Marcin Magierski

Inżynieria Bezpieczeństwa rok 3 gr. C2

Rodzaje Światłowodów

1. Światłowód.

Światłowód - jest to pewien rodzaj kanału (falowód optyczny) służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Zasada jego działania polega na wielokrotnym wykorzystaniu zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia (odbicie i załamanie fal) wiązki światła podążającej wzdłuż światłowodu. Stanowi on obecnie najlepsze medium transportowe stosowane w telekomunikacji. Taki stan rzeczy spowodowany jest znikomym zjawiskiem tłumienia (około 0.20dB/km), odporności na zewnętrzne pola elektromagnetyczne, a także stopie błędów mniejszej niż 10^-10 przy najwyższych przepływach biernych oraz faktem że światłowody nie wytwarzają własnego pola magnetycznego więc niemożliwe staje się podsłuchanie transmisji.

Do transmisji danych, zamiast prądu elektrycznego, wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiązka światła, dzięki czemu możliwa jest transmisja danych osiągająca nawet 6,875 Tb/s.

1. Zasada działania światłowodu.

Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła, którego źródłem może być dioda laserowa lub dioda elektroluminescencyjna (LED). Po drugiej stronie światłowodu jest ona odbierana przez element światłoczuły, np. fotodiodę. Aby zapewnić prawidłową i szybką transmisję, wiązka światła jest modulowana. Zapobiega to mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału. Tłumienie i dyspersja przesyłanej wiązki światła zależą od długości fali i materiału światłowodu.

1. Budowa światłowodu.

Światłowodami są zazwyczaj przeźroczyste włókna dielektryczne (światłowody włókniste) składające się z rdzenia i otaczającego go płaszcza wykonanego z materiału o współczynniku załamania mniejszym od współczynnika załamania materiału rdzenia. Najczęściej są stosowane włókna szklane ze szkła krzemionkowego (światłowody kwarcowe) lub fluorkowego ewentualnie włókna plastikowe (światłowody polimerowe), wykonane z polimerów: PMMA (polimetakrylanu metylu), FP (fluoropolimerów) albo PS (polistyrenu). Rzadziej stosuje się światłowody ciekłokrystaliczne (fotoniczne) i półprzewodnikowe. Zewnętrzną warstwę światłowodu włóknistego stanowi powłoka ochronna, wykonana najczęściej z polimeru.

Światłowody wykonuje się jako jednomodowe lub wielodomowe w zależności od ilości przesyłanychmodów, czyli fal. Mody światłowodowe są to promienie światła laserowego lub diody, wprowadzone do rdzenia pod różnymi kątami. 

Światłowód składa się z 3 części:

• Rdzeń – jego grubość wynosi w zależności od rodzaju światłowodu od 5 do 50 mikronów. Zbudowany jest najczęściej ze szkła kwarcowego lub plastiku, rzadziej z innych rodzajów szkieł lub materiałów krystalicznych, jak np. szafir.

• Płaszcz – jego średnica to ok. 125 µm. Jest wykonany z materiału o mniejszym współczynniku załamania światła, niż rdzeń. Najczęściej są to plastiki, lecz niekiedy także stosuje się szkła z odpowiednimi domieszkami.

• Pokrycie – jego zadaniem jest chronienie płaszcza i rdzenia przed mikropęknięciami. Wykonane jest z elastycznych materiałów, jak np. akryl. W procesie technologicznym najczęściej składa się z dwóch lub więcej warstw; łączna średnica to ok. 250 µm.

1. Rodzaje światłowodów.

Światłowody telekomunikacyjne dzielimy na jedno i wielomodowe.

Ogólnie światłowód, jako struktura prowadząca światło, może przyjmować różne formy i może być wykonany z różnych materiałów. Zastosowanie światłowodów wykracza daleko poza telekomunikację i obejmuje takie dziedziny jak medycyna, systemy oświetleniowe oraz czujniki.

Światłowody różnią się ze względu na strukturę modową, kształt, materiał wykonania, rozkład współczynnika załamania w rdzeniu i mechanizm prowadzenia światła.

