3

Światłowód to struktura prowadząca fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. Ogólnie, światłowód możemy określić jako falowód optyczny. Światłowody są wykorzystywane jako elementy urządzeń optoelektronicznych, składniki optycznych układów zintegrowanych lub do transmisji sygnałów na duże odległości, jak również do celów oświetleniowych.

4

5

Zasada Fermata: Promień świetlny poruszający się (w dowolnym ośrodku) od punktu A do punktu B przebywa zawsze lokalnie ekstremalną drogę optyczną, czyli taką, na której przebycie potrzeba czasu najkrótszego, bądź najdłuższego z możliwych.

W praktyce najczęściej wybór pada na drogę, której przebycie zabiera najmniej czasu, niemniej powszechne, acz rzadziej obserwowane są przypadki wyboru drogi 'najdłuższej' (np. bieg promienia odbijającego się od powierzchni wklęsłego zwierciadła kulistego).

Na podstawie zasady Fermata można wyprowadzić prawo odbicia i załamania.

6

Prawo Snelliusa (załamania, refrakcji, Snella) — prawo fizyki opisujące zmianę kierunku biegu promienia światła przy przejściu przez granicę między dwoma ośrodkami przeźroczystymi o różnych współczynnikach załamania. Prawo odkrył holenderski astronom i matematyk Willebrord Snell w 1621 roku i na jego cześć nadano nazwę prawa.

Prawo Snelliusa mówi, że promienie padający i załamany oraz prostopadła padania (normalna) leżą w jednej płaszczyźnie a kąty spełniają zależność:

gdzie:

• n₁ — współczynnik załamania światła ośrodka 1

• n₂ — współczynnik załamania światła ośrodka 2

• θ_p — kąt padania, kąt między promieniem padającym a prostopadłą padania,

• θ_z — kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a prostopadłą padania.

7

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka lecz ulega całkowitemu odbiciu.

8

Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie. W wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek rozchodzenia się fali, nie zmienia się jej długość.

9

Rdzeń- jest zrobiony z domieszkowanego szkła kwarcowego SiO2 grubości od kilku do kilkuset mikrometrów. Im mniejsza grubość tym dalej można przesłać impuls bez zakłóceń. Szkło musi być wolne od wszelkich zanieczyszczeń.

Płaszcz- wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń, różnica ta powoduje, że zachowuje się niczym "lustro" otaczające rdzeń, kierując promień do wnętrza rdzenia, formując w ten sposób falę optyczną.

Osłona- są to zazwyczaj dwie warstwy utwardzonej gumy silikonowej

12

Światłowód jednomodowy to rodzaj światłowodu służący do przesyłania jednego modu (promienia) światła, nazywanego modem podstawowym. W porównaniu ze światłowodem wielomodowym pozwala na transmisję na dłuższą odległość, bez stosowania wzmacniacza. Rdzeń włókna światłowodu jednomodowego ma średnicę 5-10 mikronów, natomiast płaszcz tego typu światłowodu ma zawsze średnicę 125 mikronów.

13

Światłowód wielomodowy jest rodzajem światłowodu przenoszącym wiele modów (promieni) światła, padających pod różnymi kątami do płaszcza światłowodu. W porównaniu ze światłowodem jednomodowym umożliwia transmisję na mniejszą odległość bez wzmacniacza sygnału.

14

Światłowód gradientowy, w przeciwieństwie do skokowego, posiada płynne zmieniający się współczynnik załamania. W praktyce, ze względów, technologicznych, ma kilka tysięcy warstw, co udaje płynną zmianę współczynnika załamania. Jego zastosowanie, w pewnym stopniu, niweluje rozmycie sygnału. Dzięki temu osiągnięto zwiększenie szerokości pasma o rząd wielkości w porównaniu ze światłowodem skokowym. Światłowody skokowe są praktycznie nie stosowane. Światłowód jednomodowy cechuje prawie zupełny brak dyspersji modowej, gdyż realnie propaguje w nim tylko jeden promień świetlny.

15

Rdzeniem takiego światłowodu nie jest szkło, lecz próżnia lub czysty gaz obojętny otoczony elastycznym lustrem i płaszczem kwarcowym - dzięki czemu się wielu ograniczeń spowodowanych nieliniowymi właściwościami

W porównaniu z włóknami konwencjonalnymi o rdzeniu szklanym włókna lustrzane obiecują wiele korzyści: 1

• prawie nieograniczony zakres częstotliwości (brak absorpcji szkła

• likwidacja efektów nieliniowych (brak rdzenia szklanego)

• brak ucieczki promieniowania podczas zginania włókna (promień odbijany lustrem, a nie zmianą współczynników załamania).

