Światłowody

Światłowody – informacje ogólne

Era współczesnej telekomunikacji rozpoczęła się w ubiegłym stuleciu wraz z wynalezieniem telegrafu. Rozpoczął on transmisję informacji za pośrednictwem sygnału elektrycznego, w wyniku której następnymi etapami były: telefon elektryczny , transmisja cyfrowa multipleksowanych czasowo kanałów telefonicznych w kablu koncentrycznym, oraz transmisja mikrofalowa.
Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się cały czas w rdzeniu, ponieważ następuje całkowite wewnętrzne odbicie promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia do płaszcza. Wokół płaszcza znajduje się izolacja ochronna.
W światłowodach do transmisji informacji wykorzystywana jest wiązka światła, która jest odpowiednikiem prądu w innych kablach. Wiązka ta jest modulowana zgodnie z treścią przekazywanych informacji. To rozwiązanie otworzyło nowe możliwości w dziedzinie tworzenia szybkich i niezawodnych sieci komputerowych. Właściwie dobrany kabel może przebiegać w każdym środowisku. Szybkość transmisji może wynosić nawet 3 [Tb/sek.]. Sieci oparte na światłowodach zwane są FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Światłowód wykonany ze szkła kwarcowego, składa się z:
• rdzenia (złożonego z jednego lub wielu włókien),
• okrywającego go płaszcza,
• warstwy ochronnej.
Dielektryczny kanał informatyczny eliminuje konieczność ekranowania.
Transmisja światłowodowa polega na przepuszczeniu przez szklane włókno wiązki światła generowanej przez diodę lub laser. Wiązka ta to zakodowana informacja binarna, rozkodowywana następnie przez fotodekoder na końcu kabla. Światłowód w przeciwieństwie do kabli miedzianych, nie wytwarza pola elektromagnetycznego, co uniemożliwia podsłuch transmisji. Główną wadą tego medium jest łatwa możliwość przerwania kabla, a jego ponowne złączenie jest bardzo kosztowne. Zastosowanie światłowodów do transmisji pozwoliło na utrzymanie hiper-eksponencjalnego charakteru wzrostu parametrów transmisji. O ile w elektrycznych systemach transmisyjnych opartych na kablu koncentrycznym lub mikrofalach zasadniczym ograniczeniem łączy było zawężone pasmo transmisyjne to pasmo przenoszenia światła i światłowodu jest praktycznie nieograniczone.

Można wyróżnić następujące rodzaje kabli światłowodowych:
• Kabel zewnętrzny z włóknami w luźnych tubach, jest odporny na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Wypełnione żelem luźne tuby zawierają jedno lub kilka włókien i oplatają centralny dielektryczny element wzmacniający. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym oplotem oraz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową koszulką zewnętrzną.
• Kable wewnętrzne przeznaczone są do układania wewnątrz budynku. Posiadają cieńszą warstwę ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne.
Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów (fal) o różnej długości co powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość lub odległość transmisji. Źródłem światła jest tu dioda LED.
Światłowody jednomodowe są efektywniejsze i pozwalają transmitować dane na odległość 100 [km] bez wzmacniacza. Jednak ze względu na wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych jest to bardzo drogie rozwiązanie. Źródłem światła jest tu laser. Na poniższym rysunku przedstawiono budowę światłowodu jednomodowego:

Budowa światłowodu jednomodowego


Zalety światłowodów:
• Światłowody są z pewnością przyszłością informatyki i telekomunikacji. Są akceptowane przez większość technologii sieciowych.
• Umożliwiają stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia wysokoefektywny transfer danych, przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem - nie wytwarzają własnego pola magnetycznego w związku, z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji., długość światłowodu jest praktycznie nieograniczona - zależy wyłącznie od parametrów tłumiennościowych kabla (dla kabli jednomodowych), w porównaniu do innych kabli światłowody zapewniają minimalne straty sygnału .Ich żywotność wynosi 25 lat.
• Ten typ medium transmisyjnego stosuje się w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych, w środowiskach o średnim i dużym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych oraz w połączeniach wymagających wysokiej niezawodności, np. serwerów do sieci.
• Wprowadzenie światła i światłowodów do transmisji informacji daje nieograniczone możliwości i wśród naukowców trwa debata jak je efektywnie wykorzystać, jeśli nie w całości, lub przynajmniej w znaczącej części.

Wady światłowodów:
• Do wad zaliczyć należy złożoność instalacji - wymagane jest stosowanie kosztownych, specjalistycznych narzędzi oraz bardzo wysoką cenę nie tyle samego kabla, co urządzeń dostępowych i montażowych. Dołączenie nowego urządzenia wymaga wyższych kwalifikacji.

