Światłowody - wszystko o światłowodach

Pod względem szybkości i jakości przepływu informacji światłowody stanęły wysoko ponad wszelką konkurencją. Transmisja światła jest niewrażliwa na zakłócające pola elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne środowisku przemysłowym. Innym powodem stosowania optycznej transmisji sygnału jest możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma, dlatego nadaje się on szczególnie do telefonii, transmisji danych i sygnałów telewizyjnych w formie cyfrowej. W światłowodzie do transmisji danych, zamiast prądu elektrycznego, wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiązka światła. Rozwiązanie takie zapewnia większe pasmo przenoszenia - nawet do 3 Tb/s - , oraz większe odległości na jakie sygnał może być transmitowany bez potrzeby dodatkowego wzmacniania.

Światłowód zbudowany jest ze specjalnego rodzaju szkła kwarcowego. Główną jego częścią jest rdzeń, który okrywa płaszcz i warstwa ochronna. Czasami rdzeń składa się z wielu włókien.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. Światłowody wykonuje się zasadniczo jako jednomodowe i wielomodowe. Światłowody wielomodowe, można podzielić na dwa typy: o współczynniku skokowym i gradientowym najczęściej spotykane są światłowody o płynnej zmianie współczynnika załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem, czyli gradientowe.




Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła, którego źródłem może być laser lub dioda LED. Po drugiej stronie światłowodu jest ona odbierana przez element światłoczuły np. fotodiodę. Aby zapewnić prawidłową i szybką transmisję, wiązka światła jest modulowana. Zapobiega to mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału.


Światłowody dzieli się na jedno i wielo modowe oraz na wewnętrzne i zewnętrzne. Pierwszy podział wynika z ilości przesyłanych modów (fal).

W światłowodzie jednomodowym, przenosi się tylko jeden mod. Oznacza to, że wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza. Wszystkie promienie mają wiec jednakową drogę do przebycia i zajmuje to taki sam czas. Oznacza to, że nie powstaje dyspersja. Światłowody jednomodowe są lepsze. Umożliwiają transmisję danych bez ich wzmacniania na odległość do 100km. Prędkość transmisji sięga 3Tb/s. Źródłem światła jest tu laser. Główną ich wadą, hamującą ich powszechne stosowanie, jest wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych

W wielomodowym światłowodzie, jest możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja

Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów o różnej długości co powoduje zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, zmniejszenie prędkości i odległości transmisji. W tym rodzaju światłowodu, źródła światła jest dioda LED.

Czymś pośrednim miedzy światłowodem o pojedynczym modzie i kablami światłowodowymi o współczynniku skokowym, jest kabel światłowodowy gradientowy. W kablu takim współczynnik załamania zmniejsza się sukcesywnie od środka rdzenia na zewnątrz. Promień świetlny, który ukośnie chce wydostać się z centrum kabla jest uginany w sposób ciągły i kierowany z powrotem w stronę środka kabla. Rdzeń w światłowodzie gradientowym jest tak gruby, że jednocześnie może on przenosić wiele modów światła.


W światłowodzie wielomodowym, rdzeń jest dosyć gruby, ma ok. 50 mikrometrów, czyli jego średnica jest wielokrotnie większa niż długość fali przenoszonego światła. Promień światła może składać się z wielu składowych, z wielu modów, które mogą być przenoszone jednocześnie. Jeżeli zmniejszymy rdzeń dostatecznie (do ok. 5-10 mikrometrów, dla długości fali światła 1,3 mikrometra), to światłowód może przewodzić jedynie jeden mod. Będzie to światłowód typu jednomodowego. Ze względu na bardzo dobre własności częstotliwościowe posiada on możliwość gęstego upakowania informacji - posiada dużą pojemność kanału przenoszenia. Wadą takiego rozwiązania jest cienki rdzeń, co utrudnia łączenie światłowodów ze sobą.

