Politechnika Śląska w Gliwicach

Politechnika Śląska w Gliwicach
Światłowody
Ich budowa i parametry
materiały do skryptu z przedmiotu Sieci komputerowe
Kudłacik Przemysław
Wesołowski Tomasz
Gliwice 2003
-2-
Spis treści
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
2.
WSTĘP................................................................................................................................................. 3
TEMATYKA ...................................................................................................................................... 3
RYS HISTORYCZNY ........................................................................................................................ 3
DLACZEGO ŚWIATŁOWODY, CZYLI WADY I ZALETY ............................................................. 3
PODSTAWY TECHNIKI ŚWIATŁOWODOWEJ .............................................................................. 4
CAŁKOWITE WEWNĘTRZNE ODBICIE ........................................................................................ 5
WŁASNOŚCI .................................................................................................................................. 7
2.1.
APERTURA NUMERYCZNA .......................................................................................................... 7
2.2.
DYSPERSJA ....................................................................................................................................... 8
2.2.1. modowa ............................................................................................................................ 8
2.2.2. chromatyczna ......................................................................................................... 10
2.3.
TŁUMIENIE .................................................................................................................................... 11
2.4.
OKNA TRANSMISYJNE ................................................................................................................ 11
3.
RODZAJE ŚWIATŁOWODÓW. .................................................................................. 13
3.1.
KLASYFIKACJA, CZYLI RÓŻNE KRYTERIA PODZIAŁU .......................................................... 13
3.2.
TYPY ŚWIATŁOWODÓW .............................................................................................................. 13
3.3.
ŚWIATŁOWODY WIELOMODOWE ............................................................................................. 14
3.3.1. Światłowody skokowe ........................................................................................ 14
3.3.2. Światłowody gradientowe ............................................................................ 15
3.4.
ŚWIATŁOWODY JEDNOMODOWE .............................................................................................. 16
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
TRANSMISJA ŚWIATŁOWODOWA ...................................................................... 17
TOR TRANSMISYJNY ................................................................................................................... 17
NADAJNIKI OPTYCZNE ................................................................................................................ 17
ODBIORNIKI OPTYCZNE ............................................................................................................. 18
TECHNIKA SOLITONOWA ........................................................................................................... 19
REGENERACJA SYGNAŁU ........................................................................................................... 20
5.
PODSUMOWANIE .................................................................................................................. 21
6.
ŹRÓDŁA .......................................................................................................................................... 22
-3-
1. Wstęp
1.1. Tematyka
Niniejszy rozdział przedstawia zagadnienia dotyczące techniki światłowodowej.
Staraliśmy się w nim w sposób przyjazny studentom wyjaśnić najbardziej podstawowe
pojęcia związane z samym medium transmisyjnym, techniką światłowodową oraz transmisją
światłowodową. Jednocześnie dbaliśmy o to by informacje zawarte w tej pracy dały w miarę
dobry fundament pod dalsze studiowanie tego bardzo szerokiego oraz wyjątkowo szybko
rozwijającego się zagadnienia. Znajdują się tu również podstawowe własności medium
światłowodowego wraz z bazą teoretyczną, a także różne kryteria podziału i charakterystyka
najczęściej spotykanych rodzajów światłowodów.
1.2. Rys historyczny
1
Początki prac nad światłowodami sięgają XVIII wieku. Za wynalazcę tego medium
transmisyjnego można uznać Williama Wheeler’a – inżyniera z Concord w Massachusets w
USA. Już w 1880 roku przeprowadzał on pierwsze próby prowadzenia światła w ośrodku
szklanym w celu oświetlenia budynków. Wynalazek ten nazwał rurociągiem kablowym.
Pomysł Wheelera jako zbyt skomplikowany został odsunięty na bocznicę wskutek
wynalezienia przez Edisona żarówki - idea prowadzenia światła w przestrzeni zamkniętej
jednak pozostała. Sam pomysł wykorzystania światła do komunikacji powstał nieco
wcześniej. W 1876 roku Bell skonstruował fototelefon, który pozwalał komunikować się na
odległość 200 metrów. Następnie prowadzono wiele owocnych badań. Miedzy innymi
zbadano w 1890 efekt światłowodowy w dielektrykach, w 1910 Lord Rayleigh prowadził
badania i prace teoretyczne nad światłowodami. Ważnym wydarzeniem było również
wynalezienie lasera w 1957 roku a następnie w 1962 lasera impulsowego GaAs. Już w roku
1965 padła propozycja stosowania światłowodów gradientowych w telekomunikacji co
zaowocowało 3 lata później produkcją pierwszego światłowodu telekomunikacyjnego. Po 5
latach od owej propozycji firma Corning Glass Company wypuściła na rynek włókna o
bardzo małych stratach. Dużym wkładem w rozwój prac nad światłowodami było także
opracowanie w 1985 roku – przez zespół naukowców Uniwersytetu Southampton –
wzmacniacza światłowodowego. Pompowanie laserem półprzewodnikowym o długości fali =
650nm 3 metrowego włókna dało wzmocnienie 125 dB dla fali = 1,55 m.