Komponenty światłowodowe

Jak już wiemy typowy trakt łącza optycznego zawiera nadajnik optyczny, światłowód z odpowiednimi złączami oraz odbiornik. Jeżeli światłowód jest dzielony to dodatkowo występują złącza światłowodowe rozłączalne. Trakt transmisyjny może także zawierać wzmacniacze optyczne, multipleksery i demultipleksery optyczne.


rys.1. Układ nadawczo odbiorczy



rys. 2. Moduł odbiorczo - nadawczy układu optycznej transmisji danych.


rys. 3. Złącza dla światłowodu pojedynczego.

rys. 4. Złącza dla dwóch światłowodów.

rys. 5. Światłowód zakończony złączami światłowodowymi.

Generacje światłowodów:
• Pierwsza generacja (okno 850nm) w roku 1972 amerykańska firma Corning Glass uzyskuje światłowodowe włókno wielomodowe o tłumienności około 4dB/km dla fali o długości 850nm, co pozwoliło na uzyskanie pojemności transmisyjnej poniżej 50Mb/s i skokowej charakterystyce załamania wiązki świetlnej
• Druga generacja (okno 13OOnm) - w roku 1987 udało się po raz pierwszy zastosować światłowód jednomodowy o prawie zerowej dyspersji (dla fali 13OOnm) i zmniejszonym tłumieniu jednostkowym (do około 0,4dB/km)
• Trzecia generacja (okno 1550nm) charakteryzuje się najmniejszą tłumiennością jednostkową (od 0,16 do 0,2 dB/km), co ma bezpośredni wpływ na zasięg (pozwala na zwiększenie odległości między regeneratorami do około 200km). Podstawową niedogodnością jest występowanie wysokiej dyspersji (15-20 ps/km*nm)
• Czwarta generacja wiąże się z wprowadzeniem szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA, komutacji i zwielokrotnienia falowego WDM
• Piątą generację tworzą najnowsze osiągnięcia w zakresie transmisji solitonowej (co teoretycznie prowadzi do nieograniczonego wzrostu pojemności transmisyjnej BL)

Własności światłowodów
Gdyby światłowód był idealnym medium to sygnał na wyjściu światłowodu musiałby być wierną kopią sygnału wprowadzonego na wejściu. Tak jednak nie jest. Jedną z podstawowych wad światłowodów jest tłumienie, które nie zmienia kształtu sygnału, zmniejsza jedynie jego moc. Tłumienie powodowane jest przez straty falowe wynikające z niedoskonałości falowodu. Należą do nich absorpcja, czyli pochłanianie energii przez cząstki światłowodu, rozpraszanie energii powodowane fluktuacjami gęstości materiału rdzenia oraz fluktuacjami współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu przy jego granicy z rdzeniem, rozpraszanie energii spowodowane niedoskonałościami włókna powstałymi już w fazie produkcji takimi jak: zgięcia falowodu, mikropęknięcia czy spawy. Wszystkie wymienione efekty prowadzą do straty propagowanej energii, przy czym łączna strata energii mocy dP proporcjonalna jest do mocy wprowadzonej do światłowodu i do długości drogi transmisji.
Zależność tłumienia światłowodów kwarcowych od długości fali maleje zgodnie z krzywą Rayleigh'a, z czwartą potęgą długości fali światła.


