Projektowanie sieci LAN WAN

Światłowody.

1. Trochę historii.

Najnowocześniejszym obecnie medium stosowanym do transmisji danych w sieciach LAN jest światłowód (Fiber Optic Cable). Początki stosowania światłowodu w sieciach Ethernet sięgają roku 1993, wtedy to została ustanowiona norma 802.3, opisująca dokładnie specyfikacje pierwszej odmiany 10Base-FL. Jest on obecnie bardzo chętnie stosowany jako rdzeń sieci ze względu na duży zasięg oraz przyzwoitą (nawet bardzo) maksymalną przepustowość. Jedyne, co może odstraszać to cena, wykraczająca znacząco poza możliwości większości amatorskich sieci. Właściwie jego opłacalność zauważą tylko i wyłącznie posiadacze rozległych i wielo-osobowych pajęczyn.

Historię światłowodów prześledzić można analizując kolejne generacje światłowodów:

1. Pierwsza generacja (okno 850nm) - w roku 1972 amerykańska firma Corning Glass uzyskuje światłowodowe włókno wielomodowe o tłumienności około 4dB/km dla fali o długości 850nm, co pozwoliło na uzyskanie pojemności transmisyjnej poniżej 50Mb/s i skokowej charakterystyce załamania wiązki świetlnej.

2. Druga generacja (okno 1300nm) - w roku 1987 udało się po raz pierwszy zastosować światłowód jednomodowy o prawie zerowej dyspersji (dla fali 1300nm) i zmniejszonym tłumieniu jednostkowym (do około 0,4dB/km).

3. Trzecia generacja (okno 1550nm) charakteryzuje się najmniejszą tłumiennością jednostkową (od 0,16 do 0,2 dB/km), co ma bezpośredni wpływ na zasięg (pozwala na zwiększenie odległości między regeneratorami do około 200km). Podstawową niedogodnością jest występowanie wysokiej dyspersji (15-20 ps/km*nm).

4. Czwarta generacja wiąże się z wprowadzeniem szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA, komutacji i zwielokrotnienia falowego WDM.

5. Piątą generację tworzą najnowsze osiągnięcia w zakresie transmisji solitonowej (co teoretycznie prowadzi do nieograniczonego wzrostu pojemności transmisyjnej BL)
   

2. Działanie światłowodu

Transmisja danych za pomocą światłowodu polega na wysyłaniu przez wyspecjalizowane urządzenia wiązki świetlnej za pomocą lasera lub diody led. Impulsy świetlne odbierane są po drugiej stronie przez elementy światłoczułe Np: fotodiody. Dla usprawnienia przesyłania danych stosuje się zazwyczaj dwa przewody kierunkowe dzięki czemu wysyłanie i jednoczesne pobieranie informacji (praca w trybie full-duplex) nie jest już problemem.

Jak to się dzieje, że światło w kablu światłowodowym nie ulega rozproszeniu? Zastosowano tu następujący patent, użyto rdzeń o pewnym współczynniku odbicia światła (powiedzmy n1) oraz okalający go płaszcz o innym współczynniku (dajmy na to n2). Podczas propagacji światła wewnątrz rdzenia natyka się ono na płaszcz, który bądź co bądź odbija je w pewnym stopniu, przy zastosowaniu odpowiednio dużego kąta padania światła, promień odbija się niemal całkowicie i bezstratnie. Jedynym mankamentem jest zjawisko dyspersji polegające na rozszerzaniu się owego promienia wraz z przebytą drogą (czyli ilością odbić), uniemożliwiające stosowanie światłowodu wielodomowego na odcinkach powyżej 5km

Rys.1. Działanie światłowodu.

W światłowodach do transmisji informacji wykorzystywana jest wiązka światła, która jest odpowiednikiem prądu w innych kablach. Wiązka ta jest modulowana zgodnie z treścią przekazywanych informacji. To rozwiązanie otworzyło nowe możliwości w dziedzinie tworzenia szybkich i niezawodnych sieci komputerowych. Właściwie dobrany kabel może przebiegać w każdym środowisku. Szybkość transmisji może wynosić nawet 3 [Tb/sek.]. Sieci oparte na światłowodach zwane są FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

3. Budowa światłowodu

Rys.2.Budowa światłowodu wielowłókowego.

