Światłowody, zasada działania, budowa i zastosowanie

Transkrypt

1 Światłowody, zasada działania, budowa i zastosowanie Ratajczak Arkadiusz Recki Dawid Elbląg 2005

2 Spis treści: 1 Wstęp Zasada działania światłowodu 4 3 Budowa światłowodu..8 4 Zastosowanie światłowodów Literatura.14 2

3 1.Wstęp Światłowody są obecnie najszybciej rozwijającym się medium transmisyjnym. Dzieje się tak, gdyż zarówno pod względem jakości jak i szybkości przesyłu informacji światłowody są najlepsze. Przesył światła nie jest zakłócany przez pole elektromagnetyczne co pozwala na stosowanie światłowodów w bardzo wielu środowiskach szczególnie przemysłowych.. Dodatkowo powodem szybkiego rozwoju światłowodów jest szerokie pasmo transmisji oraz większe odległości na jakie sygnał może być przenoszony. Jeśli do tych zalet dodamy bezpieczeństwo pracy, dużą niezawodność oraz małą wagę i wymiary otrzymamy odpowiedź dlaczego technika światłowodowa staje się coraz bardziej powszechna. 3

4 2.Zasada działania światłowodu Zasada działania światłowodu polega na przesyłaniu przez włókno szklane wiązki światła (rys 2.1).Wiązka światła jest odpowiednikiem prądu elektrycznego w zwykłych przewodach instalacyjnych. Sam światłowód pełni role łącznika między nadajnikiem optoelektronicznym a odbiornikiem optoelektronicznym.role nadajnika może pełnić laser lub dioda LED, natomiast jako odbiornik stosowany jest element światłoczuły (np.fotodioda ). Rys 2.1. Zasada działania światłowodu Wiązka światła wchodząca do światłowodu jest odpowiednio zmodulowana( charakter takiej modulacji zależy od treści przekazywanych informacji). Następnie puszczona w rdzeń światłowodu odbija się od linii będącej granicą pomiędzy płaszczem a rdzeniem światłowodu. Zjawisko takie jest możliwe, gdyż współczynnik załamania światła w rdzeniu jest większy od współczynnika załamania światła w płaszcza, a to z kolei jest pochodną tego, że rdzeń jest wykonany z czystego szkła kwarcowego, podczas gdy płaszcz wykonuje się ze szkła kwarcowego z dodatkami. Bardzo ważna jest zależność, która mówi: ilość światła odbijanego wewnątrz rdzenia zależy od kąta pod jakim światło pada na granice między rdzeniem a płaszczem. Można więc powiedzieć, że im kąt jest mniejszy tym transmitancja jest gorsza. Dzieje się tak, gdyż większość wiązki przedostaje się z rdzenia i zostaje wchłonięta przez płaszcz zewnętrzny. Aby transmisja mogła odbyć się w sposób prawidłowy należy wprowadzić wiązke w światłowód pod odpowiednim kątem[1]. Pojawia się w tym momencie zagadnienie zwane kątem wprowadzenia światła(rys.2.2). Kąt wprowadzenia światła jest bardzo ważnym parametrem określającym zdolność przesyłania informacji światłowodem. Można go określić za pomocą kąta akceptacji oraz apertury numerycznej. Kąt akceptacji jest to kąt zawarty między promieniem światła a osią światłowodu. Można określić maksymalny kąt akceptacji, znaczy to tyle, że wiązki światła wprowadzane pod kątem większym niż maksymalny kąt akceptacji nie zostaną prawidłowo przesłane. Natomiast apertura numeryczna jest sinusem kąta akceptacji. 4

