwy ,– pryzmatyczne ,- siatkowe

WDM 1000GHz=0,8nm

b)

włóknowe

- włóknowe rezonatory Fabry-Perota,- siatki włóknowe Bragga,- włóknowe demultipleksery, - sprzęgacze selektywne

FDM 5GHz=0,04nm

c)

falowodowe

- filtry Macha-Zehndera, - rezonatory zapętowe, - siatki falowodowe, - filtry falowodowe AO akustooptyczne

Ze względu na sposób w jaki filtry ograniczają widmo źródła światła, można wyróżnić filtry strefowe, obcinające krótkofalowy lub

długofalowy obszar promieniowania oraz filtry wąskopasmowe (selektywne), wydzielające jeden lub kilka wąskich obszarów
promieniowania, w których transmisja jest relatywnie duża.

W filtrach interferencyjnych dzięki interferencji wiązek świetlnych dochodzi do wzmocnienia promieniowania o pewnej długości

fali i do wygaszenia fal o innych długościach. W efekcie uzyskuje się filtr, który np. w obszarze widzialnym przepuszcza fale z bardzo
wąskiego przedziału widmowego o szerokości rzędu 10 nm.

10.Komutacja optyczna

Motywacje
Współczesne centrale telekomunikacyjne przetwarzają wyłącznie sygnały elektryczne, stanowiąc ogniwo wprowadzające znaczące
opóźnienia transmisji światłowodowych. Należy bowiem dokonać konwersji światła na prąd elektryczny, który przetworzony przez układy
przełączające ponownie zamienia się w światło. Oprócz wzrostu czasu przetwarzania, cały proces powoduje również znaczące podwyższenie
kosztów. Jedynym akceptowalnym rozwiązaniem problemu jest komutacja optyczna.

Komutacja MEMS
Pierwsza propozycja komutacji optycznej

Na razie jednak komutatory tego typu obsługują zbyt małą liczbę kanałów, aby myśleć o ich

praktycznym wykorzystaniu.

Rys. 1. Komutator MEMS

W celu kierunkowania sygnałów optycznych wykorzystywane są miniaturowe zwierciadła sterowane sygnałem elektrycznym.

Poglądowy schemat funkcjonowania elementu MEMS przedstawiono na rys. 1.

Komutacja sygnałów optycznych w rozdwojonych torach transmisyjnych, których jedna gałąź jest poddawana ogrzewaniu.
Zmiana temperatury powoduje wydłużenie drogi optycznej i co za tym idzie zmianę fazy propagującego sygnału. W efekcie, droga, którą
sygnał opuści element przełączający zależy do tego, czy gałąź sterująca posiada długość standardową, czy też powiększoną. Funkcjonowanie
przełączających układów termooptycznych ilustruje schemat przedstawiony na rys. 2.

Komutatory pęcherzykowe (bubble). W takich komutatorach sygnał świetlny jest kierowany wzdłuż falowodu. W rowku, w miejscu
skrzyżowania falowodów, znajduje się płyn, który ma dokładnie taki sam współczynnik załamania, jak w falowodzie, dzięki czemu sygnał
świetlny przechodzi na wprost,bez załamania, do dalszej części falowodu. Usunięcie płynu z miejsca skrzyżowania w wyniku lokalnego
podgrzania i wytworzenia pęcherzyka pary (układ analogiczny do rozwiązania stosowanego w głowicach drukarek atramentowych)

9

powoduje zmianę warunków propagacji fali w tym punkcie. Prowadzi to do całkowitego wewnętrznego odbicia. Drugi falowód,
umieszczony na kierunku odbicia światła, przejmuje „przełączony” sygnał optyczny .

11. Sieci światłowodowe

Sieci oparte na światłowodach w porównaniu z dotychczasowymi mediami transmisyjnymi mają najszersze pasmo przenoszenia, grubo
ponad 1 [THz]. Wynika z tego, że sieci oparte na światłowodach mają największa przepustowość danych i przepustowość da wciąż rośnie
(gigabajtowe szybkości na duże odległości).

Przyszłe sieci, nawet małe lokalne, będą to sieci oparte na światłowodach, głownie wielomodoych, gdyż światłowody wielomodowe są grube
i łatwe w konfiguracji, łączeniu, itd. (wg. Pawlik).

Sieci można sklasyfikować według:
-

zakresu świadczonych usług;

-

obszaru;

-

obszaru i technologii;

-

medium transmisji.