1. Zewnętrzna warstwa światłowodu mająca na celu ochronę przed warunkami zewnętrznymi,

2. Warstwa „nitek” z tworzywa sztucznego służąca do zapobiegania uszkodzeniom, do których mogłoby dojść w trakcie poruszania się światłowodu,

3. Kolejna warstwa ochronna, wewnątrz której umieszczony jest żel,

4. Żel, w którym umieszczone są światłowody. Żelu używa się w przypadku światłowodów uniwersalnych, które mogą być kładzione pod ziemią w kanałach telekomunikacyjnych,

5. Ostatnia warstwa izolacyjna, 0która oplata każde pojedyncze włókno światłowodowe. Warstwa ta chroni bardzo delikatne włókno światłowodowe przed złamaniem i innymi uszkodzeniami. Światłowód umieszczony wewnątrz tej warstwy można wyginać niemal pod dowolnym kątem(nie powinno się wyginać zbyt mocno). W celu poprawnego podłączenia wtyczek po obu końcach światłowodu warstwa ta każdego światłowodu posiada inny kolor,

6. Włókno światłowodowe przez które przebiega sygnał w postaci światła o różnej długości fali. Materiał z którego zbudowane jest włókno powoduje że jest bardzo kruche i może złamać się pod wpływem nawet niewielkiego zagięcia, przez co należy używać okularów ochronnych chroniących oczy przed przypadkowym złamaniem włókna.

4. Rodzaje światłowodów.

1. Jednodomowe.

2. Wielomodowe
   - gradientowe,
   - skokowe,

4.1. Światłowód jednodomowy.

Rys.3. Światłowód jednodomowy.

Światłowody jednomodowe (ang. Single Mode Fibers, SMF) charakteryzują się średnicą rdzenia od 5 do 10 mikrometrów. W światłowodach jednomodowych sygnał - wytworzony przez laser półprzewodnikowy - ulega tylko niewielkim zniekształceniom (brak dyspersji międzymodowej). Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie - tzw. modzie podstawowym. Światłowody jednomodowe charakteryzują się małą średnicą rdzenia - zwykle od 5 do 10 mikronów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez wzmacniania na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Umożliwiają one stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia bardzo efektywny transfer danych.

Należy jeszcze wspomnieć o tym, że technologia wytwarzania tego rodzaju światłowodu jest droga i wymaga, aby częstotliwość znormalizowana V była mniejsza niż 2,405.

Gdzie:

d - średnica rdzenia światłowodu,
lambda - długość fali optycznej światłowodu,
n₁ i n₂ - odpowiednio: współczynniki załamania rdzenia i płaszcza.

Światłowody jednomodowe przy wykonywaniu połączeń rozłącznych za pomocą wtyków narzucają tolerancję rzędu ułamka mikrona. Myśl o realizacji takich czynności w normalnych warunkach polowych nie była zachęcająca i zmusiła do poszukiwania innych rozwiązań.

Źródłem światła w światłowodach jednomodowych jest laser o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra. Możliwości transmisyjne światłowodów jednomodowych ogranicza tłumienie szkła i dyspersja chromatyczna. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.

Do budowy sieci stosujemy kabel SMF (single-mode optical Fibers), promień świetlny wytwarza laser długofalowy. Opisuje go standard 1000Base-LX.

4.2. Światłowody wielomodowe

Światłowody wielomodowe (ang. Multi Mode Fiber, MMF) charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym następuje rozdzielenie fali wejściowej na wiele promieni o takiej samej długości fali, lecz propagowanymi po innych drogach. W światłowodach wielomodowych występuje zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji i odległości, na jaką może być transmitowana. Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe.

Jako medium transmisyjne służy kabel MMF (multi-mode optical Fibers), źródłem światła są diody LED. Światłowód wielomodowy jest stosowany w następujących standardach: 10Base-FL, 100Base-FX, 1000Base-LX, 1000Base-SX

4.2.1. Światłowody wielodomowe gradientowe

Rys.4. Światłowód wielodomowy gradientowy.

