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

Należałoby

tu

chłonięta przez płaszcz zewnętrzny. I tu na−

zawiera dziesiątki bądź setki takich

wspomnieć o je−

leży powiedzieć o ważniejszych parame−

włókien... Ciekawe? Jeśli nie, to może inny

szcze jednej klasie

trach: kącie akceptacji i NA (Numerical

przykład: co byś powiedział na dostęp do In−

światłowodów

−

Aperture). Oba te pojęcia służą do opisania

ternetu z prędkością powiedzmy 100, może

światłowodach gra−

łatwości wprowadzania światła do światło−

2

200 gigabitów na sekundę? Już biegniesz, że−

dientowych, które

wodu. Rysunek 4 pokazuje, że aby uwięzić

by kupić sobie taki światłowód? Poczekaj,

mają, najogólniej rzecz biorąc, niejednolitą

promień w światłowodzie, kąt jego padania

sam światłowód nie wystarczy. Niemniej per−

strukturę rdzenia − takie szczegóły wykracza−

nie powinien przekraczać pewnej wartości

spektywy są fantastyczne i warto interesować

ją jednak poza ramy tego artykułu.

maksymalnej (αMAX). Tylko promienie pada−

się tym tematem. Ale na dobry początek za−

jące pod kątami mniejszymi niż αMAX zostaną

czniemy od podstaw.

Zasada działania

uwięzione w rdzeniu. Według definicji αMAX

Zarówno rdzeń, jak i płaszcz są zwyczajnym

to właśnie kąt akceptacji. Apertura nume−

Trochę historii

tlenkiem krzemu − tzn. szkłem (takim jak

ryczna (NA) jest sinusem kąta akceptacji.

Pierwsze światłowody, zwane “rurowymi”,

w oknie, tyle tylko, że nieco czystszym). Ale

Proste, prawda?

były w istocie rurą z umieszczonymi w niej

światłowód nie jest − jak niektórzy sądzą −

4

soczewkami. Na rysunku 1 przedstawiono

szklaną rurką. Zasadnicza różnica polega na

przebieg przykładowego promienia świetlne−

tym, że współczynnik załamania światła

go w takiej rurze.

w rdzeniu jest większy od owego współczyn−

nika w płaszczu. Zbyt zawiłe? Spróbuję pro−

1

ściej. Istotą pracy włókna światłowodowego

jest odbicie lub załamanie promienia świetl−

Proste, ale co z tego wynika? Oczywiście

nego na granicy dwóch ośrodków. Granicą tą

cała sterta niepotrzebnej (?) matematyki.

jest styk płaszcza i rdzenia. Światło w rdze−

Mówiąc nieco poważniej, to korzystając

W latach pięćdziesiątych powstały pierw−

niu załamuje się “łatwiej” i ulega całkowite−

z praw załamania światła możemy wyzna−

sze światłowody włókniste składające się

mu odbiciu, z czego wynika, że wpuszczając

czyć (poprzez NA) MAX – znając jedynie

z rdzenia i płaszcza − patrz rysunek 2. Śre−

promień świetlny do rdzenia “więzimy” go

współczynniki załamania światła w rdzeniu

dnica zewnętrzna płaszcza jest obecnie

aż do opuszczenia światłowodu (zamykamy

i w płaszczu (co zresztą jest bardzo uży−

znormalizowana i wynosi 125µm, co jest

go nijako w rurze z jednym wyjściem) − zo−

teczne). Podsumowując powiedzmy, że do

jedną ósmą milimetra − w przybliżeniu jest

bacz rysunek 3.

światłowodu możemy wprowadzić tym

to grubość włosa ludzkiego! Rdzeń jest je−

większą część światła ze źródła im większa

szcze mniejszy. Jego średnica to zaledwie

3

jest apertura numeryczna i kąt akceptacji

50µm (50µm odnosi się do tzw. światłowo−

światłowodu.

dów wielomodowych, gdyż światłowody

Uff! Może wystarczy; zróbmy przerwę na

jednomodowe mają średnicę zaledwie

coś przyjemniejszego.

5÷11µm). O rzeczywistych wymiarach

światłowodu, jego płaszcza i rdzenia

Wady i zalety

świadczy fotografia.

