Światłowody Ich budowa i parametry

Transkrypt

1 Politechika Ś l ą ska w Gliwicach Światłowody Ich budowa i parametry materiały do skryptu z przedmiotu Sieci komputerowe Kudłacik Przemysław Wesołowski Tomasz Gliwice 003

2 - - Spis treści 1. WSTĘP TEMATYKA RYS HISTORYCZNY DLACZEGO ŚWIATŁOWODY, CZYLI WADY I ZALETY PODSTAWY TECHNIKI ŚWIATŁOWODOWEJ CAŁKOWITE WEWNĘTRZNE ODBICIE...5. WŁASNOŚCI APERTURA NUMERYCZNA DYSPERSJA modowa chromatycza TŁUMIENIE OKNA TRANSMISYJNE RODZAJE ŚWIATŁOWODÓW KLASYFIKACJA, CZYLI RÓŻNE KRYTERIA PODZIAŁU TYPY ŚWIATŁOWODÓW ŚWIATŁOWODY WIELOMODOWE Światłowody skokowe Światłowody gradietowe ŚWIATŁOWODY JEDNOMODOWE TRANSMISJA ŚWIATŁOWODOWA TOR TRANSMISYJNY NADAJNIKI OPTYCZNE ODBIORNIKI OPTYCZNE TECHNIKA SOLITONOWA REGENERACJA SYGNAŁU PODSUMOWANIE ŹRÓDŁA...

3 Tematyka 1. Wstęp Niiejszy rozdział przedstawia zagadieia dotyczące techiki światłowodowej. Staraliśmy się w im w sposób przyjazy studetom wyjaśić ajbardziej podstawowe pojęcia związae z samym medium trasmisyjym, techiką światłowodową oraz trasmisją światłowodową. Jedocześie dbaliśmy o to by iformacje zawarte w tej pracy dały w miarę dobry fudamet pod dalsze studiowaie tego bardzo szerokiego oraz wyjątkowo szybko rozwijającego się zagadieia. Zajdują się tu rówież podstawowe własości medium światłowodowego wraz z bazą teoretyczą, a także róże kryteria podziału i charakterystyka ajczęściej spotykaych rodzajów światłowodów. 1.. Rys historyczy 1 Początki prac ad światłowodami sięgają XVIII wieku. Za wyalazcę tego medium trasmisyjego moża uzać Williama Wheeler a iżyiera z Cocord w Massachusets w USA. Już w 1880 roku przeprowadzał o pierwsze próby prowadzeia światła w ośrodku szklaym w celu oświetleia budyków. Wyalazek te azwał rurociągiem kablowym. Pomysł Wheelera jako zbyt skomplikoway został odsuięty a boczicę wskutek wyalezieia przez Edisoa żarówki - idea prowadzeia światła w przestrzei zamkiętej jedak pozostała. Sam pomysł wykorzystaia światła do komuikacji powstał ieco wcześiej. W 1876 roku Bell skostruował fototelefo, który pozwalał komuikować się a odległość 00 metrów. Następie prowadzoo wiele owocych badań. Miedzy iymi zbadao w 1890 efekt światłowodowy w dielektrykach, w 1910 Lord Rayleigh prowadził badaia i prace teoretycze ad światłowodami. Ważym wydarzeiem było rówież wyalezieie lasera w 1957 roku a astępie w 196 lasera impulsowego GaAs. Już w roku 1965 padła propozycja stosowaia światłowodów gradietowych w telekomuikacji co zaowocowało 3 lata późiej produkcją pierwszego światłowodu telekomuikacyjego. Po 5 latach od owej propozycji firma Corig Glass Compay wypuściła a ryek włóka o bardzo małych stratach. Dużym wkładem w rozwój prac ad światłowodami było także opracowaie w 1985 roku przez zespół aukowców Uiwersytetu Southampto wzmaciacza światłowodowego. Pompowaie laserem półprzewodikowym o długości fali = 650m 3 metrowego włóka dało wzmocieie 15 db dla fali = 1,55 m. Chociaż od prac Wheeler a mięło wiele lat, jego pomysł po wielu udoskoaleiach jest wykorzystyway dość często. Dziś techika ta zwie się techiką światłowodową i jest jedą z ajdyamicziej rozwijających się i ajszerzej stosowaych techologii w budowie sieci telekomuikacyjych, teleiformatyczych i iformatyczych Dlaczego światłowody, czyli wady i zalety Jak każde rozwiązaie światłowody mają zarówo wady jak i zalety. Do zalet możemy bez wątpieia zaliczyć: - ogromą pojemość iformacyją pojedyczego włóka - małe straty, a co za tym idzie zdolość przesyłaia sygałów a zacze odległości - całkowita iewrażliwość a zakłóceia i przesłuchy elektromagetycze - odporość a waruki atmosferycze (wilgoć, wyładowaia elektrostatycze) - mała waga i wymiary - bezpieczeństwo pracy (brak iskrzeia) 1 Na podstawie iformacji zawartych w literaturze pozycja [3] oraz [4]. Zaczerpięte z [3], [4], [7] oraz a podstawie własych doświadczeń.