Rodzaje sieci światłowodowych:
-

klasyczne łącza światłowodowe (telekomunikacja);

-

sieci komputerowe (częściowo optyczne <-teraz, lub całkowicie <- w przyszłości)

-

sieci telewizji kablowej (w tym dystrybucyjne <- w przyszłości)

-

sieci oświetleniowe;

Klasyfikacja sieci komputerowych (w tym światłowodowych):

Technologia:

-

LAN (Local Area Network) – mała sieć lokalna;

Ethernet, Token Ring

-

MAN (Metropolitan Area Network) – sieć miejska lub szkieletowa;

FDDI

-

WAN (wide Area Network) – sieć rozległa, między krajami czy wręcz kontynentami;

SONET –SDH,PDH

-

SAN (Storage Area network) – sieci specjalizowane.

Fibre Channel

Podstawowymi pojęciami koniecznymi do opisu komunikacji w sieciach i między sieciami jest protokół (protocol) i warstwa (layer).

Medium transmisyjne może być dzielone w następujący sposób:
-

TDM (TDMA) – komutacja czasowa lub zwielokrotnienie z podziałem czasowym;

-

FDM (FDMA) – komutacja częstotliwościowa (stosowane często z TDM);

-

CDMA – komutacja kodowa;

-

λ

-swiching – wykorzystanie techniki WDM.

Topologie sieci: gwiazda, szyna (magistrala, drzewo)

10

12. DYSPERSJA MODOWA, 19-Dyspersja chromatyczna

Dyspersja włókna jest cechą określającą przydatność światłowodu do transmisji długodystansowej. Dyspersja światłowodu powoduje

przenoszenie impulsów świetlnych w zniekształconej postaci. Mówi się, że sygnał ulega degradacji. Na całkowitą dyspersję światłowodu
składają się:

-

dyspersja modowa - występuje w światłowodach wielomodowych, w światłowodach gradientowych jest nieznaczna. Impuls światła
wiedziony przez światłowód jest superpozycją wielu modów, z których prawie każdy, na skutek różnych kątów odbicia od granicy
rdzenia, ma do przebycia inną długość drogi między odbiornikiem a nadajnikiem. Dyspersja modowa światłowodów skokowych
przekracza znacznie wszystkie pozostałe dyspersje. Spowodowana jest różną drogą poszczególnych modów w światłowodzie, co w
rezultacie objawia się różnym czasem dotarcia ich do końca światłowodu i poszerzeniem impulsu. Ograniczenie dyspersji modowej i
zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz*km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe.

(nsec/km) – największa, zależy od liczby modów

im wyższy rząd modu -> tym większa prędkość

Światłowód o profilu:

Skokowym

Gradientowym

1

2

mod

2

)

(

cn

N

L

A

=

∆

τ

3

1

4

mod

8

)

(

cn

N

L

A

=

∆

τ

-

dyspersja chromatyczną (spowodowana przesyłaniem wielu fal monochromatycznych w rdzeniu z różnymi prędkościami – głównie
odnosi się doświatłowodów 1-modowych). Deformacja (poszerzenie) impulsu na skutek dyspersji chromatycznej rośnie z odległością
transmisji i powyżej krytycznej długości powoduje nierozróżnialność impulsów.

•

materiałowa

•

falowodowa (wynika z częściowego wędrowania wiązki światła przez płaszcz światłowodu)

(psec/km) - zwiększa się z pasmem spektralnym źródła
D.chromatyczna=D.materiałowa+D.falowodowa

Dyspersja chromatyczna:

Materiałowa

Falowodowa

2

2

1

λ

d

n

d

c

D

m

−

=

2

2

2

1

)

(

)

(

dv

bv

d

v

c

n

n

D

w

λ

−

−

=

b - względna stała fazowa

w

m

chrom

D

D

D

+

=

-

dyspersja polaryzacyjana

Przykładowa dyspersja światłowodu jednomodowego:

11

13. Czujniki światłowodowe

Zasada działania czujników światłowodowych opiera się na modulacji jednego z parametrów fali świetlnej, propagującej się w

światłowodzie, przez mierzoną wielkość fizyczną. Czujniki światłowodowe dzieli się ze względu na rodzaj modulacji. Modulowana może
być amplituda, faza, polaryzacja, częstotliwość lub inne parametry opisujące transmitowaną falę świetlną.
Podstawowymi elementami czujnika są:
- wiązka lub włókno doprowadzające światło
- wiązka lub włókno odprowadzające światło odbite
- powierzchnia odbijająca
Przykład czujnika amplitudowego odległości wykorzystują zjawisko odbicia

dwuwłóknowy

jednowłóknowy

Światłowodowe czujniki odbicia. Przemieszczenie powierzchni odbijającej moduluje intensywność wiązki świetlnej.