rys. 6. Tłumienie we włóknie światłowodowym

Tłumienie ma różne źródła:
• straty materiałowe - większość światłowodów wykonana jest ze szkła kwarcowego SiO2, a ponieważ struktura szkła nie jest doskonale regularna, prowadzi to do fluktuacji gęstości materiału rdzenia, na których to światło ulega rozpraszaniu.
Dla czystego szkła kwarcowego stała materiałowa k = 0,8, a tłumienność spowodowana rozproszeniem Rayleigh'a wynosi dla długości fali widzianej przez światłowód l=850 nm 1.53 dB/km, dla l=1300 nm 0.28 dB/km, a dla l=1550 nm 0.138 dB/km. Własnością tego rozpraszania jest to, że moc rozproszona jest odwrotnie proporcjonalna do l4. Stanowi ono główną wartość strat występujących w dobrej jakości światłowodach, w zakresie fal użytecznych od 800 do 1600 nm.
Oprócz rozpraszania Rayleigh'a istnieje silna absorpcja zarówno w podczerwieni, jak i nadfiolecie związana bezpośrednio z samymi własnościami szkła krzemowego SiO2. Nie pozwala ona na wykorzystanie jeszcze dłuższych fal do transmisji, tzn. powyżej 1550 nm, pomimo że tłumienność dla tych fal powodowana rozproszeniem Rayleigh'a jest jeszcze mniejsza.
• straty falowodowe - wynikają z niejednorodności światłowodu powodowanymi fluktuacjami średnicy rdzenia, zgięciami włókna, nierównomiernością rozkładu współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu, oraz wszelkimi innymi odstępstwami od geometrii idealnego światłowodu cylindrycznego. Deformacje włókna mające duży wpływ na tłumienie światłowodu to mikrozgięcia i makrozgięcia. Mikrozgięcia powstają w procesie wytwarzania włókien i są to nieregularności kształtu rdzenia i płaszcza rozłożone wzdłuż włókna losowo lub okresowo. Wywołują w światłowodzie wielomodowym mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie, jednomodowym mikrozgięcia powodują natomiast rozmycie modu. Tłumienie wywołane, makrozgięciami, czyli wywołane fizycznym zakrzywieniem włókna światłowodowego, 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 powodowane są również przez przesunięcia, rozsunięcia oraz wzajemny obrót światłowodów
• absorpcja w zakresie pasm użytecznych (0,8 - 1,5 um) jest niewielka, wzrasta natomiast przy niewielkiej nawet koncentracji zanieczyszczeń metali Fe, Cu, Cr, a zwłaszcza jonów OH. Jest to proces nieodwracalny, wynikowa tłumienność zależy od rodzaju domieszek oraz od sposobu ich koncentracji. Ponadto powyższe zanieczyszczenia powodują selektywny wzrost tłumienia, wybór okien transmisyjnych wynika z konieczności pominięcia tych pasm absorpcyjnych.
Tłumienie zależne od długości fali odgrywa istotną rolę w transmisji światłowodowej, wyróżnia się trzy okna przydatne do prowadzenia transmisji o obniżonej tłumienności:
• I okno transmisyjne - obejmuje fale w okolicy 0,85um, dość wysokie tłumienie powyżej 1dB/km. O atrakcyjności tego okna stanowi dostępność tanich źródeł światła, jednak zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu kilkunastu kilometrów.
• II okno transmisyjne - na fali l,3um, tłumienie około 0,4dB/km, zasięg transmisji od 75 do 100km.
• III okno transmisyjne - na fali l ,55um, tłumienie mniejsze niż 0,2dB/km, zasięg transmisji od 150 do 200km.
Systemy pracujące w pierwszym oknie oparte są na włóknach wielomodowych, a ze względu na ich wysoka tłumienność stosowane są dla małych odległości transmisji, głównie lokalnych sieci komputerowych. Jako źródła światła wykorzystywane są diody elektroluminescencyjne. Drugie okno wykorzystywane jest zarówno w systemach wielomodowych, jak i jednomodowych. Są to systemy telekomunikacyjne lub zaawansowane technologie sieci komputerowych. W oknie trzecim pracują telekomunikacyjne systemy dalekosiężne oparte na włóknach jednomodowych. Źródłem światła są tutaj jednoczęstotliwościowe lasery na falę 1550 nm.
Dyspersja, czyli poszerzenie impulsu docierającego na koniec włókna, jest drugim czynnikiem po tłumieniu w wyraźny sposób ograniczającym zasięg transmisji w systemach światłowodowych. Rozróżnia się dwa typy dyspersji. Jest to dyspersja międzymodowa występująca w światłowodach wielomodowych, oraz dyspersja chromatyczna, widoczna głównie we włóknach jednomodowych. Światło generowane przez źródło ma określoną długość fali i szerokość widma. Im szersze widmo tym więcej promieni o różnej długości fali przemieszcza się w rdzeniu włókna docierając do odbiornika w różnym czasie. Dyspersja zmienia, zatem kształt sygnału, powoduje rozszerzenie i rozmycie transmitowanego impulsu, w czasie i w przestrzeni, rosnące wraz z odległością. Wprowadzając do światłowodu serię krótkich impulsów możemy na wyjściu otrzymać "zlanie" się ich, w rezultacie czego impulsy te nie będą mogły zostać poprawnie rozpoznane. Przepływność transmisyjna włókna jest więc określona przez to, jak blisko siebie można transmitować kolejne impulsy bez ich wzajemnego nakładania się na siebie.
