92

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Foton

− jak powszechnie wiadomo jest czą−

steczką elementarną, nie mającą ładunku,
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
zawiera dziesiątki bądź setki takich
włókien... Ciekawe? Jeśli nie, to może inny
przykład: co byś powiedział na dostęp do In−
ternetu z prędkością powiedzmy 100, może
200 gigabitów na sekundę? Już biegniesz, że−
by kupić sobie taki światłowód? Poczekaj,
sam światłowód nie wystarczy. Niemniej per−
spektywy są fantastyczne i warto interesować
się tym tematem. Ale na dobry początek za−
czniemy od podstaw.

Trochę historii

Pierwsze światłowody, zwane “rurowymi”,
były w istocie rurą z umieszczonymi w niej
soczewkami. Na rysunku 1 przedstawiono
przebieg przykładowego promienia świetlne−
go w takiej rurze.

W latach pięćdziesiątych powstały pierw−
sze światłowody włókniste składające się
z rdzenia i płaszcza − patrz rysunek 2. Śre−
dnica zewnętrzna płaszcza jest obecnie
znormalizowana i wynosi 125µm, co jest
jedną ósmą milimetra − w przybliżeniu jest
to grubość włosa ludzkiego! Rdzeń jest je−
szcze mniejszy. Jego średnica to zaledwie
50µm (50µm odnosi się do tzw. światłowo−
dów wielomodowych, gdyż światłowody
jednomodowe mają średnicę zaledwie
5÷11µm). O rzeczywistych wymiarach
światłowodu, jego płaszcza i rdzenia
świadczy fotografia.

Należałoby

tu

wspomnieć o je−
szcze jednej klasie
światłowodów

−

światłowodach gra−
dientowych, które
mają, najogólniej rzecz biorąc, niejednolitą
strukturę rdzenia − takie szczegóły wykracza−
ją jednak poza ramy tego artykułu.

Zasada działania

Zarówno rdzeń, jak i płaszcz są zwyczajnym
tlenkiem krzemu − tzn. szkłem (takim jak
w oknie, tyle tylko, że nieco czystszym). Ale
światłowód nie jest − jak niektórzy sądzą −
szklaną rurką. Zasadnicza różnica polega na
tym, że współczynnik załamania światła
w rdzeniu jest większy od owego współczyn−
nika w płaszczu. Zbyt zawiłe? Spróbuję pro−
ściej. Istotą pracy włókna światłowodowego
jest odbicie lub załamanie promienia świetl−
nego na granicy dwóch ośrodków. Granicą tą
jest styk płaszcza i rdzenia. Światło w rdze−
niu załamuje się “łatwiej” i ulega całkowite−
mu odbiciu, z czego wynika, że wpuszczając
promień świetlny do rdzenia “więzimy” go
aż do opuszczenia światłowodu (zamykamy
go nijako w rurze z jednym wyjściem) − zo−
bacz rysunek 3.

Należy jednak pamiętać, że ilość światła
odbitego wewnątrz rdzenia zależy od kąta
pod jakim pada ono na granicę dwóch ośrod−
ków. Jeśli ów kąt jest za mały, to nici z trans−
misji promienia świetlnego, gdyż większość
światła wydostaje się z rdzenia i zostaje po−

chłonięta przez płaszcz zewnętrzny. I tu na−
leży powiedzieć o ważniejszych parame−
trach: kącie akceptacji i NA (Numerical
Aperture). Oba te pojęcia służą do opisania
łatwości wprowadzania światła do światło−
wodu. Rysunek 4 pokazuje, że aby uwięzić
promień w światłowodzie, kąt jego padania
nie powinien przekraczać pewnej wartości
maksymalnej (

α

MAX

). Tylko promienie pada−

jące pod kątami mniejszymi niż

α

MAX

zostaną

uwięzione w rdzeniu. Według definicji

α

MAX

to właśnie kąt akceptacji. Apertura nume−
ryczna (NA) jest sinusem kąta akceptacji.
Proste, prawda?

Proste, ale co z tego wynika? Oczywiście
cała sterta niepotrzebnej (?) matematyki.
Mówiąc nieco poważniej, to korzystając
z praw załamania światła możemy wyzna−
czyć (poprzez NA)

MAX

– znając jedynie

współczynniki załamania światła w rdzeniu
i w płaszczu (co zresztą jest bardzo uży−
teczne). Podsumowując powiedzmy, że do
światłowodu możemy wprowadzić tym
większą część światła ze źródła im większa
jest apertura numeryczna i kąt akceptacji
światłowodu.
Uff! Może wystarczy; zróbmy przerwę na
coś przyjemniejszego.