5 Rys.2.2 Wprowadzanie wiązki światła pod odpowiednim kątem Dokładny przebieg wiązki światła zależy od swego rodzaju kanałów światłowodowych, które są tworzone przez wiązki modowe. Na ich podstawie można wyróżnić światłowody jednomodowe i wielomodowe. Światłowody jednomodowe są to takie, które przenoszą tylko jeden mód (podstawowy). Wiązka światła rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i trafia do końca włókna w jednym modzie podstawowym(rys.2.3). Dzięki tej zalecie światłowody jednomodowe wykorzystywane są do transmisji danych na duże odległości. Rys.2.3. Przesył wiązki światła w światłowodach jednodomowych Natomiast w światłowodach wielomodowych fala wejściowa jest rozdzielana na wiele promieni o takiej samej długości przesyłanymi po innych torach. Można je dodatkowo podzielić na gradientowe i skokowe. W skokowych współczynnik załamania światła zmienia się skokowo. Mody w tego typu światłowodach prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami co powoduje, że mają różną drogę do przebycia. 5

6 Rys.2.4. Przesył wiązki światła w światłowodach wielomodowych skokowych W światłowodach grdientowych każda warstwa jest inaczej domieszkowana, co powoduje, że współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Rys.2.5. Przesył wiązki światła w świałowodach wielomodowych gradientowych Opisana powyżej zasada działania światłowodu w rzeczywistych warunkach może być zakłócona przez dyspersje i tłumienie. W czasie eksploatacji światłowodu możemy mieć do czynienia z rozmyciem się i impulsu sygnału. Odpowiedzialne za taki stan rzeczy jest zjawisko zwane dyspersją. Dyspersja powstaje, gdyż są różne prędkości poruszania się fal. Znaczy to tyle, że fale wysłane jednocześnie z nadajnika nie docierają w tej samej chwili do odbiornika. Skutkiem tego jest otrzymanie na wyjściu impulsu szerszego niż normalnie powinien wyglądać lub co gorsza nałożenie się na siebie impulsów. Jeśli dany światłowód jest światłowodem wielodomowym to mamy do czynienia z tzw. dyspersją modową, która powstaje dzięki różnym kątom odbicia każdego z modów. Jeśli każdy z modów ma inny kąt odbicia to jednocześnie ma dłuższą drogę do przebycia i dociera do odbiornika w innym czasie. W światłowodach jednodomowych nie występuje zjawisko dyspersji modowej, lecz istnieje dyspersja chromatyczna spowodowana jest ona zmianą współczynnika załamania szkła kwarcowego w funkcji długości fali. Znaczy to tyle, że impuls światła składający się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących się z różną prędkością po przesłaniu na pewną długość światłowodu ulega rozmyciu. Innym zjawiskiem składającym się na dyspersje chromatyczną jest wędrowanie wiązki przez płaszcz światłowodu, zjawisko to jest zależne od materiału płaszcza. 6

7 Rys.2.6. Wpływ dyspersji na przesył impulsu Obok dyspersji głównym czynnikiem zakłócającym normalną prace światłowodu jest tłumienie wiązki światła. Źródłem tłumienia jest strata mocy optycznej, która powstaje na skutek niedoskonałości światłowodu. W rzeczywistości w światłowodzie występuje absorpcja (pochłanianie energii przez materiał światłowodu). Tłumienie nie ma wpływu na kształt sygnału oddziałuje jedynie na jego moc. Ze względu na tłumienie ograniczona jest długość światłowodów, gdyż ze wzrostem długości przewodu światłowodowego wzrasta tłumienie. Rys.2.7. Wpływ tłumienia na przesył impulsu 7