4 utrudioy (prawie iemożliwy) podsłuch przesyłaych daych - duża iezawodość (poprawie zaistalowaych łączy światłowodowych), oraz. Natomiast wadami są iezaprzeczalie: - możliwość łatwego przerwaia kabla, a jego poowe złączeie jest bardzo kosztowe - koieczość stosowaia kowerterów każda kowersja podosi koszty czasowe trasmisji oraz koszty urządzeń - gorsze możliwości rozgałęziaia - mała elastyczość mechaicza światłowodu (brak możliwości załamywaia) 1.4. Podstawy techiki światłowodowej 3 Zaczijmy od wyjaśieia podstawowych zagadień związaych z techiką światłowodową. Nośikiem iformacji w światłowodach jest wiązka światła, będąca odpowiedikiem eergii elektryczej w iych mediach. Wiązka ta jest modulowaa zgodie z treścią przekazywaych iformacji. Sama zasada trasmisji światłowodowej jest baala i ituicyja, a polega a przepuszczeiu przez szklae włóko wiązki światła geerowaej przez diodę lub laser. Wiązka ta to zakodowaa iformacja biara, rozkodowywaa astępie przez fotodekoder a końcu medium trasmisyjego światłowodu. Światłowody wykoywae są ze szkła kwarcowego (dwutleek krzemu) lub z tworzyw sztuczych. Medium trasmisyje staowi w ich rdzeń czyli domieszkowae włóko, otoczoe płaszczem [rysuek 1]. Rdzeń może składać się z jedego lub wielu włókie. Wykorzystaie tego typu kaału iformacyjego elimiuje koieczość ekraowaia. Płaszcz okrywający rdzeń wykoay jest z materiału o iższym współczyiku załamaia światła iż sam rdzeń. Dzięki owej różicy współczyików załamaia zachowuje się o iczym powierzchia lustrzaa kierująca promień do wętrza rdzeia. Ostatią powłoką jest lakierowaa warstwa ochroa, która chroi światłowód podczas istalacji oraz przed uszkodzeiami powstałymi w wyiku oddziaływaia iekorzystych waruków środowiska w jakim zajduje się medium. To zewętrze pokrycie czasami zwae jest też wzmocieiem. Oczywiście iy rodzaj wzmocieia jest używay dla przewodów przezaczoych do układaia wewątrz budyków, iy a zewątrz, pod ziemią czy apowietrzych. rdzeń płaszcz warstwa ochroa Rysuek 1. Budowa światłowodu włókistego. Propagacja światła w rdzeiu odbywa się zgodie ze zjawiskiem całkowitego wewętrzego odbicia. Propagowae we włókie promieie świetle zwae są modami światła i defiiuje się je jako moochromatyczą wiązkę propagującą się wzdłuż falowodu z charakterystyczą dla siebie prędkością fazową, o charakterystyczym poprzeczym rozkładzie atężeia, ie zmieiającym się wzdłuż kieruku propagacji. 4 3 Na podstawie [4], [6] 4 Więcej iformacji patrz [4].

5 Całkowite wewętrze odbicie 5 A a B α b C C 1 β A B Rysuek. Wiązki światła padające a graicę dwóch ośrodków pod różym kątem. Promień świetly może padać a graicę dwóch ośrodków pod różym kątem [rysuek ]. Jeśli kąt te jest zbyt mały promień ulegie w główej mierze załamaiu, przejściu do astępego ośrodka i jedocześie odbiciu. Na powyższym rysuku mamy taką sytuację dla promieia A padającego pod kątem α. Zgodie z prawem opisującym zachowaie się promieia świetlego przy przejściu przez graicę ośrodków o różej gęstości optyczej: 1 siα = si β otrzymujemy wiązkę A będącą wyikiem załamaia się promieia A a graicy ośrodków. Natomiast a jest skutkiem odbicia a tej graicy. Należy tutaj zauważyć, że kąt padaia wiązki jest rówy kątowi odbicia, czyli wiązka a odbija się od graicy pod tym samym kątem α z jakim wiązka A a tą graicę pada. Sytuacja będzie się zmieiała jeśli będziemy zwiększać kąt α i w końcu otrzymamy sta jaki wyżej moża zaobserwować dla promieia B. Jego część ozaczoa jako B rozchodzi się wzdłuż graicy atomiast b zostaje odbity. Jeżeli dalej zwiększymy kąt padaia wiązki to po przekroczeiu wartości graiczej (występującej tu dla promieia B) promień zostaie odbity w całości od graicy ośrodków i awet w ajmiejszej części ie przejdzie do drugiego ośrodka. Zjawisko to azyway całkowitym wewętrzym odbiciem. 5 Na podstawie wykładów []

6 - 6 - Aby zachodziło całkowite wewętrze odbicie promień świetly musi być wprowadzoy do światłowodu pod kątem α miejszym od kąta graiczego Θ max [patrz rysuek 3]. Kąt graiczy jest określoy przez jede z parametrów światłowodu i dokładiej zostaie opisay późiej. α Θ0 Θ max Rysuek 3. Zjawisko całkowitego wewętrzego odbicia w światłowodzie. Zjawisko całkowitego wewętrzego odbicia w światłowodzie zachodzi a graicy ośrodka optyczie gęstszego (o większym współczyiku załamaia 1 ), czyli rdzeia i optyczie rzadszego (o miejszym współczyiku załamaia ) płaszcza. Podwyższoa wartość współczyika załamaia światła w osi rdzeia w stosuku do otaczającego go płaszcza powoduje, że wiązka światła prowadzoa w światłowodzie ma tedecję do utrzymywaia się bezpośredio w rdzeiu. Rozkład współczyika załamaia jest zależy od techologii wykoaia światłowodu. Dzięki powyższemu zjawisku straty mocy sygału są bardzo małe.

