Światłowód

Rozwój nauki i techniki spowodował gwałtowny wzrost zapotrzebowania na jak najbardziej optymalny nośnik informacji. W szczególności na dalekie odległości. Nowoczesny sprzęt komputerowy i telekomunikacyjny oraz coraz bardziej zaawansowane sieci internetowe wymagają ogromnych prędkości transmisji przesyłu danych, a także dużej przepustowości ich nośnika. W dodatku nośnik ten musi być również kompatybilny z różnorodnymi urządzeniami przetwarzającymi przesyłane informacje nie tylko na dźwięk, ale i na obraz, a wszystko jeszcze zgodnie z możliwymi przyszłymi zmianami technologicznymi urządzeń elektronicznych, które dokonują się z każdą chwilą na naszych oczach. Idealnym rozwiązaniem stały się tzw. światłowody.

Jest to rodzaj kabla – łącza, służący do przesyłania cyfrowej informacji w postaci światła widzialnego (czyli fali elektromagnetycznej o wysokiej częstotliwości). Ze względu na właściwości światła ma wiele zalet, które czynią go idealnym narzędziem stosowanym w telekomunikacji, technice przemysłowej i komputerowej oraz telewizji cyfrowej (kablowej). Dzięki światłowodom możliwa jest transmisja ogromnej ilości danych – nawet do 3 Tb/s.

Światłowód zbudowany jest z: cylindrycznego włókna szklanego, otoczonego osłoną odbijającą światło, a następnie osłoną z kevlaru zapobiegającą pęknięciom włókna i zewnętrzną powłoką PCV. Pojedynczy światłowód odpowiada jedynie za transmisję jednokierunkową. Transfer w obie strony umożliwiają światłowody podwójne.

Zasada działania światłowodu:

Osłonka szklanego włókna światłowodu (tzw. płaszcz) musi być wykonana z tworzywa o współczynniku załamania światła mniejszym od wartości tego współczynnika dla szkła. Taka zależność zapewnia utrzymanie promienia światła cały czas we wnętrzu szklanego rdzenia, gdyż promień odbija się od płaszczyzny styku szkła z płaszczem w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia i biegnie dalej poprzez szkło, aż do przeciwległej jego ścianki, gdzie historia się znów powtarza. Dodatkowym zabezpieczeniem całości układu rdzeń -płaszcz jest najbardziej zewnętrzna izolacja ochronna PCV.

Rodzaje światłowodów:

Ze względu na strukturę światłowody dzielimy na:

-Włókniste

-Warstwowe

-Paskowe

Ze względu na ich tzw. strukturę modową (mod – składowa „porcja” promieniowania świetlnego):

-Jednodomowe

-Wielomodowe

Ze względu na sposób zachodzenia zmian współczynnika załamania:

-Skokowe

-Gradientowe

Ze względu na rodzaj materiału:

-Szklane

-Plastikowe

• Półprzewodnikowe

Charakterystyka podstawowych typów światłowodów:

-Jednodomowe: można je określić mianem najwyższej klasy, gdyż przewodzą sygnały na ogromne odległości, nawet do setek kilometrów. Ich włókno szklane – rdzeń, ma średnicę do kilku mikrometrów, są zasilane światłem spójnym wytwarzanym przez lasery i cechują się bardzo małym tłumieniem fali świetlnej. Niestety nadal jeszcze bardzo kosztowne są same światłowody, jak również cały towarzyszący im sprzęt. Nazwa jednodomowy określa, że w tym światłowodzie przenoszony jest tylko jeden mod (jedna składowa, dla której wszystkie promienie płynącego światła mają ten sam kąt odbicia od płaszcza wokół rdzenia). Dzięki temu jednakową drogę przebywają również w jednakowym czasie. Taki sposób działania zapobiega niekorzystnej dyspersji (rozmycie impulsu światła w wyniku nierównomiernego czasu przepływu poszczególnych promieni).

Mała średnica rdzenia (ok. 5-10 mikrometrów, dla długości fali światła 1,3 mikrometra), jest porównywalna z długością fali świetlnej i dzięki temu taki światłowód posiada ogromną pojemność kanału transmisji.

-Wielomodowe: są słabsze od jednomodowych, stosuje się je na mniejszych odległościach – do kilku kilometrów. Charakteryzują się średnicą włókna – do kilkudziesięciu mikrometrów, możliwością zasilania za pomocą diody świecącej tzw. LED. Niestety wykazują silniejsze tłumienie niż w światłowodach jednomodowych. Średnica tego rodzaju światłowodów jest dużo większa od długości fali świetlnej, dlatego strumień przenoszonego światła może pogrupować się w kilka modów (składowych).

Wyróżnia się dwa typy światłowodów wielomodowych: skokowe i gradientowe. W gradientowych następuje płynna zmiana współczynnika załamania światła między rdzeniem, a płaszczem – malejąco od środka rdzenia na zewnątrz. Dzięki temu promień światła, który mógłby ukośnie wydostać się z centrum kabla, jest stopniowo i w sposób ciągły uginany, aż do momentu zawrócenia go do centrum rdzenia. Natomiast w światłowodach skokowych, jak sama nazwa mówi, zmiana współczynnika załamania, następuje w wybranych miejscach, co jakiś czas. Światłowody wielomodowe są narażone na występowanie różnych kątów odbicia światła, co powoduje czasami znaczne zjawisko dyspersji. Zagrożenie dyspersją oraz zbyt dużym tłumieniem wzrasta wraz z długością kabla światłowodowego wielomodowego. Stąd ich zastosowanie na krótszych odcinkach.

Zalety światłowodów:

-ogromna pojemność informacyjna każdego pojedynczego włókna i niesamowita szybkość transferu (szerokość pasma)

-małe straty i zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości

-całkowita odporność na zakłócenia elektromagnetyczne jak również brak emisji jakichkolwiek zakłóceń

-mała waga i wymiary

-brak wywoływania zakłóceń sprawia, że w prawie 100 % możemy być pewni tajności informacji przesyłanych przez światłowody. Założenie podsłuchu jest prawie niemożliwe.

-coraz bardziej opłacalne – utrzymuje się tendencja spadkowa cen światłowodów.

-brak zagrożenia iskrzeniem, bezpieczeństwo w czasie pracy

-duża niezawodność

-prosta obsługa

-coraz większa powszechność, również w sieciach lokalnych.