Wady i zalety

Ponieważ, choć to wydaje się dziwne, wad
jako takich nie znalazłem, więc przedstawię
zalety światłowodów:

❖

❖

bez wątpienia główna zaleta to dostępna

szerokość pasma − setki GHz, a nawet tera−
herców (10

12

Hz) − dla porównania trzeba

1

2

3

4

przypomnieć, że zwykły kabel miedziany za−
chowuje się jak filtr dolnoprzepustowy, czego
wynikiem jest ograniczenie pasma (a` propos,
czy widzisz już Czytelniku, związek tak duże−
go pasma z przesyłaniem telewizji?)

❖

❖

kolejną zaletą światłowodów jest obojęt−

ność na zewnętrzne pola elektromagnetycz−
ne, z czego wynika fakt, że nie można za−
kłócić transmisji informacji lub np. podsłu−
chać jej − co jest takie proste w zwykłym ka−
blu miedzianym;

❖

❖

jak wynika z powyższego, kable światło−

wodowe w żaden sposób nie wpływają na
otoczenie zewnętrzne − dla porównania po−
myślmy o przewodach wysokiego napięcia
w pobliżu osad ludzkich − o ich negatywnym
wpływie nie muszę chyba przekonywać;

❖

❖

do zalet zaliczyć należy jeszcze zasięg −

w warunkach idealnych przy pominięciu
wielu aspektów transmisji fala świetlna
“wpuszczona” do światłowodu z łatwością
okrążyłaby np. równik i to bez stosowania po
drodze wzmacniaczy sygnału. Piękne, lecz
w teorii − tak naprawdę istnieje kilka proble−
mów, ale o tym później.

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 monochromatyczną (jednobarwną)
wiązką propagującą się wzdłuż falowodu
(światłowód jest falowodem) z charaktery−
styczną dla siebie prędkością i bez zmiany
kształtu”. Możemy też powiedzieć, że mod
opisuje przestrzenny rozkład pola elektroma−
gnetycznego; rozkład uzależniony od długości
fali świetlnej (

λ

). Tak na chłopski rozum to

wiązki modowe tworzą coś na wzór kanałów,
proces ich tworzenia przedstawia rysunek 5.
Rozumienie modu jako swego rodzaju kanału
wydaje się być najbardziej intuicyjne − wpro−
wadzając promień światła pod różnymi kąta−
mi (pobudzając światłowód selektywnie) po−
wodujemy powstanie w światłowodzie odpo−
wiednich modów. Mody możemy obserwo−
wać na końcówce światłowodu (tu: również
musimy ją selektywnie “oglądać”).

Wygląd podstawowych modów przedstawia
rysunek 6 (mody o kolejnych numerach ma−
ją coraz to bardziej finezyjne kształty). Na ry−
sunku obok wyglądu (po lewej) przedstawio−
ny jest rozkład pola (po prawej). Zaletą wiąz−
ki modowej jest niezmienność kształtu (wła−
śnie tego rozkładu pola) przy przechodzeniu

(propagacji) przez światłowód – wadą są róż−
ne prędkość poszczególnych modów (jedne
propagują się szybciej, inne wolniej). I tak
możemy podzielić światłowody na światło−
wody jednomodowe – przenoszące tylko mod
podstawowy (nr 1) i światłowody wielomo−
dowe – przenoszące większą liczbę modów.
W praktyce stosuje się głównie światłowody
jednomodowe ze względu na mniej złożony
proces technologiczny (pomyśl o precyzyj−
nym wprowadzaniu skupionych wiązek świa−
tła pod różnymi kątami do rdzenia wielomo−
dowego światłowodu o średnicy rzędu
5÷11µm!), jak i brak problemu z różnymi
prędkościami przenoszenia wiązki modowej.
Przykład “jednomodów” to urządzenia tele−
komunikacyjne. Jednak nie myśl Czytelniku,
że światłowody wielomodowe to tylko teoria.
Korzysta się z nich w miarę postępu technicz−
nego – obecnie – głównie w lokalnych sie−
ciach komputerowych (LAN). W ramach od−
poczynku proponuję parę słów o rdzy.

Mechanika włókna

Szkło jest głównym budulcem światłowo−
dów, i jak każdy budulec, posiada zarówno
zalety ,jak i wady. Przede wszystkim szkło
nie jest materiałem plastycznym (choć ela−
styczność włókien światłowodowych jest im−
ponująca, jednak powinieneś wiedzieć, że
średnica zgięcia mniejsza niż 8cm prowadzi
do trwałego uszkodzenia światłowodu – jego
kruszenia). Zakres elastyczności szkła to
około 0,5÷1% ,czyli mało (dla miedzi 20%).
W uproszczeniu mówi się, że szkło jest kru−
che − i chyba wie o tym każdy, komu piłka
zboczyła z toru roztrzaskując okno sąsiada.
Wpływ na kruchość szkła ma także jego czy−
stość (klarowność) − po prostu szkło pęka
najłatwiej w miejscach zabrudzenia (oczywi−
ście mowa o zanieczyszczeniach struktury
szkła, a nie tych w stylu nie umyta szyba).
Kolejny problem to korozja chemiczna. Po−
myślisz zapewne, że sobie żartuję, że niby co
− szyby rdzewieją? Może nie dokładnie tak
jak myślisz, ale szkło też jest nieodporne na
H

2

O, a dokładniej na jony wodorotlenkowe −

OH. Przenikają one do struktury szkła i po−

wodują jego kruszenie czyli swego rodzaju
korozję. Należy też pamiętać przy takich roz−
ważaniach o rozmiarach włókna!