• Światłowody jednomodowe (ang. Single Mode Fibers, SMF) - charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów. W światłowodach jednomodowych sygnał wytworzony przez laser półprzewodnikowy ulega tylko niewielkim zniekształceniom. 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 8 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 ( 3Tb/s przepływności, praktycznie bezstratna transmisja na odległości powyżej 100 km.).

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.

• 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.

  • Światłowód wielomodowy (współczynnik skokowy)

W przeciwieństwie do światłowodu jednomodowego, w kanale światłowodowym transmitowane jest wiele modów. Zachodzi więc zjawisko dyspersji (krawędzie transmitowanego sygnału ulegają rozmyciu), na skutek odbijania wiązek światła pod różnymi kątami od powierzchni płaszcza. W wyniku tej wady przebieg impulsowy wysłany kanałem światłowodowym, na wyjściu odbierany jest z pewnym zniekształceniem. W celu minimalizacji zjawiska dyspersji światłowody tego typu stosuje się na mniejsze odległości i wykorzystuje się mniejsze prędkości transmisji. Dioda LED stanowi najczęściej stosowane źródło światła w tego typu światłowodach.

• Światłowód wielomodowy (współczynnik gradientowy)

Kabel światłowodowy z współczynnikiem gradientowym, stanowi medium pośrednie pomiędzy drogim i najlepszej jakości światłowodem jednomodowy, a tanim i kiepskiej jakości światłowodem wielomodowym ze skokową zmianą współczynnika odbicia. Analizując wartość współczynnika załamania w rdzeniu, można zauważyć że zmniejsza się on w sposób ciągły od środka do zewnątrz. Jeżeli promień świetlny próbuje zmienić swoją drogę jest on stopniowo odchylany aż do momentu w którym zacznie biegnąć środkiem kabla. Wielodomowość tego typu światłowodu jest spowodowana dosyć duża grubością kabla, a co za tym idzie możliwością przenoszenia większej ilości modów. Średnica kabla wielomodowego wynosi 50 mikrometrów, co przy długości fali światła rzędu 1,3 mikrometra powoduje możliwość przenoszenia wielu modów - składowych wiązki świetlnej.

1. Podział światłowodów według geometrii (warstwowe, włókniste, paskowe)

• światłowód warstwowy (planarny) składa się z trzech materiałów o różnych współczynnikach załamania. Światło jest uwięzione w środkowej warstwie na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia fali świetlnej od powierzchni granicznych. Światłowód planarny ogranicza światło tylko w jednym kierunku, w płaszczyźnie warstwy fala może rozchodzić się bez ograniczeń.

• Światłowód paskowy powstaje, kiedy propagacja wiązki w warstwie zostaje ograniczona w dwóch kierunkach. Światłowody paskowe są wykorzystywane w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach półprzewodnikowych. W układach fotoniki zintegrowanej służą do prowadzenia światła, tworząc bardziej rozbudowane struktury jak np. interferometr Macha-Zehndera lub złożone przyrządy jak multipleksery długości fali dla systemów WDM.

• Światłowód włóknisty jest najczęściej spotykanym rodzajem światłowodów. Często określane po prostu mianem „światłowodu”. Jako że to głównie ten rodzaj jest wykorzystywany w sieciach komputerowych wszystkie pozostałe części tego artykułu odnoszą się do tego właśnie rodzaju.

1. Multipleksowanie światłowodów.

Częstą praktyką przy wykorzystywaniu światłowodów jest tzw. multipleksowanie. Umożliwia ono przesyłanie kilku sygnałów za pomocą jednego włókna. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie ma potrzeby stosowania kilku oddzielnych dla każdego sygnału włókien światłowodowych. Wyróżnia się trzy sposoby multipleksowania sygnału:

• Multipleksowanie z podziałem czasu. Polega ono na dzieleniu przesyłanych sygnałów na części, do których później przypisywane są określone czasy transmisji. Przesyłanie przebiega w ten sposób że najpierw przesyłane są pierwsze części wszystkich kolejnych sygnałów (pierwsza część pierwszego sygnału. Pierwsza część drugiego sygnału itd.). Gdy zostaną przesłane, rozpoczyna się przesyłanie drugich części na analogicznej zasadzie. Tego typu multipleksowanie najlepiej spisuje się w przypadku przesyłania sygnałów cyfrowych. Najczęściej łączą one do 16 linii wejściowych.

