Światłowód

Światłowody

Struktura światłowodu jednomodowego, pozbawionego kolejnych warstw ochronnych. Średnica pokrycia zewnętrznego (tak zwanego bufora) to 0,9 mm. Średnica polimerowego pokrycia pierwotnego to 250 μm, średnica szklanego włókna to 125 μm, wewnątrz którego znajduje się 9-mikrometrowy rdzeń.

Światłowód – przezroczysta struktura (włóknista, warstwowa lub paskowa), w której odbywa się propagacja światła.

W języku polskim określenie "światłowód" używane jest w dwóch znaczeniach:

1. Kabel telekomunikacyjny umożliwiający przesyłanie sygnału optycznego, wykorzystywany w telekomunikacji, telewizji kablowej i lokalnych sieciach komputerowych. Nośnikiem informacji jest znajdujące się wewnątrz kabla włókno światłowodowe o średnicy nieco większej od średnicy ludzkiego włosa. Wykorzystywane zalety światłowodu to zasięg i pasmo transmisji większe niż dla innych mediów transmisji.
2. Dowolna struktura zamknięta zdolna prowadzić światło na odległości od ułamków milimetra do setek kilometrów. Struktury światłowodowe wykorzystywane są w telekomunikacji, technice laserowej, czujnikach, medycynie, dla celów oświetleniowych lub dekoracyjnych i w innych dziedzinach nauki i techniki. Struktury światłowodowe mogą przyjmować formę włókien, warstw lub pasków.

Aby wyeliminować lub ograniczyć wypromieniowanie światła przez boczne powierzchnie światłowodu, stosuje się odpowiednie zmiany współczynnika załamania światła. W najprostszym przypadku są to zmiany skokowe – wewnątrz światłowodu współczynnik załamania ma wartość wyższą, niż na zewnątrz; utrzymanie promieni światła w obrębie takiego światłowodu zachodzi na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. W przypadku, gdy współczynnik załamania stopniowo zmienia się w przekroju poprzecznym światłowodu, mówimy o światłowodach gradientowych.

Zasada działania

Odbicia wiązki światła w światłowodzie

Zasadę działania światłowodu skokowego (sposób utrzymania światła w jego wnętrzu) ilustrują przedstawione tu rysunki. Promienie światła biegną prostoliniowo, odbijając się od ścianek światłowodu. Światłowód gradientowy działa podobnie, lecz promienie – zamiast po odcinkach prostoliniowych, poruszają się po krzywoliniowych trajektoriach, utrzymywanych wewnątrz światłowodu przez ciągły gradient współczynnika załamania.

Takie wyobrażenie działania światłowodu jest jednak uproszczone – tym bardziej, im mniejsze rozmiary poprzeczne ma rozważany światłowód. Zamiast promieni światła (będących podstawą przybliżonej optyki geometrycznej) należy rozważać światło jako falę. Przybliżenie optyki geometrycznej jest sensowne jedynie dla światłowodów o dużych rozmiarach poprzecznych, traci natomiast sens, gdy rozmiar poprzeczny światłowodu staje się porównywalny z długością fali światła. Zjawiska falowe mają szczególnie duże znaczenie w przypadku światłowodów jednomodowych, w których ściśle dobiera się długość fali transmitowanego światła do kształtu i rozmiarów poprzecznych światłowodu.

Klasyfikacja

Światłowody mogą być klasyfikowane ze względu na ich geometrię (planarne, paskowe lub włókniste), strukturę modową (jednomodowe, wielomodowe), rozkład współczynnika załamania (skokowe i gradientowe) i rodzaj stosowanego materiału (szklane, plastikowe, półprzewodnikowe).

Światłowody są wykorzystywane jako elementy urządzeń optoelektronicznych, składniki optycznych układów zintegrowanych, media transmisji sygnałów na duże odległości, jak również do celów oświetleniowych.

Światłowód warstwowy (planarny)

Schemat światłowodu warstwowego składającego się z trzech warstw o różnych współczynnikach załamania

Najprostszy światłowód warstwowy składa się z trzech warstw, z których środkowa ma wyższy współczynnik załamania, niż warstwy zewnętrzne. Światło jest uwięzione w tej warstwie na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia, o ile kierunki rozchodzenia się promieni tworzą z płaszczyzną warstwy kąty mniejsze od kąta granicznego.