• eliminacja dyspersji materiałowej (z wyjątkiem falowodowej) Perspektywę szerokości widmowej okien dla włókien lustrzanych

szacuje się na 700 THz (przy długości fali X=400 nm), czyli o rząd więcej niż osiągane w dotychczas stosowanych włóknach szklanych.

16

Światłowody plastikowe, w porównaniu ze światłowodami szklanymi, mają dużo zalet, np. łatwość układania, łatwość wykonywania połączeń, możliwość stosowania tanich diod LED jako źródeł światła. Bardzo ważną zaletą światłowodów plastikowych jest duża tolerancja niedokładności połączeń. Umożliwia to łatwy i szybki montaż z wykorzystywaniem tanich złącz.
Światłowody plastikowe mają również szereg wad. Należą do nich min. duża tłumienność, mały zakres temperatur pracy, brak odporności na podwyższoną temperaturę.
Światłowody plastikowe, ze względu na swoje zalety, stosuje się w sprzęcie RTV, w urządzeniach przemysłowych, w urządzeniach medycznych, ogólnie rzecz biorąc wszędzie tam, gdzie odległość między nadajnikiem i odbiornikiem optycznym jest niewielka i gdzie nie są wymagane duże prędkości transmisji. Często w takich sytuacjach podstawowym zadaniem światłowodów jest zabezpieczenie transmitowanych sygnałów od zakłóceń z otoczenia

18

• straty materiałowe - większość światłowodów wykonana jest ze szkła kwarcowego SiO₂. Światło ulega rozproszeniu z powodu fluktuacji gęstości materiału rdzenia, a ta spowodowana jest niedoskonałością struktury szkła. Dla czystego szkła kwarcowego stała materiałowa k = 0,8, a tłumienność spowodowana rozproszeniem Rayleigh'a wynosi dla długości fali widzianej przez światłowód l=850 nm 1.53 dB/km, dla l=1300 nm 0.28 dB/km, a dla l=1550 nm 0.138 dB/km. Oprócz rozpraszania Rayleigh'a istnieje silna absorpcja zarówno w podczerwieni, jak i nadfiolecie związana bezpośrednio z samymi własnościami szkła krzemowego SiO₂. Nie pozwala ona na wykorzystanie jeszcze dłuższych fal do transmisji.

• straty falowodowe - wynikają z niejednorodności światłowodu powodowanymi fluktuacjami średnicy rdzenia, zgięciami włókna, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu, oraz wszelkimi innymi odstępstwami od geometrii idealnego światłowodu cylindrycznego. Deformacje włókna mające duży wpływ na tłumienie światłowodu to mikrozgięcia i makrozgięcia.
        Mikrozgięcia powstają w procesie wytwarzania włókien i są to nieregularności kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu.
        Tłumienie wywołane makrozgięciami, czyli wywołane fizycznym zakrzywieniem włókna światłowodowego, jest pomijalnie małe dla promieni zakrzywień większych od kilku centymetrów. Mniejsze powodują zmianę współczynnika załamania w obszarze zgięcia, co także prowadzi do tworzenia się modów wyciekających i uwidacznia się efektem świecenia włókna na powierzchni.

• straty mocy sygnału powodowane są również przez przesunięcia, rozsunięcia oraz wzajemny obrót światłowodów.

• absorpcja w zakresie pasm użytecznych (0,8 - 1,5 µm) jest niewielka, wzrasta natomiast przy niewielkiej nawet koncentracji zanieczyszczeń metali Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonów OH. Jest to proces nieodwracalny, wynikowa tłumienność zależy od rodzaju domieszek oraz od sposobu ich koncentracji. Ponadto powyższe zanieczyszczenia powodują selektywny wzrost tłumienia, wybór okien transmisyjnych wynika z konieczności pominięcia tych pasm absorpcyjnych.