Należy jednak pamiętać, że ilość światła

Ponieważ, choć to wydaje się dziwne, wad

odbitego wewnątrz rdzenia zależy od kąta

jako takich nie znalazłem, więc przedstawię

pod jakim pada ono na granicę dwóch ośrod−

zalety światłowodów:

ków. Jeśli ów kąt jest za mały, to nici z trans−

❖ bez wątpienia główna zaleta to dostępna

misji promienia świetlnego, gdyż większość

szerokość pasma − setki GHz, a nawet tera−

światła wydostaje się z rdzenia i zostaje po−

herców (1012Hz) − dla porównania trzeba

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

Łączność

przypomnieć, że zwykły kabel miedziany za−

(propagacji) przez światłowód – wadą są róż−

wodują jego kruszenie czyli swego rodzaju

chowuje się jak filtr dolnoprzepustowy, czego

ne prędkość poszczególnych modów (jedne

korozję. Należy też pamiętać przy takich roz−

wynikiem jest ograniczenie pasma (à propos,

propagują się szybciej, inne wolniej). I tak

ważaniach o rozmiarach włókna!

czy widzisz już Czytelniku, związek tak duże−

możemy podzielić światłowody na światło−

go pasma z przesyłaniem telewizji?)

wody jednomodowe – przenoszące tylko mod

Konstrukcje

❖ kolejną zaletą światłowodów jest obojęt− podstawowy (nr 1) i światłowody wielomo− Na rysunku 7 zebrałem kilka typowych kon−

ność na zewnętrzne pola elektromagnetycz−

dowe – przenoszące większą liczbę modów.

strukcji stosowanych do produkcji kabli. Kable

ne, z czego wynika fakt, że nie można za−

W praktyce stosuje się głównie światłowody

takie zawierają zawsze element wytrzymało−

kłócić transmisji informacji lub np. podsłu−

jednomodowe ze względu na mniej złożony

ściowy (kolor fioletowy) oraz kilka− kilkanaście

chać jej − co jest takie proste w zwykłym ka−

proces technologiczny (pomyśl o precyzyj−

włókien światłowodowych (kolor żółty).

blu miedzianym;

nym wprowadzaniu skupionych wiązek świa−

❖ jak wynika z powyższego, kable światło− tła pod różnymi kątami do rdzenia wielomo−

7

wodowe w żaden sposób nie wpływają na

dowego światłowodu o średnicy rzędu

otoczenie zewnętrzne − dla porównania po−

5÷11µm!), jak i brak problemu z różnymi

myślmy o przewodach wysokiego napięcia

prędkościami przenoszenia wiązki modowej.

w pobliżu osad ludzkich − o ich negatywnym

Przykład “jednomodów” to urządzenia tele−

wpływie nie muszę chyba przekonywać;

komunikacyjne. Jednak nie myśl Czytelniku,

❖ do zalet zaliczyć należy jeszcze zasięg − że światłowody wielomodowe to tylko teoria.

w warunkach idealnych przy pominięciu

Korzysta się z nich w miarę postępu technicz−

wielu aspektów transmisji fala świetlna

nego – obecnie – głównie w lokalnych sie−

“wpuszczona” do światłowodu z łatwością

ciach komputerowych (LAN). W ramach od−

okrążyłaby np. równik i to bez stosowania po

poczynku proponuję parę słów o rdzy.

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

Główne problemy

opisuje przestrzenny rozkład pola elektroma−

6

Jak wiadomo, piękne są tylko baśnie, a sko−

gnetycznego; rozkład uzależniony od długości

ro światłowód nią nie jest, to na pewno ma

fali świetlnej (λ). Tak na chłopski rozum to

swoje za uszami. Istotnie głównym proble−

wiązki modowe tworzą coś na wzór kanałów,

Mechanika włókna

mem w technice światłowodowej wydaje się

proces ich tworzenia przedstawia rysunek 5.

Szkło jest głównym budulcem światłowo−

być dyspersja. Dyspersja powoduje “rozmy−

Rozumienie modu jako swego rodzaju kanału

dów, i jak każdy budulec, posiada zarówno

cie“ czy też “rozpływanie się” sygnału

wydaje się być najbardziej intuicyjne − wpro−

zalety ,jak i wady. Przede wszystkim szkło

w czasie i przestrzeni. Owe zjawisko zmiany

wadzając promień światła pod różnymi kąta−

nie jest materiałem plastycznym (choć ela−

kształtu rośnie wraz ze wzrostem odległości

mi (pobudzając światłowód selektywnie) po−

styczność włókien światłowodowych jest im−

transmisji, co może prowadzić do błędnego

wodujemy powstanie w światłowodzie odpo−

ponująca, jednak powinieneś wiedzieć, że

odbioru informacji. Proces ten zobrazowano

wiednich modów. Mody możemy obserwo−

średnica zgięcia mniejsza niż 8cm prowadzi

na rysunku 8.

wać na końcówce światłowodu (tu: również

do trwałego uszkodzenia światłowodu – jego

Jak widać w podpunkcie c) nakładanie się

musimy ją selektywnie “oglądać”).

kruszenia). Zakres elastyczności szkła to

impulsów powoduje niemożność prawidło−

około 0,5÷1% ,czyli mało (dla miedzi 20%).

wego odczytania informacji zawartej w sy−

W uproszczeniu mówi się, że szkło jest kru−

gnale. Tu należy uściślić, że mówimy o du−

che − i chyba wie o tym każdy, komu piłka

żych odległościach transmisji (np. 100km).

zboczyła z toru roztrzaskując okno sąsiada.

