Światłowód włóknisty (inne nazwy: włókno światłowodowe, włókno optyczne) – rodzaj światłowodu ( falowodu optycznego) służący do przesyłania promieniowania świetlnego . Pierwotnie stosowany dla celów dekoracyjnych i oświetleniowych, obecnie najczęściej wykorzystywany jest w telekomunikacji i do transmisji danych . Zwykle występuje w formie włókien dielektrycznych , najczęściej szklanych , z otuliną z tworzywa sztucznego . Część światłowodu prowadząca światło, tak zwany rdzeń, charakteryzuje się największym współczynnikiem załamania światła w całej strukturze.

Do transmisji danych , zamiast prądu elektrycznego , wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiązka światła (zapobiegająca zniekształceniom sygnału ), której źródłem może być laser lub dioda LED . Dzięki temu możliwa jest transmisja danych do 3 Tb /s, a przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem. Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego , w związku z czym niemożliwe jest podsłuchanie transmisji, jeżeli nie posiada się dostępu fizycznego. Cechuje je duża odporność na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, stopa błędów mniejsza niż 10^-10 przy najwyższych przepływnościach binarnych, mała tłumienność jednostkowa (około 0,20 dB / km dla fali o długości 1,5 μm ).

Wiązka włókien światłowodowych

Rodzaje światłowodów włóknistych

Schemat standardowego światłowodu jednomodowego (z zachowanymi proporcjami). Rdzeń i płaszcz wykonane są ze szkła krzemionkowego, pozostałe warstwy z polimerów .

Światłowody telekomunikacyjne dzielimy na jedno- i wielomodowe. Pod względem budowy różnią się one przede wszystkim grubością szklanego rdzenia (grubość pozostałych warstw jest taka sama), co wpływa na sposób przesyłania informacji.

Ogólnie światłowód, jako struktura prowadząca światło, może przyjmować różne formy i może być wykonany z różnych materiałów. Światłowód włóknisty najczęściej wykonany jest ze szkła krzemionkowego i składa się z trzech części: rdzenia, płaszcza i pokrycia ochronnego. Rdzeń prowadzi wiązkę światła, płaszcz uniemożliwia ucieczkę światła z rdzenia a pokrycie stanowi zabezpieczenia przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi. Rdzeń i płaszcz wykonane są zwykle ze szkła, zaś pokrycie z polimeru .

Zastosowanie światłowodów wykracza daleko poza telekomunikację i obejmuje takie dziedziny jak medycyna, systemy oświetleniowe oraz czujniki.

Światłowody różnią się ze względu na strukturę modową , kształt, materiał wykonania, rozkład współczynnika załamania w rdzeniu i mechanizm prowadzenia światła.

Światłowody jednomodowe

Światłowody jednomodowe ( ang. Single Mode Fibers, SMF ) charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów , a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. W światłowodach jednomodowych sygnał – wytworzony przez laser półprzewodnikowy – ulega tylko niewielkim zniekształceniom (brak dyspersji międzymodowej). Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez regenerującego impuls wzmacniania na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Umożliwiają one stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia bardzo efektywny transfer danych .

Technologia wytwarzania tego rodzaju światłowodu jest droga i wymaga, aby częstotliwość znormalizowana światłowodu V była mniejsza niż 2,405.

Gdzie:

• d – średnica rdzenia światłowodu,
• λ – długość fali optycznej transmitowanej w falowodzie,
• n₁ i n₂ – odpowiednio: współczynniki załamania rdzenia i płaszcza.

Światłowody jednomodowe przy wykonywaniu połączeń rozłącznych za pomocą wtyków narzucają tolerancję rzędu ułamka mikrometra . Wykonanie takich czynności w normalnych warunkach polowych jest trudne i zmusiło do poszukiwania innych rozwiązań.

Źródłem światła w światłowodach jednomodowych jest laser o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra. Możliwości transmisyjne światłowodów jednomodowych ogranicza tłumienie szkła i dyspersja chromatyczna. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.

Światłowody wielomodowe

Światłowody wielomodowe (ang. Multi Mode Fiber, MMF) charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym fala o takiej samej długości fali może rozchodzić się wieloma drogami zwanych modami . Prędkość ruchu modów wzdłuż falowodu może być różna powodując zniekształcenie (rozmycie) impulsu, co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji lub odległości transmisji.

Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe.

Gradientowe

przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym gradientowym

Światłowód gradientowy ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Wartość największą ma na osi rdzenia zaś najmniejsza 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, oznacza to że mają większą prędkość liczoną wzdłuż drogi poruszania się promienia.

Skokowe

przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym skokowym

Jak sama nazwa wskazuje w światłowodzie tym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Mody prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Jak wiadomo prędkość rozchodzenia światła jest stała (w szkle 200 000 km/s), dlatego czasy przejścia promieni przez światłowód są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały.

Dyspersja chromatyczna występuje zarówno w światłowodach jednomodowych jak i w światłowodach wielomodowych.

Straty w światłowodzie

Światłowody, nawet te jednomodowe, nie są idealnym medium transmisyjnym.

