Definicja światłowodu

ŚWIATŁOWODY

Definicja światłowodu Światłowód - falowód optyczny przenoszący światło dzięki zachodzącemu w nim zjawisku wielokrotnego, całkowitego wewnętrznego odbicia.

WIDMO FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH

Budowa światłowodu Apertura kątowa jest to maksymalny kąt, pod jakim można wprowadzić promień światła do światłowodu. Mody światłowodowe - określają rozkład pola optycznego i fizyczny kształt wiązki świetlnej wewnątrz światłowodu. Posługując się znacznym uproszczeniem, pojedynczy mod światłowodowy można utożsamić z jednym promieniem światła podróżującym wzdłuż światłowodu. Przepływność - maksymalna ilość danych możliwa do przesłania przez medium (np. światłowód) w danej jednostce czasu (zazwyczaj w ciągu jednej sekundy). Rdzeń - znajduje się pośrodku kabla i jest medium propagacyjnym sygnału. Wykonany jest ze szkła kwarcowego (GOF) lub plastiku (POF). Obecne rdzenie mają średnice od 8 mikronów dla światłowodu jednomodowego i do 1000 mikronów dla wielomodowych światłowodów plastikowych. Płaszcz - wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń. Różnica ta powoduje, że zachowuje się niczym lustro otaczające rdzeń, kierując promień do wnętrza rdzenia, formując falę optyczną

Materiały stosowane do budowy światłowodów Ze względu na materiały światłowody możemy dzielić na następujące grupy: szklane, plastikowe i półprzewodnikowe. Światłowód szklany (GOF) - wykorzystywany jest do przesyłania danych na dużych odległościach i z wielkimi prędkościami. W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi nieorganiczne tworzywo. Światłowód plastikowy (POF) - wykorzystywany jest jedynie do lokalnego przesyłania danych między urządzeniami na małe odległości i z małymi prędkościami (w porównaniu ze światłowodami szklanymi). W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi tworzywo organiczne. Światłowody plastikowe charakteryzują się trzema podstawowymi wymiarami: średnicą rdzenia, średnicą płaszcza oraz średnicą pokrycia zewnętrznego. Typowe zastosowania światłowodów plastikowych to automatyka przemysłowa, motoryzacja, sprzęt domowy (np. Toslink) i rozwiązania typu Fiber To The Desktop (FTTD). Światłowody ze szklanym rdzeniem i plastikowym płaszczem (HCS/PCS, PCF) Światłowód półprzewodnikowy - charakteryzuje się półprzewodnikowym rdzeniem, najczęściej jest to Arsenek galu (GaAs).

Materiały stosowane do budowy światłowodów Grubość rdzenia i płaszcza. Najpopularniejsze rozmiary: 9/125 µm (jednomodowe GOF) 50/125 i 62,5/125 µm (wielomodowe GOF) 200/230 µm i 400/430 µm (HCS/PCS) 980/1000 µm (POF) Materiały stosowane do wzmocnienia to min. kevlar

Całkowite wewnętrzne odbicie Jeżeli światło pada na granicę dwóch ośrodków o różnej gęstości (z ośrodka o większej gęstości do ośrodka o mniejszej gęstości pod kątem większym od tzw. kata granicznego, to ulega ono tylko odbiciu zgodnie z prawem odbicia i żadna jego część nie wchodzi do drugiego ośrodka.

Całkowite wewnętrzne odbicie Dopiero powyżej kąta granicznego następuje całkowite wewnętrzne odbicie.

Całkowite wewnętrzne odbicie Jeżeli światło przechodzi z ośrodka I (o dużej gęstości), w którym rozchodzi się z szybkością v1, do ośrodka drugiego ( o małej gęstości), w którym jego szybkość v2 jest większa, kąt załamania jest większy od kąta padania. Można się więc domyślić, że dla pewnego kąta padania kąt złamania będzie równy 90 stopni. Dla kątów padania większych od kąta granicznego, na granicy ośrodków następuje tylko odbicie, czyli światło nie przedostaje się do drugiego ośrodka. Tylko promień czarny przechodzi do drugiego ośrodka ponieważ nadany jest pod kątem mniejszym od granicznego.

