1. Światłowód jednomodowy :

1. Budowa :

Budowa światłowodu jednomodowego jest prosta, lecz proces jego produkcji należy do cięzkich i drogich, z racji na specyficzne wymagania stawiane temu rodzajowi światłowodu.

Światłowód jednomodowy składa się z dwóch podstawowych warstw:

• Włókna szklanego

• Płaszcza

Specyfika tego typu światłowodu wymaga, aby średnica włókna szklanego tworzącego rdzeń mieściła się w granicach 8 do 10 mikrometrów. Dzięki takiemu rozwiązaniu światło rozchodzi się prawie prostoliniowo, choć nie idealnie prosto, ponieważ jest to ciężkie do osiągnięcia w praktyce. Dlatego światłowód ten jest mimo wszystko skokowy, czyli przebieg promienia świetlnego odbywa się na zasadzie odbijania się promienia, całkowitego wewnętrznego odbicia. Technologia wytwarzania tego rodzaju światłowodu jest droga i wymaga, aby częstotliwość znormalizowana światłowodu V była mniejsza niż 2,405. 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.

1. Zastosowanie :

Światłowody tego rodzaju znalazły zastosowanie w telekomunikacji przede wszystkim na dalekie odległości. Jego budowa i wynikająca z niej mala tłumienność i dyspersja pozwalają wykonywać bardzo szybkie połączenia bez konieczności wstawiania wzamcniaczy i jednocześnie pozwalają uzyskac przepustowość danych sięgającą 1 tera bajta na sekunde. Obecnie są szeroko wykorzystywane przy zakładaniu sieci internetowych.

1. Projekt światłowodu jednomodowego w programie LightTools.

1. Obliczenia teoretyczne:

Częstotliwość znormalizowana światłowodu jednomodowego ma być mniejsza niż 2,405:

d = 8 * 10⁻⁶m

λ=13 * 10⁻⁶m

n1 = 1,66

n2 = 1,4

$$V = \frac{\pi*8*10^{- 6}m}{13*10^{- 6}m}*\sqrt{{1,66}^{2} - {1,4}^{2}} = 1,72$$

1, 72 < 2, 405

Wartość kąta granicznego:

$\alpha_{\text{gr}} = arcsin(\frac{1,45}{1,46}$)=83,3 ˚

Apertura numeryczna :

$N_{A}\sqrt{{1,66}^{2} - {1,4}^{2}}$=0,89

1. Zastosowanie światłowodów.

Światłowody znalazły zastosowanie przedewszystkim w telekomunikacji. Dzięki swoim właściwościom są najszybszą i najbardziej optymalną metodą transferu informacji, osiągami zdecydowanie górują nad klasycznymi rozwiązaniami np. kablem miedzianym. Oferują prędkości transferu dochodzące nawet do 3 Tb oraz zapewniają z racji swej zasady działania ( która polega na przesyle wiązki światła a nie jak w klasycznym rozwiązaniu, prądu) bezpieczeństwo przed niepowołanym podpięciem się osoby postronnej, przez co niejako zabezpieczają dane użytkownika. Światłowody wykorzystuje się także jako izolacje galwaniczną (na krótkie odległości) i, choć na o wiele mniejszą skalę, do produkcji celowników łuczniczych oraz strzeleckich ogółem, jako elementy dekoracyjne czy też zwykłe gadżety i zabawki.

Budowa światłowodu jest w zasadzie prosta. Najbardziej prosty swiatlowód jest zrobiony z rdzenia, o wiekszym współczynniku załamania, w którym propagujemy promienie świetlne oraz z plaszcza, który ma mniejszy współczynnik załamania. Jednak jest to opis bardzo uproszczony i odnosi się głównie do falowodów świetlnych o dość dużych rozmiarach. W kontekscie małych wymiarów swiatłowodów należy rozpatrywać przedewszystkim światło jako falę, a nie promień jak w klasycznej optyce.

Przebieg wiązki światła we włóknie światłowodowym.