Wiązka światłowodów lub pojedynczy światłowód doprowadzający światło oświetla powierzchnię odbijającą. Odbite światło wnika do
wiązki światłowodów odbiorczych lub pojedynczego światłowodu. Gdy powierzchnia odbijająca oddala się od głowicy pomiarowej wiązka
światła odbitego, oświetla coraz większą powierzchnię i stożek światła w coraz mniejszym stopniu wnika z powrotem do światłowodu lub
światłowodów odbiorczych. Wraz ze wzrostem odległości pomiędzy głowicą i powierzchnią odbijającą maleje natężenie promieniowania
wchodzącego do światłowodu.

Przykład czujnika fazowego

Pomiary:

12

- temperatury ,- odkształcenia, - pól magnetyczny, elektrycznych, akustycznych. Czujnik o bardzo dużej czułości.

14. Zjawiska nieliniowe w sieciach

Fundamentalnym pochodzeniem efektów nieliniowych są zmiany w prowadzonym impulsie po przyłożeniu pola.
Długość nieliniowa światłowodu – określa minimalną długość światła a której powstaje efekt nieliniowy
L

NL

= 1/

γ

*P

o

gdzie

γ

= n

2

/Ask [1/W*km]

Podział efektów nieliniowych

•

Elastyczne – E wymieniane między polem elektromagnetycznym a medium dielektrycznym

o

Modulacja własna fazy, -Modulacja skrośna fazy,-Mieszanie czterofalowe

•

Nieelastyczne – oddziaływanie jest tylko w jedną stronę, E przenoszone jest do medium

o

Symulowane rozproszenie Brillouina, -Symulowane rozproszenie Ramana

Modulacja własna fazy – na jej skutek następuje poszerzenie pasma. Efekt Kerra powoduje zmianę fazy, która z kolei zmienia szerokość
pasma. Poszerzenie zależy również od kształtu impulsu.
Modulacja skrośna fazy– to nieliniowe przesunięcie fazy pola optycznego w danym kanale na danej długości fali spowodowane zmiana
natężenia w innym kanale, na innej długości fali.
Mieszanie czterofalowe (FWM- Four Wave Mixing) – fale o różnych długościach i częstotliwościach propagując się w światłowodzie
powodują propagowanie się nowych fal o różnych częstotliwościach

Rozproszenie Ramana –Rozpraszanie Ramana jest nieliniowym procesem transferowania mocy, pomiędzy dwoma falami biegnącymi w tym
samym kierunku z udziałem fal akustycznych, o częstotliwości optycznej, przy czym moc krótszej fali przekazywana jest częściowo fali
dłuższej. Obserwuje się dopiero powyżej około 5OOmW
Rozproszenie Brillouina –Powoduje przemianę częstotliwości i odwrócenie kierunku rozchodzenia się fali świetlnej.

15. FDM (FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING)

Zwielokratnianie przepustowości medium z podziałem częstotliwości.

W metodzie tej sygnały informacyjne modulują źródła światła o różniących się nieznacznie długościach fal. Do emisji promieniowania
wykorzystywane są lasery o stabilnych charakterystykach i posiadające małą szerokość linii widmowych (światło monochromatyczne).
Do dodatkowej stabilizacji częstotliwości wykorzystuje się rezonator Fabry-Perot (wykonany jako odcinek światłowodu z
półprzepuszczalnymi zwierciadłami na końcach). Systemy FDM zwiększają pojemność systemu transmisyjnego poprzez wykorzystanie
dużej szerokości pasma oferowanego przez światłowody. Problemem w systemach FDM może być fakt, że w zakresie większych
częstotliwości zwiększa się szum wzmacniaczy półprzewodnikowych.

17. Wzmacniacz światłowodowy

We wzmacniaczu światłowodowym EDFA światło ulega wzmocnieniu przechodząc przez odcinek światłowodu domieszkowanego erbem .

13

WZMOCNIENIE

Zasada działania wzmacniacza EDFA

Dla osiągnięcia wzmocnienia konieczne jest wzbudzenie jonów

erbu do wyższego poziomu energetycznego (stan metastabilny), przez
laser pompujący.
Powracając (po ok. 10 ms) do poziomu podstawowego wzbudzone jony
powodują emisję spontaniczną lub emisję stymulowaną.
W trakcie emisji stymulowanej przy spotkaniu światła podlegającego
wzmocnieniu z pobudzonymi jonami erbu powstają dodatkowe fotony.
Te dodatkowe fotony nie różnią się od fotonów wejściowych-->
następuje wzmocnienie sygnału.