19

Dyspersja jest to zjawisko poszerzenia (rozmycia) impulsu. Powodowana jest przez to, że światło przy określonej długości fali ma odpowiednią szerokość widma. Im szersze widmo tym więcej promieni przemieszcza się w rdzeniu. Promienie te przebywają różną drogę, przez co czas przebycia promienia przez włókno jest różny. W rezultacie na wyjściu pojawia się szerszy impuls, który rośnie wraz ze wzrostem długości światłowodu. Przepływność transmisyjna włókna jest więc określona przez to, jak blisko siebie można transmitować kolejne impulsy bez ich wzajemnego nakładania się na siebie (przy zbyt bliskich impulsach nie ma sposobu ich rozpoznania). Dyspersja ogranicza długość światłowodu przez który może być transmitowany sygnał. Rozróżnia się dwa typy dyspersji. Dyspersję międzymodową występującą w światłowodach wielomodowych, oraz dyspersję chromatyczną występującą w włóknach jednomodowych.

• dyspersja modowa - występuje w światłowodach wielomodowych. 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. Dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien docierający sygnał ma wyraźnie inny kształt i mniniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z długością światłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz*km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe.

• dyspersja chromatyczna - z racji tego, że światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mód, nie występuje tutaj zjawisko dyspersji międzymodowej. Uwidacznia się natomiast inny, dotychczas niewidoczny rodzaj dyspersji, dyspersja chromatyczna. Składają się na nią dwa zjawiska: dyspersja materiałowa i falowodowa.
        Dyspersja materiałowa powodowana jest zmianą współczynnika załamania szkła kwarcowego w funkcji długości fali. Ponieważ nie istnieje źródło światła ściśle monochromatyczne, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących się z różną prędkością, docierający po przebyciu fragmentu włókna mód charakteryzuje się rozmyciem w czasowym.
        Dyspersja falowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.
        Wykorzystanie w systemach światłowodowych większych długości fali przede wszystkim ok. 1300 nm, zamiast 830÷900 nm wykorzystywanych w pierwszych systemach, przynosi poważne korzyści jeśli chodzi o dyspersję, gdyż dyspersja materiałowa w tym obszarze długości fali jest praktycznie równa zeru. Co więcej, w miarę doskonalenia procesu produkcji włókna, zaczęło się okazywać, że dla bardzo suchych (o małej zawartości jonów OH) rodzajów szkła, można uzyskać dla fali 1300 nm wartości tłumienności znacznie poniżej 3÷5 dB/km, jakie uzyskiwano dla 850 nm i z wielu źródeł pojawiły się doniesienia o uzyskaniu dla fali 1300 nm wartości tłumienności rzędu od 1 do 0,5 dB/km. Później uzyskano dla fali 1550 nm tłumienność rzędu 0,2 dB/km.

20

Szkło kwarcowe wykazuje słabą nieliniowość optyczną. Współczynnik załamania zależy od natężenia światła (wprost proporcjonalnie).

Zjawisko to powoduje, że w miejscu dużego natężenia impulsu współczynnik załamania wzrasta, zatem prędkość fali maleje, a częstotliwość impulsu ulega zróżnicowaniu: przednia część impulsu doznaje zmniejszenia częstotliwości, a tylna zwiększenia częstotliwości.

21

23

Tłumienie zależne od długości fali odgrywa istotną rolę w transmisji światłowodowej. Zależność ta maleje zgodnie z krzywą Rayleigh'a, z czwartą potęgą długości fali światła. Wyróżnia się trzy okna przydatne do prowadzenia transmisji o obniżonej tłumienności:

• I okno transmisyjne - obejmuje fale w okolicy 0,85 µm, dość wysokie tłumienie powyżej 1dB / km. O atrakcyjności tego okna stanowi dostępność tanich źródeł światła, jednak zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu kilkunastu kilometrów.

• II okno transmisyjne - na fali l,3 µm, tłumienie około 0,4dB / km, zasięg transmisji od 75 do lOO km.

• III okno transmisyjne - na fali l ,55 µm, tłumienie mniejsze niż 0,2dB / km, zasięg transmisji od 150 do 200 km.

27

Multipleksery OADM {Opłical Add Drop Multiplexer), na­zywane również optycznymi krotnicami transferowymi ADM. stanowią rozbudowane urządzenia transmisyjne, stosowane do przekazów optycznych (niekiedy i przewo­dowych opartych na miedzi), których zasadniczą cechą jest możliwość wydzielenia z toru optycznego jednego lub kilku dowolnie wybranych kanatów transmisyjnych i zastą­pienia ich innym strumieniem informacji, niekoniecznie o tej samej długości fali.

---