Technika falo- i światłowodowa
Falowody  elementy planarne (płytki, paski)
Światłowody  elementy cylindryczne (włókna światłowodowe)
płytkowy paskowy włókno optyczne
Rdzeń o wyższym współczynniku załamania n1 umieszczony
w ośrodku o niższym współczynniku n2
w światłowodzie mówi się o płaszczu
Geometrycznie  pułapka stworzona przez całkowite wewnętrzne odbicie
Technologia wyciągania światłowodu z preformy
Preforma  pręt domieszkowanego
Podajnik preformy
szkła kwarcowego
Piec  temp. 20000C
System pomiaru
średnicy
Wanna z materiałem
Sterownik na płaszcz
szybkości
Stanowisko utwardzania
wyciągania
płaszcza
światłowodu
Bęben z
nawiniętym
światłowodem
Sterowanie
naciągiem
Apertura światłowodu
Światłowód w powietrzu n = 1
n = 1
ąg
n1  współczynnik zał. rdzenia
�g
�a
rdzeń
n1
n2  współczynnik zał. płaszcza
n2 płaszcz
Na granicy rdzeń-powietrze z
sin Ńa = n1 sin Ńg = n1 cosąg
prawa załamania
Na granicy rdzeń-płaszcz z
n1 sin ąg = n2(sin 900)
prawa całkowitego odbicia
Apertura numeryczna światłowodu
2
NA = sin Ńa = n1 - n2

2
NA = sin Ńa = n1 1- sin2 ąg
Maksymalny kąt aperturowy �a kąt akceptacji
Modowość światłowodu
Promień
Promień
prowadzony
wyciekający
ą
2a
2�a
Propagują się tylko te fale, które po dwukrotnym odbiciu
są w fazie z falą przed odbiciem
Inne fale są tłumione
fale w fazie
Propagujące się fale
nazywamy modami
n1
Modowość propagującego się promieniowania
C
płaszcz
A
900
2a
�
n1 rdzeń
�m
�m
B
n1(AB - AC)= m m = 1, 2, 3, ..
Warunek zgodności fazy
2a
AB =
2a  średnica rdzenia
sin Ńm
2a
Ń'+2Ńm = 900
AC = ABsin Ń'= cos(2Ńm)gdyż
sin Ńm
Ponieważ 1- cos ą = 2sin2(0.5ą)
ostatecznie
warunek zgodności fazy
4an1 sin Ńm = m m = 1, 2, 3, ..
Wpływ modowości na szerokości impulsu
Poszerzenie
Rozkład
impulsu na
współczynnik
skutek jego
a załamania
propagacji
skokowa zmiana n
n2
wielomodowy
n1
step-index
gradientowy
n2
wielomodowy
n1
skokowy
n2
jednomodowy
n1
Modowość propagującego się promieniowania
warunek zgodności fazy
4an1 sin Ńm = m m = 1, 2, 3, ..
dla modu m
Jednomodowy światłowód (m = 1)
musi spełniać warunek
4an1 sin Ń1max < 
NA = sin Ńa = n1 sin Ń1max
Z prawa załamania
i ostatecznie warunkiem dla
0.5
światłowodu jednomodowego 2a <
NA
będzie
Przykładowo dla NA = 0.1  = 1.55 źm 2a < 7.75 źm
Dla większych apertur NA średnice rdzenia jeszcze mniejsze
Przykładowe parametry
Ś Ś Kąt
rdzenia płaszcza akceptacji
Typ NA
źm źm stopnie
Skokowy 100 125 0.3 40
400 1000 0.4 50
Gradientowy 50 125 0.2 26
Jednomodowy 3-9 125 0.12 14
Włókno jednomodowe ma
średnicę poniżej 10 źm
Rozkłady intensywności dla
2 różnych modów
Tłumienność światłowodów
P0  moc początkowa Pt  moc transmitowana
� - stała zależna od stopnia tłumienia
Pt = P0 exp(-�L)
L  długość światłowodu
P0
log = 1
Pt = 0.1P0 gdyż
Tłumienie jednego bela (1B)
Pt
Jednostki tłumienności w dB/km
1 dB  20% spadku sygnału
Przyczyny tłumienia
Absorpcja materiału -
transmisja szkła kwarcowego w paśmie 0.4  4.5 źm
Zanieczyszczenia, wpływ domieszek
Rozproszenie Rayleigha w zakresie krótkofalowym
i (G) Mie na nieregularnościach
Szkło kwarcowe domieszka GeO2 - okna transmisyjne
dla  = 1.3 i 1.55 źm
10.0
5.0
Absorpcja w IR
1.0
Rozproszenie
0.5
Rayleigha
Absorpcja w UV
0.1
0.05
Straty falowodowe
0.01
0.8
1.0 1.2
1.4 1.6 1.8
źm
Tłumienność [dB/km]
Podstawowe elementy toru światłowodowego
Sygnał
Sygnał
pompa
elektryczny
elektryczny
Odbiornik
Dioda
Sprzężenie Sprzężenie
wzmacniacz
z
ródła ze światłowodu z
światłowodem odbiornikiem
Złącze stałe (spaw)
Złącze stałe (spaw)
lub rozłączne
lub rozłączne
Telekomunikacja
Straty w linii światłowodowej
Moc nadawana
ln P0
Strata na spawie
Straty w
światłowodzie
Strata na spawie
Margines
bezpieczeństwa
Minimalna moc rejestrowana
ln Pt,min
Lmax zasięg
Długość linii L
Zalety światłowodów
Małe średnica (ogólnie wymiary)
Średnica płaszcza zazwyczaj 125źm, a z osłoną 1 mm. Kabel Ś19 mm
ze 133 światłowodami dla 1.75 milionów rozmów telefonicznych.