Pasmo wzmocnienia wzmacniaczy
Wzmacniacze domieszkowane erbem wzmacniają w paśmie λ= 1,55 µm (trzecie okno transmisyjne),natomiast wzmacniacze
światłowodowe domieszkowane prazeodymem ,czyli wzmacniacze PDFA, wzmacniają w paśmie 1,3 µm (drugie okno transmisyjne).
Wzmacniacze PDFA są ciągle w fazie badań laboratoryjnych

Parametry wzmacniaczy EDFA
•Szerokie pasmo -40 nm(5000 GHz)
•Wysokie wzmocnienie -30 do 40 dB
•Wysoka moc wyjściowa -do +20dBm (100 mW)
•Niskie szumy -4 dB Liczba Szumowa (NF)
•Długość fali pompy -980 lub 1480 nm

Wada: Brak kompensacji efektów dyspersji
2

0. Podział wzmacniaczy optycznych

Podział wzmacniaczy optycznych: FPA Fabry-Perot Amplifier; TWA Travelling Wave Amplifier; FRA Fiber Raman Amplifier; FBA Fiber

Brillouin Amplifier; EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

Wzmacniacze półprzewodnikowe wykorzystują istniejące struktury laserów półprzewodnikowych. Przepływ prądu powoduje wzbudzenie
(przejście na wyższe poziomy energetyczne – „ładowanie”) elektronów w ośrodku aktywnym, a następnie następuje „przekazanie” energii
sygnałowi przechodzącemu. 3 zasadnicze typy:
· wzmacniacze Fabry-Perot (FPA)

14

· wzmacniacze z falą bieżącą (TWA)
· wzmacniacze z rezonatorem w postaci siatki dyfrakcyjnej Bragga (DBR)
Wzmacniacze zbudowane na światłowodzie wykorzystują jako ośrodek wzmacniający światło odpowiednio domieszkowany i pompowany
optycznie światłowód.

22. Złącza optyczne, straty wywołane nieodpowiednimi połączeniami

Złącza rozłączalne, tylko męskie + adapter
Typy:

-

FC (Fiber Connector) – z gwintem

-

ST (Straigh Tip) – z bagnetem

-

SC (Subscriber Connector) – wtykowy

Typy zakończeń:

•

PC (Physical Connector) – pod kątem prostym

•

APC (Angled Physical Connector) – kątowe (8

°

). Złącza kątowe – bardzo dobre, małe straty

Możliwe typy:
FC/PC – z gwintem i prostym kątem
FC/APC ...
Budowa złączek:
Ferrula ustalająca położenie światłowodów, obudowa, nakrętka sprzęgająca, pierścień oporowy, tuleja zaciskowa, osłona kabla

Złączka światłowodowa:
Złączka światłowodowa łączy dwa włókna tak, że światło może przechodzić z jednego do drugiego.
Podstawowe wymagania konstrukcji złączki:

•

minimalizacja strat i odbić

•

realizacja połączenia stabilnego mechanicznie i optycznie.

Straty typowych złączek zawierają się w granicach od 0.25 do1.5dB.

Sposób bazowania złączek:
•Złączki bez zatrzasku charakteryzuje duży rozrzut strat własnych, ponieważ włókno znajduje się w innej pozycji (względem osi) przy każdym

połączeniu.

•Złączki z zatrzaskiem przy każdym połączeniu znajdują w tej samej pozycji. W ten sposób poprawia się parametry i zmniejsza ich rozrzut.
Dodatkowo, w konstrukcjach współczesnych, wyróżnia się złącza strojone i niestrojone

24.

Multipleksery i demultipleksery długości fali (WDM, DWDM)

WDM – dzielenie po długości fali. Systemy WDM opierają się na zasadzie łączenia różnych długości fal optycznych (z których każda
transmituje oddzielny kanał) w jednym włóknie optycznym

Rys. Transmisja wielokanałowa

Realizacja
Multiplekser nadawczy WDM łączy („zbiera”) różne długości fal. Każdy kanał jest zrealizowany za pomocą oddzielnego lasera emitującego
określoną długość fali, specyficzną dla danego kanału.

