Dodaj do listy

Światłowody: Zasada działania i zastosowanie

Wraz z postępem nauki i techniki gwałtownie wzrosło zapotrzebowanie 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. Na dodatek 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 panującymi tendencjami, musi być jak najbardziej czytelne i "zegarmistrzowsko" dokładne. Dla celów lokalnych systemów informacyjnych, czy telekomunikacyjnych najczęściej wystarczają tradycyjne łącza miedziane. Jednak gdy w grę wchodzi duża odległość transmisji oraz znaczna przepustowość łącza, kable miedziane nie zdają egzaminu. 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). Informacja zanim znajdzie się we wnętrzu światłowodu, jest najpierw przekształcana przez laser lub tzw. diodę LED w odpowiednio modulowaną falę światła. Właściwości światła w połączeniu z systemem działania światłowodów dają niewiarygodne efekty. Możliwa jest transmisja ogromnej ilości danych - nawet do 3 Tb/s, na dodatek brak emisji zewnętrznego pola elektromagnetycznego przez światłowód zapewnia zabezpieczenie danych przed podsłuchaniem. Duża odporność światłowodów na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, gwarantuje wysoką jakość przesyłanej informacji (stopa błędów jest nieodczuwalna), na dodatek fala płynąca przez światłowód ulega również nieznacznemu stłumieniu.

Światłowód zbudowany jest z: cylindrycznego włókna szklanego, otoczonego osłoną odbijającą światło, a następnie osłoną z kevlaru (lekki, ale bardzo odporny polimer, wykorzystywany do produkcji np. kasków, kamizelek kuloodpornych, itp.) 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 Izolacja uniemożliwienie krzyżowania się osobników populacji, co powoduje brak przepływu genów między nimi. Z czasem prowadzi to do różnicowania się puli genowej dwóch grup pierwotnie należących do jednej... Czytaj dalej Słownik biologiczny 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.

WADY ŚWIATŁOWODÓW:

  • Występowanie zjawiska dyspersjiw światłowodach wielomodowych: zjawisko to polega na poszerzeniu strumienia świetlnego w wyniku rozdzielenia się poszczególnych jego promieni w czasie załamania. Promienie te od momentu rozszczepienia poruszają się jakby "samowolnie", i nie docierają w jednym czasie do odbiornika. Ubocznym skutkiem dyspersji jest ograniczenie szerokości pasma transmisji. Jest to szczególnie niekorzystne w przypadku kabli wielomodowych, gdyż w nich szerokość pasma jest i tak już ograniczona przez poszczególne mody, różniące się czasem przebiegu. W połączeniu jeszcze z dyspersją wewnątrz światłowodu jest zbyt ciasno i panuje chaos. Najmniejsza dyspersja występuje przy fali o długości 1,3 mikrometra.
  • Naturalna dyspersja szkła, występująca zarówno w światłowodach jedno- i wielodomowych. Jest ona skutkiem zmian współczynnika załamania światła w szkle, wynikających głównie z felerów szkła - braku jednorodności struktury, a także od długości fali.
  • Tłumienie - zależne od długości fali oraz rodzaju i grubości materiału światłowodu. Technicy i naukowcy intensywnie pracowali nad zminimalizowaniem tłumienia. Ostatecznie obecnie najniższe teoretyczne tłumienie występuje przy fali o długości 1,55 mm i wynosi 0,16 dB/km.
  • Skomplikowany i wymagający precyzji proces składania światłowodów: łączenie poszczególnych części światłowodu używa się specjalnych złączek, których nakładanie odbywa się w warunkach laboratoryjnych, bardzo precyzyjnie i w środowisku pozbawionym wszelkich pyłów. Jest to szczególnie trudne dla światłowodów jednomodowych, których rdzeń jest bardzo cienki. A, żeby światłowód był sprawny, jedna część rdzenia musi idealnie - centralnie dolegać do drugiej jego części. Kosztowny proces produkcji światłowodów wpływa bezpośrednio na ceny światłowodów. Mimo wyraźnej tendencji spadkowej są one nadal bardzo wysokie. Konieczność składania światłowodów w specjalnych pomieszczeniach i sprzyjających warunkach ogranicza dostępność różnych wariantów długości. Produkuje się światłowody tylko standardowej długości.
  • Na styku dwóch części światłowodu pojawiają się często tzw. odbicia Fresnela, a te z kolei zwiększają tłumienie transmisji. Wynikające z tego straty można maksymalnie ograniczyć do ok. 4%. Tłumienie na złączkach (ok. 0,2 - 2 dB ) jest zależne od typu użytej złączki i oczywiście precyzji wykonania.
  • Jeszcze, znacznie wysokie koszty zakupu światłowodu oraz skoordynowanego z nim sprzętu
  • Konieczność dostosowywania wymiarów fragmentów sieci do dostępnych standardowych długości światłowodów
  • Zagrożenie uszkodzeniem oczu, bądź twarzy w momencie zaglądania do podłączonego już światłowodu.

Zastosowanie światłowodów:

Światłowody ze względu na specyfikę i właściwości światła znalazły szerokie zastosowanie w technice. Głównie w: telekomunikacji przede wszystkim na dużych odległościach, gromadzeniu, obróbce i prezentacji informacji; czujnikach różnego rodzaju; wziernikach (obrazowody); oświetleniu, zdobnictwie, sztuce.