Tłumienie, w odróżnieniu od dyspersji, nie

Wpływ na kruchość szkła ma także jego czy−

wpływa bezpośrednio na kształt sygnału −

stość (klarowność) − po prostu szkło pęka

zmniejsza jedynie jego moc. Niestety wraz ze

najłatwiej w miejscach zabrudzenia (oczywi−

wzrostem długości łącza rośnie tłumienie,

5

ście mowa o zanieczyszczeniach struktury

z czego w prosty sposób wynika ogranicze−

Wygląd podstawowych modów przedstawia

szkła, a nie tych w stylu nie umyta szyba).

nie zasięgu transmisji. Światłowody nie mo−

rysunek 6 (mody o kolejnych numerach ma−

Kolejny problem to korozja chemiczna. Po−

gą być dowolnie długie − konieczne jest sto−

ją coraz to bardziej finezyjne kształty). Na ry−

myślisz zapewne, że sobie żartuję, że niby co

sowanie regeneratorów.

sunku obok wyglądu (po lewej) przedstawio−

− szyby rdzewieją? Może nie dokładnie tak

Dyspersja i tłumienie to dwie podstawowe przy−

ny jest rozkład pola (po prawej). Zaletą wiąz−

jak myślisz, ale szkło też jest nieodporne na

czyny zniekształceń sygnału w łączach światło−

ki modowej jest niezmienność kształtu (wła−

H2O, a dokładniej na jony wodorotlenkowe −

wodowych. Istnieje jeszcze wiele innych jak np.

śnie tego rozkładu pola) przy przechodzeniu

OH. Przenikają one do struktury szkła i po−

zniekształcenia nieliniowości optycznej szkła

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

93

Łączność

kwarcowego, absorpcja itp. itd. Bardziej wnikli−

tłowodzie dużej (lub nawet bardzo dużej) licz−

9

wych zachęcam do lektury książek poświęco−

by fal o różnych długościach λ. Pamiętaj, że

nych tematyce światłowodowej.

mówimy o falach rzędu nanometrów!

λ == cf

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...

8

10

Przy zastosowaniu w technice komputerowej

2. Klejenie

fotonu zamiast elektronu, dzisiejsze kompu−

Metoda ta daje gorsze rezultaty niż spawanie

tery sięgające szybkością 1,5GHz wydadzą

Jak się łączy światłowody

i nie gwarantuje niezmienności parametrów

się być prymitywnymi dinozaurami. Jeśli za−

W artykule poglądowym na temat światło−

połączenia w czasie. Dlatego jest coraz rza−

stosujemy fotony jako nośniki informacji,

wodów nie powinno zabraknąć wzmianki

dziej stosowana.

nadejście kolejnej rewolucji w technice jest

o podstawowych technikach łączenia świa−

nieuniknione. Oto kilka porównań, naświe−

tłowodów. Bynajmniej, Drogi Czytelniku,

3. Mocowanie na styk

tlających skalę nadchodzącego “przewrotu”.

twoja wprawa w posługiwaniu się lutownicą

Jest to, jak można się domyślić, metoda łącze−

Jak powszechnie wiadomo, do przepływu

nic w tym przypadku nie wskóra. Materiał

nia wielokrotnego. Coś na zasadzie gniazdka

prądu potrzebny jest metal lub półprzewo−

(szkło) i bardzo małe rozmiary światłowo−

i wtyczki. Metoda łatwa i tania, ale niosąca ze

dnik, w którym “płynące” NOŚNIKI poruszają

dów zmusiły inżynierów do opracowania

sobą wiele problemów. Najłatwiej przedsta−

się z prędkością około 2 cm/s. Wystarczy po−

specjalnych technik ich łączenia. Zanim je

wić te problemy na rysunku − przeanalizuj ry−

myśleć o fotonie i już jesteśmy bliscy

pokrótce przedstawię, warto zwrócić uwagę

sunek 11. Wstępne wnioski wyciągnij Czy−

odkrycia na miarę Einsteina: przecież nic nie

na fakt, że każde połączenie dwóch koń−

telniku sam. Trzeba powiedzieć, że każda

porusza się szybciej niż foton (światło)

cówek światłowodu powoduje zwiększenie

z tych metod wpływa na pogorszenie transmi−

300000 km/s. Wniosek − ... chyba oczywisty.