7 Apertura Numerycza 6. Własości Zachowaie się wiązki światła a graicy dwóch ośrodków o różej gęstości optyczej opisuje zależość: 1 siα = si β (.1-I ) Odosząc zasadę całkowitego wewętrzego odbicia do światłowodów moża powiedzieć, że istieje maksymaly kąt wprowadzaia promieia do tego medium [patrz rysuek 4]. Kąt te ozaczymy jako Θ MAX. Wprowadzając promień pod kątem większym spowodujemy iż ie zajdzie się o już w objętości rdzeia światłowodu. Π o 1 Θ C Θ max Rysuek 4. Kąt graiczy wprowadzaia promieia. Dlatego moża określić parametr determiujący wprowadzaie promieia, którym jest apertura umerycza NA zdefiiowaa w astępujący sposób : NA = si Θ MAX Aperturę umeryczą moża przedstawić w iy sposób wychodząc z prawa załamaia promieia a graicy dwóch ośrodków [wzór (.1-I )]. Pomocy będzie powyższy rysuek. Załamaie promieia z ośrodka, w którym zajduje się światłowód, o współczyiku 0 do rdzeia o współczyiku 1 możemy opisać astępująco: Π si Θ MAX = 1 si( Θ 0 C ) upraszczając : 0 si ΘMAX = 1 cosθ C i przekształcając cos otrzymamy : 0 si Θ = 1 1 si Θ (.1-II ) MAX C Natomiast załamaie promieia a graicy rdzeia i płaszcza (współczyiki 1 i ) możemy opisać astępująco : Π 1 si ΘC = si 6 Oparte a wykładach [].

8 - 8 - upraszczając otrzymamy si Θ C : si Θ C = (.1-III ) 1 Teraz podstawiając do rówaia (.1-II ) si Θ C z ostatiego rówaia (.1-III ) otrzymujemy: 0 si Θ MAX = i ostateczie : 1 NA = si ΘMAX = 1 0 Tym sposobem wyzaczyliśmy alteratywy wzór a aperturę umeryczą. Podstawiając współczyik załamaia dla próżi o = 1 otrzymamy jeszcze bardziej uproszczoą zależość: NA = 1.. Dyspersja..1. modowa 7 Dyspersja modowa występuje w światłowodach wielomodowych. Impuls światła wiedzioy przez światłowód jest superpozycją wielu modów, z których prawie każdy, a skutek różych kątów odbicia od graicy rdzeia, ma do przebycia ią długość drogi między odbiorikiem a adajikiem [patrz rysuek 5]. α Θ0 x i x i+1 Θ max l i Rysuek 5. Droga promieia świetlego w światłowodzie. Powyższy rysuek przedstawia promień biegący światłowodem, padający a ściay rdzeia pod kątem Θ o. Pokouje o zatem dłuższą drogę od długości samego światłowodu. W obliczeiach pomijamy mały odciek przewodu od początku do pierwszego odbicia. Przyjmując za długość światłowodu l moża zapisać: l = l = ( x si Θ0) = si Θ0 i i i i i x i 7 Na bazie wykładów [].

9 - 9 - i wyzaczyć właściwą drogę promieia: l xi = (.-I ) i si Θo Różica pomiędzy długością światłowodu a drogą jaką w rzeczywistości pokouje promień wyosi: podstawiając (.-I ) otrzymujemy Δl = x i l i 1 Δl = l 1 (.-II ) si Θ0 Zając różicę drogi przebiegu promieia moża wyzaczyć różicę czasu przejścia miedzy promieiem odbijającym się, a przebiegającym prosto przez rdzeń (bez odbić): Δl Δ t =, v gdzie v to prędkość światła w rdzeiu. Prędkość v możemy wyzaczyć z zależości: gdzie 1 c c 1 =, (.-III ) v to bezwzględy współczyik załamaia rdzeia to prędkość światła w próżi. Teraz podstawiając do ostatiego wzoru a otrzymujemy: Δt zależości (.-II ) oraz (.-III ) 1 l 1 Δl si Θ0 1 l 1 Δt = = = 1 v c c si Θ0 Maksymala wartość opóźieia Δ t wystąpi w przypadku gdy promień będzie się odbijał pod ajwiększym możliwym kątem. Nastąpi to gdy Θ 0 będzie dążył do kąta Θ C (czyli kąta występującego przy wprowadzaiu promieia do światłowodu pod kątem graiczym Θ patrz pukt.1. Apertura umerycza). MAX Wyzaczając zatem si Θ C : 1 Π 1 si Θ C = si si ΘC = 1