Przykładowe zastosowania:

  • Łącza telefoniczne: jedne z pierwszych światłowodów zainstalowano w Chicago, między budynkami urzędów telefonicznych. Długość kabli wynosiła tam od 1 do 2,4 km. Kable złożone były z 24 włókien optycznych, z których każde zastępowało 672 kanały telefoniczne. Światłowody sprawdziły się w tej telefonicznej roli doskonale. Trzeba było jeszcze znaleźć sposób na to, aby można było je wykorzystywać na dalekie odległości, oczywiście bez straty jakości informacji. Problemem było głównie przekierowywanie sygnału świetlnego i jego wzmacnianie. Wkrótce jednak znaleziono rozwiązanie w postaci tzw. przełączników optycznych (router) odbijających światło przy pomocy ruchomych luster oraz wzmacniaczy. Niedługo trzeba było czekać na realizację pierwszego światłowodowego łącza o długości ponad 100 km, która zapoczątkowała powszechne stosowanie światłowodów na szeroką skalę. Obecnie możliwa jest nawet budowa linii światłowodowej, biegnącej po dnie Oceanu Atlantyckiego, łączącej Nowy Jork z Londynem (6500 km).
  • Telekomunikacyjna sieć w elektrowniach:ze względu na dużą odporność na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, światłowody znalazły również zastosowanie na stosunkowo niewielkich odległościach, ale w "utrudnionych" warunkach. Powstają z nich sieci telekomunikacyjne np. w elektrowniach, gdzie najczęściej podpina się je do kabli przewodzących prąd, lub prowadzi specjalnym kanałem wewnątrz kabli energetycznych. Umożliwia to bezpieczną transmisję informacji z zachowaniem jej wysokiej jakości.
  • Linie telekomunikacyjne wzdłuż linii energetycznych: podobnie jak w przypadku linii telekomunikacyjnej w elektrowni, światłowody są również idealnym rozwiązaniem transmisji informacji wzdłuż linii energetycznych, a także w telekomunikacji sieci kolejowych oraz wszelkiej łączności terenowej.
  • Telewizja kablowa.Technologia telewizji kablowej opiera się na doprowadzaniu sygnału telewizyjnego do odbiorcy drogą kablową. Główne kable takiej sieci (tzw. magistrale przewodowe) to superszybkie światłowody, które są łączone w tzw. węzły optyczne. Od węzłów sygnał biegnie już bezpośrednio do danego abonenta poprzez kable koncentryczne.
  • Rozgłośnie telewizyjne: Światłowody są wykorzystywane nie tylko do transportu sygnału na głównych liniach przesyłu telewizji kablowej. Swoje zastosowanie znalazły również w czasie transmisji "na żywo". Ich stosunkowo niewielki ciężar pozwala na swobodne przemieszczanie kamer i minikamer. W tych sytuacjach nie jest konieczna zbyt duża szerokość pasma (czyli szybkość transferu/przesyłu) i wystarcza zastosowanie pojedynczego kabla. Umożliwia to przesyłanie sygnału w postaci analogowej.
  • 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. Np. znaki drogowe światłowodowe - odznaczają się wysoką jasnością świecenia, czytelnością i świetną widocznością ze znacznej odległości i nawet w trudnych warunkach pogodowych, ekonomicznością użytkowania, możliwością wyświetlania kilku informacji po kolei, odpornością.
  • Medycyna: w chirurgii laserowej - optyczne prowadnice lasera; w endoskopii - wzierniki.
  • Endoskopia przemysłowa - wzierniki do wyszukiwania wad urządzeń technicznych - turbin , pomp, sprężarek, itp.
  • Samochody: wyświetlacze, oświetlacze oraz inne nowoczesne systemy komputerowe w samochodach.
  • Pociski sterowane światłowodami.
  • Komputery: Światłowody wspaniale spełniają wymagania szybkiego, dobrego pod względem jakości i bezpieczeństwa transferu danych cyfrowych, nawet na bardzo dalekie odległości. Jest to szczególnie istotne w sprzęcie i systemach komputerowych. Zastosowanie w tej dziedzinie światłowodów jest bardzo wszechstronne. Od połączeń między centralnym procesorem, a urządzeniami peryferyjnymi i pamięcią, po wielkie i daleko-zasięgowe połączenia sieci internetowych. Również i w tych zastosowaniach światłowody pulsują swoim małym ciężarem, odpornością na zakłócenia i brakiem ich emisji, a przede wszystkim bezpieczeństwem tajności informacji w trakcie przesyłu.
  • Inne urządzenia wykorzystujące światłowody do pobierania, gromadzenia i obróbki informacji - tzw. urządzenia optoelektryczne: do pozyskiwania danych - detektory fotoelektryczne; do gromadzenia danych - laserowe czytniki CD i DVD; przesyłanie informacji - porty podczerwieni IRDA; obrabianie danych - komputery optyczne; przyrządy do wizualizacji danych - wyświetlacze ciekłokrystaliczne, monitory CRT.
  • Lokalne sieci komputerowe: okablowanie samolotów i statków: podstawową zaletą instalacji światłowodowej na takich obiektach jest brak ryzyka iskrzenia oraz jakość i bezpieczeństwo przesyłu informacji.