Światłowód gradientowy ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Wartość maksymalną przyjmuje na osi rdzenia zaś minimalną na granicy z płaszczem.

Światłowody gradientowe zapewniają - dla różnych modów (poruszających się po łukach) - tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż kabla. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, oznacza to, że mają większą prędkość liniową.

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.

4.2.2. Światłowody wielodomowe skokowe.

Rys.5. Światłowód wielodomowy skokowy.

Jak sama nazwa wskazuje w światłowodzie tym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Mody prowadzone są w rdzenia pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Jak wiadomo prędkość rozchodzenia światła jest stała (w szkle 200.000 km/s), dlatego czasy przejścia promieni przez światłowód są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały. Dyspersja chromatyczna występuje zarówno w światłowodach jednomodowych jak i w światłowodach wielomodowych.

5. Najważniejsze standardy sieci opartej na światłowodzie:

1. 10 Base-FL - Obecnie najchętniej stosowany rodzaj światłowodu. Osiąga maksymalną przepustowość rzędu 10Mb/s. Do transmisji używa się włókna optyczne typu MMF 62.5/125, jego maksymalną długość określa się na 2000m. Do przyłączania kabla do transceiver-a służą złącza ST.

2. 100 Base-FX - Ta nowsza modyfikacja pozwala na osiągnięci maksymalnej przepustowości 100Mb/s. Podobnie używamy kabla MMF 62.5/125 pozwalającego na osiągnięcie odległości między końcami sieci rzędu 2000m. Jako łącznik stosuje się tu nowszy podwójny złącznik SC, choć dopuszcza się także starsze standardy.

Można tu także nadmienić o najnowszych standardach 1000Base-LX oraz 1000Base-SX. Pozwalają one na transmisję danych z prędkością 1000Mb/s na odległość od 275 do 5000 metrów w zależności od standardu, rodzaju transmisji oraz użytego medium. Jako źródło światła stosuje się tu laser (odpowiednio) krótko lub długo-falowy.

6. Kable światłowodowe.

Do budowy sieci światłowodowych używamy kabli zewnętrznych i wewnętrznych. Te pierwsze stosuje się w połączeniach pomiędzy budynkami (mówiąc po ludzku na dworze). Charakteryzują się one wyjątkową odpornością na niekorzystne działanie atmosfery. Rdzeń kabla (szklany lub plastikowy) otoczony jest kewlarowym oplotem oraz polietylenową koszulką zewnętrzną. Kable wewnętrzne montujemy w budynkach. Nie posiadają one tak grubej warstwy ochronnej oraz na dłuższą metę nie są odporne na warunki atmosferyczne, aczkolwiek są dużo tańsze.

Kable światłowodowe przyłącza się bezpośrednio do kary sieciowej (jeśli posiada ona stosowne złącza) lub używając konwerter nośników. Z jednej strony konwertera podłącza się kabel światłowodowy a z drugiej np. skrętkę, łącząc w ten sposób obie technologie sieciowe. Często stosuje się tu Transceiver. Montuje się go w złączu AUI występującym w wielu starszych kartach sieciowych lub HUB-ach. Istnieją także koncentratory dedykowane specjalnie dla łącz światłowodowych.

Można wyróżnić następujące rodzaje kabli światłowodowych:

• Kabel zewnętrzny z włóknami w luźnych tubach, jest odporny na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Wypełnione żelem luźne tuby zawierają jedno lub kilka włókien i oplatają centralny dielektryczny element wzmacniający. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym oplotem oraz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową koszulką zewnętrzną.

• Kable wewnętrzne przeznaczone są do układania wewnątrz budynku. Posiadają cieńszą warstwę ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne.

7. Złącza optyczne

Wszystkie złącza optyczne starają się przekazać światło w możliwie efektywny sposób. By tego dokonać, końce światłowodu muszą być przecięte pod doskonale prostym kątem, zostać dokładnie wypolerowane w celu usunięcia zadrapań i następnie podłączone, tak by wtyczka i gniazdko mogły zostać do siebie doskonale dopasowane.

