Światłowód – falowód służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Pierwotnie miał postać metalowych rurek o wypolerowanych ściankach, służących do przesyłania promieniowania podczerwonego. Obecnie występuje w formie włókien dielektrycznych – najczęściej szklanych, z otuliną z tworzywa sztucznego, charakteryzującego się mniejszym współczynnikiem załamania światła niż wartość tego współczynnika dla szkła.

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. 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

Światłowody telekomunikacyjne dzielimy na jedno- i wielomodowe.

Ogólnie światłowód, jako struktura prowadząca światło, może przyjmować różne formy i może być wykonany z różnych materiałów. 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. 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. Światłowody jednomodowe charakteryzują się małą średnicą rdzenia – zwykle od 8 do 10 mikronów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez wzmacniania na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Umożliwiają one stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia bardzo efektywny transfer danych.

Należy jeszcze wspomnieć o tym, że technologia wytwarzania tego rodzaju światłowodu jest droga i wymaga, aby częstotliwość znormalizowana V była mniejsza niż 2,405.

Gdzie: d – średnica rdzenia światłowodu,
lambda – długość fali optycznej światłowodu,
n1 i n2 – odpowiednio: współczynniki załamania rdzenia i płaszcza.

Światłowody jednomodowe przy wykonywaniu połączeń rozłącznych za pomocą wtyków narzucają tolerancję rzędu ułamka mikrona. Myśl o realizacji takich czynności w normalnych warunkach polowych nie była zachęcająca i zmusiła 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 następuje rozdzielenie fali wejściowej na wiele promieni o takiej samej długości fali, lecz propagowanymi po innych drogach. W światłowodach wielomodowych występuje zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji i odległości, na jaką może być transmitowana. Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe.

Gradientowe

Światłowód gradientowy ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Wartość maksymalną przyjmuje na osi rdzenia zaś minimalną 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 liniową.

Skokowe

Jak sama nazwa wskazuje w światłowodzie tym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Mody prowadzone są w rdzenia 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 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. 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.

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 różnych fal, fale wysłane jednocześnie nie docierają do odbiornika jednocześnie. 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 częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.

Kable światłowodowe

Włókno światłowodowe jest z reguły pokryte warstwą polimeru. Jest to tak zwane pokrycie pierwotne, zabezpieczające włókno przed wpływem otoczenie. Włókno z pokryciem pierwotnym może być chronione przez kolejne warstwy. Utworzona w ten sposób konstrukcja nosi nazwę kabla światłowodowego.

Struktura kabla światłowodowego zależy od planowanego rejonu instalacji, zasięgu i występujących zagrożeń.

a) Zewnętrzna warstwa ochronna kabla mająca na celu ochronę przed warunkami zewnętrznymi,

b) Warstwa "nitek" z tworzywa sztucznego służąca do zapobiegania uszkodzeniom, do których mogłoby dojść w trakcie instalacji kabla,

c) Kolejna warstwa ochronna, wewnątrz której umieszczony jest żel,

d) Żel w którym umieszczone są światłowody. Żelu używa się w przypadku kabli uniwersalnych które mogą być kładzione pod ziemią w kanałach telekomunikacyjnych.

e) Ostatnia warstwa, która otacza pojedyncze włókno światłowodowe. Warstwa ta chroni delikatne włókno szklane przed złamaniem i innymi uszkodzeniami. Światłowód umieszczony wewnątrz tej warstwy można wyginać niemal pod dowolnym kątem (nie powinno się wyginać zbyt mocno). W celu poprawnego podłączenia wtyczek po obu końcach światłowodu warstwa ta każdego światłowodu posiada inny kolor,

f) Włókno światłowodowe przez które przebiega sygnał w postaci światła o różnej długości fali. Szkło z którego wykonane jest włókno jest bardzo kruche i może złamać się pod wpływem nawet niewielkiego zagięcia, w związku z tym należy używać okularów ochronnych chroniących oczy przed odpryskami szkła.

Złączki światłowodowe

Narzędzia i elementy wymagane przy zarabianiu wtyczek do światłowodu

Narzędzia używane przy zarabianiu wtyczek do światłowodu

Elementy składowe złączki światłowodowej

Elementy ułożone są w kolejności w jakiej są wykorzystane przy montażu złączki.