• Multipleksowanie z podziałem częstotliwości (FDM). Jego zastosowanie zwiększa przepustowość sytemu transmisyjnego. W układzie tym kanały są ułożone względem siebie sąsiadująco. Przesyłane sygnały są przetwarzane na zmiany częstotliwości następujące wokół pewnej środkowej częstotliwości nośnej, należy jednak pamiętać, że każdy sygnał różni się częstotliwością środkową. Ten rodzaj multipleksowania wykorzystuje się do przesyłania sygnałów analogowych.

• Multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM). Przesyłany przy wykorzystaniu tego rodzaju multipleksowania sygnał pochodzi z oddzielnych źródeł. Każdy sygnał posiada określoną unikatową długość fali. Systemy wykorzystujące tą technologię mogą pracować jedynie gdy różnice w długościach fali są mniejsze niż5 nm. Do rozdzielania sygnałów po stronie odbiorcy wykorzystuje się np. siatkę dyfrakcyjną, pryzmat lub wielowarstwowe filtry interferencyjne. Multipleksowanie z podziałem długości fali może być stosowane wyłącznie w systemach optycznych.

1. Zalety i wady światłowodów.

Tak więc podsumowując, główne zalety światłowodu przedstawiają się następująco:

• Nie powodują interferencji elektrycznej w innych kablach ani też nie są na nią podatne.

• Impulsy świetlne mogą docierać na znacznie większe odległości niż to jest w przypadku sygnału w kablu miedzianym.

• Światłowody mogą przenosić więcej informacji niż kable miedziane. Mają większą prędkość i niezawodność transmisji.

• Światłowody charakteryzują się dużą trwałością, rzędu 25 lat, a także niskim stopniem awaryjności.

Jednak pomimo tych zalet światłowody posiadają także kilka znaczących wad:

• Pierwsza z nich jest tłumienie sygnału. Wywoływane jest ono przez straty falowe wynikające z niedoskonałości falowodu. Może mieć ono różne źródła:

  • 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.

  • straty falowodowe – wywoływane są faktem że światłowód nie jest jednorodny. Jest to powodowane odchyleniami od średniej wartości średnicy rdzenia, zgięciami włókna, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu, oraz wszelkimi innymi odstępstwami od geometrii idealnego światłowodu cylindrycznego. Szczególny wpływ na tłumienie sygnału mają mikrozgięcia i makrozgięcia.

    • Mikrozgięcia są to różnice kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Powstają one w czasie wytwarzania włókien. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu.

    • Makrozgięcia, czyli fizyczne zakrzywienia włókna światłowodowego. Tłumienie przez nie wywoływane 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 mogą być także wywoływane przez przesunięcia, rozsunięcia oraz wzajemny obrót światłowodów.

• Kolejnym problemem jest absorpcja, czyli pochłanianie energii przez cząstki światłowodu. Normalnie absorpcja jest niewielka, jednak wzrasta przy niewielkim nawet zanieczyszczeni metalami Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonami OH. Proces ten jest nieodwracalny.

• Dyspersja, czyli zjawisko poszerzenia (rozmycia) impulsu jest następnym problemem. Polega na tym że impuls świetlny na wyjściu jest szerszy niż na wejściu. Impuls ten poszerza się wraz ze wzrostem długości światłowodu. Jest to spowodowane tym, że światło danej długości fali ma odpowiednią szerokość widma. Im jest ono szersze tym więcej promieni porusza się w rdzeniu, przebywając przy tym różną drogę, przez co czas przepływu promienia przez włókno nie jest jednakowy. Dyspersja ogranicza długość światłowodu przez który może być transmitowany sygnał. Wyróżnia się dyspersję międzymodową (światłowody wielomodowe) oraz dyspersję chromatyczną (światłowody jednomodowe).

• Poza tym przy instalowaniu światłowodów konieczny jest specjalny sprzęt do ich łączenia, który wygładza końce włókien w celu umożliwienia przechodzenia przez nie światła.