Konstrukcje

Na rysunku 7 zebrałem kilka typowych kon−
strukcji stosowanych do produkcji kabli. Kable
takie zawierają zawsze element wytrzymało−
ściowy (kolor fioletowy) oraz kilka− kilkanaście
włókien światłowodowych (kolor żółty).

Główne problemy

Jak wiadomo, piękne są tylko baśnie, a sko−
ro światłowód nią nie jest, to na pewno ma
swoje za uszami. Istotnie głównym proble−
mem w technice światłowodowej wydaje się
być dyspersja. Dyspersja powoduje “rozmy−
cie“ czy też “rozpływanie się” sygnału
w czasie i przestrzeni. Owe zjawisko zmiany
kształtu rośnie wraz ze wzrostem odległości
transmisji, co może prowadzić do błędnego
odbioru informacji. Proces ten zobrazowano
na rysunku 8.
Jak widać w podpunkcie c) nakładanie się
impulsów powoduje niemożność prawidło−
wego odczytania informacji zawartej w sy−
gnale. Tu należy uściślić, że mówimy o du−
żych odległościach transmisji (np. 100km).
Tłumienie, w odróżnieniu od dyspersji, nie
wpływa bezpośrednio na kształt sygnału −
zmniejsza jedynie jego moc. Niestety wraz ze
wzrostem długości łącza rośnie tłumienie,
z czego w prosty sposób wynika ogranicze−
nie zasięgu transmisji. Światłowody nie mo−
gą być dowolnie długie − konieczne jest sto−
sowanie regeneratorów.
Dyspersja i tłumienie to dwie podstawowe przy−
czyny zniekształceń sygnału w łączach światło−
wodowych. Istnieje jeszcze wiele innych jak np.
zniekształcenia nieliniowości optycznej szkła

93

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Łączność

5

7

6

94

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Łączność

kwarcowego, absorpcja itp. itd. Bardziej wnikli−
wych zachęcam do lektury książek poświęco−
nych tematyce światłowodowej.

Jak się łączy światłowody

W artykule poglądowym na temat światło−
wodów nie powinno zabraknąć wzmianki
o podstawowych technikach łączenia świa−
tłowodów. Bynajmniej, Drogi Czytelniku,
twoja wprawa w posługiwaniu się lutownicą
nic w tym przypadku nie wskóra. Materiał
(szkło) i bardzo małe rozmiary światłowo−
dów zmusiły inżynierów do opracowania
specjalnych technik ich łączenia. Zanim je
pokrótce przedstawię, warto zwrócić uwagę
na fakt, że każde połączenie dwóch koń−
cówek światłowodu powoduje zwiększenie
tłumienia w kanale transmisyjnym. Wartość
tego tłumienia (wnoszonego przez złącze)
zależy od jakości wykonanego połączenia.
Ogólnie możemy przyjąć zasadę: “im lepsze
łącze, tym mniejsze tłumienie”. Tyle mia−
nem wstępu, a teraz o podstawowych meto−
dach łączenia:

1. Spawanie

Spawanie polega w ogólności na umieszcze−
niu odpowiednio przygotowanych i precy−
zyjnie obciętych włókien naprzeciw siebie.
Następnie w

celu trwałego połączenia sta−

pia się końcówki w łuku elektrycznym.
Włókno trzeba odpowiednio oczyścić z war−
stwy akrylowej i precyzyjnie obciąć koń−
cówkę (precyzyjnie tzn. jak najbardziej pła−
sko, by pomiędzy dwoma włóknami nie by−
ło nierówności). Pokazuje to rysunek 9. Na−
stępnie umieszczamy dwie końcówki w tzw.
spawarce i ... o ile pracujemy ze sprzętem
starszego typu to musimy dokładnie wyrów−
nać położenia włókien względem siebie
(w najnowszych urządzeniach proces pozy−
cjonowania zachodzi automatycznie). Sche−
matycznie przedstawia to rysunek 10. Po−
tem pozostaje już tylko włączenie łuku elek−
trycznego, który zgrzeje (stopi) razem koń−
cówki światłowodu. Jakość takiej operacji
zależy oczywiście od czystości końcówek,
jakości obcięcia, dokładności ustawienia
i czasu spawania! Tak, tak − niestety jak za
długo przygrzejemy “klienta”, to się zrobi
bańka szklana.

