WYŻSZA SZKOŁA MORSKA w SZCZECINIE WYDZIAŁ MECHANICZNY	LABORATORIUM FIZYKI				Nazwisko i imię: Robert Dąbrowski
		Nr ćwicz: 3	Temat ćwiczenia: ŚWIATŁOWODY
										Rok akademicki: 1999/2000
Data wyk. ćwicz.: 31.05.2000	Data oddania spraw.: 7.06.2000		Ocena:	Podpis wykładowcy:		Grupa : III MAa

1. Wiadomości podstawowe o światłowodach .

Światłowód jak sama nazwa wskazuje - służy do przesyłania fal elektromagnetycznych o częstotliwościach fal świetlnych lub zbliżonych . Najczęściej mają postać cylindrycznego włókna lub też postać paskową , stosowaną w układach optyki zintegrowanej .

Materiał światłowodu jest w zasadzie dielektrykiem , a więc światłowody są falowodami dielektrycznymi . Do wyjątków należą światłowody powietrzne lub gazowe .

Podstawowym materiałem światłowodów jest szkło , choć w pewnych przypadkach - zwłaszcza krótkich odcinków - plastykowe włókna wykazują dużą przydatność .

Techniki transmisyjne wykorzystujące światłowody pozwalają na uzyskanie dużo większych przepływności danych i na znacznie większe odległości niż w przypadku tradycyjnych przewodów miedzianych . Na dodatek transmisja odbywa się przy mniejszej stopie błędów .

Pierwszymi światłowodami były rury metalowe lub szklane wewnątrz metalizowane , wypełnione powietrzem lub gazem obojętnym . Ich średnice były nie mniejsze od kilku milimetrów .

Rozchodzenie się fal świetlnych w tego typu rurze przedstawia rysunek .

Światłowód rurowy

Wiązka promieniowania odbija się od jej wewnętrznej powierzchni . Odbicia wywołują stosunkowo niewielkie straty energii w dobrze wypolerowanych rurach , dopóki kąty odbicia są niewielkie . Poważniejszy wpływ na rozkład energii promieniowania wywierają drobne nierówności powierzchni . Zawężają one pasmo transmisyjne typowego światłowodu rurowego do kilku gigaherców na kilometrowym odcinku tego światłowodu . Podobnie oddziałują wszelkie odchylenia od geometrii (liniowości) światłowodu powodując , że dopuszczalny promień zagięcia rury jest rzędu pół kilometra co z góry wyklucza szersze zastosowanie tego typu światłowodów w praktyce telekomunikacyjnej . Miejsce światłowodów rurowych przejęły światłowody dielektryczne .

2. Światłowody dielektryczne - rodzaje i zasada pracy .

Światłowody dielektryczne prowadzą falę elektromagnetyczną we włóknie (rdzeniu) wykonanym z materiału optycznie gęstszego od otaczającego go ośrodka (płaszcza) . Wewnątrz światłowodu fala odbija się na granicy ośrodków .

Światłowód dielektryczny

Warunkiem koniecznym jest , aby przenikalność elektryczna (stała dielektryczna) włókna była większa od przenikalności elektrycznej otaczającego go ośrodka (ε₂ < ε₁) . Ponieważ :

gdzie :

ε - przenikalność elektryczna ( stała dielektryczna )

n - współczynnik załamania światła

a więc między współczynnikami załamania musi zachodzić podobna zależność. Charakter odbicia fali na tego typu ścianie dielektrycznej jest nieco inny niż odbicia na ścianie metalowej . Padająca na ścianę metalową fala elektromagnetyczna praktycznie nie wnika w nią , lecz zamyka się prądami wzbudzanymi w metalu . Natomiast fala elektromagnetyczna padająca na ścianę dielektryczną , wchodzi na pewną głębokość optycznie rzadszego dielektryka . Odbijający się promień świetlny zagina się na pewnej głębokości w tym ośrodku. Jest to tzw. efekt Goss - Haenchena.

Odbicie na ścianie dielektrycznej

Istnienie tego zjawiska sprawia prawdopodobnie , że drobne nierówności powierzchni ściany dielektrycznej nie są tak szkodliwe przy przesyłaniu fal elektromagnetycznych w światłowodach , jak analogiczne nierówności metalowych światłowodów rurowych . Wspomniany efekt Goss - Haenchena jest zazwyczaj pomijalny , gdyż wpływa tylko na zależności fazowe , nieistotne w telekomunikacji światłowodowej .

Warunkiem rozprzestrzeniania się fali elektromagnetycznej jest , aby jej promienie odbijały się od ściany dielektrycznej pod kątem θ , mniejszym od kąta krytycznego θ_kryt wyznaczonego przez prawo Snelliusa :

gdzie : n₁ - współczynnik załamania ośrodka prowadzącego falę ,

n₂ - współczynnik załamania ośrodka otaczającego .