Całkowite wewnętrzne odbicie Przejście modu przez światłowód. Odbicie jego od granicy rdzeń-płaszcz

Całkowite wewnętrzne odbicie Obserwując powierzchnię wody pod tym kątem, widzimy obraz żółwia. Obraz ten powstał poprzez całkowite wewnętrzne odbicie.

Światłowód jednomodowy Światłowód jednomodowy - światłowód, w którym możliwa jest transmisja tylko jednej wiązki światła. Promień świetlny biegnie wzdłuż włókna równolegle do osi rdzenia. Dzięki temu wiązka świetlna niosąca informacje nie ulega szybkiemu rozmyciu (dyspersji), co zwiększa odległość, na jaką można przesłać dane bez potrzeby ich regeneracji (do kilkuset km). Mała średnica rdzenia w światłowodach jednomodowych (4-10 µm) ogranicza możliwość jednoczesnego wprowadzenia do wnętrza włókna tylko pojedynczej wiązki światła. Sygnał wyjściowy charakteryzuje się niemal identycznym natężeniem impulsu optycznego oraz zbliżonym do wejściowego rozkładem natężenia pola optycznego.

Światłowód wielomodowy Światłowód wielomodowy - jego konstrukcja umożliwia jednoczesne nadawanie kilku sygnałów świetlnych. W celu zwiększenia "czytelności" informacji do ich budowy stosuje się włóka o skokowej bądź gradientowej zmianie współczynnika załamania światła. Konstrukcja wielomodowa pozwala na jednoczesny przesył kilku pakietów danych (wiązek światła). W rdzeniu o średnicy 50-1000 µm ze względu na występowanie niekorzystnego zjawiska dyspersji, sygnał wejściowy ulega rozmyciu na wyjściu, a im dłuższy dystans ma światło do pokonania tym zaburzenie sygnału jest większe. Aby zminimalizować rozmycie impulsu wyjściowego, stosuje się czasem światłowody wielomodowe z gradientowym współczynnikiem załamania światła.

Światłowód wielomodowy o rozkładzie skokowym W światłowodzie tego typu współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem a płaszczem. Mody prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Prędkość światła zależy od ośrodka, w którym światło się rozchodzi: w próżni ta prędkość wynosi 300 000 km/s a w światłowodzie 200 000 km/s, dlatego czasy przejścia promieni przez mody światłowodu są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnał

Światłowód wielomodowy o rozkładzie gradientowym Rdzeń światłowodu gradientowego ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Największą wartość ma na osi rdzenia, zaś najmniejszą na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają dla różnych modów (poruszających się po łukach) tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż modu. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania; oznacza to, że mają większą prędkość liczoną wzdłuż drogi poruszania się promienia. Zastosowanie światłowodów o profilu gradientowym, w których zróżnicowanie prędkości propagacji modów jest mniejsze, powoduje że dyspersja modowa jest mniejsza i szerokość impulsu na wyjściu jest dużo mniejsza.

Konstrukcja rozetowa Rozeta jest elementem ośrodka kabla stosowanym alternatywnie do luźnej tuby. Wykonywana najczęściej z polipropylenu, wypełniona żelem, chroni włókna przed wpływami zewnętrznymi pozostawiając im swobodę ruchu. Rozety najczęściej wykonuje się jako dziesięcio lub dwunasto rowkowe. Rowki ułożone są spiralnie wzdłuż elementu wytrzymałościowego kabla. W rowku może znajdować się jeden lub kilka światłowodów. Produkcja kabla z ośrodkiem rozetowym jest tańsza lecz kabel taki ma mniejszą wytrzymałość na uderzenia boczne od tubowego. a) element wytrzymałościowy centralny b) rozeta polipropylenowa c) rowek rozety d) włókno optyczne e) osłona rozety f) wzmocnienie ośrodka g) powłoka kabla

Konstrukcja tubowa luźna Luźna tuba - jest najczęściej wytwarzana w postaci dwuwarstwowej rurki. Wewnętrzna warstwa wykonana jest z tworzywa zapewniającego bardzo mały współczynnik tarcia, zewnętrzna zabezpiecza światłowód przed wpływem czynników zewnętrznych. Tuba może zawierać od jednego do kilkudziesięciu światłowodów, a jej zadaniem jest dostateczne zabezpieczenie światłowodów przed deformacjami oraz wpływem sił tarcia - zbyt durze powodują powstanie makro i mikro zgięć. Luźna tuba posiada wszystkie cechy podstawowego elementu konstrukcyjnego kabla i może być wykorzystana uniwersalnie w różnych jego konstrukcjach.