10 wyzaczamy ostateczie wielkość maksymalego opóźieia czasowego dyspersją : 1 l 1 1 l 1 Δt = 1 = 1 MAX c si ΘC c Δt MAX azywaego Dyspersja może być przedstawiaa w postaci bezwzględej jako podawaa względem długości światłowodu: Δt MAX s. l km Δt MAX [] s lub Fakt istieia tego zjawiska powoduje rozmycie czasowe wysyłaych impulsów poieważ mody, z których składa się sygał, przechodząc różą drogę pokoują ją też w iym czasie. Δt Rysuek 6. Różica pomiędzy impulsem wysyłaym i odbieraym a drugim końcu światłowodu. Jest to iewątpliwie duża wada światłowodów wielomodowych. Jest oa zmiimalizowaa w wielomodowych światłowodach gradietowych.... chromatycza 8 Dyspersja modowa związaa jest z występowaiem wielu modów. Z racji tego, że światłowody jedomodowe propagują tylko jede mod, ie występuje tutaj takie zjawisko. Zauważaly jest atomiast iy rodzaj dyspersji dyspersja chromatycza. Składają się a ią dwa zjawiska: a) dyspersja materiałowa powodowaa jest zmiaą współczyika załamaia szkła kwarcowego w fukcji długości fali. Poieważ ie istieje źródło światła ściśle moochromatycze, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rozproszoych częstotliwości optyczych rozchodzących się z różą prędkością, docierający po przebyciu fragmetu włóka mod charakteryzuje się rozmyciem czasowym; b) dyspersja falowa częściowo powodowaa jest wędrowaiem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzeia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza. 8 Zaczerpięte z [4].

11 Tłumieie 9 Gdyby światłowód był idealym medium to sygał a wyjściu światłowodu musiałby być wierą kopią sygału wprowadzoego a wejściu. Tak jedak ie jest. Jedą z podstawowych wad światłowodów jest tłumieie, które ie zmieia kształtu sygału, zmiejsza jedyie jego moc. Tłumieie powodowae jest przez straty falowe wyikające z iedoskoałości przewodu. Należą do ich: - absorpcja, czyli pochłaiaie eergii przez cząstki światłowodu; - rozpraszaie eergii powodowae fluktuacjami gęstości materiału rdzeia oraz fluktuacjami współczyika załamaia w rdzeiu i w płaszczu przy jego graicy z rdzeiem; - rozpraszaie eergii spowodowae ie doskoałościami włóka powstałymi już w fazie produkcji takimi jak: zgięcia, mikropękięcia czy spawy. Wszystkie wymieioe efekty prowadzą do straty propagowaej eergii, przy czym łącza strata eergii mocy dp proporcjoala jest do mocy wprowadzoej do światłowodu i do długości drogi trasmisji..4. Oka trasmisyje 10 Tłumieie [db/km] Długość fali [μm] Rysuek 7. Oka trasmisyje Opierając się a materiałach z [4]. 10 Na podstawie [3], [4]. 11 Zaczerpięte z [3].

12 - 1 - Tłumieie zależe od długości fali odgrywa istotą rolę w trasmisji światłowodowej. Wyróżiamy trzy oka przydate do prowadzeia trasmisji o obiżoej tłumieości [widocze a rysuku 7]: I oko trasmisyje obejmuje fale w okolicy 0,85 μm, dość wysokie tłumieie (powyżej 1dB/km). O atrakcyjości tego oka staowi dostępość taich źródeł światła, jedak zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości trasmisyjych rzędu kilkuastu kilometrów. II oko trasmisyje a fali 1,3 μm, tłumieie poiżej 1 db/km, zasięg trasmisji od 75 do 100 km. III oko trasmisyje a fali 1,55 μm, tłumieie miejsze iż 0,5 db/km, zasięg trasmisji od 150 do 00 km. Systemy pracujące w pierwszym okie oparte są a włókach wielomodowych, a ze względu a ich wysoką tłumieość stosowae są dla małych odległości trasmisji, główie lokalych sieci komputerowych. Jako źródła światła wykorzystywae są diody elektrolumiescecyje. Drugie oko wykorzystywae jest zarówo w systemach wielomodowych, jak i jedomodowych. Są to systemy telekomuikacyje lub zaawasowae techologie sieci komputerowych. W okie trzecim pracują telekomuikacyje systemy dalekosięże oparte a włókach jedomodowych. Źródłem światła są tutaj jedoczęstotliwościowe lasery a falę 1550 m.