Powyższe rozważania wykazują , że pojedyncze włókno wykonane z mało stratnego materiału o przenikalności elektrycznej ε₁ większej od przenikalności otoczenia może wieść falę elektromagnetyczną . W praktyce takie włókno , zwane rdzeniem , otoczone jest płaszczem o mniejszej przenikalności elektrycznej ε₂ . Jest to konieczne , aby stworzyć „podparcie” mechaniczne dla rdzenia , a również , aby umożliwić powstanie odpowiedniego rozkładu pola elektromagnetycznego w światłowodzie . Zazwyczaj tak ukształtowany światłowód włóknisty jest zaopatrzony w dodatkową warstwę zewnętrzną , aby uchronić część optycznie czynną od wpływów mechanicznych i chemicznych .

W światłowodzie płaszczowym średnice płaszcza są rzędu paru setek mikrometrów , a długość odcinka wynosi części metra do kilometra , w zależności od zastosowań . Promieniowanie wnikające do światłowodu może się w nim rozchodzić w postaci fal własnych rdzenia lub płaszcza , względnie wyciekać do otaczającego ośrodka .

Promienie świetlne wchodzące do płaszczowego światłowodu dielektrycznego

Rodzaj wzbudzonych fal zależy od kąta , pod którym wchodzi wiązka świetlna przez płaszczyznę czołową do wnętrza światłowodu . Jedynie fale rdzeniowe są użytecznym rodzajem energii prowadzonej przez światłowód . Wzbudza je ta część promieniowania padającego na płaszczyznę czołową światłowodu , która zawiera się w kącie bryłowym 2α , odpowiadającym kątowi krytycznemu Θ_kryt . Ten kąt α wyznacza aperturę numeryczną NA światłowodu :

Apertura numeryczna określa zdolność światłowodu do pobierania użytecznej energii świetlnej . Fale płaszczowe i fale wyciekające są wywołane promieniowaniem wchodzącym do światłowodu pod kątem większym niż α (czyli promieniowaniem będącym poza kątem bryłowym 2α) oraz powstają z fal rdzeniowych na skutek rozpraszania się ich na niejednorodnościach ośrodka lub na nierównościach powierzchni rdzenia .

Światłowody dielektryczne wykonuje się zazwyczaj ze szkła o nieco odmiennych składach chemicznych rdzenia i płaszcza , mających wymagane wartości współczynników załamania światła . Tańsze gatunki światłowodów mają rdzeń ze szkła , a płaszcz z plastyku . Odnosi się to zwłaszcza do światłowodów o większych średnicach , zbliżonych do milimetra .

2.1. Rodzaje światłowodów dielektrycznych .

Ze względu na sposób propagacji światła wyróżnia się dwa rodzaje światłowodów dielektrycznych : wielomodowe i jednomodowe . Swiatłowody wielomodowe są tańsze , ale z powodu dyspersji impulsy nimi przesyłane ulegają większemu zniekształceniu niż w światłowodach jednomodowych . Promienie odbijające się od ścianek światłowodu docierają na jego koniec w różnym czasie i „rozmywają” przesyłany impuls , natomiast w światłowodzie jednomodowym promienie biegną równolegle i w związku z tym opisany efekt nazywany dyspersją międzymodową nie występuje .

Wysyłany impuls składa się z fal o różnych częstotliwościach (nieparzyste harmoniczne) , które transmitowane są z różnymi prędkościami . Różnice tych prędkości powodują na końcu światłowodu dodatkową dyspersję chromatyczną i wynikające z tego dalsze rozmycie impulsu w światłowodzie wielomodowym . Efekt ten potęguje się wraz z poszerzeniem widma źródła światła , co jest charakterystyczne dla tańszych diod LED stosowanych jako nadajniki sygnałów.

Rozchodzenie się promieniowania w światłowodzie wielomodowym - szerokość rdzenia 60 mikronów

Rozchodzenie się światła w światłowodzie jednomodowym - szerokość rdzenia 9 mikronów

Światłowód wielomodowy gradientowy jest odmianą o nieco lepszych parametrach , a poprawa jakości związana jest z optymalizacją współczynnika załamania światła w szkle rdzenia - od środka do płaszcza światłowodu .

3. Zastosowanie światłowodów .

Ze względu na zastosowanie światłowody można podzielić pod względem długości , gdyż w miarę wzrostu ich długości rosną ich wymagania co do jakości. Zatem światłowody dzielimy na :

• bardzo krótkie (centymetrowe) ,

• krótkie (metrowe) ,

• średnie (stumetrowe) ,

• długie (kilometrowe i dłuższe) .