Istnieje co najmniej osiem typów złącz światłowodowych, które są powszechnie stosowane, ale tylko kilka jest wykorzystywanych naprawdę szeroko: ST, SC, SMA, MIC. Obok tych czterech złącz, kilku producentów, w tym 3M, AMP, Reichle&De-Massari, Lucent i Panduit, opracowało mniejsze i tańsze złącza, które instaluje się łatwiej (a zatem są mniej kosztowne). Te nowe złącza - w połączeniu z gwałtownie spadającymi cenami kart sieciowych dla światłowodów przeznaczonych dla komputerów osobistych - tworzą sposób na podłączenie światłowodów do naszych komputerów biurowych bez konieczności obrabowania banku.

7.1. Złącze ST.

Rys.6. Złącze światłowodowe ST..

Złącze ST, którego elementy możemy obejrzeć na rysunku 6, jest złączem do tej pory najczęściej stosowanym w instalacjach komercyjnych. Zaprojektowane przez firmę AT&T zostało następnie przejęte przez wiele innych firm. Na większości kursów nauka dotyczy instalowania właśnie złącz ST.

W środku złącza ST znajduje się ceramiczna tulejka lub pierścień o rozmiarze 2,5 mm, który jest przyklejony do włókna światłowodu. Samo włókno znajduje się przy końcu pierścienia. By możliwe było przesłanie jak największej ilości światła, musi ono zostać wypolerowane ręcznie lub maszynowo, aż zostanie pozbawione zadrapań.

Złącze ST składa się tylko z kilku elementów, ale instalator musi właściwie przyciąć włókno pod odpowiednim kątem, umieścić je w położeniu gwarantującym przesyłanie sygnału z maksymalną mocą i wypolerować koniec włókna w celu usunięcia nierówności, które obniżałyby poziom sygnału.

Zewnętrzna osłona złącza ST jest podobna do złącza koncentrycznego BNC pod tym względem, że wtyczkę zamyka się na gniazdku, skręcając ją o 1/4 obwodu. Złącza ST działają świetnie w zastosowaniach komercyjnych i biurowych.

7.2. Złącze SMA.

Złącze SMA, pokazane na rysunku poniżej, to złącze gwintowane, wytwarzane w dwóch odmianach. Złącze 905 wyposażone jest w szpilkową końcówkę, zaś złącze 906 ma mniejszą średnicę i jest przystosowane do łączenia ze złączem 905. Złącza te nie cieszą się jednak popularnością, a to ze względu na trudności z parowaniem złączy interfejsów dwuświatłowodowych.

Rys.7. Złącze światłowodowe SMA..

Czasami sprzęt, zwłaszcza, gdy pochodzi od europejskich producentów, jest wyposażony w złącze nazywane złączem SMA, które wygląda tak jak złącze ST, ale z nagwintowaną zewnętrzną osłoną (rysunek 8). Złącza tego typu charakteryzują się większą odpornością, zwłaszcza gdy są narażone na wpływ wibracji. Złącza SMA, opracowane przez firmę Amp, zostały uznane za standard przez NATO i siły zbrojne Stanów Zjednoczonych. Istnieją dwa sposoby wykonania złącz SMA - w jednym, podobnie jak w złączu ST, czoło jest polerowane pod kątem prostym, a w drugim zakończenie jest nieco ścięte w celu osiągnięcia lepszego dopasowania. Jeśli w naszych urządzeniach wykorzystywane są takie złącza, powinniśmy upewnić się, że nasz instalator wie, jakiego typu złącze jest wymagane.

Rys.8. Złącza światłowodowe SMA w wersji 905 i 906..

7.3. Złącza SC.

W niektórych zastosowaniach możemy znaleźć złącze noszące nazwę SC (Smali Connector). Jak nazwa wskazuje, złącze SC jest mniejsze niż częściej spotykane złącza ST i SMA i ma mniej więcej taki rozmiar jak złącze RJ-45 przeznaczone dla skrętki czteroparowej. Złącza SC zapewniają uzyskanie bardzo odpornego mechanicznie połączenia, które jest niekiedy wykorzystywane do łączenia ze sobą kabli. Jednak jest to złącze, które jest trudne do zainstalowania.

