Światłowód

Światłowód

Wstęp

Zastosowanie

Kabel światłowodowy, to zamknięta struktura wykonana z włókna szklanego. Medium transmisyjnym takiego przewodu jest włókno światłowodowe, o mniej więcej średnicy ludzkiego włosa. Jest wykorzystywany np. do przesyłania informacji za pomocą propagacji światła (rozprzestrzenienie się zaburzenia w ośrodku), endoskopii, optoelektronice. Światłowód po raz pierwszy jako łącze komunikacyjne zostało użyte w Turynie w 1977 roku. Miał 9 km. W Polsce w 1978 roku został zaprojektowany przez lublińskich naukowców z Uniwersytetu Marii Skłodowskiej-Curie. Sieciami które mają największe połączenia światłowodowe jest m. in. Orange Polska. Ich sieć liczy ponad 100 tyś. km (dane na styczeń 2017).

Odbijanie się wiązki światła w światłowodzie

2. Światłowód SEA-ME-WE 3

Jest to najdłuższy na świecie podmorski światłowód komunikacyjny. Drogą podmorską łączy Europę Zachodnią, Bliski Wschód z południowo-wschodnią Azją i Australią. Do użytku został oddany w 2000 roku.
Łącze posiadające długość 39 tyś. km. wykorzystuje technologie DWDM (technologia zwielokrotnienia fal).

Trasa światłowodu SEA-ME-WE 3

3.Działanie światłowodu

Do transmisji danych służy modulowana (modulacja – zmiana parametrów sygnału, przy modulacji sygnałów sinusoidalnych, może spowodować zmianę amplitudy, częstotliwości i fazy drgań) fala świetlna. Źródłem może być laser półprzewodnikowy, jak i dioda elektroluminescencyjna, czyli inaczej dioda LED. Pozwala to na transmisje do 3 Tb/s. Są również światłowody, które jako medium wykorzystują powietrze. Mogą osiągnąć prędkość aż 74 Tb/s. Trudno też przechwycić jakiekolwiek informację, gdyż światłowód nie emituje pola magnetycznego. Są bardzo odporne na jakiekolwiek zakłócenia elektromagnetyczne. Współczynnik błędów wynosi 10-10, oraz mają małą tłumienność jednostkową ok. 0.2 dB/km dla fali o długości 1,5 µm(1 µm to 10-6 m).

Apertura numeryczna

Apertura numeryczna (NA, ang. numerical aperture), to sinus kąta akceptacji światłowodu. Sinus, to jedna z funkcji trygonometrycznych. Funkcje trygonometryczne, wyrażają stosunki miar boków trójkąta prostokątnego do miar jego kątów wewnętrznych. Sinus kąta akceptacji to maksymalny kąt w stosunku do osi rdzenia włókna, pod którym światło nie będzie uciekać. Dla urządzeń optycznych takich jak na przykład światłowód, to maksymalny kąt z jakim światło może na niego padać lub wychodzić.
Dla przyrządów optycznych apertura numeryczna jest opisana wzorem:

Sinus:

W światłowodzie MMF, propagowane jest światło tylko gdy zostało wprowadzone do niego pod odpowiednim kątem, który nie przekracza kąta akceptacji . Dla światłowodu skokowego kąt akceptacji wyraża się wzorem:

Niektóre wartości apertury numeryczne i k. akceptacji światłowodu

Podział światłowodów

Geometria

Światłowód planarny – Jest to najprostszy światłowód, składający się z trzech warstw. Środkowa ma największy współczynnik załamania. Światło jest w niej uwięzione na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia.

Światłowód paskowy – Powstaje gdy propagacja wiązki światła jest ograniczona tylko do dwóch kierunków. Światłowody tego typu są wykorzystywane w układach fotoniki zintegrowanej oraz w laserach półprzewodnikowych.

Światłowód włóknisty – Jest to w większości falowód dielektryczny o przekroju kołowych. Otoczony jest przez dielektryczny materiał o mniejszym współczynniku załamania. Włókna światłowodowe tego rodzaju światłowodu, są wykonywane ze szkła krzemionkowego, ale również mogą się zdarzyć że są wykonane z innego szkła lub z plastiku. Światłowody plastikowe są używane na niewielkich odległościach.

2. Ze względu na strukturę modową

Światłowód jednomodowy (SMF) – Ich charakterystycznymi cechami jest średnica rdzenia (od 8 do 10 µm), oraz małym współczynnikiem załamania światła. Sygnał jest wytwarzany przez laser półprzewodnikowy i ulega tylko małym zniekształceniom, a fala świetlna rozchodzi się niemal równolegle do osi światłowodu. Taki światłowód nadaje się do dalekosiężnej komunikacji. Jego sygnał może być transmitowany na odległości 100 km, a żywotność wynosi 25 lat.