13 Rodzaje światłowodów Klasyfikacja, czyli róże kryteria podziału 1 Jeśli za kryterium klasyfikacji światłowodów weźmiemy ich budowę uzyskamy dwie podstawowe grupy: a) włókisty b) plaary Najczęściej stosowaym rodzajem światłowodów są światłowody włókiste, dlatego też dalej będziemy się zajmować jedyie tą grupą. Podstawowe kryterium podziału światłowodów włókistych jest ilość wiedzioych modów. I tak włóka dzieli się a: a) wielomodowe które ze względu a charakterystykę współczyika załamaia w rdzeiu dodatkowo dzielą się a: - skokowe - gradietowe b) jedomodowe Moża też podzielić światłowody ze względu a użyte do ich produkcji materiały: - domieszkowae SiO - tzw. ZBLAN, zrobioe z użyciem Zr, Ba, La, Al, Na - plastikowe (PMMA) - z użyciem wielowarstw epitaksjalych (p. GaAs/AlGaAs) - a bazie warstwy dielektryczej, oraz - a bazie warstwy polimerowej Oprócz zwykłych światłowodów pasywych (służących jedyie do przesyłaia daych) są rówież wytwarzae światłowody specjale: - aktywe (erbowe, prazeodymowe) ze względu a zdolość aktywej obróbki sygału zwae rówież wzmaciaczami aktywymi - polaryzacyje (podtrzymujące polaryzację i polaryzujące) - cieczowe 3.. Typy światłowodów 13 Mody światłowodowe staowią cechę włóka i określają rozkład pola i fizyczy kształt wiązki świetlej układającej się w światłowodzie. Zjawisko całkowitego wewętrzego odbicia powoduje, że wiązka światła prowadzoa w światłowodzie ma tedecję do utrzymywaia się bezpośredio w rdzeiu. W światłowodzie wielomodowym a skutek specyficzych waruków optyczych (dość gruby rdzeń o średicy ok. 50 μm, wielokrotie większej iż długość fali światła) powstaje i przesyłae jest wzdłuż osi włóka wiele dyskretych modów. Aby uzyskać jedomodową trasmisję stosuje się światłowody o odpowiedio małej średicy rdzeia (9 μm), porówywalej z długością fali świetlej. Na skutek tego w światłowodzie prowadzoa jest tylko jeda moochromatycza wiązka świetla o stałej szybkości propagacji impulsu. Miimalizuje to dyspersję trasmitowaego sygału świetlego i zwiększa efektywą długość toru światłowodowego bez potrzeby 1 Na podstawie [3]. 13 Bazując a [1], [4].

14 regeeracji sygału. Wadą takiego rozwiązaia jest jedak cieki rdzeń, co utrudia łączeie światłowodów ze sobą. W światłowodzie wielomodowym gradietowym współczyik załamaia w rdzeiu zmieia się w sposób ciągły od środka rdzeia (wartość maksymala) do wartości miimalej a graicy z płaszczem. Promień świetly, który ukośie chce się wydostać z cetrum światłowodu jest ugiay w sposób ciągły z powrotem w stroę jego środka. Poadto promień współczyika załamaia światła jest tak ukształtoway, by róże mody miały tę samą prędkość rozprzestrzeiaia się wzdłuż światłowodu. Promieie poruszające się po zewętrzych, dłuższych łukach mają większą prędkość poieważ współczyik załamaia jest miejszy Światłowody wielomodowe 14 Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów (fal) o różej długości co powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ograicza szybkość trasmisji lub długość toru trasmisyjego. Źródłem światła jest tu dioda LED. Diody LED są źródłem światła iespecjalie skocetrowaego. W związku z tym wymagają dość szerokiej ścieżki trasmisji. Mają oe też dosyć iską (jak dla światła) częstotliwość, więc szerokość ich pasma przesyłaia rówież ie jest ajwiększa. Kluczową właściwością diod świetlych jest ich iezdolość do wysyłaia skocetrowaej wiązki światła. Wysyłae światła ulega zatem rozpraszaiu. Stopień rozpraszaia akłada praktycze ograiczeia a długość okablowaia światłowodowego sterowaego za pomocą diody świetlej. Impuls optyczy wprowadzay do światłowodu rozkłada się tutaj a szereg modów o skończoej liczbie, a każdy z modów przeosi część mocy impulsu. Światłowody wielomodowe ze względu a budowę rdzeia dzieli się dodatkowo a dwa rodzaje. Włóka o stałej wartości współczyika załamaia światła w rdzeiu, czyli o skokowym profilu współczyika załamaia tzw. światłowody skokowe i a włóka o płyej zmiaie współczyika tzw. światłowody gradietowe Światłowody skokowe rdzeń płaszcz 1 mod mod Rysuek 8. Mody i rozkład współczyika załamaia w światłowodach skokowych. 14 W oparciu o [1], [4].