Konstrukcja tubowa ścisła Ścisła tuba - Bezpośrednie nałożenie pokrycia ze specjalnego tworzywa na światłowód w pokryciu pierwotnym, jest najprostszym sposobem jego zabezpieczenia przed działaniem czynników zewnętrznych. Światłowód w ścisłym pokryciu może być użyty we wszystkich konstrukcjach kabli przeznaczonych do krótkich połączeń. W konstrukcjach tych światłowód w ścisłym pokryciu pełni taką samą rolę, jak w luźnej tubie w kablach dalekosiężnych.

Umieszczenie światłowodu wewnątrz tuby Światłowód, bądź światłowody umieszczone są swobodnie we wnętrzu tuby. Długość światłowodu jest większa niż długość tuby. Wielkość nadmiarowej długości włókna w tubie zależy od ilości światłowodów, geometrii tuby, sposobu jej ułożenia w kablu i jest tak dobrana aby z jednej strony naprężenia rozciągające nie przenosiły się na włókno, z drugiej zaś aby naprężenia ściskające działające na powłokę (niskie temperatury) nie powodowały wzrostu tłumienności światłowodu wskutek strat na makro i mikrozgięciach. Żel hydrofobowy wypełniający tubę ma za zadanie: - blokowanie dostępu wody do jej wnętrza - zmniejszenie wrażliwości światłowodu na straty na mikrozgięciach dzięki właściwościom tiksotropowym (jest ciekły w sytuacjach dynamicznych - ruch i stały w statycznych)

Konstrukcja z linką nośną

Okno transmisyjne

Tłumienia dla poszczególnych okien

Rozpraszanie Rayleigha Rozpraszanie Rayleigha (od nazwiska Lorda Rayleigha) to rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali rozpraszanego światła. Występuje przy rozchodzeniu się światła w przejrzystych ciałach stałych i cieczach, ale najbardziej efektownie objawia się w gazach. Rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach atmosfery jest przyczyną błękitnego koloru nieba. Intensywność rozpraszania zależy od rozmiaru cząsteczek, długości fali światła. Silna zależność intensywności rozpraszania od długości fali oznacza, że światło niebieskie jest rozpraszane silniej niż czerwone. Przy przejściu promienia przez atmosferę będzie to oznaczać, że fotony niebieskie są rozpraszane silniej niż fotony o większej długości fali. W rezultacie rozproszone światło niebieski dociera do nas ze wszystkich stron nieba, podczas gdy inne długości fali rozchodzą się prosto od słońca, rozpraszane w znacznie mniejszym stopniu. Im krótsza fala, tym bardziej jest rozpraszana.

Rozpraszanie Rayleigha

Ograniczenia światłowodów - tłumienie Tłumienie sygnału optycznego - spowodowane jest przez straty mocy optycznej wynikające z niedoskonałości falowodu. W rzeczywistym światłowodzie występuje absorpcja i pochłanianie współczynnika załamania szkła (tzw. rozpraszanie Rayleigha). W czasie instalacji i użytkowania światłowodów mogą pojawić się dodatkowe składniki tłumienia takie jak zgięcia lub mikropęknięcia. Rozpraszanie jest widoczne w zakresie długości fal (600-1600)nm. Wzrost tłumienia dla 1,39μm związany jest z drugą harmoniczną drgań jonów OH. Woda i wodór są składnikami kwarcu z którego buduje się rdzeń światłowodu.

Ograniczenia światłowodów - dyspersja Dyspersja w optyce jest to zależność współczynnika załamania światła od długości fali. Światło białe jest zbiorem skupionych w jedną wiązkę monochromatycznych promieni o barwie od czerwonej do fioletowej. Wiązka światła białego padając na pryzmat ulega rozszczepieniu, w wyniku czego promień świetlny po przejściu przez pryzmat jest rozłożony na szereg wyodrębnionych promieni. Jest to związane z różnymi długościami fali dla różnych barw promieni świetlnych a tym samym z różnymi wartościami współczynnika załamania światła dla poszczególnych barw. W światłowodzie zjawisko dyspersji powoduje rozszerzenie i rozmycie przesyłanego sygnału a w rezultacie jest przyczyną ograniczenia odległości transmisji, zmniejszenia jej szybkości oraz możliwego błędnego odbioru informacji. Wyróżnia się dwa główne typy dyspersji: chromatyczną i modową. Ponadto dyspersja chromatyczna dzieli się na materiałową i falowodową.

