Technika światłowodowa

W 1880 roku inżynier z Concord (Massachusetts, USA) William Wheeler skonstruował i opatentował konstrukcję, którą nazwał rurociągiem świetlnym (ang. light piping). Była to prawdopodobnie pierwsza poważna próba prowadzenia światła w ośrodku szklanym. Wheeler planował wykorzystać swój pomysł do oświetlania wnętrza budynków, ale wynaleziona przez Edisona żarówka wyeliminowała pomysł jako zbyt skomplikowany i niepraktyczny.

Transmisja światłowodowa polega na prowadzeniu przez włókno szklane promieni optycznych generowanych przez źródła światła. Ze względu na niskie tłumienie, brak wpływu zewnętrznego pola elektromagnetycznego na prowadzony sygnał oraz inne zalety, światłowód stanowi obecnie najlepsze medium transportowe dla nowoczesnych torów transmisyjnych. Transmisja polega na połączeniu ze sobą nadajnika optoelektronicznego z odbiornikiem optoelektronicznym za pomocą światłowodu. Jako nadajniki są obecnie używane diody LED lub diody laserowe LD. Jako odbiorniki stosuje się fotodiody.

Budowa światłowodu

Medium transmisyjne światłowodu stanowi czyste szklane włókno kwarcowe wykonane z dwutlenku krzemu o przekroju kołowym - rdzenia, w którym światło jest zamknięte przez otoczenie nieprzezroczystym płaszczem. Dla wykorzystywanych w transmisji długości fali, współczynnik odbicia światła w płaszczu jest mniejszy niż w rdzeniu, co powoduje całkowite wewnętrzne odbicie promienia i prowadzenie go wzdłuż osi włókna. Średnicę światłowodu specyfikuje się zarówno dla rdzenia jak i dla powłoki zewnętrznej. Dla współcześnie produkowanych światłowodów jednomodowych średnica rdzenia wynosi od 4 do 10 µm (głównie 9µm), przy średnicy powłoki od 75 do 125µm (głównie 125µm). Dla światłowodów wielomodowych o skokowej lub gradientowej zmianie współczynnika odbicia średnica rdzenia mieści się w zakresie od 50 do 1000µm, a średnica zewnętrza płaszcza w zależności od struktury wewnętrznej wynosi:

- od 125 do 140µm dla światłowodów ze współczynnikiem gradientowym (rdzeń niejednorodny),

- od 125 do 1050µm dla światłowodów ze współczynnikiem skokowym (rdzeń jednorodny).

Najczęściej spotykana, znormalizowana średnica zewnętrzna płaszcza światłowodu wynosi 125µm, a średnica płaszcza lakierowanego - 250µm.

Zasadniczą cechą włókna są mody światłowodowe, określające rozkład pola i fizyczny kształt wiązki świetlnej układającej się w światłowodzie. W światłowodzie wielomodowym istnieją warunki optyczne do powstania i przesyłania wzdłuż włókna optycznego wielu dyskretnych modów (promieni świetlnych), każdy o odmiennej długości fali świetlnej i szybkości propagacji. Dla jednomodowej transmisji światła stosuje się światłowody o mniejszej średnicy rdzenia (typowo - 9µm), która jest porównywalna z długością fali świetlnej. W światłowodach tych prowadzona jest tylko jedna monochromatyczna wiązka światła o stałej szerokości propagacji impulsu, co wpływa na zmniejszenie dyspersji transmitowanego sygnału i zwiększa długość toru światłowodowego bez potrzeby regeneracji sygnału.