15

Multiplekser i demultiplekser optyczny nie wymaga synchronizacji. Sygnały optyczne są transportowane w całkowicie niezależnych
kanałach. Po stronie odbiorczej znajduje się demultiplekser optyczny, który dzieli sygnał zbiorczy na poszczególne kanały i kieruje je do
indywidualnych portów. Multiplekser nie wymaga urządzenia selektywnego ze względu na długość fali - może zostać zrealizowany za
pomocą prostego sprzęgacza optycznego.
Demultiplekser optyczny natomiast wymaga urządzenia z selekcją długości fali.

27. Zastosowanie czujników światłowodowych

o

Przemysł np. okrętowy (kontrola stanu kadłuba, czujniki ciśnienia silnika)

o

Monitoring np. mostów (zmiany naprężenia)

o

Analiza i diagnostyka

o

Medycyna i weterynaria

o

Ochrona środowiska

o

Chemiczne czujniki światłowodowe (poziem zadymienia, zasolenia wody, poziom drgań)

Podział czujników światłowodowych i ich zastosowanie do pomiarów:

•

Natężeniowe

o

Przemieszczeń

o

Poziomu cieczy

•

Fazowe

o

Temperatury

o

Odkształcenia

o

Ciśnienia

o

Pól akustycznych, elektrycznych i optycznych

•

Polarymetryczne

•

Czujnik ciśnienia hydrostatycznego (do pomiaru bardzo wysokich ciśnień )

Ogólne zastosowanie czujników światłowodowych do pomiarów:

•

Temperatury

•

Wykrywanie uszkodzeń i monitoring

•

Pól akustycznych

•

Ciśnienia

•

Wilgotności

26. Warunek jednomodowości światłowodów

Gdy w światłowodzie jest propagowana tylko jedna długość fali i występuje tylko jeden mod światłowód taki nazywamy jednomodowym.
Światłowód jednomodowy prowadzi tzw. zwyrodniały mod składający się z 2 modów o wzajemnie prostopadłej polaryzacji i stałych
propagacji

β

x

i

β

y.

Nazywamy je modami polaryzacji o mocy P

x

i P

y

. Wzajemne sprzężenie modów powoduje, że bez względu na

wzbudzenie transmisja sygnału optycznego jest dwumodowa.

Warunek na średnicę rdzenia dla propagacji jednomodowej:

NA

a

1

4

sin

4

0

max

1

1

λ

θ

λ

=

≤

Średnica rdzenia światłowodu jedmodowego 2a

≤

10

µ

m dla długości światła

λ

=0.63-1.55µm.

Równanie opisujące pole modu HE

11

:

- polaryzacja X

- polaryzacja Y

16

( )

( )



















>













<













=

a

r

dla

u

K

a

r

w

K

a

r

dla

u

J

a

r

u

J

A

E

x

0

0

0

0

0

( )

( )



















>













<













=

a

r

dla

u

K

a

r

w

K

a

r

dla

u

J

a

r

u

J

A

E

y

0

0

0

0

0

J

0

, K

0

– funkcja Bessela zerowego rzędu, A

0

- stała, (u,w) –liczby falowe

Zatem równanie charakterystyczne:

( )

( )

( )

( )

w

K

w

K

w

w

J

w

J

0

1

0

1

=

Warunek istnienia modu podstawowego: 0<V<2,405=V

c

Długość fali odcięcia

λ

c

jako graniczna długość fali, powyżej której falowód o danej średnicy rdzenia staje się jednomodowy:

NA

a

V

V

c

c

c

405

,

2

2

π

λ

λ

λ

=

⇒

=

Stała propagacji

2

2

1

2













−

=

a

u

kn

β

Typowe parametry dla światłowodu jednomodowego:
- średnica rdzenia 2a=8,5µ m, - średnica światłowodu D=125µ m, - wsp. załamania rdzenia n

1

=1,46, - różnica wsp. załamania

∆

=0.3%

- apertura numeryczna NA=0,113, - kąt akceptacji

θ

28. Interferometry światłowodowe

W interferometrach światłowodowych przemieszczenie prążków interferencyjnych jest proporcjonalne do wywołanych

zewnętrznymi wpływami zmian fazy świetlnej w światłowodzie. Efekt ten jest wykorzystywany w czujnikach interferencyjnych do pomiaru
zmian fizycznych parametrów środowiska otaczającego światłowód.