Chociaż od prac Wheeler’a minęło wiele lat, jego pomysł po wielu udoskonaleniach
jest wykorzystywany dość często. Dziś technika ta zwie się techniką światłowodową i jest
jedną z najdynamiczniej rozwijających się i najszerzej stosowanych technologii w budowie
sieci telekomunikacyjnych, teleinformatycznych i informatycznych.
1.3. Dlaczego światłowody, czyli wady i zalety
2
Jak każde rozwiązanie światłowody mają zarówno wady jak i zalety. Do zalet możemy
bez wątpienia zaliczyć:
- ogromną pojemność informacyjną pojedynczego włókna
- małe straty, a co za tym idzie zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości
- całkowita niewrażliwość na zakłócenia i przesłuchy elektromagnetyczne
- odporność na warunki atmosferyczne (wilgoć, wyładowania elektrostatyczne)
- mała waga i wymiary
- bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia)
1
2
Na podstawie informacji zawartych w literaturze pozycja [3] oraz [4].
Zaczerpnięte z [3], [4], [7] oraz na podstawie własnych doświadczeń.
-4-
-
utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanych danych
duża niezawodność (poprawnie zainstalowanych łączy światłowodowych), oraz.
Natomiast wadami są niezaprzeczalnie:
- możliwość łatwego przerwania kabla, a jego ponowne złączenie jest bardzo
kosztowne
- konieczność stosowania konwerterów – każda konwersja podnosi koszty czasowe
transmisji oraz koszty urządzeń
- gorsze możliwości rozgałęziania
- mała elastyczność mechaniczna światłowodu (brak możliwości załamywania)
1.4. Podstawy techniki światłowodowej
3
Zacznijmy od wyjaśnienia podstawowych zagadnień związanych z techniką
światłowodową.
Nośnikiem informacji w światłowodach jest wiązka światła, będąca odpowiednikiem
energii elektrycznej w innych mediach. Wiązka ta jest modulowana zgodnie z treścią
przekazywanych informacji. Sama zasada transmisji światłowodowej jest banalna i
intuicyjna, a polega na przepuszczeniu przez szklane włókno wiązki światła generowanej
przez diodę lub laser. Wiązka ta to zakodowana informacja binarna, rozkodowywana
następnie przez fotodekoder na końcu medium transmisyjnego – światłowodu.
Światłowody wykonywane są ze szkła kwarcowego (dwutlenek krzemu) lub z tworzyw
sztucznych. Medium transmisyjne stanowi w nich rdzeń – czyli domieszkowane włókno,
otoczone płaszczem [rysunek 1]. Rdzeń może składać się z jednego lub wielu włókien.
Wykorzystanie tego typu kanału informacyjnego eliminuje konieczność ekranowania.
Płaszcz okrywający rdzeń wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania
światła niż sam rdzeń. Dzięki owej różnicy współczynników załamania zachowuje się on
niczym powierzchnia „lustrzana” kierująca promień do wnętrza rdzenia. Ostatnią powłoką
jest lakierowana warstwa ochronna, która chroni światłowód podczas instalacji oraz przed
uszkodzeniami powstałymi w wyniku oddziaływania niekorzystnych warunków środowiska
w jakim znajduje się medium. To zewnętrzne pokrycie czasami zwane jest też
wzmocnieniem. Oczywiście inny rodzaj wzmocnienia jest używany dla przewodów
przeznaczonych do układania wewnątrz budynków, inny na zewnątrz, pod ziemią czy
napowietrznych.
rdzeń
płaszcz
warstwa ochronna
Rysunek 1. Budowa światłowodu włóknistego.
Propagacja światła w rdzeniu odbywa się zgodnie ze zjawiskiem całkowitego
wewnętrznego odbicia. Propagowane we włóknie promienie świetlne zwane są modami
światła i definiuje się je jako monochromatyczną wiązkę propagującą się wzdłuż falowodu z
charakterystyczną dla siebie prędkością fazową, o charakterystycznym poprzecznym
rozkładzie natężenia, nie zmieniającym się wzdłuż kierunku propagacji. 4
3
4
Na podstawie [4], [6]
Więcej informacji patrz [4].
-5-
1.5. Całkowite wewnętrzne odbicie
5
A
B
a’’
α
b’’
C
C’
n1
B’
n2
β
A’
Rysunek 2. Wiązki światła padające na granicę dwóch ośrodków pod różnym kątem.