Tłumienie

Jedną z podstawowych wad światłowodu jest tłumienie sygnału optycznego. Spowodowane jest przez straty mocy optycznej wynikające z niedoskonałości falowodu. W rzeczywistym światłowodzie występuje: absorpcja (pochłanianie energii przez materiał światłowodu), rozpraszanie energii spowodowane przez fluktuacje gęstości i współczynnika załamania szkła (tzw. rozpraszanie Rayleigha ). W czasie instalacji i użytkowania światłowodów mogą pojawić się dodatkowe składniki tłumienia takie jak zgięcia lub mikropęknięcia.

Tłumienie ma 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. Dla czystego szkła kwarcowego stała materiałowa k=0,8, a tłumienność spowodowana rozproszeniem Rayleigha 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. Oprócz rozpraszania Rayleigha 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.

Straty falowodowe

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 μm) 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.

Dyspersja

Impuls biegnący w falowodzie ulega wydłużeniu (rozmyciu), co ogranicza maksymalną częstotliwość sygnału przesyłanego przez falowód. Zjawisko to jest wynikiem dyspersji , fale świetlne biegnące w falowodzie nie mają dokładnie jednakowej długości fali, ale różnią się nieznacznie. W wyniku różnic w prędkości poruszania się fal o różnych długościach, fale wysłane jednocześnie nie docierają do odbiornika w tym samym czasie. W rezultacie na wyjściu pojawia się szerszy impuls, który rośnie wraz ze wzrostem długości światłowodu. Przepływność transmisyjna włókna jest więc określona przez to, jak blisko siebie można transmitować kolejne impulsy bez ich wzajemnego nakładania się na siebie (przy zbyt bliskich impulsach zleją się one w światłowodzie w jedną ciągłą falę). Dyspersja ogranicza długość światłowodu, przez który może być transmitowany sygnał. Rozróżnia się dwa typy dyspersji – dyspersję międzymodową występującą w światłowodach wielomodowych oraz dyspersję chromatyczną występującą w włóknach jednomodowych.

Wykorzystanie w systemach światłowodowych większych długości fali przede wszystkim ok. 1300 nm, zamiast 830-900 nm wykorzystywanych w pierwszych systemach przynosi poważne korzyści jeśli chodzi o dyspersję, gdyż dyspersja materiałowa w tym obszarze długości fali jest praktycznie równa zeru. Co więcej, w miarę doskonalenia procesu produkcji włókna, zaczęło się okazywać, że dla bardzo suchych (o małej zawartości jonów OH) rodzajów szkła, można uzyskać dla fali 1300 nm wartości tłumienności znacznie poniżej 3-5 dB/km, jakie uzyskiwano dla 850 nm i z wielu źródeł pojawiły się doniesienia o uzyskaniu dla fali 1300 nm wartości tłumienności rzędu od 1 do 0,5 dB/km. Uzyskano też dla fali 1550 nm tłumienność rzędu 0,2 dB/km.

Dyspersja modowa

Dyspersja modowa występuje w światłowodach wielomodowych. 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. Dodatkowo z powodu dużego tłumienia jednostkowego tych włókien docierający sygnał ma wyraźnie inny kształt i mniejszą 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 mod, 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 falowa.

Dyspersja materiałowa

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 mod charakteryzuje się rozmyciem w czasie.

Dyspersja falowa

Dyspersja falowa jest to zależność efektywnego współczynnika załamana od częstotliwości. Dyspersja falowa częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.

Uwagi dotyczące komunikacji światłowodowej

1. Współczesne protokoły komunikacyjne ( SDH , Ethernet ) zakładają, że sygnał w pojedynczym włóknie światłowodowym przesyłany jest tylko w jedną stronę. Chcąc mieć możliwość komunikacji dwukierunkowej (wysyłanie i odbiór) należy pomiędzy dwoma punktami (urządzeniami sieciowymi) wykonać połączenie składające się z dwóch włókien światłowodowych. Jest to wymóg standardów, a nie praw optyki. Istnieje możliwość wykonania transmisji z użyciem jednego włókna optycznego dzięki użyciu zwielokrotnienia na różnych długościach fali (technologie WDM / CWDM / DWDM )
2. Światłowodem łączy się najczęściej urządzenia sieciowe (np. router , przełącznik ) położone w dużej odległości od siebie (powyżej 200 m). Możliwe jest bezpośrednie łączenie komputerów za pomocą światłowodów (sieć typu "światłowód do biurka" lub FTTD, ang. Fiber To The Desk), ale jest to rozwiązanie kosztowne i do łączenia pojedynczych komputerów stosuje się najczęściej zwykłą "skrętkę" , którą można przesłać dane z prędkością przekraczającą 1 Gbit/s.
3. Wysokie przepustowości, rzędu 10 Gbit/s, wymagają tylko i wyłącznie kabli światłowodowych, nawet na bardzo krótkie odległości.
4. Światłowodów używa się także na krótkie odległości chcąc zapewnić izolację galwaniczną .

Zobacz też

• Photonic crystal fiber tj. światłowody fotoniczne,
• kabel światłowodowy ,
• złącza światłowodowe