Długość kabla światłowodowego jest ograniczona przez jego dyspersję i tłumienie.
Dyspersja powoduje, że poszczególne promienie światła mają różny czas przebiegu przez światłowód. Impuls świetlny ulega poszerzeniu (rozmyciu), co ogranicza częstotliwość maksymalną powtarzania impulsów, czyli szerokość pasma przenoszenia. Jest to szczególnie istotne przy światłowodach wielomodowych, ponieważ różne mody mają różne czasy przebiegu, a to ogranicza szerokość pasma. Zjawiska te nie występują w światłowodzie jednomodowym. W światłowodach tak jedno, jak i wielomodowych, istnieje również naturalna dyspersja materiału. Wynika ona ze zmian współczynnika załamania światła w szkle. Zależy ona od długości fali, powodowana jest też przez niejednorodności struktury materiału.

Tłumienie i dyspersja zależą od długości fali i materiału światłowodu. Pierwsze włókna wykonane w roku 1970 posiadały tłumienie rzędu 20 dB/km. Z postępem technologicznym zaczęto produkować światłowody o znacznie niższym tłumieniu, zoptymalizowano długość fal pod względem najmniejszego tłumienia. Pierwsza generacja światłowodów pracowała ze światłem o długości fali 0,85 µm, druga generacja 1,3 µm, a trzecia 1,55 µm. Najniższe teoretyczne tłumienie występuje przy fali o długości 1,55 mm i wynosi 0,16 dB/km, podczas gdy najmniejsza dyspersja występuje przy fali o długości 1,3 µm.

Złożonym problemem jest cięcie i łączenie światłowodów ze sobą. Zwłaszcza dotyczy to światłowodów jednomodowych, gdzie cienkie rdzenie w każdym segmencie kabla muszą być w stosunku do siebie ułożone idealnie centrycznie. Na styku powstają również tzw. odbicia Fresnela, zwiększające tłumienność połączeń. Na przejściach można ograniczyć straty do teoretycznej granicy ok. 4%. Tłumienie na złączach jest zmienne i zawiera się miedzy 0,2 i 2 dB w zależności od typu użytego złącza i jakości wykonania.



Mała średnica rdzenia w światłowodach jednomodowych (4-10 mm) 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. Konstrukcja wielomodowa pozwala na jednoczesny przesył kilku pakietów danych (wiązek światła). W rdzeniu o średnicy 50-1000 mm 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.
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.



Wypełnienie całej użytecznej części pasma światłowodu uzyskuje się poprzez nadawanie wielu sygnałów na różnych, acz zbliżonych do siebie częstotliwościach fali światła - tzw. zwielokrotnianie WDM (Wavelength Division Multiplexing). Wszystkie pakiety danych są transmitowane niezależnie od siebie i mogą być wysyłane w tym samym czasie. Zasada ta nie obejmuje zwielokrotniania z podziałem czasu, gdzie istotne jest zachowanie stałych odstępów pomiędzy kolejnymi paczkami informacji - zwielokrotnianie TDM (Time Division Multiplexing).

Problemem pojawiającym się przy optycznym przesyłaniu informacji w sieciach rozległych jest odpowiednie pokierowanie sygnałem świetlnym, tak aby trafił on od nadawcy do odbiorcy. Owo przekierowywanie wiązki światła realizowane jest w urządzeniach nazywanych przełącznikami. jednym z ciekawszych przełączników optycznych jest WaveStar LambdaRouter firmy Lucent Technologies. Urządzenie składa się z matrycy miniaturowych, ruchomych luster o średnicy około 5 mm. Osadzone są one na elastycznych wiązadłach półprzewodnikowych, stanowiących swoistego rodzaju sprężynki. Dzięki sterowaniu polem elektromagnetycznym możliwa jest kontrola położenia zwierciadła, a co za tym idzie - miejsca padania odbitego od lusterka promienia światła. Należy tu jednak zaznaczyć, że konstrukcja opisywanego przełącznika optycznego jest rozwiązaniem mechanicznym, dlatego pozycjonowanie luster wymaga czasu. Aby uniknąć utraty informacji, stosuje się bufory magazynujące dane docierające do urządzenia w trakcie przełączania sygnału.
Ponieważ większość sieci światłowodowych - zarówno lokalnych, jak i rozległych - współpracuje z tradycyjnymi systemami łączności, przesyłany sygnał musi być konwertowany z postaci elektrycznej na optyczną i odwrotnie. Przełączniki realizujące takie funkcje nazywane są switchami optoelektrycznymi. Należy jednak pamiętać, że na skutek opóźnień czasowych potrzebnych na kilkukrotną konwersję sygnału stosowanie rozwiązań hybrydowych powoduje straty w przepustowości sieci jako całości.