Koncentryczny kabel miedziany Ś120 mm dla 40 tys. rozmów
telefonicznych
Porównanie wymiarów
kabla koncentrycznego i
światłowodowego
Mały ciężar 1 km światłowodu bez osłony waży 27g
Zalety światłowodów cd
Elastyczność Nie pęka zginany na elemencie Ś3mm
Odporny na szumy elektromagnetyczne
Odporny na korozję, wysokie temperatury i wpływ ośrodków
skażonych (szkodliwych dla zdrowia)
Bezpieczny dla pracy w ośrodkach grożących wybuchem
(brak zwarcia i iskrzenia przewodów)
Niska tłumienność
Dla  = 1.55źm tylko 0.16dB/km wzmacnianie niezbędne po kilkuset km
W kablach koncentrycznych 19dB/km i wzmacniacze co 1km
światłowodowe
koncentryczny
specjalny
wielomodowe
Kable
telefoniczny
jednomodowe
30
25
20
15
10
5
0
0.1 1 10 0.1 10
1
GHz
MHz
Częstotliwość
Porównanie tłumienia różnych kabli
Tłumienność [dB/km]
Zalety światłowodów cd
Szerokie pasmo
Dla światłowodu gradientowego od 1 do 10GHz. Przepływność
1Gbit/s.
Graniczna wartość kabli koncentrycznych 400Mbit/s
Multipleksing
Transmisja informacji tym samym światłowodem na różnych
nośnikach - różne 
Technika DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing
Np. 240 kanałów w paśmie 1.53  1.56 źm
Modulatory kodujące informacje w
Technika DWDM
poszczególnych kanałów
Nadajnik
1
2
3
1+2+...+ 7
4
LED 5
"
6
Szerokie
pasmo
7
Odbiornik
multiplekser
siatka
dyfrakcyjna
ośrodek
gradientowy
dekodowanie
demultiplekser
Ł
1+2+3
informacji w
Odbiornik poszczególnych
kanałach
Osiągnięto 250 kanałów na jednym światłowodzie
Technika
DWDM
Sprzęgacz
propagacja
Technologia półprzewodnikowa grubości
kilka źm długości L 2 - 4 mm
Długość łącza dostosowana do szybkości przesyłania
informacji dla 4 typów światłowodów
1000
jednomodowe
 = 1.3 źm
100
 = 1.3 źm
 = 0.87 źm
10
gradientowy
skokowy
0.1
1 10 100 1000
Przepływność Mb/s
Długość łącza w km
Telekomunikacja cd
Modulacja nośnika prądowa
diody LED  sieci lokalne
diody laserowej  telekomunikacja
Sprzęganie ze światłowodem
soczewki
włókna
dla 2�x H" 2�y
sferyczna
cylindryczna
LED
LED LED
Telekomunikacja cd
Zwarte połączenie z
ródła i światłowodu oferowane przez producenta
pigtail  owane złącze
obudowa
zasilanie
optyka
sygnał
włókno
LED
Przykłady pigtail owych złączy
Kable światłowodowe
Telekomunikacja cd
nylon
polietylen
drut
elastomer
miedz

włókno
koszulka
miedziana
włókna pokrycie
zabezpieczające
druty płaszcz
wzmacniające izolacyjny
Kable światłowodowe
Telekomunikacja cd
Sprzęgacze
Telekomunikacja cd
Schematy działania
Wybrane realizacje
Telekomunikacja cd
spawane
Złącza
klejone
spaw
płaszcz otwór do kleju
obudowa
rdzeń
Stożki centrujące
Obudowa
Kabel
Rozłączne
Światłowód
Soczewki silikonowe
Płaszczyzna
rozłączenia
Dzięki zastosowaniu soczewek zmniejsza się wymagania na centralność
Przykłady złącz rozłącznych
Wzmacniacz światłowodowy
Telekomunikacja cd
Linie światłowodowe
Sprzęgacze
s s s p s s s
p p
Zwierciadło
Dioda
Światłowód
pompująca
domieszkowany erbem
jako wzmacniacz
Światłowód ze szkła kwarcowego domieszkowanego erbem
wzmacnia promieniowanie sygnału s = 1.55 źm
poprzez pompowanie diodą InGaAsP p = 1.48 źm
Telekomunikacja cd
Odbiorniki Zamiana sygnału optycznego na elektryczny
Fotodiody PIN lub lawinowe
niski szum i wysoka wydajność kwantowa
dla wysokich częstotliwości
 = 0.87 źm  fotodiody krzemowe
1.3 i 1.55 źm  germanowe lub InGaAs