Ograniczenia światłowodów dyspersja chromatyczna Jeżeli prędkość grupowa zależy od częstotliwości (czas propagacji zależy od długości fali), to mamy do czynienia z dyspersją chromatyczną. Dyspersja materiałowa - powodowana jest zmianą współczynnika załamania szkła kwarcowego w funkcji długości fali. Ponieważ nie istnieje źródło światła ściśle monochromatyczne, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących się z różną prędkością, docierający po przebyciu fragmentu włókna mod charakteryzuje się rozmyciem w czasie. Dyspersja materiałowa dla światłowodu wykonanego z kwarcu wynosi 0 dla 1300 nm. Dyspersja falowodowa jest to zależność efektywnego współczynnika załamania od częstotliwości. Dyspersja falowodowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza. Dyspersja falowodowa ma przeciwny znak i częściowo kompensuje dyspersję materiałową. Dyspersja materiałowa jest zwykle większa, niż falowodowa. Dyspersja chromatyczna jest sumą dyspersji materiałowej i dyspersji falowodowej. W światłowodach jednomodowych dominuje dyspersja chromatyczna.

Ograniczenia światłowodów dyspersja modowa Efekt dyspersji modowej polega na tym, że mody lub sygnały o różnych częstotliwościach propagują się światłowodem z różnymi częstotliwościami. Gdy sygnał jest kompozycją modów/częstotliwości, to dyspersja powoduje powstanie zniekształceń. Efekt dyspersji pokazany został na rysunku c). W miarę transmisji poza oczekiwanymi efektami tłumienia impulsy poszerzają się i rozmywają. Impulsy stają się nierozróżnialne, ponieważ łączą się w miarę poszerzania. Ponadto w miejscu 0 pojawia się sygnał, który może być odczytany jako 1. W światłowodach wielomodowych mechanizm dyspersji modowej dominuje.

Rodzaje włókien światłowodowych - Włókna o nieprzesuniętej dyspersji (ITU G.652) najczęściej instalowany typ włókien optymalizowane dla transmisji fali o długości 1310 nm mogą być używane dla transmisji fali o długości 1550 nm kosztowne w użyciu dla transmisji o przepływności 10 Gbit/s i większej, - Włókna o przesuniętej dyspersji (ITU G.653) używane do transmisji na znaczne odległości optymalizowane dla transmisji o dużej przepływności przy długości fali 1550 nm mają ograniczenia jeśli chodzi o liczbę fal optycznych transmitowanych w oknie 1550 nm, Zostało zaprojektowane do dalekich transmisji w trzecim oknie optycznym 1500-1600nm, gdzie standardowe włókno G.652 generowało dużą dyspersję. Włókno G.653 charakteryzuje się zerową dyspersją na długości fali ok. 1550nm, umożliwia zastosowanie wzmacniaczy EDFA.

Rodzaje włókien światłowodowych - Włókna o niezerowej dyspersji (G.655) optymalizowane dla dużych przepływności z zastosowaniem transmisji DWDM w oknie 1550 nm. Przesunięto zerową dyspersję poza pasmo 1550nm, co poskutkowało małą i ograniczoną dyspersją chromatyczną w paśmie 1550nm. Są dwa rodzaje włókna z przesuniętą niezerową dyspersją, NZD+ i NZD- w zależności czy wartość zerowej dyspersji przypada przed czy po paśmie 1550nm. - Włókna o niezerowej dyspersji (G.655) jest to nowa generacja włókien G.655 zapewniająca większy transfer danych.

Dobór włókien światłowodoych Decydując się na wykorzystanie światłowodu jednomodowego i modulacji WDM, ważne jest również dobranie odpowiedniego rodzaju światłowodu optymalizowanego dla światła o długości fali zgodnej z używanym nadajnikiem. Biorąc dla przykładu światłowód zgodny z normą G.655 (optymalizowany dla długości fali światła 1550 nm) i używając go z transceiverem generującym promień 1310 nm obserwuje się nadmierny jitter przesyłanego sygnału. Jest to spowodowane dyspersją chromatyczną, która dla tego światłowodu jest minimalna przy długości fali 1550 nm, jednak ma dużo większą wartość dla 1310 nm. Transceiver - urządzenie elektroniczne posiadające zarówno nadajnik jak i odbiornik (np. radiostacja). Jitter jest to krótkookresowe odchylenie od ustalonych, okresowych charakterystyk sygnału. Odchylenie może dotyczyć częstotliwości, amplitudy lub fazy danego sygnału.

