Światłowód

Światłowód, jak sama nazwa wskazuje, służy do przesyłania promieniowania świetlnego. Stanowi on obecnie najlepsze medium transportowe stosowane w telekomunikacji.

Taki stan rzeczy spowodowany jest znikomym zjawiskiem tłumienia (około 0,20dB/km), odporności na zewnętrzne pola elektomagnetyczne, a także stopie błędów mniejszej niż 10^-10 przy najwyższych przepływnościach binarnych oraz faktem że światłowody nie wytwarzają własnego pola magnetycznego wiec niemożliwe staje się podsłuchanie transmisji.

Do transmisji danych, zamiast prądu elektrycznego, wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiązka światła, dzięki czemu możliwa jest transmisja danych osiągająca nawet 6,875 Tb/s (osiągnięta w 2000 r.).

Światłowody początkowo występowały w postaci metalowych rurek o wypolerowanych ściankach i służyły do przesyłania promieniowania podczerwonego.

Z czego zbudowany jest światłowód?

Obecnie światłowód ma postać włókien dielektrycznych, najczęściej do tego celu wykorzystywane są szklane włókna kwarcowe wykonane z dwutlenku krzemu, z osłoną z tworzywa sztucznego, charakteryzującego się mniejszym współczynnikiem załamania światła niż wartość tego współczynnika dla szkła dzięki czemu następuje całkowite odbicie promienia i poprowadzenie go wzdłuż osi włókna. Zamknięcie włókien szklanych w osłonach umożliwia ponadto ich zginanie nie powodując przy tym łamania.

Jak było powiedziane wcześniej aktualnie światłowody wytwarza się z bardzo czystego szkła kwarcowego. Płaszcz wykonuje się z czystego szkła, nie dodając żadnych domieszek. Natomiast szkło przeznaczone na rdzeń wzbogaca się odpowiednią ilością domieszek, które mają za zadanie zwiększyć współczynnik załamania w rdzeniu stosunku do współczynnika załamania w płaszczu. Najczęściej dodaje się german lub ołów.

Wytwarzanie światłowodów

Wytwarzanie światłowodów odbywa się przy wykorzystaniu którejś z poniższych metod:

• Wyciąganie nici szklanych z wieloskładnikowej masy szklanej za pomocą cieplnej plastycznej obróbki mas lub kształtek szklanych. Do najbardziej rozpowszechnionych metod należą:
  • metoda dwutyglowa (podwójnej dyszy) polegająca na jednoczesnym wyciąganiu niskotopliwej masy szklanej rdzenia i płaszcza z dwóch współosiowo umieszczonych tygli. Wymagane jest wcześniejsze oczyszczenie składników z jonów OH, homogenizacji masy szklanej i uformowania prętów szklanych (średnica 3 – 10 mm, długość 1 – 2 m) zasilających tygiel rdzeniowy i płaszczowy;
  • metoda pręt-rura polegająca na przygotowaniu kształtki szklanej w postaci pręta i współosiowo umieszczonej rurki, podgrzaniu kształtki do temperatury mięknienia szkła i wyciąganiu cienkich nici.
• Wyciąganie nici z kształtek kwarcowych mających na powierzchni inne rodzaje szkła naniesione metodą reakcji chemicznych. Najbardziej znane są metody CVD (Chemical Vapour Deposition) i MCVD (Modified CVD), polegające na osadzeniu z fazy gazowej na wewnętrznej powierzchni kwarcowej związków dwutlenku krzemu domieszkowanego innymi tlenkami bez udziału wodoru (możliwość osadzenia wielu warstw – nawet kilkuset, o różnych współczynnikach załamania).
• Przeciąganie pręta kwarcowego do średnicy rdzenia z jednoczesnym powlekaniem jego powierzchni organicznymi związkami polimeryzującymi.

Klasyfikacja światłowodów

Włókna światłowodowe mogą być klasyfikowane ze względu na:

• strukturę modową (jednomodowe, wielomodowe),
  • W światłowodach jednomodowych (Single Mode Fiber, w skrócieSMF) prowadzona jest tylko jedna monochromatyczna wiązka świetlna o stałej szybkości propagacji impulsu, dzięki czemu sygnał wytworzony przez laser prawie praktycznie nie ulega rozproszeniu (brak dyspersji międzymodowej). Strumień danych przesyłany jest równolegle do osi, tak że nie występują odbicia i dociera do końca włókna w tzw. modzie podstawowym. Dzięki temu rdzeń włókna światłowodu jednomodowego ma średnicę zaledwie 5-10 mikronów (Płaszcz w światłowodach tego typu ma zawsze średnicę 125 mikronów). Zastosowanie takiej techniki owocuje tym że sygnał może być transmitowany na znacznie dalsze odległości bez potrzeby wzmacniania sygnału (może osiągnąć do 100 km). Jednakże ze względu na znaczne koszty nie są one zbyt popularne.
  • Światłowód wielodomowy (Multi Mode Fiber, w skrócie MMF) przenosi wiele modów (promieni) światła, każdy o innej długości fali świetlnej i szybkości propagacji, padających pod różnymi kątami do płaszcza światłowodu. Średnica rdzenia wynosi 62,5 mikrona lub 50 mikronów. W odróżnieniu od światłowodu jednomodowego umożliwia transmisję na mniejszą odległość bez wzmacniacza sygnału. Ponadto światłowody wielodomowe dzielą się ze względu na rozkład współczynnika załamania, tak jak pokazuje kolejny podpunkt:
• rozkład współczynnika załamania (skokowe i gradientowe),
  • Charakterystyczną cechą światłowodu gradientowego jest jego budowa warstwowa. Każda warstwa jest zbudowana trochę inaczej z powodu wykorzystania innych domieszek. Liczba warstw wynosi kilka tysięcy, powoduje to że współczynnik załamania światła zmienia się w sposób płynny. Wartość maksymalną przyjmuje na osi rdzenia zaś minimalną na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają – dla różnych modów (poruszających się po łukach)- tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż kabla. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, dzięki czemu zmniejsza się rozmycie sygnału, a co za tym idzie możliwe jest zwiększenie szerokości pasma o rząd wielkości w porównaniu ze światłowodem skokowym.
  • Światłowód skokowy powstaje poprzez wtłoczenie do jego wnętrza wielu szklanych wiązek (modów), ułożonych pod różnymi kątami. Mody odbijają się skokowo na styku zetknięcia płaszcza z rdzeniem. Transmisja w tym światłowodzie odbywa się w ten sposób, że wiązka światła pada pod różnymi niewielkimi kątami w stosunku do jego osi. Prędkość rozchodzenia się światła w szkle jest stała więc im większy jest kąt padania wiązki w stosunku do osi, tym tłumienie jej jest też większe, inaczej mówiąc im większe jest odchylenie tym dłużej promień będzie przechodził przez światłowód. Powstaje wówczas zjawisko rozmycia fali świetlnej (poszerzenia impulsu który dociera do końca światłowodu) nazywane dyspersją modalną, która jest źródłem strat w transmisji.
• geometrię (warstwowe, paskowe lub włókniste),
  • Najprostszy światłowód warstwowy składa się z trzech materiałów o różnych współczynnikach załamania. Światło jest uwięzione w środkowej warstwie na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia fali świetlnej od powierzchni granicznych. Światłowód planarny ogranicza światło tylko w jednym kierunku, w płaszczyźnie warstwy fala może rozchodzić się bez ograniczeń.
  • Światłowód paskowy powstaje, kiedy propagacja wiązki w warstwie zostaje ograniczona w dwóch kierunkach. Światłowody paskowe są wykorzystywane w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach półprzewodnikowych. W układach fotoniki zintegrowanej służą do prowadzenia światła, tworząc bardziej rozbudowane struktury jak np. interferometr Macha-Zehndera lub złożone przyrządy jak multipleksery długości fali dla systemów WDM.
  • Światłowód włóknisty jest najczęściej spotykanym rodzajem światłowodów. Często określane po prostu mianem „światłowodu”. Jako że to głównie ten rodzaj jest wykorzystywany w sieciach komputerowych wszystkie pozostałe części tego artykułu odnoszą się do tego właśnie rodzaju.
• wykonanie powłoki ochronnej:
  • Luźna tuba – jest to luźne, wykonane w postaci elastycznej rurki pokrycie wtórne światłowodu. Rurka wypełniona jest żelem higroskopijnym. Umieszczone w niej włókno ma duży stopień swobody, typowa średnica takiego włókna wynosi 250 mikronów.
  • Ścisła tuba – pokrycie wtórne światłowodu przylegające ściśle do pokrycia pierwotnego, najczęściej o średnicy 900 mikronów.
• rodzaj stosowanego materiału
  • szklane,
  • plastikowe,
  • półprzewodnikowe.

Multipleksowanie

Częstą praktyką przy wykorzystywaniu światłowodów jest tzw. multipleksowanie. Umożliwia ono przesyłanie kilku sygnałów za pomocą jednego włókna. Dzięki takiemu rozwiązaniu nie ma potrzeby stosowania kilku oddzielnych dla każdego sygnału włókien światłowodowych. Wyróżnia się trzy sposoby multipleksowania sygnału:

• Multipleksowanie z podziałem czasu. Polega ono na dzieleniu przesyłanych sygnałów na części, do których później przypisywane są określone czasy transmisji. Przesyłanie przebiega w ten sposób że najpierw przesyłane są pierwsze części wszystkich kolejnych sygnałów (pierwsza część pierwszego sygnału. Pierwsza część drugiego sygnału itd.). Gdy zostaną przesłane, rozpoczyna się przesyłanie drugich części na analogicznej zasadzie. Tego typu multipleksowanie najlepiej spisuje się w przypadku przesyłania sygnałów cyfrowych. Najczęściej łączą one do 16 linii wejściowych.
• Multipleksowanie z podziałem częstotliwości (FDM). Jego zastosowanie zwiększa przepustowość sytemu transmisyjnego. W układzie tym kanały są ułożone względem siebie sąsiadująco. Przesyłane sygnały są przetwarzane na zmiany częstotliwości następujące wokół pewnej środkowej częstotliwości nośnej, należy jednak pamiętać, że każdy sygnał różni się częstotliwością środkową. Ten rodzaj multipleksowania wykorzystuje się do przesyłania sygnałów analogowych.
• Multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM). Przesyłany przy wykorzystaniu tego rodzaju multipleksowania sygnał pochodzi z oddzielnych źródeł. Każdy sygnał posiada określoną unikatową długość fali. Systemy wykorzystujące tą technologię mogą pracować jedynie gdy różnice w długościach fali są mniejsze niż5 nm. Do rozdzielania sygnałów po stronie odbiorcy wykorzystuje się np. siatkę dyfrakcyjną, pryzmat lub wielowarstwowe filtry interferencyjne. Multipleksowanie z podziałem długości fali może być stosowane wyłącznie w systemach optycznych.

Zalety oraz wady światłowodów

Tak więc podsumowując, główne zalety światłowodu przedstawiają się następująco:

• Nie powodują interferencji elektrycznej w innych kablach ani też nie są na nią podatne.
• Impulsy świetlne mogą docierać na znacznie większe odległości niż to jest w przypadku sygnału w kablu miedzianym.
• Światłowody mogą przenosić więcej informacji niż kable miedziane. Mają większą prędkość i niezawodność transmisji.
• Światłowody charakteryzują się dużą trwałością, rzędu 25 lat, a także niskim stopniem awaryjności.

Jednak pomimo tych zalet światłowody posiadają także kilka znaczących wad:

• Pierwsza z nich jest tłumienie sygnału. Wywoływane jest ono przez straty falowe wynikające z niedoskonałości falowodu. Może mieć ono różne źródła:
  • straty materiałowe – większość światłowodów wykonana jest ze szkła kwarcowego SiO2. Światło ulega rozproszeniu z powodu fluktuacji gęstości materiału rdzenia, a ta spowodowana jest niedoskonałością struktury szkła.
  • straty falowodowe – wywoływane są faktem że światłowód nie jest jednorodny. Jest to powodowane odchyleniami od średniej wartości średnicy rdzenia, zgięciami włókna, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu, oraz wszelkimi innymi odstępstwami od geometrii idealnego światłowodu cylindrycznego. Szczególny wpływ na tłumienie sygnału mają mikrozgięcia i makrozgięcia.
    • Mikrozgięcia są to różnice kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Powstają one w czasie wytwarzania włókien. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu.
    • Makrozgięcia, czyli fizyczne zakrzywienia włókna światłowodowego. Tłumienie przez nie wywoływane jest pomijalnie małe dla promieni zakrzywień większych od kilku centymetrów. Mniejsze powodują zmianę współczynnika załamania w obszarze zgięcia, co także prowadzi do tworzenia się modów wyciekających i uwidacznia się efektem świecenia włókna na powierzchni.
  • straty mocy sygnału mogą być także wywoływane przez przesunięcia, rozsunięcia oraz wzajemny obrót światłowodów.
• Kolejnym problemem jest absorpcja, czyli pochłanianie energii przez cząstki światłowodu. Normalnie absorpcja jest niewielka, jednak wzrasta przy niewielkim nawet zanieczyszczeni metalami Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonami OH. Proces ten jest nieodwracalny.
• Dyspersja, czyli zjawisko poszerzenia (rozmycia) impulsu jest następnym problemem. Polega na tym że impuls świetlny na wyjściu jest szerszy niż na wejściu. Impuls ten poszerza się wraz ze wzrostem długości światłowodu. Jest to spowodowane tym, że światło danej długości fali ma odpowiednią szerokość widma. Im jest ono szersze tym więcej promieni porusza się w rdzeniu, przebywając przy tym różną drogę, przez co czas przepływu promienia przez włókno nie jest jednakowy. Dyspersja ogranicza długość światłowodu przez który może być transmitowany sygnał. Wyróżnia się dyspersję międzymodową (światłowody wielomodowe) oraz dyspersję chromatyczną (światłowody jednomodowe).
• Poza tym przy instalowaniu światłowodów konieczny jest specjalny sprzęt do ich łączenia, który wygładza końce włókien w celu umożliwienia przechodzenia przez nie światła.

Na podstawie: http://www.fotonika.edu.pl/swiatlowod/