Światłowód wielomodowy (MMF)- Zwykle średnica rdzenia wynosi 50 lub 62,5 µm. Fala świetlna może rozchodzić się różnymi drogami, czyli modami. Prędkość modów wzdłuż falowodów może być różna, co powoduje zniekształcenia impulsu. Idzie za tym ograniczenie prędkości lub odległości transmisji.

3. Ze względu na rozkład współczynnika załamania

Światłowód skokowy – Współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem a płaszczem. Mody w nim są pod różnymi kątami, i mają różną drogę do przebycia. Prędkość światła zależy od ośrodka. W próżni wynosi 300 000 km/s, a w światłowodzie 200 000 km/s. Przez to czasy przejścia promieni modu są różne. Spowodowane to jest dyspersją między modową.


Przepływ strumieni świetlnych przez światłowód skokowy w. modowy

Światłowód gradientowy – Jego rdzeń ma budowę warstwową. Współczynnik załamania światła się zmienia w sposób ciągły, dzięki temu że każda warstwa jest inaczej domieszkowana. Gradientowy rodzaj światłowodu zapewnia taką samą prędkość rozchodzenia wzdłuż modu.


Przepływ strumieni świetlnych przez światłowód gradientowy w. modowy

4.Ze względu na materiał użyty do wykonania
światłowodu

Światłowód może być wykonany z:
Ze szkła
Z plastiku
Z półprzewodnika (najczęściej arsenek galu)

Światłowody ze szkła są wykorzystywane do przesyłu danych na duże odległości, w dużej prędkości. W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi nieorganiczne tworzywo.
Światłowody plastikowe są przeznaczone do przesyłania lokalnego i na małe odległości, z małą prędkością. W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi organiczne tworzywo. Do grupy światłowodów plastikowych należą HCS i PCS. Płaszcz jest plastikowy, a rdzeń szklany.
Światłowód półprzewodnikowy charakteryzuje się rdzeniem wykonanym najczęściej z arsenku galu (GaAs).

Ograniczenia propagacji

Czynnikami wpływającymi na ograniczenia propagacji w światłowodach są:

Tłumienie
Straty materiałowe
Straty falowodowe
Mikrozgięcia i makrozgięcia
Dyspersja

1.Tłumienie sygnału optycznego – jest to jedna z cech, charakterystyczna dla światłowodów, spowodowane stratq mocy optycznej. Wynika ona z niedoskonałości falowodu. W światłowodzie , występuje również absorpcja, czyli pochłanianie energii przez materiał z jakiego wykonany jest światłowód, oraz rozpraszanie energii spowodowane przez fluktuację gęstości i współczynnika załamania szkła.

2. Światłowody w większości są wykonane z ditlenku krzemu (SiO2), zwanym potocznie szkłem krzemionkowym. Światło, w skutek fluktuacji gęstości rdzenia, ulega rozproszeniu. Występuje również absorpcja w podczerwieni oraz w nadfiolecie.

3.Straty falowodowe wynikają z niejednorodności światłowodu z powodu fluktuacji gęstości rdzenia.

4.Mikrozgięcia powstaje w procesie wytwarzania włókien. Makrozgięcia są spowodowane zakrzywieniem włókna światłowodowego 

5.Dyspersja to zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej.

Standardy światłowodów

Współczesne protokoły informacyjne, tj. SDH i Ethernet, mówią, że sygnał światłowodzie pojedynczym, jest przesyłany w jedną stronę. Aby uzyskać połączenie dwustronne, należy użyć światłowodu, który składa się z dwóch włókien. Jednak jest możliwe uzyskanie połączenia w dwie strony światłowodem, który ma jedno włókno, za pomocą zwielokrotnienia fal (technologie WDM, CWDM, DWDM. Światłowód służy w większości do podłączenia urządzeń sieciowych, takich jak np. router lub switch, na małych odległościach do 200 metrów. Istnieje możliwość podłączenia komputerów światłowodami (FTTD ang. Fiber To The Desk), lecz jest kosztowne. Do łączenia komputerów wykorzystuje się tzw. skrętkę. Pozwala to na przesyłanie danych w prędkością 1 Gb/s. Gdy odległość między urządzeniami które chcemy podłączyć przekracza 2 km, musimy już użyć światłowodu SMF. Na odległości poniżej 2 km, wystarczy MMF.