tłumienia w kanale transmisyjnym. Wartość

sji w światłowodzie. Zwiększa się tłumienie,

Oto inny aspekt fotoniki − jak już wiesz, przez

tego tłumienia (wnoszonego przez złącze)

dyspersja, rozproszenie i wiele innych. Jeśli

światłowód może płynąć jednocześnie świa−

zależy od jakości wykonanego połączenia.

chodzi o zmianę tłumienia, to najmniej proble−

tło o różnych długościach fal, a promienie

Ogólnie możemy przyjąć zasadę: “im lepsze

mu sprawia spawanie. Dzisiejsze spawy wno−

mogą się krzyżować z innymi nie ulegając

łącze, tym mniejsze tłumienie”. Tyle mia−

szą tłumienie mniejsze lub równe 0,1dB!

przy tym znaczącym zniekształceniom. Tym−

nem wstępu, a teraz o podstawowych meto−

s

czasem w poczciwej elektronice każda ścież−

dach łączenia:

Szczątkowo o WDM

ka musi być izolowana od innej, a pasmo np.

WDM − czyli transmisja wielofalowa. Jak za−

dla kabla miedzianego jest ograniczone...

1. Spawanie

pewne wiesz z lekcji fizyki, światło można

Teoria dotycząca fotoniki i jej przyszłości jest

Spawanie polega w ogólności na umieszcze−

rozszczepić za pomocą pryzmatu. Uzyskujemy

bardzo kusząca. Istnieje jednak jeszcze dużo

niu odpowiednio przygotowanych i precy−

wtedy takie fajne kolorki. Te kolorki to nic in−

problemów, a wiele potrzebnych technologii

zyjnie obciętych włókien naprzeciw siebie.

nego jak różne fale świetlne. Mówiąc precy−

nie zostało jeszcze opracowanych. Co prawda

Następnie w

celu trwałego połączenia sta−

zyjnie − fale o różnych długościach (λ). Pro−

elementy typu świetlny tranzystor zostały już

pia się końcówki w łuku elektrycznym.

mienie świetlne nie wpływają na siebie, to zna−

wynalezione, ale to nie wszystko. Ciągle po−

Włókno trzeba odpowiednio oczyścić z war−

czy można wysyłać dużo różnych sygnałów,

zostaje główny problem sprzęgania (łączenia

stwy akrylowej i precyzyjnie obciąć koń−

które się nie zakłócają. Nie tak jak w elektroni−

i przełączania) podzespołów elektronicznych.

cówkę (precyzyjnie tzn. jak najbardziej pła−

ce, gdzie trzeba stosować odizolowane ścieżki.

sko, by pomiędzy dwoma włóknami nie by−

Dzięki temu możliwe jest wysyłanie w świa−

Podsumowanie

ło nierówności). Pokazuje to rysunek 9. Na−

O fotonice będziemy słyszeć coraz częściej.

stępnie umieszczamy dwie końcówki w tzw.

Śmiało możemy stwierdzić, że światłowód jest

11

spawarce i ... o ile pracujemy ze sprzętem

medium transmisyjnym przyszłości. W ramach

starszego typu to musimy dokładnie wyrów−

tego artykułu starałem się zawrzeć wszystkie

nać położenia włókien względem siebie

ważne aspekty tej “nowo” powstałej dziedziny.

(w najnowszych urządzeniach proces pozy−

Rzeczą oczywistą jest, że nie wszystko da się

cjonowania zachodzi automatycznie). Sche−

uwzględnić na paru stronach. Jednak skutecz−

matycznie przedstawia to rysunek 10. Po−

nie udało się uciec od matematyki. Na koniec,

tem pozostaje już tylko włączenie łuku elek−

w przeciwieństwie do elektroników, nie będę

trycznego, który zgrzeje (stopi) razem koń−

zachęcał do praktyki, gdyż ze względu na sto−

cówki światłowodu. Jakość takiej operacji

pień zaawansowania technologicznego, hobby

zależy oczywiście od czystości końcówek,

tego typu pozostaje marzeniem. W tym wy−

jakości obcięcia, dokładności ustawienia

padku proponuję stwierdzić przekornie, że:

i czasu spawania! Tak, tak − niestety jak za

“nie ma lepszej praktyki, niż dobra teoria”

długo przygrzejemy “klienta”, to się zrobi

Jarosław Garski

bańka szklana.

[e-mail]

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