Światłowód paskowy

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

(inne nazwy: włókno światłowodowe, włókno optyczne)

Schemat ilustrujący rozchodzenie się światła w wielomodowym światłowodzie włóknistym

Światłowód włóknisty to zazwyczaj falowód dielektryczny o przekroju kołowym, otoczony przez płaszcz z innego materiału dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania. Włókna światłowodowe wykonywane są najczęściej ze szkła krzemionkowego, czasem z innych szkieł lub z plastiku. Światłowody plastikowe są stosowane na krótkich odległościach (do 100 m).

Standardy światłowodów telekomunikacyjnych

Światłowody telekomunikacyjne produkowane są z uwzględnieniem szeregu norm, ułatwiających tworzenie systemów transmisji danych.

Urządzenia światłowodowe

Do zakańczania światłowodów używa się tzw. pigtaili. Pigtail jest to krótki odcinek jednowłóknowego kabla zakończonego z jednej strony wtykiem (półzłączką). Wtyczki mogą być zakańczane w kilku standardach, przykładowo FC, SC, ST, E2000, F3000, LC, LX.5, MU. Końcówki różnią się standardem polerowania, a także tłumiennością wtrąceniową i odbiciową, związaną odpowiednio z możliwością niecentrycznego połączenia włókien (część światła przechodzi wówczas do płaszcza dołączonego światłowodu, zamiast do jego rdzenia) oraz odbiciem od płaszczyzn złącza w sytuacji, gdy nie są one ściśle dopasowane.

Patchcord to krótki odcinek jednowłóknowego kabla obustronnie zakończonego wtykiem służący do połączenia ze sobą urządzeń teletransmisyjnych z przełącznicą światłowodową lub dołączenia przyrządów pomiarowych.

Połączenia światłowodów

Wtyczka złącza światłowodowego standardu ST

Spawanie mechaniczne (za pomocą szybkozłączek) polega na dosunięciu w kapilarze szybkozłączki odpowiednio wcześniej przygotowanych włókien tak, aby w przestrzeni kapilary szybkozłączki zaniknęła przerwa pomiędzy włóknami (metoda ta nadaje się do krótkich połączeń światłowodowych).

Spawanie światłowodów łukiem elektrycznym – to metoda trwałego łączenia światłowodów. Do spawania światłowodów służą spawarki światłowodowe, które spajają ze sobą włókna za pomocą łuku elektrycznego. Jakość spawów określają: tłumienność własna i wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie.

Adaptery światłowodowe to elementy toru światłowodowego łączące ze sobą dwa złącza światłowodowe. Adaptery dzieli się na wielomodowe i jednomodowe, które z kolei dzielą się na simplexowe, duplexowe i inne. Adaptery mogą łączyć ze sobą te same typy złącz (np. SC z SC lub FC z FC) i są to adaptery standardowe oraz różnego typu (np. SC z FC lub SC z ST) i są to adaptery hybrydowe.

Splittery

Splitter optyczny to urządzenie bierne, które rozdziela moc sygnału optycznego światłowodowego niesionego po jednym włóknie wejściowym na dwa włókna wyjściowe lub więcej. Optyczna moc wejściowa zwykle dzielona jest równomiernie między dwoma włóknami wyjściowymi. Splittery używa się także, do łączenia sygnału optycznego.Zastosowanie tych podzespołów jest powszechne min.w sieciach telekomunikacyjnych, laboratoriach pomiarowych, sieciach telewizji kablowej CATV. Ze względu na budowę wyróżnia się splittery:

a) FTB - zgrzewane

b) PLC - planarne

Ciekawostki

Pierwszy w Polsce kabel światłowodowy został zaprojektowany i stworzony pod koniec lat 70. XX wieku przez pracowników naukowych Uniwersytetu Marii Skłodowskiej-Curie w Lublinie (w Pracowni Technologii Światłowodów prof. Andrzeja Waksmundzkiego).