Dyspersja w światłowodach

Dyspersja włókna jest cechą określającą przydatność światłowodu do transmisji długodystansowej. Dyspersja światłowodu powoduje przenoszenie impulsów świetlnych w zniekształconej postaci. Wiąże się z różnymi prędkościami rozchodzenia się składowych harmonicznych, odzwierciedlających przesyłany impuls wejściowy. Deformacja (poszerzenie) impulsu na skutek dyspersji chromatycznej rośnie z odległością transmisji i powyżej krytycznej długości powoduje nierozróżnialność impulsów. Na całkowitą dyspersję światłowodu składają się:

- dyspersja modowa (nie występuje dla włókien jednomodowych, a dla gradientowych jest nieznaczna),

- dyspersja materiałowa, nazywana chromatyczną, spektralną lub widmową (spowodowana przesyłaniem wielu fal monochromatycznych w rdzeniu z różnymi prędkościami),

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

Najbardziej istotnym z efektów ograniczających zasięg transmisji światłowodowej jest tłumienie. Ze względu na kształt charakterystyki tłumiennościowej szkła kwarcowego w zależności od długości fali, kolejne generacje systemów światłowodowych wykorzystywały do transmisji fal o długościach l=850nm, l=1300nm oraz l=1550nm. Te charakterystyczne punkty nazywane są odpowiednio I, II i III oknem transmisyjnym. I okno transmisyjne zastosowano już w latach siedemdziesiątych. Za atrakcyjnością tego okna przemawia dostępność tanich źródeł światła - diod elektroluminescencyjnych, wadą jest wysoka tłumienność ograniczająca odległość transmisji do kilkunastu kilometrów. II okno transmisyjne dla fali 1300nm stosowano w latach osiemdziesiątych, wtedy bowiem opanowano technologię wytwarzania światłowodów jednomodowych o niskiej tłumienności, pozwalających na zwiększenie zasięgu transmisji do 100km. Transmisję na długości fali 1550nm (w III oknie) zastosowano w latach dziewięćdziesiątych. Opracowano wtedy wydajne lasery na taką długość fali. Tłumienność wynosząca mniej niż 0,2dB/km pozwala na transmisje na odległości do 200km.

Łączenie światłowodów

Łączenia światłowodów można dokonywać w sposób trwały lub rozłączny. Połączenia trwałe, zwane spawami światłowodowymi, umożliwiają wykonywanie długodystansowych, jednorodnych strukturalnie linii transmisyjnych między regeneratorami optycznymi. Połączenia takie, wykonywane początkowo przez klejenie powierzchni włókien zostały całkowicie wyeliminowane przez spawy termiczne, w których uzyskuje się tłumienność przejścia sygnału poniżej 0,1dB. Połączenia rozłączne są przeznaczone do przedłużania kabli światłowodowych lub ich krosowania z siecią teleinformatyczną. Zapewniają przenoszenie energii świetlnej z małymi stratami i powtarzalność parametrów w kolejnych połączeniach. Uzyskanie niskich strat przejścia wymaga precyzyjnej obróbki mechanicznej elementów złącza - prawidłowego osiowania włókna i odpowiedniego styku czół łączonych światłowodów. Końcówki włókien kabla światłowodowego, zakończone fabrycznie złączami nazywane są pigtailami, natomiast do krosowania torów światłowodowych w łącznicach telekomunikacyjnych i węzłach komutacji stosuje się krótkie odcinki światłowodowe - patch cordy - zakończone odpowiednimi złączami.

Ważne zalety stosowania światłowodów:

• szerokie pasmo przenoszenia,

• mała tłumienność,

• brak wpływu EMI,

• brak przesłuchów między liniami,

• bardzo utrudniony podsłuch,

• separacja galwaniczna łączonych urządzeń.

Do budowy sieci światłowodowych (oprócz samego światłowodu) niezbędne są elementy aktywne (np.: nadajniki, odbiorniki, transceivery, wzmacniacze optyczne, przełączniki, huby, karty sieciowe i inne) oraz pasywne (np.: tłumiki, filtry, izolatory, sprzęgacze, złącza, multipleksery i inne), które umożliwiają łączenie ze sobą poszczególnych włókien światłowodowych w pożądaną strukturę sieciową. Elementy pasywne umożliwiają również wykorzystanie istniejącej infrastruktury sieciowej do zwielokrotnienia przesyłu danych (bez konieczności układania nowych kabli światłowodowych) poprzez jednoczesną transmisję sygnałów na różnych długościach fal lub przy użyciu cyrkulatorów - w dwóch kierunkach w jednym torze.

---