15 W światłowodzie tym poszczególe promieie świetle podążają "zygzakami" odbijając się od graicy rdzeń-płaszcz. Każdy mod pada pod iym kątem i ma własą drogę przejścia odcika światłowodu. Najkrótsza droga wiedzie wzdłuż osi włóka, atomiast ajdłuższa "zygzakiem" o ajmiejszym kącie odbicia. Poieważ prędkość rozchodzeia się światła jest stała w całym obszarze rdzeia wraz ze wzrostem długości włóka powiększają się różice w czasie dotarcia poszczególych modów a koiec światłowodu. Jak już wspomieliśmy różica czasów pomiędzy ajkrótszą i ajdłuższą drogą jest przyczyą dyspersji między modowej Światłowody gradietowe rdzeń płaszcz 1 mod mod Rysuek 9. Mody i rozkład współczyika załamaia w światłowodach gradietowych. W światłowodzie gradietowym współczyik załamaia światła w rdzeiu, dzięki odpowiediemu warstwowemu domieszkowaiu, zmieia się w sposób ciągły. Zmiaa przebiega od wartości maksymalej a osi rdzeia do miimalej a graicy z płaszczem jak to pokazao powyżej. Współczyik załamaia rdzeia jest ukształtoway tak, aby róże mody miały tę samą prędkość rozprzestrzeiaia się wzdłuż światłowodu. Mody poruszające się po łukach zewętrzych, czyli o dłuższej drodze ale i przez szkło o miejszym współczyiku załamaia, mają większą prędkość od modów propagujących się wzdłuż osi. W rezultacie ie ma różic prędkości różych modów i związaego z tym poszerzeia impulsu a końcu włóka. Zarówo w wielomodowym światłowodzie skokowym jak i gradietowym, mogą się propagować także tzw. mody płaszczowe, dozające całkowitego wewętrzego odbicia a graicy płaszcz-pokrycie ochroe włóka. Są oe pobudzae a początku światłowodu, w miejscu wprowadzaia promieiowaia ze źródła światła. Mody płaszczowe są silie tłumioe w płaszczu a długości włóka wyoszącej kilkadziesiąt metrów.

16 Światłowody jedomodowe 15 rdzeń płaszcz 1 mod Rysuek 10. Mod i rozkład współczyika załamaia w światłowodach jedomodowych. Światłowody jedomodowe są efektywiejsze i pozwalają trasmitować dae a odległość do 100 km bez wzmaciacza. Jedak ze względu a wysoki koszt iterfejsów przyłączeiowych jest to bardzo drogie rozwiązaie. Źródłem światła jest tu laser. Dzięki temu, że sygał te prawie wcale ie ulega rozproszeiu, awet ajbardziej zewętrze części jego wiązki ie zaczyają chociażby dotykać wewętrzych ściaek włóka przewodzącego, ie mówiąc o jakichkolwiek odbiciach. Strumień daych przesyłay jest więc rówolegle do osi przewodika a całej jego długości i dociera do miejsca przezaczeia w jedym modzie, czyli w całości w jedym pukcie czasu. Włóka jedomodowych kabli światłowodowych mają zwykle od 5 do 10 μm średicy i otoczoe są ochroym wypełieiem o średicy 15 μm. Wysokie koszty przewodów i sprzętu laserowego w połączeiu z dużą szerokością udostępiaego pasma sprawiają, że techologia ta bardziej adaje się do wykorzystaia przy tworzeiu wysokiej jakości ifrastruktur iformacyjych iż do sieci lokalych. Największe zastosowaie jak dotychczas zalazła w komercyjych sieciach telefoiczych. Światłowód jedomodowy jest światłowodem o skokowym profilu współczyika załamaia światła, w którym może się propagować tylko jede mod, tzw. mod podstawowy. Liczba modów prowadzoa w światłowodzie skokowym zależy od wartości tzw. częstotliwości zormalizowaej światłowodu V. Im miejsza jest wartość V, tym miej modów prowadzi światłowód. Warukiem jedomodowości włóka jest aby V <,405. Aby te waruek był zachoway, światłowód jedomodowy musi mieć dostateczie mały promień rdzeia, małą różicę współczyików załamaia oraz dużą długość wiedzioej fali. Poieważ we włókie jedomodowym propagoway jest tylko jede mod, pozbawioe jest oo dyspersji międzymodowej. Wyłączie te typ włóka jest obecie stosoway w dalekosiężej telekomuikacji światłowodowej. 15 Bazując a [1], [4] oraz [7].

17 Trasmisja światłowodowa Jak wcześiej opisao, światłowód pozwala am a szybki przesył iformacji a zaczie większe odległości w porówaiu z kablem miedziaym. Jedak aby wysłać iformację światłowodem trzeba zastosować szereg urządzeń pozwalających a kowersję sygału elektryczego a światło i odwrotie. W tej części zajmiemy się opisem podstawowych urządzeń związaych z trasmisją daych światłowodami Tor trasmisyjy 16 Chociaż światłowód cechują o rzędy lepsze parametry w porówaiu z medium miedziaym, to w większości rozwiązań sieciowych a małych obszarach a razie wygrywa miedź. Jest to po części spowodowae wadą trasmisji światłowodowej jaką jest koieczość stosowaia kowerterów, a tym samym zwiększeia kosztów budowy sieci. Każde podłączeie urządzeia elektroiczego do światłowodu wiąże się z koieczością kowersji sygałów elektryczych a optycze lub optyczych a elektrycze. Wyobraźmy sobie dwie maszyy cyfrowe, które chcemy połączyć ze sobą za pomocą światłowodu [jak a rysuku 11]. A Maszya Cyfrowa kowerter Ele Opt światłowód kowerter Opt Ele B Maszya Cyfrowa sygał optyczy sygał elektryczy Rysuek 11. Tor trasmisji światłowodowej. Kowerter elektryczo-optyczy przetwarza sygał elektryczy maszyy A a sygał optyczy, który zowu zostaje przetworzoy kowerterem optyczo-elektryczym z powrotem a sygał elektryczy doprowadzoy do maszyy B. Moża więc w tym torze trasmisyjym wyróżić takie elemety jak adajik i odbiorik sygału optyczego. 4.. Nadajiki optycze 17 Nadajik optyczy odpowiedio wysteroway sygałem elektryczym geeruje strumień światła, który możemy przesłać światłowodem. Obok przedstawioo ajprostszą realizację tego zadaia [rysuek 1]. wejście Vcc LED Rysuek 1. Układ prostego adajika. 16 Na podstawie [1]. 17 Zaczerpięte z [7].