Splittery

Są to urządzenia które rozdzielają moc sygnału światłowodu który jest na jednym włóknie, na dwa (lub więcej) włókna wyjściowe. Moc wyjściowa jest dzielona między dwoma włóknami wyjściowymi. Splittery używane są też do łączenia sygnałów optycznych m. in. w sieci komunikacyjnych, laboratoriach pomiarowych i w telewizji CATV.
Rodzaje splitterów:
1.FBT (zgrzewane)
2.PLC (planarne)

Światłowody specjalistyczne

Światłowody utrzymujące polaryzację

Włókna utrzymujące polaryzację to te, które zachowują niezmienne SOP (stan polaryzacji) wiązki.
Warunek odcięcia modów otrzymuje się przez założenie w=0.



Relacja pokazuje, ze zera funkcji Bessela daje wystarczające warunki do odcięcia modów.
Włókna PM, czyli te które utrzymują polaryzacje, znajdują zastosowanie gdzie konieczna jest transmisja oraz dzielenie i oddziaływanie wiązek spolaryzowanych, np.:
-układy interferometryczne,
-żyroskop światłowodowy,
-komunikacja koherentna,
-optyka zintegrowana,
-bezkontaktowe metody pomiaru prędkości przepływu LDV i LDA (LDV to pomiar prędkości ciał stałych i cieczy. LDA mierzy prędkości gazów.)
-kombainery dla pomp EDFA
-czujniki prądu
-optyczna tomografia koherentna OCT

Typy włókien utrzymujących polaryzację

Sposoby otrzymania włókien utrzymujących polaryzację

Parametry, które charakteryzują włókna PM (utrzymujące polaryzację):

Tłumienność jest zwykle wyższa niż dla SMF , z powodu innej długości fali, oraz istniejące obszary wywierające naprężenie i domieszkowanie rdzenia. Dla 1550 nm to ok. 1,5dB/km przy 0,2dB/km SMF-28.
NA jest również, tak jak tłumienność, zwykle wyższa niż w światłowodzie SMF, czyli jednomodowym. Dzieje się tak gdyż są one przystosowane do mniejszych promieni zgięcia.
Długości fali odcięcia w PM wynoszą 488-532 nm. 633-680 nm. 780-850 nm. 940-1100 nm. 1310-1550 nm. 1530-1610 nm.
Parametr H to wyrażona w potędze dziesiętnej ER przypadająca na długość jednostkową włókna.
ER=30dB na 1000m jest takie samo jak H równe:

Długość fali odcięcia – zakresy: 488-532 nm, 633-680nm, 780-850 nm, 940-1100nm, 1310-1550 nm, 1530-1610 nm
MFD – ok. 2,75 – 8 µm.
Długość zdudnień – odległość po której wzdłuż włókna jest odtworzony liniowy SOP do pobudzenia wiązką spolaryzowaną pod kątem 45º

Stosunek pobudzenia (ER, ang. Excinction Ratio) – zdolność utrzymania polaryzacji w przypadku odziaływania zewnętrznego. Jest to stosunek pojawienia się mocy w niepożądanym modzie, do mocy która została w pobudzonym modzie.

REDF

RED (Rare Earth Doping), to domieszkowanie ziemiami rzadkimi, np. Nd, Er, Er/Yb (lasery włóknowe). Do celów komunikacyjnych Er, Er/Yb, Yb, Tm, Ho.

Metody wytwarzania włókien z domieszkami z ziem rzadkich

Istnieją również inne metody:
-domieszkowanie z roztworu
-domieszkowanie z aerozoli
-domieszkowanie DND (nanocząsteczkowe)

Włókna dwu-płaszczowe

Dotychczasowe metody pokazywały możliwość budowy EDFA. jeżeli światło pompujące wprowadzone było do obszaru iednomodowego rdzenia. Ominięciem tego, stało się zastosowanie włókna dwu płaszczowego, w którym płaszcz zewnętrzy ma niższy współczynnik załamania od wewnętrznego. Moc wprowadzona do struktury, propaguje się również we płaszczu wewnętrznym, co doprowadza do dodatkowego sprężenia mocy wzdłuż struktury.

Źródła

wikipedia, orange.pl, efizyka.pl, PANDA fibre.sg, pon.fibrain.pl, silo.tips
Zdjęcia: wikipedia, efiyzyka.pl, silo.tips
Równania: Wszystkie równania w tym tekście są
na podstawie innych tekstów naukowych. Zdjęcia równań
pochodzą z własnych zrzutów ekranu programu MS Word