Promień świetlny może padać na granicę dwóch ośrodków pod różnym kątem
[rysunek 2]. Jeśli kąt ten jest zbyt mały promień ulegnie w głównej mierze załamaniu,
przejściu do następnego ośrodka i jednocześnie odbiciu. Na powyższym rysunku mamy taką
sytuację dla promienia A padającego pod kątem α.
Zgodnie z prawem opisującym zachowanie się promienia świetlnego przy przejściu
przez granicę ośrodków o różnej gęstości optycznej:
n1 sin α = n2 sin β
otrzymujemy wiązkę A’ będącą wynikiem załamania się promienia A na granicy ośrodków.
Natomiast a’’ jest skutkiem odbicia na tej granicy. Należy tutaj zauważyć, że kąt padania
wiązki jest równy kątowi odbicia, czyli wiązka a’’ odbija się od granicy pod tym samym
kątem α z jakim wiązka A na tą granicę pada.
Sytuacja będzie się zmieniała jeśli będziemy zwiększać kąt α i w końcu otrzymamy
stan jaki wyżej można zaobserwować dla promienia B. Jego część oznaczona jako B’
rozchodzi się wzdłuż granicy natomiast b’’ zostaje odbity.
Jeżeli dalej zwiększymy kąt padania wiązki to po przekroczeniu wartości granicznej
(występującej tu dla promienia B) promień zostanie odbity w całości od granicy ośrodków i
nawet w najmniejszej części nie przejdzie do drugiego ośrodka. Zjawisko to nazywany
całkowitym wewnętrznym odbiciem.
5
Na podstawie wykładów [2]
-6-
Aby zachodziło całkowite wewnętrzne odbicie promień świetlny musi być
wprowadzony do światłowodu pod kątem α mniejszym od kąta granicznego Θmax
[patrz rysunek 3].
Kąt graniczny jest określony przez jeden z parametrów światłowodu i dokładniej zostanie
opisany później.
α
Θ0
Θmax
Rysunek 3. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia w światłowodzie.
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia w światłowodzie zachodzi na granicy
ośrodka optycznie gęstszego (o większym współczynniku załamania n1), czyli rdzenia i
optycznie rzadszego (o mniejszym współczynniku załamania n2) – płaszcza. Podwyższona
wartość współczynnika załamania światła w osi rdzenia w stosunku do otaczającego go
płaszcza powoduje, że wiązka światła prowadzona w światłowodzie ma tendencję do
utrzymywania się bezpośrednio w rdzeniu. Rozkład współczynnika załamania jest zależny od
technologii wykonania światłowodu. Dzięki powyższemu zjawisku straty mocy sygnału są
bardzo małe.
-7-
2. Własności
2.1. Apertura Numeryczna
6
Zachowanie się wiązki światła na granicy dwóch ośrodków o różnej gęstości optycznej
opisuje zależność:
n1 sin α = n2 sin β
( 2.1-I )
Odnosząc zasadę całkowitego wewnętrznego odbicia do światłowodów można
powiedzieć, że istnieje maksymalny kąt wprowadzania promienia do tego medium [patrz
rysunek 4]. Kąt ten oznaczymy jako ΘMAX.
Wprowadzając promień pod kątem większym spowodujemy iż nie znajdzie się on już
w objętości rdzenia światłowodu.
Π
2
n2
no
n1
ΘC
Θmax
Rysunek 4. Kąt graniczny wprowadzania promienia.
Dlatego można określić parametr determinujący wprowadzanie promienia, którym jest
apertura numeryczna NA zdefiniowana w następujący sposób :
NA = sin Θ MAX
Aperturę numeryczną można przedstawić w inny sposób wychodząc z prawa załamania
promienia na granicy dwóch ośrodków [wzór ( 2.1-I )]. Pomocny będzie powyższy rysunek.
Załamanie promienia z ośrodka, w którym znajduje się światłowód, o współczynniku
n0 do rdzenia o współczynniku n1 możemy opisać następująco:
n0 sin Θ MAX = n1 sin(
Π
− ΘC )
2
upraszczając :
n0 sin Θ MAX = n1 cos ΘC
i przekształcając cos otrzymamy :
n0 sin Θ MAX = n1 1 − sin 2 ΘC
( 2.1-II )
Natomiast załamanie promienia na granicy rdzenia i płaszcza (współczynniki n1 i n2)
możemy opisać następująco :
Π
n1 sin ΘC = n2 sin
2
6
Oparte na wykładach [2].
-8-
upraszczając otrzymamy sin ΘC :
sin ΘC =
n2
n1
( 2.1-III )
Teraz podstawiając do równania ( 2.1-II ) sin ΘC z ostatniego równania ( 2.1-III )
otrzymujemy:
2
n0 sin Θ MAX
n
= n1 1 − 22
n1
NA = sin Θ MAX =
i ostatecznie :
1
2
2
n1 − n2
n0
Tym sposobem wyznaczyliśmy alternatywny wzór na aperturę numeryczną.