18 Napięcie podae a wejście układu powoduje zwarcie do masy wyjścia przedstawioej bramki NOT z otwartym kolektorem. W tym momecie przez obwód diody elektrolumiescecyjej zaczya płyąć prąd i emituje oa sygał świetly. Rezystor został użyty w celu ograiczeia prądu diody. Tak prosty adajik pozwoli am jedyie a przetworzeie cyfrowej sekwecji zer i jedyek a świeceie bądź gaszeie diody. Przykład te tylko przybliża samą zasadę geerowaia sygału świetlego co pozwoli już a zakodowaie dowolej iformacji Odbioriki optycze 18 Przedstawmy teraz prosty układ odbiorika pozwalający a odebraie i przetworzeie adaego sygału optyczego a sygał elektryczy. Na rysuku 13. aszkicowao schemat odbiorika. Vcc 1 1 WZM wyjście 3 3 źródło apięcia odiesieia Rysuek 13. Układ prostego odbiorika oraz przebiegi czasowe w zazaczoych puktach. Do detekcji sygału świetlego użyto fotodiody. W te sposób uzyskamy bardzo słaby sygał elektryczy dlatego podajemy go a wzmaciacz. Aby ostateczie uzyskać końcowy elektryczy poziom zer i jedyek stosujemy komparator wzmocioego apięcia z apięciem odiesieia. Przybliżoe przebiegi w kolejych puktach układu przedstawioo a wykresach. Zademostroway sposób pozwala odbierać sekwecje świetle i przekazywać je a odbiorik elektryczy. W rzeczywistej komuikacji światłowodowej układy adajików i odbiorików są o wiele bardziej skomplikowae. Często zapewia się podział częstotliwościowy kaału i przesyłaie wielu różych iformacji tym samym medium trasmisyjym. 18 Zaczerpięte z [7]

19 Techika solitoowa 19 W ajszybszych rozwiązaiach trasmisji światłowodowej ie stosuje się przesyłaia zwykłych impulsów świetlych poieważ są oe bardzo podate a ziekształceia. Wykorzystuje się w tym celu wspaiałe odkrycie fizyki jakim jest solito (ag. solitary ozacza: odosobioy). Solito jest krótkim impulsem o obwiedi zbliżoej do fukcji sekas hiperboliczy. atężeie impulsu sekas hiperboliczy czas Właściwości tego typu fal zostały zauważoye bardzo wcześie. Termi solito pojawił się około 40 lat temu, lecz historia z im związaa rozpoczęła się zaczie wcześiej. Już w XIX wieku szkocki iżyier Joh Scott Russell ( ) zaobserwował w 1834 roku wielkie odosobioe fale (ag. solitary waves) a kaale w pobliżu Edyburga. Fale powstające w momecie gwałtowego zatrzymaia łodzi, przybierające kształt Rysuek 14. Impuls solitoowy. wyodrębioego pojedyczego grzbietu wodego, kotyuowały z wielką prędkością swój bieg pokoując kilka kolejych mil, ajwyraźiej ie zmieiając kształtu ai ie zmiejszając prędkości. Russell był przekoay, że zaobserwowae przez iego fale, które ie ulegały rozproszeiu, staowiły odkrycie o istotym zaczeiu aukowym. Fale solitoowe opisao matematyczie wiele lat późiej, ale jeszcze długo pozostawały czystą teorią i wydawało się, że ie będzie oa mieć większego praktyczego zaczeia. Dopiero 1973 roku Hasegawa i Tapert zapropoowali zastosowaie impulsów solitoowych w telekomuikacji światłowodowej, jako rozwiązaie przeciwdziałające szkodliwym zjawiskom ieliiowości i dyspersji. W owoczesej techice sieciowej impuls solitoowy wytwarzay jest przez modulator laserowy i trasmitoway przez medium światłowodowe. Poprzez dobór odpowiediego atężeia sygału, jego czasu trwaia i właściwej obwiedi, jest możliwy przekaz takiego impulsu świetlego praktyczie bez żadej dyspersji i zmiay kształtu a dowolą odległość. Użycie solitoów pozwala a osiągaie bardzo dużych prędkości przesyłu a duże odległości. Wykorzystując stadardowe światłowody z solitoami o szerokości od 0 do 50 ps, uzyskuje się trasmisję solitoową o przepływości 10 0 [Gb/s] a odległość ok [km]. 19 Na podstawie [1], [8], [9], [10].