•

Interferometr Younga

Wiązka świetlna, wychodząca z dostatecznie małego źródła Z, oświetlała przesłonę E

1

z dwoma małymi otworkami S

1

i S

2

, które

zgodnie z zasadą Huygensa stają się wtórnymi źródłami fal świetlnych sferycznych. Fale te nakładają się na siebie i mogą wzajemnie
interferować. Interferencję w postaci na przemian jasnych i ciemnych (minima i maksima interferencyjne) prążków można zaobserwować na
ekranie E

2

, umieszczonym w pewnej odległości za przesłoną E

1

.

•

Interferometr Macha-Zehndera (narysować rysunek jak w pytaniu 17 – przykład czujnika fazowego)

Wiązka świetlna z lasera jest wprowadzana do jednego z wejść jednomodowego światłowodowego sprzęgacza typu X. W sprzęgaczu tym
następuje podział mocy wprowadzonej wiązki światła do ramienia odniesienia o długości L

o

i sygnałowego o długości L

s

. Wiązki światła po

przejściu przez ramiona interferometru przechodzą przez drugi sprzęgacz jednomodowy, interferując ze sobą. Wynik interferencji
rejestrowany jest na fotodetektorze.

29. SYSTEM ADD – DROP

Można 2-krotnie użyć tę samą długość fali.

Izolator – pozwala prowadzić światło tylko w jednym kierunku. Realizuje się za pomocą układów zmieniających polaryzację światła.
Cyrkulatory – rozbudowane izolatory. Światło wprowadzone do światłowodu może być wprowadzane tylko do konkretnych portów.

λ

1

,

λ

2

,

λ

3

,

λ

4

λ

1

,

λ

2

,

λ

3

,

λ

4

*

λ

4

λ

4

*

λ

4

*

λ

4

*

λ

4

λ

4

17

30. Sieci selektywne i szerokopasmowe

Muszą istnieć poszczególne elementy sieci:
-

kable;

-

protokoły transmisyjne;

-

elementy przełączające (pasywne lub aktywne).

Muszą istnieć warstwy :
-

operacyjna sieci;

-

operacyjna węzłów sieci;

-

operacyjna modułów.

Sieci szerokopasmowe

W sieciach szerokopasmowych transmitowane kanały są łączone ze sobą w sprzęgaczu gwiazdowym, a następnie wysyłane do wszystkich
węzłów w sieci. Cechą charakterystyczną w sieciach tego rodzaju jest to, że węzły transmitują sygnały (analogowe lub cyfrowe) do
wszystkich odbiorników. Wykorzystuje się tu sprzęganie gwiazdowe o wielu wejściach i wyjściach.

Sieci selektywne

Sieci selektywne buduje się przez łączenie WDM. Kierują one transmisją na danej długości fali moc optyczną w określonym kierunku i
umożliwiają lepsze wykorzystywanie widma (długości fali) i mocy niż systemy szerokopasmowe. Sieci selektywne eliminują straty
związane z rozdzieleniem sygnału. Podstawową wadą jest to, że w przypadku pasywnego zestawienia połączenia, wymagają one użycia
przestrajanych elementów nadawczych i odbiorczych w celu osiągnięcia wielodostępu.

31.Sieci typy single-hop i multi-hop

Sieci typu single-hop
Zakłada się, że wszystkie urządzenia są wzajemnie w swoim zasięgu. A zatem nadawca może transmitować dane bezpośrednio do odbiorcy,
bez udziału dodatkowych węzłów pośredniczących. Szersze upowszechnienie tego typu sieci to przede wszystkim efekt łatwej
implementacji.

Sieci z połączeniem "na raty" (ang. Multi-hop)
W sieciach Multi-hop nie ma konieczności przestrajania odbiorników i nadajników optycznych.
Sieć „multi-hop” ma architekturę gwiazdy, a każdy z węzłów sieci jest wyposażony w dwa nadajniki i dwa odbiorniki, przy czym jedne i
drugie są dostrojone na stałe do określonych (różnych) długości fali. Dwie długości fal nadawane przez dany węzeł mogą być odbierane
jedynie przez dwa inne węzły. Zatem w sieci może być przeprowadzona jedynie transmisja typu punkt-punkt. Ponieważ każdy nadajnik w
węźle jest połączony z odbiornikiem w innym węźle, możliwe jest osiągnięcie połączenie między dowolnymi dwoma węzłami, jeśli tylko
dopuści się możliwość retransmisji przez kilka węzłów pośrednich. Dodatkową zaletą jest brak kanału sterującego; każdy węzeł sieci działa
jak regenerator i decyduje, czy dane są przesyłane dla niego, czy trzeba je wysłać do innego węzła. Zaletą tych sieci jest większa pojemność
oraz mniejszy pobór mocy.

18