Do karty sieciowej światłowód przyłącza się za pomocą złącza fiber connector. Może ono wyglądać różnie, w zależności od rodzaju.
Podsumowywując, światłowody będą z pewnością coraz częściej wykorzystywane. Zapewniają one idealne parametry transmisji. W chwili obecnej, stosuje się je w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych, w środowiskach o średnim i dużym poziomie zakłóceń elektromagnetycznych oraz w połączeniach wymagających wysokiej jakości i prędkości transmisji. W małych sieciach komputerowych nadal są rzadkością, a to z powodu wysokich kosztów, jakie trzeba ponieść aby je zainstalować.

Zastosowanie światłowodów:
1. Łącza telefoniczne: w jednym z pierwszych zbudowanych systemów, światłowodowe kable połączyły budynki urzędów telefonicznych w Chicago, oddalone od siebie o l km i o 2,4 km. Kable zawierały po 24 włókna optyczne, z których każde - pracując w standardzie T3 - mogło przenosić 672 kanały telefoniczne. Możliwość realizacji międzymiastowych linii z kablami światłowodowymi stała się faktem, kiedy zademonstrowano łącze optyczne o długości ponad 100 km bez wzmacniaków. Dziś możliwa jest nawet budowa podmorskiej linii światłowodowej ułożonej na dnie Oceanu Atlantyckiego. Odległość między Nowym Jorkiem a Londynem, wynosząca 6500 km, wymagałaby zainstalowania około 200 wzmacniaków rozstawionych, co 30-35 km.
2. Usługi abonenckie.
3. Sieci telekomunikacyjne w elektrowniach: Światłowody mogą być prowadzone przez tereny elektrowni lub podstacji energetycznych bez żadnego uszczerbku dla transmitowanych sygnałów. Możliwe jest dołączenie światłowodu do któregoś z kabli przewodzących prąd lub po prostu wykonanie kabla energetycznego zawierającego również żyłę światłowodową.
4. Linie telekomunikacyjne wzdłuż linii energetycznych.
5. Telekomunikacyjna sieć kolejowa.
6. Łączność terenowa.
7. Rozgłośnie telewizyjne: Niewielki ciężar kabla światłowodowego jest bardzo wygodny przy transmisjach \"na żywo, umożliwia, bowiem znaczną swobodę ruchu kamer i minikamer. W zastosowaniach tych wykorzystuje się tylko jeden kanał, a więc sygnał może być przekazywany w paśmie podstawowym w postaci analogowej. Szerokość pasma 6 MHz jest w zupełności wystarczająca.
8. Telewizja kablowa.
9. Zdalna kontrola i ostrzeganie: Światłowody skutecznie konkurują z kablami koncentrycznymi również w zakresie transmisji sygnałów wizyjnych dla celów zdalnej kontroli i nadzoru. Duża odporność na zakłócenia elektromagnetyczne oraz mała podatność na zniszczenie wskutek wyładowań atmosferycznych są w tych zastosowaniach szczególnie istotne.
10. Pociski sterowane światłowodami.
11. Komputery: Systemy światłowodowe są szczególnie predysponowane do transmisji danych w postaci cyfrowej, na przykład takich, jakie powstają w komputerach, Możliwe jest wykonywanie połączeń między centralnym procesorem a urządzeniami peryferyjnymi, między centralnym procesorem a pamięcią oraz między różnymi procesorami. Małe rozmiary i niewielki ciężar, dobre zabezpieczenie informacji wynikające z \"zamknięcia\" promieniowania wewnątrz włókna optycznego sprawiają, że światłowody są odpowiednim torem do transmisji danych, bez względu na odległość.
12. Wewnętrzne przekazywanie danych.
13. Lokalne sieci komputerowe.
14. Okablowanie samolotów i statków: Istotną zaletą w zastosowaniach na statkach i w samolotach jest zmniejszone ryzyko iskrzenia i pożaru.