8 3.Budowa światłowodu Ze względu na materiał rdzenia wyróżniamy 2 typy włókien optycznych:. - włókna plastikowe, - włókna szklane. Włókno plastikowe to jedno lub wiele włókien wykonanych z żywicy akrylowej. Średnica tych włókien to od 0,25 do 1mm. Włókna te są umieszczone w osłonie polietylenowej. Do zalet włókien plastikowych zalicza się łatwość układania oraz łatwość wykonywania połączeń. Natomiast wadą włókien optycznych plastikowych jest to że nie mogą one pracować w środowisku o podwyższonej temperaturze.(brak odporności na wysoką temperaturę). Za źródła światła w włóknach plastikowych są wykorzystywane stosunkowo tanie diody LED. Światłowody plastikowe są stosowane tam gdzie nie wymaga się dużej prędkości transmisji oraz tam gdzie jest mała odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem optycznym (medycyna). Włókno szklane tworzą zazwyczaj włókna o średnicach od kilku do 100 mikrometrów. Medium transmisyjne to włókno szklane wykonane z domieszkowanego dwutlenku krzemu, otoczone płaszczem wykonanym z czystego szkła. Płaszcz pokryty jest buforem (osłoną). Bufor wykonany jest z akrylu, jego celem jest poprawienie elastyczności włókna oraz chroni go przed uszkodzeniami. Rysunek 3.1 Budowa włókna szklanego. 8

9 Wiadomo, że nagie światłowody są bardzo delikatne, przez co bardzo podatne na uszkodzenia np. złamanie, dlatego są one stosowane wraz z zabezpieczeniem w postaci pokrycia wtórnego. Włókno światłowodu wraz z pokryciem wtórnym tworzy kabel światłowodowy. Mamy kilka rodzajów takich kabli: - ścisła tuba, - luźna tuba, - rozeta, Ścisła tuba jest najprostszym sposobem zabezpieczenia światłowodu przed działaniem czynników zewnętrznych. Jest to nałożenie na światłowód będący w pokryciu pierwotnym dodatkowego pokrycia ze specjalnego tworzywa. Światłowód taki może być użyty we wszystkich konstrukcjach kabli. (wewnątrz obiektów). Rysunek 3.2 Kabel optotelekomunikacyjny ścisła tuba. Luźna tuba to dwuwarstwowa rurka. Zabezpiecza ona światłowód przed deformacjami oraz wpływem sił tarcia. Wewnętrzna warstwa jest wykonana z tworzywa zapewniającego bardzo mały współczynnik tarcia, natomiast zewnętrzna warstwa zabezpiecza światłowód przed czynnikami zewnętrznymi. Tuba taka zawiera od jednego do kilkudziesięciu światłowodów. Żel m. in. Chroni tubę przed dostaniem się wody do jej wnętrza. 9

10 Rysunek 3.3 Kabel optotelekomunikacyjny luźna tuba. Rozeta jest wykonana z polipropylenu i wypełniona żelem. Chroni włókna przed wpływem czynników zewnętrznych i jednocześnie pozostawia im swobodę ruchu. Rozety są najczęściej wykonane jako 10 rowkowe. W 1 rowku znajduje się 1 lub kilka światłowodów. Rysunek 3.4 Kabel optotelekomunikacyjny rozeta.[5] 10

11 4.Zastosowanie światłowodów Ze względu na liczne zalety światłowodów (szerokie pasmo przenoszeni, brak przesłuchów między liniami, mała wrażliwość na pole elektromagnetyczne, małe wymiary) cieszą się one bardzo dużym zastosowaniem. Główne zastosowania światłowodów: -Zastosowanie światłowodów w telefonii. Światłowody cieszą się ogromnym zastosowaniem w dziedzinie telefonii ze względu na możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma. Już pierwsza sieć światłowodowa zawierała 24 włókna optyczne, a każde z nich mogło przenosić 672 kanały telefoniczne. Kolejnym ważnym krokiem zastosowania techniki światłowodowej była możliwość realizacji międzymiastowych linii światłowodowych po tym jak powstało łącze optyczne przesyłające sygnał o długości ponad 100 km bez wzmacniaczy. Zalety światłowodów takie jak: niewrażliwość na pole elektromagnetyczne, brak iskrzenia czy duża niezawodność sprawiają że mogą być one stosowane prawie w każdym środowisku. Dlatego też istnieją sieci telekomunikacyjne w elektrowniach. Sygnał światłowodu jest do tego stopnia niewrażliwy na pole elektromagnetyczne, że może być on dołączony do kabla przewodzącego prąd. -Zastosowanie do wykrywania zwarć W tym przypadku światłowód jest dołączony do kabla przewodzącego prąd. W światłowodzie przesyłana jest wiązka o określonej polaryzacji. W przypadku zwarcia zmienia się polaryzacja i do odbiornika dociera wiązka o innej polaryzacji. W ten sposób jesteśmy informowani o zmianach jakie zaszły w obwodzie. -Zastosowanie światłowodów jako czujników Światłowody jako czujniki są stosowane do pomiaru ruchu obrotowego. Rolę czujnika pełni zwój włókna optycznego. Sygnał świetlny wędruje przez to włókno w obu kierunkach. Mierzy się różnice obu faz rozchodzących się w przeciwnych kierunkach wiązek światła. Na tej podstawie określa się stan zwoju. Jeśli różnica faz jest zerowa to znaczy, że przewód jest nieruchomy. Natomiast jeżeli występuje ruch obrotowy powstaje różnica faz proporcjonalna do tego ruchu. 11