2. Klejenie

Metoda ta daje gorsze rezultaty niż spawanie
i nie gwarantuje niezmienności parametrów
połączenia w czasie. Dlatego jest coraz rza−
dziej stosowana.

3. Mocowanie na styk

Jest to, jak można się domyślić, metoda łącze−
nia wielokrotnego. Coś na zasadzie gniazdka
i wtyczki. Metoda łatwa i tania, ale niosąca ze
sobą wiele problemów. Najłatwiej przedsta−
wić te problemy na rysunku − przeanalizuj ry−
sunek 11. Wstępne wnioski wyciągnij Czy−
telniku sam. Trzeba powiedzieć, że każda
z tych metod wpływa na pogorszenie transmi−
sji w światłowodzie. Zwiększa się tłumienie,
dyspersja, rozproszenie i wiele innych. Jeśli
chodzi o zmianę tłumienia, to najmniej proble−
mu sprawia spawanie. Dzisiejsze spawy wno−
szą tłumienie mniejsze lub równe 0,1dB!

s

Szczątkowo o WDM

WDM − czyli transmisja wielofalowa. Jak za−
pewne wiesz z lekcji fizyki, światło można
rozszczepić za pomocą pryzmatu. Uzyskujemy
wtedy takie fajne kolorki. Te kolorki to nic in−
nego jak różne fale świetlne. Mówiąc precy−
zyjnie − fale o różnych długościach (

λ

). Pro−

mienie świetlne nie wpływają na siebie, to zna−
czy można wysyłać dużo różnych sygnałów,
które się nie zakłócają. Nie tak jak w elektroni−
ce, gdzie trzeba stosować odizolowane ścieżki.
Dzięki temu możliwe jest wysyłanie w świa−

tłowodzie dużej (lub nawet bardzo dużej) licz−
by fal o różnych długościach

λ

. Pamiętaj, że

mówimy o falach rzędu nanometrów!

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...

Przy zastosowaniu w technice komputerowej
fotonu zamiast elektronu, dzisiejsze kompu−
tery sięgające szybkością 1,5GHz wydadzą
się być prymitywnymi dinozaurami. Jeśli za−
stosujemy fotony jako nośniki informacji,
nadejście kolejnej rewolucji w technice jest
nieuniknione. Oto kilka porównań, naświe−
tlających skalę nadchodzącego “przewrotu”.
Jak powszechnie wiadomo, do przepływu
prądu potrzebny jest metal lub półprzewo−
dnik, w którym “płynące”

NOŚNIKI

poruszają

się z prędkością około 2 cm/s. Wystarczy po−
myśleć o fotonie i już jesteśmy bliscy
odkrycia na miarę Einsteina: przecież nic nie
porusza się szybciej niż foton (światło)
300000 km/s. Wniosek − ... chyba oczywisty.
Oto inny aspekt fotoniki − jak już wiesz, przez
światłowód może płynąć jednocześnie świa−
tło o różnych długościach fal, a promienie
mogą się krzyżować z innymi nie ulegając
przy tym znaczącym zniekształceniom. Tym−
czasem w poczciwej elektronice każda ścież−
ka musi być izolowana od innej, a pasmo np.
dla kabla miedzianego jest ograniczone...
Teoria dotycząca fotoniki i jej przyszłości jest
bardzo kusząca. Istnieje jednak jeszcze dużo
problemów, a wiele potrzebnych technologii
nie zostało jeszcze opracowanych. Co prawda
elementy typu świetlny tranzystor zostały już
wynalezione, ale to nie wszystko. Ciągle po−
zostaje główny problem sprzęgania (łączenia
i przełączania) podzespołów elektronicznych.

Podsumowanie

O fotonice będziemy słyszeć coraz częściej.
Śmiało możemy stwierdzić, że światłowód jest
medium transmisyjnym przyszłości. W ramach
tego artykułu starałem się zawrzeć wszystkie
ważne aspekty tej “nowo” powstałej dziedziny.
Rzeczą oczywistą jest, że nie wszystko da się
uwzględnić na paru stronach. Jednak skutecz−
nie udało się uciec od matematyki. Na koniec,
w przeciwieństwie do elektroników, nie będę
zachęcał do praktyki, gdyż ze względu na sto−
pień zaawansowania technologicznego, hobby
tego typu pozostaje marzeniem. W tym wy−
padku proponuję stwierdzić przekornie, że:
“nie ma lepszej praktyki, niż dobra teoria”

Jarosław Garski

[e-mail]

8

9

10

11

λλ ==

c
f