Referat o światłowodach

1. Wyjaśnienie nazwy światłowody

Nazwa światłowody wzieła się od tego iż informacje w kablach światłowodowych biegną z prędkością zbliżoną do prędkości światła, czyli niemalże 300 000 km/s .
Dzięki takiej szybkości przekazywania danych można było stworzyć nowy świat ? wirtualną rzeczywistość zamykająca się w jednym słowie: Internet...

2. Właściwości światłowodów

Kabel światłowodowy pod wpływem różnych temperatur może zmieniać swoje właściwości mechaniczne i fizyczne (wydłużać się lub skracać).
Jako ochronę włókna podczas instalacji i przed zgubnym wpływem środowiska używa się powłoki zwanej ?strenght members" Wykonana ona jest z różnych materiałów, poczynając od stali a kończąc na Kevlarze (materiał opracowany przez firmę DuPont, wykonuje się z niego min kamizelki kuloodporne). W pojedynczym i podwójnym kablu zabezpieczenie to wykonuje się jako otulinę coating. W kablach, gdzie jest kilka bądź kilkanaście włókien strenght member stosuje się centralnie wewnątrz przewodu.
Płaszcz (jacket) jest ostatnią warstwą ochronną kabla i służy do ochrony przed uszkodzeniami powstałymi w wyniku oddziaływania niekorzystnych warunków środowiska w jakim znajduje się światłowód. Inny rodzaj płaszcza zostanie użyty dla kabli przeznaczonych do układania wewnątrz budynków, inny na zewnątrz, pod ziemią czy napowietrznych.
Światłowody można podzielić na dwa podstawowe typy:
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 warstwe ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne.
Zasada działania światłowodu.
Promień światła wędrując w rdzeniu światłowodu (o współczynniku załamania n1), napotyka na środowisko o innym współczynniku załamania (n2) - płaszcz. Gdy promień pada od strony rdzenia na płaszcz pod kątem a, to pewna część światła zostaje odbita i wraca do rdzenia. W zależności od kąta padania i współczynników załamania materiałów rdzenia i płaszcza, zmienia się ilość odbitego światła. Powyżej pewnego kąta zachodzi zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego i światło padające zostaje odbite bez strat.
Kąt akceptacji.
Aby promień pozostał w rdzeniu i podlegał całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy rdzenia i płaszcza, kąt jego padania względem osi światłowodu w powietrzu nie powinien przekroczyć wartości krytycznej - wartość ta nosi nazwę kąta akceptacji światłowodu (alfa max). Zgodnie z tym wszystkie promienie padające na powierzchnię czołową rdzenia światłowodu pod kątem mniejszym od (alfa max) zostaną wprowadzone do rdzenia. W płaszczu współczynnik załamania światła jest mniejszy niż w rdzeniu, wiąże się to też ze współczynnikiem odbicia. Włókno światłowodowe zbudowane jest z 2 rodzajów szkieł:
- Szkła kwarcowego (zbudowany jest z niego rdzeń),
- Szkła kwarcowego z dodatkami (zbudowany jest z niego płaszcz).

źródło: http://www.sciaga.pl/tekst/33405-34-swiatlowody

3. 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.

źródło: http://www.sciaga.pl/tekst/41643-42-swiatlowody

4. Światłowody wielomodowe

Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów (fal) o różnej długości, co powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość lub odległość transmisji. Źródłem światła jest w nich dioda LED, w związku z czym wysyłane światło ulega rozproszeniu. Stopień rozpraszania nakłada praktyczne ograniczenia na długość okablowania światłowodowego.Światłowody wielomodowe, ze względu na budowę rdzenia, dzieli się na dwa rodzaje. Włókna o stałej wartości współczynnika załamania światła w rdzeniu: światłowody skokowe - o skokowym profilu współczynnika załamania i na światłowody gradientowe - o płynnej zmianie współczynnika załamania. W światłowodzie skokowym poszczególne promienie świetlne podążają "zygzakami" odbijając się od granicy rdzeńpłaszcz. Każdy mod pada pod innym kątem i ma własną drogę przejścia odcinka światłowodu. Najkrótsza droga wiedzie wzdłuż osi włókna, natomiast najdłuższa "zygzakiem" o najmniejszym kącie odbicia. Prędkość rozchodzenia się światła jest stała w całym obszarze rdzenia. Wraz ze wzrostem długości włókna powiększają się różnice w czasie dotarcia poszczególnych modów na koniec światłowodu. Różnica czasów pomiędzy najkrótszą i najdłuższą drogą oblicza się ze wzoru : ?

Różnica czasów dotarcia modów jest przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu, przez co ogranicza pasmo światłowodu skokowego.
przekrój poprzeczny światłowodu wielomodowego skokowego
przekrój poprzeczny światłowodu wielomodowego skokowego

W światłowodzie gradientowym współczynnik załamania światła w rdzeniu (dzięki odpowiedniemu warstwowemu domieszkowaniu), zmienia się w sposób ciągły. Zmiana ta przebiega od wartości maksymalnej na osi rdzenia do minimalnej na granicy z płaszczem. Zmianę wartości współczynnika załamania określa funkcja: ? Współczynnik załamania rdzenia jest ukształtowany tak, aby różne mody miały tę samą prędkość rozprzestrzeniania się wzdłuż światłowodu. Mody poruszające się po łukach zewnętrznych (o dłuższej drodze)oraz przez szkło (o mniejszym współczynniku załamania), mają większą prędkość od modów propagujących się wzdłuż osi. W rezultacie nie ma różnic prędkości różnych modów i związanego z tym poszerzenia impulsu na końcu włókna. W światłowodach wielomodowych gradientowych współczynnik załamania światła zmienia się w sposób łagodny, osiągając maksymalną wartość wzdłuż osi włókna. Dzięki zastosowaniu tego typu światłowodów możliwe jest przesyłanie po włóknie wielu modów świetlnych. Ponieważ wraz z oddalaniem się od osi rdzenia współczynnik załamania światła płynnie maleje, przebieg przesyłanego sygnału świetlnego ma postać podobną do przebiegu sinusoidalnego. Zarówno w wielomodowym światłowodzie skokowym jak i gradientowym, mogą się propagować także mody płaszczowe, doznające całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy płaszcz. Są one pobudzane na początku światłowodu, w miejscu wprowadzania promieniowania ze źródła światła. Mody płaszczowe są silnie tłumione w płaszczu na długości włókna wynoszącej kilkadziesiąt metrów.

Źródła: http://hobby-zagle.webpark.pl/

5. Metody wytwarzania włókien światłowodowych

Światłowody są wytwarzane z bardzo czystego szkła kwarcowego. Płaszcz jest wykonywany z czystego szkła, podczas gdy do szkła, z ktrego jest wykonany rdzeń, dodaje się odpowiednią ilość domieszek - zwykle dodaje się german lub ołów - zwiększających współczynnik załamania w stosunku do współczynnika załamania w płaszczu.

** 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 polimeryzującym.

http://www.fotonika.edu.pl/swiatlowod/wytwarzanieswiatlowodow.php


źródła :
http://www.sciaga.pl/tekst/33405-34-swiatlowody

http://www.sciaga.pl/tekst/41643-42-swiatlowody

http://www.fotonika.edu.pl/swiatlowod/wytwarzanieswiatlowodow.php

http://hobby-zagle.webpark.pl/

Źródła informacji: *opis zaczerpnięty z National Geographic, Internet, wiadomości własne.