Oznaczenia kabli światłowodowych - jednomodowe z nieprzesuniętą dyspersją (J) SM - jednomodowe z przesuniętą dyspersja (Jp) SM - jednomodowe z niezerową dyspersją (Jn) SM - wielomodowe gradientowe 50/125 μm (G50) MM OM2 lub OM3 - wielomodowe gradientowe 62.5/125 μm (G62.5) MM OM1

BHP Pamiętajmy, że uruchamiając urządzenie aktywne mamy do czynienia ze światłem o sporej mocy, zwykle emitowanym przez laser. Typowe długości fali optycznej w transmisji danych: od 850nm do około 1650nm to bliska podczerwień, światła tego nie widać a może ono poważnie uszkodzić nasze oczy. Naprawdę więc nie warto patrzeć w nadajnik ani we włókno, bo nawet jeśli nie oślepniemy to i tak nic nie zobaczymy. Szkło generalnie jest kruche, czyste szkło kwarcowe ma dużo większą giętkość i plastyczność od szklanki z herbatą lub bez, lecz jednak włókno światłowodowe można złamać. Kable mają specyfikowany minimalny promień zgięcia i należy go przestrzegać, przy układaniu kabla wszelkie kolanka czy zagięcia dobrze gdyby były zaokrąglone. Zwykle nie mówi się o tym głośno, ale minimalny promień zgięcia oznacza takie zgięcie, przy którym pogarszają się właściwości transmisyjne (zakłócenie wewnętrznego odbicia, wyciek światła) nie zaś trwałe uszkodzenie włókna. Pamiętajmy także o higienie i czystości podczas instalacji, szczególnie spawania: ułamane fragmenty włókna mogą najzwyczajniej w świecie wbić się pod skórę, a że są bardzo cienkie (1/8mm) i kruche mogą dostać się do krwiobiegu i narobić więcej szkody niż klasyczna wbita drzazga.

Przykłady kabli światłowodowych

Połączenia światłowodów - spawanie Połączenia spawane wprowadzające najmniejsze tłumienie na poziomie ok. 0,02dB. Wykonywane są za pomocą specjalnych spawarek.

Połączenia światłowodów - spawanie Czynności wykonywane przy spawaniu włókien: a) Nałożenie rurki termokurczliwej do zabezpieczenia spawu po jego wykonaniu, b) Przygotowanie włókna obejmuje trzy czynności: - stripping zdjęcie izolacji za pomocą strippera - cleaning czyszczenie włókna np.. Przy użyciu etanolu - cleaving przycięcie włókna za pomocą obcinarki do światłowodów c) Umieszczenie włókna w rowkach spawarki d) Spawanie e) Zgrzewanie rurki termokurczliwej Stripper

Połączenia światłowodów - złączki Ferrula najważniejszy element złączki, zapewnia dokładne centrowanie osiowe włókna optycznego, ferrule wykonuje się z ceramiki, metali lub ich spieków.

Połączenia światłowodów - złączki

Błędy przy łączeniach światłowodów

Połączenia światłowodów - klejenie Za pomocą żywicy epoksydowej polega na sklejeniu oczyszczonych i wypolerowanych powierzchni czołowych włókien za pomocą dwuskładnikowego kleju o specjalnie dobranych własnościach optycznych. Klejone końce włókna doprowadzane są do osłonki i całość umieszczana jest w piecu na ściśle określony okres czasu (do 20 minut). Płaszcz światłowodu stapia się z osłoną tworząc trwałe mechaniczne połączenie. Za pomocą systemu tzw. Kleju Hot-Melt. Osłona przyszłego połączenia jest wypełniana klejem i umieszczana w piecu, tak aby nastąpiło nadtopienie jej wewnętrznych powierzchni. Do osłony wprowadza się przygotowane odcinki włókna i pozostawia całość do ostygnięcia.

Zastosowanie światłowodów