20 Regeeracja sygału 0 Światłowód pozwala am a przesyłaie iformacji a bardzo duże odległości bez koieczości regeeracji sygału. Jedak cechuje go iezerowa tłumieość i w końcu biegący w im sygał wygaśie. Dlatego chcąc przesyłać iformację a jeszcze większą odległość musimy zastosować dodatkowe urządzeia (dokładie jak w przypadku torów miedziaych). Klasyczym podejściem do tego problemu jest regeeracja sygału za pomocą tzw. repeater-a. Urządzeie to w przypadku światłowodu zawiera w sobie kowertery aby odczytać sygał ze światłowodu, przetworzyć a sygał elektryczy, zregeerować, a astępie przesłać go dalej przetwarzając z powrotem a sygał optyczy. Moża zatem wyróżić trzy bloki fukcjoale. [patrz rysuek 15] REPEATER światłowód kowerter Opt Ele regeerator sygału elektryczego kowerter Ele Opt światłowód Rysuek 15. Bloki fukcjoale repeater-a. Repeater-y światłowodowe są zapewe droższe od ich odpowiedików dla medium miedziaego, lecz pamiętajmy o tym, że sygał w światłowodzie może być przesyłay iewspółmierie dalej bez ich stosowaia. Iym rozwiązaiem pozwalającym a wzmocieie sygału biegącego światłowodem są wzmaciacze optycze. Jest to zupełie ie podejście do problemu poieważ sam wzmaciacz ie regeeruje sygału. Regeeracja sygału zachodzi wtedy, gdy po przejściu przez regeerator sygał ie tylko ma przywrócoy odpowiedi poziom (w przypadku medium miedziaego jest to odpowiedie apięcie), lecz pozbawioy jest zakłóceń. Wzmaciacz jedyie wzmacia sygał poday a wejście, a więc także ze ziekształceiami. Pamiętajmy jedak, że iformacja w światłowodzie ulega zaczie miejszym ziekształceiom iż w medium miedziaym (brak przesłuchów, brak wpływu zakłóceń elektromagetyczych), dlatego wzmocieie sygału może tu być wykorzystae z dużo większym powodzeiem. Takie podejście ma uikalą cechę. Miaowicie sygał przechodząc przez taki wzmaciacz cały czas pozostaje sygałem optyczym. Jest to iezastąpioe w przypadku przesyłaia iformacji wieloma kaałami poprzez zastosowaie podziału częstotliwości poieważ rówocześie wzmaciae są wszystkie kaały. Idea wzmaciacza optyczego polega a włączeiu w tor światłowodu odcika z domieszką erbu (cały światłowód jest oczywiście szklay). Do części domieszkowaej doprowadza się światło z pomociczego źródła azwaego pompą światła. Są to z reguły diody laserowe dużej mocy. [patrz rysuek 16] 0 Na podstawie wykładu [1].

21 - 1 - wejściowy strumień światła wzmocioy strumień wejściowy światłowód domieszkoway POMPA ŚWIATŁA Rysuek 16. Wzmaciacz światła. Po dostarczeiu dodatkowej eergii świetlej do części domieszkowaej, a wyjściu obserwujemy wzmocioy sygał wejściowy. Wzmocieie zachodzi przez przekazywaie wejściowemu sygałowi eergii z atomów pierwiastka domieszkowaego aładowaych pompą światła. Takie wzmaciacze są już powszechie stosowae w komuikacji światłowodowej. 5. Podsumowaie Budowa sieci światłowodowych jeszcze długo będzie droższa od sieci opartych a mediach miedziaych. Jedak już widać systematyczy spadek ce mediów optyczych szklaych jak i z tworzyw sztuczych. Dlatego liczba ich zastosowań w różych dziedziach przemysłu stale rośie. Przy wykorzystaiu w miejszych sieciach atutem światłowodów jest bezpieczeństwo poieważ podsłuch iformacji biegącej światłowodem związay jest z koieczością przerwaia medium. Z tego powodu jest bardzo łatwo wykryć taką działalość gdyż a chwilę zrywaa jest łączość między maszyami. Wyspecjalizowaemu pracowikowi założeie urządzeia rozgałęziającego zajmuje miimum miuty co dla systemów ochroy trasmisji jest czasem wystarczającym do wykrycia zagrożeia. Poza tym rozwój optoelektroiki i techiki światłowodowej jest bardzo duży. Zapewe jeszcze o wiele bardziej poprawią się parametry trasmisyje i zwiększy się pole możliwych zastosowań. Obecie budując każdą sieć warto zastaowić się ad użyciem do tego celu światłowodów. Chociaż koszt takiej sieci jest większy to biorąc pod uwagę jej wykorzystaie w przyszłości może się to bardziej opłacić. Jeda liia światłowodu może być zastosowaa do budowy każdej odmiay sieci etheret lub iej. Zależy to jedyie od rodzaju zastosowaych kowerterów (są akceptowae przez większość techologii sieciowych).

22 - - Wykłady: 6. Źródła [1] prof. dr hab. iż. Adrzeja Grzywaka [] dr iż. Ryszarda Macelucha [3] dr Sergiusza Pateli Witryy iteretowe: [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]