Światłowody bardzo krótkie , bo centymetrowej długości , znajdują zastosowanie w konstrukcji przyrządów elektronooptycznych , głównie w postaci płytek złożonych z wielu tysięcy uporządkowanych włókien . Krótkie , metrowej długości , składa się równolegle w wiązki , które poddane spiekaniu w dostatecznie wysokiej temperaturze tworzą pręt o kilkuset światłowodach . Tego typu pręty składa się znowu w wiązkę i spieka powtórnie . Powstaje w ten sposób blok uporządkowanych setek tysięcy światłowodów , który tnie się na plastry stanowiące materiał wyjściowy elementów optyki włóknistej . Dobór szkła na światłowody tego typu odbywa się pod kątem łatwego wykonania plastra światłowodowego , przy czym jego tłumienie gra drugorzędną rolę . Powierzchnie plastra światłowodowego szlifuje się do kształtów i rozmiarów wymaganych w danej konstrukcji przyrządu . Przykładem takich zastosowań może być lampa oscyloskopowa , której płaski ekran zewnętrzny i kulista powierzchnia wewnętrzna pokryta fosforem pozwalają na tworzenie płaskiego obrazu bez zniekształceń , np. w fotografii kontaktowej .

Lampa oscyloskopowa z optyką światłowodową

W ten sposób można również przekazywać bez zniekształceń mapy lub obrazy w telekomunikacji satelitarnej .

Innym przykładem może być optyka światłowodowa w elektronooptycznym wzmacniaczu jaskrawości obrazu , stosowanym w lunetach astronomicznych lub noktowizorach .

Światłowody krótkie , metrowych długości , znajdują obecnie liczne zastosowanie . Nieuporządkowanych wiązek włókien płaszczowych używa się do wytwarzania różnych efektów iluminacyjnych , np. w ozdobnych lampach oświetleniowych . Takie wiązki umieszczone w plastykowej osłonie mogą selektywnie oświetlać różne przedmioty umieszczone poza zasięgiem źródła światła i kontrolować energię świetlną do nich doprowadzoną . Za ich pomocą można sprawdzać oświetlenie niedostępnych przedmiotów , np. kontrola własnych świateł samochodu na desce rozdzielczej .

Pojedyncze lub wiązkowe światłowody są wykorzystywane w technice wysokich napięć , oddzielając obwody o różnych potencjałach (układy pomiarowe różnego typu , uruchamianie zapłonu w tyrystorach wysokiego napięcia , transoptory wysokonapięciowe) . Światłowody omawianych długości są stosowane również w czytnikach optycznych kart perforowanych .

Uporządkowane wiązki światłowodów mogą przekazywać obrazy i dlatego noszą nazwę obrazowodów . Obrazowody wykonuje się w postaci wiązki kilkudziesięciu lub kilkuset tysięcy włókien , zależnie od wymaganej rozdzielczości obrazu . Krótsze obrazowody (decymetrowe) są wykorzystywane w postaci całkowicie sztywnej , odpowiednio wygięte w zależności od wymaganej drogi światła w aparaturze .

Dłuższe obrazowody (metrowe) występują w postaci wiązki o usztywnionych obu końcach . Tego typu obrazowody stosuje się w przyrządach zwanych fiberoskopami , stosowanymi w aparaturach technicznych i medycznych .

Światłowody dłuższe służą z zasady do szybkiego przesyłania większej ilości informacji , a więc źródła promieniowania muszą być dostosowane do tego celu .

Światłowody długie są stosowane w telekomunikacji średniego i dalekiego zasięgu . Umożliwiają stosowanie znacznie mniejszej liczby regeneratorów sygnału . dzięki temu połączenia takie są łatwiejsze a w konsekwencji i tańsze w utrzymaniu . Inną bardzo ważną cechą światłowodu jest jego pełna odporność na wszelakiego rodzaju zakłócenia elektromagnetyczne .

Literatura:

Adam Smoliński : „Optoelektronika światłowodowa”

Adam Smoliński : „Światłowody i ich zastosowanie”

„PC kurier” 11 - 29 maja 2000

β

β

Rdzeń

Płaszcz

n₂

n₁

α

_Θmax

α

Fale rdzeniowe

_n2

_n1q

Osłona lub warstwa absorpcyjna

Fale płaszczowe

Fale wyciekające

Wygląd impulsu sygnału wejściowego

Wygląd impulsu sygnału wyjściowego

Płaszcz

Rdzeń

Rdzeń

Płaszcz

Wygląd impulsu sygnału wyjściowego

Wygląd impulsu sygnału wejściowego

Rura oscylograficzna

Powłoka fosforowa na sferycznej powierzchni wiązki światłowodów

Film (błona fotograficzna)

---