Złącze S C przedstawione na poniższym rysunku ma konstrukcję zgodną z zaleceniami EIA/TIA 568-A. Nazywane jest 568-SC.

Rys.9. Złącze światłowodowe SC.

7.4. Złącza MIC.

Systemy złącz ST i SMA wykorzystuj ą pojedyncze złącze umieszczone na każdym włóknie kabla. Mimo że na zewnętrznej koszulce jednego z kabli znajdują się paski lub jakieś inne specyficzne oznaczenia, większość problemów pojawiających się podczas instalacji, przeprowadzek i zmian wynika z podłączenia niewłaściwego włókna światłowodowego do złego gniazdka.

Problem ten usuwa zastosowanie złącza MIC (Medium Interface Connector), które Amerykański Narodowy Instytut Standardów (ANSI) wykorzystał jako składnik architektury FDDI. W przeciwieństwie do złącz ST i SMA pojedyncze złącze MIC, przedstawione na rysunku 10. ma podłączone do siebie dwa włókna i jest zatrzaskiwane, a zatem wtyczka może połączyć się z gniazdkiem tylko w jeden określony sposób. Złącza MIC są wykorzystywane nie tylko w systemach FDDI, lecz także w koncentratorach okablowania i kartach sieciowych różnych marek.

Rys.10. Złącze światłowodowe MIC.

8. Rodzaje uszkodzeń wykrytych przy użyciu mikroskopu

Podczas montażu światłowodu może dojść do wielu uszkodzeń spowodowanych złą jakością materiałów z których wykonany był światłowód, a także nieostrożnym obchodzeniu się ze światłowodem lub narzędziami służącymi do montażu tego światłowodu. Idealny wygląd światłowodu jaki powinien być widoczny przy użyciu mikroskopu przedstawiony jest na rys 11.

Rys.11. Idealny światłowód widziany przy użyciu mikroskopu.

Część uszkodzeń można poprawić poprzez powtórne szlifowanie na drugim rodzaju papieru (nie wyczuwalna szorstkość). Do takich uszkodzeń można zaliczyć: pozostałości po kleju (jedna z metod montażu światłowodu przy użyciu kleju), drobne zarysowania, drobne nadłamania przy zewnętrznej krawędzi światłowodu, zabrudzenia. Część z tych uszkodzeń pokazane są na rysunkach 12 i 13.

Rys.12.Światłowód z pozostałościami kleju.

.

Rys.13.Światłowód z zarysowaniami na łączeniu.

W przypadku zobaczenia w mikroskopie uszkodzeń takich jak na rysunkach 14 i 15 które oznaczają nadłamania światłowodu przechodzące przez środek lub całkowite złamanie włókna, jedynym wyjściem w takiej sytuacji jest powtórne zrobienie wtyczki, gdyż przez tak uszkodzony światłowód nie będzie możliwe przesłanie sygnału świetlnego.

Rys.14.Pęknięty światłowód.

Rys.15.Złamany światłowód.

9. Własności światłowodów

Gdyby światłowód był idealnym medium to sygnał na wyjściu światłowodu musiałby być wierną kopią sygnału wprowadzonego na wejściu. Tak jednak nie jest. Jedną z podstawowych wad światłowodów jest tłumienie, które nie zmienia kształtu sygnału, zmniejsza jedynie jego moc. Tłumienie powodowane jest przez straty falowe wynikające z niedoskonałości falowodu. Należą do nich absorpcja, czyli pochłanianie energii przez cząstki światłowodu, rozpraszanie energii powodowane fluktuacjami gęstości materiału rdzenia oraz fluktuacjami współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu przy jego granicy z rdzeniem, rozpraszanie energii spowodowane niedoskonałościami włókna powstałymi już w fazie produkcji takimi jak: zgięcia falowodu, mikropęknięcia czy spawy. Wszystkie wymienione efekty prowadzą do straty propagowanej energii, przy czym łączna strata energii mocy dP proporcjonalna jest do mocy wprowadzonej do światłowodu i do długości drogi transmisji.