• dyspersja modowa - występuje w światłowodach wielomodowych, w światłowodach gradientowych jest nieznaczna. Impuls światła wiedziony przez światłowód jest superpozycją wielu modów, z których prawie każdy, na skutek różnych kątów odbicia od granicy rdzenia, ma do przebycia inną długość drogi między odbiornikiem a nadajnikiem. Dyspersja modowa światłowodów skokowych przekracza znacznie wszystkie pozostałe dyspersje. Spowodowana jest różną drogą poszczególnych modów w światłowodzie, co w rezultacie objawia się różnym czasem dotarcia ich do końca światłowodu i poszerzeniem impulsu. Dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien docierający sygnał ma wyraźnie inny kształt i niniejszą amplitudę. Zniekształcenie to rośnie wraz z długością światłowodu. Ograniczenie dyspersji modowej i zwiększenie pasma światłowodów wielomodowych do 1200 MHz*km uzyskano wprowadzając włókna gradientowe.
• dyspersja chromatyczna - z racji tego, że światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mód, nie występuje tutaj zjawisko dyspersji międzymodowej. Uwidacznia się natomiast inny, dotychczas niewidoczny rodzaj dyspersji, dyspersja chromatyczna. Składają się na nią dwa zjawiska: dyspersja materiałowa i falowodowa.
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 mód charakteryzuje się rozmyciem w czasowym.
Dyspersja falowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.
Standardowe światłowody mają dyspersję zerującą się w drugim oknie transmisyjnym. Jednak odpowiednio modyfikując stosunek współczynników załamania w płaszczu i rdzeniu, oraz zmieniając średnicę rdzenia uzyskuje się tzw. włókna o przesuniętej dyspersji, dla których zerowa dyspersja osiągana jest w trzecim oknie transmisyjnym. Produkowane także są światłowody o płaskiej charakterystyce dyspersji, dla których jest ona zerowa w drugim i trzecim oknie jednocześnie.
Rozpraszanie Ramana jest nieliniowym procesem transferowania mocy, pomiędzy dwoma falami biegnącymi w tym samym kierunku z udziałem fal akustycznych, o częstotliwości optycznej, przy czym moc krótszej fali przekazywana jest częściowo fali dłuższej. Podczas transmisji w pojedynczym kanale zjawisko to obserwuje się dopiero powyżej około 5OOmW, jednak w systemie wielokanałowym występuje już przy znacznie niższych poziomach mocy. Rozpraszanie Ramana jest oddziaływaniem szerokopasmowym i pokrywa praktycznie całe okno transmisyjne. Znaczy to, że energia kanałów położonych w dolnej części okna, będzie zakłócać transmisję współbieżną we wszystkich pozostałych kanałach w całym oknie. Rozpraszanie Ramana pojawia się poprzez dwa efekty: zmianę natężenia światła w poszczególnych kanałach oraz przenik zdalny. Pierwszy z nich można kompensować odpowiednią charakterystyką wzmocnienia, drugi ogranicza maksymalną moc jaką można transmitować w kanale składowym WDM.
Zjawisko podobne do rozpraszania Ramana, ponieważ polega na oddziaływaniu fal świetlnych i dźwiękowych w światłowodzie. Powoduje przemianę częstotliwości i odwrócenie kierunku rozchodzenia się fali świetlnej. Padająca fala świetlna zamieniana jest na falę Stoktesa o większej długości i jednocześnie wzbudzany jest fonon akustyczny. Istnieje kilka poważnych różnic pomiędzy rozpraszaniem Brilloina i Raman: otóż współczynnik wzmocnienia Brillouina dla światłowodów jednomodowych jest o ponad dwa rzędy wielkości większy od współczynnika wzmocnienia Ramana. W odpowiednich warunkach wymuszone rozpraszanie Brillouina może być dominującym procesem nieliniowym.
Rozproszenie Brillouina powstaje przy znacznie niższych mocach, niż ramanowskie, już poniżej 2,4 mW w liniach dłuższych niż 20 km. Inną różnicą jest fakt, że rozpraszanie Brillouina zachodzi w światłowodach jednomodowych jedynie w kierunku wstecznym, podczas gdy rozpraszanie Ramana zachodzi zarówno w kierunku zgodnym jak i przeciwnym do kierunku rozchodzenia się fali pompującej. Rozpraszanie Brillouina w niewątpliwy sposób zmniejsza moc fali rozchodzącej się w światłowodzie, ponieważ fala rozproszona wstecz zmniejsza moc fali pierwotnej, a w dodatku generuje potencjalnie silną falę rozproszoną w kierunku nadajnika.

Przyszłość światłowodów
Światłowody są z pewnością przyszłością informatyki i telekomunikacji. Są akceptowane przez większość technologii sieciowych. Umożliwiają stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia wysokoefektywny transfer danych, przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem - nie wytwarzają własnego pola magnetycznego w związku, z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji. Długość światłowodu jest praktycznie nieograniczona - zależy wyłącznie od parametrów tłumiennościowych kabla (dla kabli jednomodowych), w porównaniu do innych kabli światłowody zapewniają minimalne straty sygnału. Ich żywotność wynosi 25 lat. Do wad zaliczyć należy złożoność instalacji - wymagane jest stosowanie kosztownych, specjalistycznych narzędzi oraz bardzo wysoką cenę nie tyle samego kabla co urządzeń dostępowych i montażowych. Dołączenie nowego urządzenia wymaga wyższych kwalifikacji. Ten typ medium transmisyjnego stosuje się w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych, w środowiskach o średnim i dużym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych oraz w połączeniach wymagających wysokiej niezawodności, np. serwerów do sieci.