12 -Zastosowanie do oświetlenia Światłowody oświetleniowe możemy podzielić ze względu na część świecącą na dwa rodzaje: świecące bokiem (SIDE LIGHT) oraz świecące na końcach (END LIGHT).Oba te rodzaje składają się ze światłowodowego rdzenia oraz powłoki teflonowej i warstwy zatrzymującej promienie UV. Światłowody tego typu są bardzo wytrzymałe eksploatacyjnie oraz mechanicznie. Zdolność świecenia światłowodów sprawiła, że znalazły one zastosowanie w drogownictwie. Można spotkać świecący znak drogowy, częścią świecącą jest oczywiście światłowód. Rys.4.1. Światłowody wykorzystywane w drogownictwie -Zastosowanie w sieciach komputerowych FDDI (Fiber Distributed Data Interface) umożliwia realizację szybkich połączeń dla różnych rodzajów sieci i jest oparty na technologii światłowodowej. Została ona zaprojektowana dla komputerów, które wymagają szybszych połączeń niż prędkość 4Mbps które otrzymuję się w sieciach Token Ring lub 10Mbps w sieciach Ethernet (sieci te nie wykorzystują technologii światłowodowej). Sieć FDDI może obsługiwać szereg sieci LAN, wymagających szybkiego połączenia między nimi. Zbudowana jest z dwóch pierścieni, w których dane są nadawane ze stacji roboczych w 2 przeciwbieżnych kierunkach. Sieć taka osiąga zawrotną prędkość transferu wynoszącą 100Mbps.W sieciach takich niemożliwe jest podsłuchanie lub przechwycenie nadawanych informacji. Rys4.2. Sieć FDDI [8] 12

13 -Zastosowanie w telewizji kablowej Światłowody są także wykorzystywane w telewizji kablowej. Stanowią one bardzo dużą konkurencję dla kabli koncentrycznych ze względu na dużą odporność na zakłócenia elektromagnetyczne oraz małą podatność na zniszczenie wskutek wyładowań atmosferycznych. -Zastosowanie w medycynie Światłowody znajdują także zastosowanie w medycynie np. w stomatologii. Lasery dentystyczne wyposażone są w lekkie,bardzo cienkie i elastyczne światłowody, przez co możliwa jest nie tylko penetracja każdego zakamarka jamy ustnej ale także kanału zęba. W światłowody wyposażone są również lasery chirurgiczne (np. chirurgia plastyczna) oraz okulistyczne. 13

14 5. Literatura [1] Pióro Barbara, Pióro Marek: Podstawy Elektroniki WSiP Warszawa 1998 [2] Magazyn Technologie teleinformatyczne 1/2004 [3] Leksykon naukowo-techniczny z suplementem Wydawnictwa Naukowo- Techniczne Warszawa 1989 [4] Strona internetowa Elektroniki cyfrowej: [5] Strona internetowa: [6] Strona internetowa: [7] Strona internetowa: [8] Strona internetowa: 14