Głównym materiałem z którego wykonuje się włókna światłowodowe jest SiO₂ czyli tlenek krzemu ( krzemionka a właściwie kwarc, głowny składnik piasku), ponieważ jest to surowiec łatwo dostępny i tani ale charakteryzujacy się bardzo dobrymi właściwościami optycznymi. Inne materiały takie jak tworzywa sztuczne oraz półprzewodniki także są stosowane, aczkolwiek najczęściej stosuje się domieszkowane szkło.

Schemat przedstawiający budowę światłowodu.

1. rdzeń

2. płaszcz

3. bufor

Budowa wewnętrzna światłowodu może się różnić w zależności od typu, co omówie w punkcie poniżej.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Omówione wcześniej światłowody jednomodowe są dotychczas niezastąpionym medium transmisyjnym na duże i średnie odległości. Niestety wraz ze skracaniem długości łącz optycznych (poniżej 1000-500 metrów) stają się one nieekonomiczne – koszt łącza jest wysoki. W związku z tym na niewielkich odległościach czy w sieciach lokalnych wykorzystuje się światłowody plastikowe - POF (ang. Plastic Optical Fibers). W porównaniu do kabli miedzianych odznaczają się one wysoką przepustowością choć dużo mniejszą niż światłowody krzemowe, nie są wrażliwe na zakłócenia polem elektromagnetycznym. Dużo większe rozmiary rdzenia, jak i światłowodu pozwalają na łatwe łączenie włókien i stosownie tańszych źródeł światła (np. diody LED). Niestety odznaczają się dużo większą tłumiennością w porównaniu do światłowodów krzemowych.

Spawanie światłowodów przeprowadza się wtedy kiedy dysponujemy za krótkim odcinkiem światłowodu i chcemy go wydłużyć. Do spawania używa się spawarek światłowodowych, które pozwalają na bardzo szybkie i precyzyjne połączenie włókien. Tłumienie dobrze wykonanych spawów wynosi 0,02 dB. Natomiast w przypadku kiedy potrzebujemy połączyć światłowód z innym elementem toru optycznego stosujemy tzw. złączki czyli złącza rozłączalne. Tego typu rozwiązania wprowadzają znacznie większe tłumienie. Tłumienie obecnie stosowanych złączek średnio wynosi od 0,2 dB do 0,3 dB, czyli jest dziesięciokrotnie większe niż w przypadku spawów. Złącza mechaniczne zawsze wprowadzają niewielkie straty mocy optycznej. Prezentowane na rysunku charakterystyki pozwalają oszacować te straty w zależności od rodzaju niedoskonałości połączenia.

W światłowodowym łączu optycznym promieniowanie diody LED albo lasera musi być wprowadzone do światłowodu. Wiązka wypromieniowana przez diodę LED jest stosunkowo szeroka i wprowadzenie jej do światłowodu nie jest sprawą prostą. Przy sprzężeniu wiązki ze światłowodem jednomodowym sprawność sprzężenia nie jest większa, niż 1%. Wiązka wypromieniowana przez diodę laserową jest węższa i sprawność sprzężenia ze światłowodem wynosi w typowych przypadkach 40-50%.

Dyspersja materiałowa[edytuj | edytuj kod]

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^[21].

Dyspersja falowodowa[edytuj | edytuj kod]

Dyspersja falowodowa jest to zależność efektywnego współczynnika załamania od częstotliwości. Dyspersja falowodowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza^[21].

Światłowody jednomodowe (ang. Single Mode Fiber, SMF) charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. 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. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez regeneracji na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat

Założenia do projektu:

Współczynnik załamania rdzenia: n₁=1,475

Współczynnik załamania płaszcza: n₂=1,46

Średnica rdzenia: a=50µm

Średnica płaszcza: b=125µm

Zgodnie z normami ITU-T G-651 tłumienność jednostkową przy długość fali λ=1300nm przyjmuję: 0,5dB/km

Długość projektowanego światłowodu: 300 km

Współczynnik profilu światłowodu gradientowego: q=2

• Dyspersja materiałowa

spowodowana jest zależnością współczynnika załamania światła od długości fali