1. . Tłumienie

Jedną z podstawowych wad światłowodu jest tłumienie sygnału optycznego. Spowodowane jest przez straty mocy optycznej wynikające z niedoskonałości falowodu. W rzeczywistym światłowodzie występuje: absorpcja (pochłanianie energii przez materiał światłowodu), rozpraszanie energii spowodowane przez fluktuacje gęstości i współczynnika załamania szkła (tzw. rozpraszanie Rayleigha). W czasie instalacji i użytkowania światłowodów mogą pojawić się dodatkowe składniki tłumienia takie jak zgięcia lub mikropęknięcia.

Tłumienie ma różne źródła:

9.1.1. 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.

9.1.2. Straty falowodowe

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.

9.1.3. Absorpcja

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.

2. . Dyspersja

Impuls biegnący w falowodzie ulega wydłużeniu (rozmyciu), co ogranicza maksymalną częstotliwość sygnału przesyłanego przez falowód. Zjawisko to jest wynikiem dyspersji, fale świetlne biegnące w falowodzie nie mają dokładnie jednakowej długości fali, ale różnią się nieznacznie, w wyniku różnic w prędkości poruszania się różnych fal, fale wysłane jednocześnie nie docierają do odbiornika jednocześnie. 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 zleją się one w światłowodzie w jedną ciągłą falę). 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.

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. Uzyskano też dla fali 1550 nm tłumienność rzędu 0,2 dB/km.

9.2.1. Dyspersja modowa

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 mniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z długością światłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz×km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe.

9.2.2. Dyspersja chromatyczna

Z racji tego, że światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mod, 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 falowa.

9.2.3. Dyspersja materiałowa

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 mod charakteryzuje się rozmyciem w czasie.

9.2.4. Dyspersja falowa

Dyspersja falowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.

10. Wady i zalety światłowodów.

10.1. Zalety światłowodu

• Pozwala ma osiągnięcie zawrotnych przepustowości - nawet ponad 1Gb/s.

• Można ciągnąc kabel nawet do 5km (w pewnych zastosowaniach (sieci WAN) osiąga się do stu kilometrów bez "wzmacniania" sygnału).

• Dość dobrze nadaje się do instalacji zewnętrznych ze względu na obojętność na zakłócenia, szumy oraz odporność na niekorzystne warunki atmosferyczne.

• Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne,

• Brak generacji zakłóceń elektromagnetycznych,

• Brak prądów błądzących,

• Brak różnic potencjałów,

• Mała tłumienność,

• Duża trwałość, rzędu 25 lat,

10.2. Wady światłowodu

• Wysoka cena kabla.

• Wysoka cena urządzeń dostępowych i montażowych.

• Niewielka elastyczność kabla (pod żadnym pozorem nie wolno go załamywać).

• Trudny w montażu - złożoność instalacji

11. Przyszłość światłowodów
    

Światłowody są z pewnością przyszłością informatyki i telekomunikacji. Są akceptowane przez większość technologii sieciowych. Umożliwiają stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia wysokoefektywny transfer danych, przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem - nie wytwarzają własnego pola magnetycznego w związku, z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji. Długość światłowodu jest praktycznie nieograniczona - zależy wyłącznie od parametrów tłumiennościowych kabla (dla kabli jednomodowych), w porównaniu do innych kabli światłowody zapewniają minimalne straty sygnału. Ich żywotność wynosi 25 lat. Do wad zaliczyć należy złożoność instalacji - wymagane jest stosowanie kosztownych, specjalistycznych narzędzi oraz bardzo wysoką cenę nie tyle samego kabla, co urządzeń dostępowych i montażowych. Dołączenie nowego urządzenia wymaga wyższych kwalifikacji. Ten typ medium transmisyjnego stosuje się w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych, w środowiskach o średnim i dużym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych oraz w połączeniach wymagających wysokiej niezawodności, nap. serwerów do sieci.

11

---