Podstawiając współczynnik załamania dla próżni no = 1 otrzymamy jeszcze bardziej
uproszczoną zależność:
2
NA = n1 − n2
2
2.2. Dyspersja
2.2.1.
modowa
7
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 [patrz rysunek 5].
xi
Θ0
α
Θmax
xi+1
li
Rysunek 5. Droga promienia świetlnego w światłowodzie.
Powyższy rysunek przedstawia promień biegnący światłowodem, padający na ściany
rdzenia pod kątem Θo. Pokonuje on zatem dłuższą drogę od długości samego światłowodu.
W obliczeniach pomijamy mały odcinek przewodu od początku do pierwszego odbicia.
Przyjmując za długość światłowodu l można zapisać:
l = ∑ li = ∑ ( xi ⋅ sin Θ 0 ) = sin Θ 0 ⋅ ∑ xi
i
7
Na bazie wykładów [2].
i
i
-9-
i wyznaczyć właściwą drogę promienia:
∑x
i
=
i
l
sin Θ o
( 2.2-I )
Różnica pomiędzy długością światłowodu a drogą jaką w rzeczywistości pokonuje
promień wynosi:
Δl = ∑ xi − l
i
podstawiając ( 2.2-I ) otrzymujemy
⎞
⎛ 1
Δl = l ⎜⎜
− 1⎟⎟
⎠
⎝ sin Θ 0
( 2.2-II )
Znając różnicę drogi przebiegu promienia można wyznaczyć różnicę czasu przejścia
miedzy promieniem odbijającym się, a przebiegającym prosto przez rdzeń (bez odbić):
Δt =
Δl
,
v
to prędkość światła w rdzeniu.
gdzie v
Prędkość v możemy wyznaczyć z zależności:
n1 =
gdzie n1
c
c
,
v
( 2.2-III )
to bezwzględny współczynnik załamania rdzenia
to prędkość światła w próżni.
Teraz podstawiając do ostatniego wzoru na Δt zależności ( 2.2-II ) oraz ( 2.2-III )
otrzymujemy:
⎞
⎛ 1
l ⎜⎜
− 1⎟⎟
sin Θ 0
Δl
⎠ = n1 ⋅ l ⎛⎜ 1 − 1⎞⎟
Δt =
= ⎝
⎟
c
v
c ⎜⎝ sin Θ 0
⎠
n1
Maksymalna wartość opóźnienia Δt wystąpi w przypadku gdy promień będzie się
odbijał pod największym możliwym kątem. Nastąpi to gdy Θ 0 będzie dążył do kąta Θ C
(czyli kąta występującego przy wprowadzaniu promienia do światłowodu pod kątem
granicznym Θ MAX – patrz punkt 2.1. Apertura numeryczna).
Wyznaczając zatem sin ΘC :
n1 sin Θ C = n 2 sin
n
Π
⇒ sin Θ C = 2
2
n1
- 10 -
wyznaczamy ostatecznie wielkość maksymalnego opóźnienia czasowego Δt MAX nazywanego
dyspersją :
⎞ n ⋅l ⎛ n
⎞
n ⋅l ⎛ 1
Δt MAX = 1 ⎜⎜
− 1⎟⎟ = 1 ⎜⎜ 1 − 1⎟⎟
c ⎝ sin Θ C
c ⎝ n2
⎠
⎠
Dyspersja może być przedstawiana w postaci bezwzględnej jako Δt MAX [s ] lub
podawana względem długości światłowodu:
Δt MAX ⎡ s ⎤
.
l ⎢⎣ km ⎥⎦
Fakt istnienia tego zjawiska powoduje rozmycie czasowe wysyłanych impulsów
ponieważ mody, z których składa się sygnał, przechodząc różną drogę pokonują ją też w
innym czasie.
Δt
Rysunek 6. Różnica pomiędzy impulsem wysyłanym i odbieranym na drugim końcu
światłowodu.
Jest to niewątpliwie duża wada światłowodów wielomodowych. Jest ona zminimalizowana w
wielomodowych światłowodach gradientowych.
2.2.2.
chromatyczna
8
Dyspersja modowa związana jest z występowaniem wielu modów. Z racji tego, że
światłowody jednomodowe propagują tylko jeden mod, nie występuje tutaj takie zjawisko.
Zauważalny jest natomiast inny rodzaj dyspersji – dyspersja chromatyczna. Składają się na
nią dwa zjawiska:
a) 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 czasowym;
b) dyspersja falowa – częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez
płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości
materiałowych płaszcza.
8
Zaczerpnięte z [4].
- 11 -
2.3. Tłumienie
9
Gdyby światłowód był idealnym medium to sygnał na wyjściu światłowodu musiałby
być wierną kopią sygnału wprowadzonego na wejściu. Tak jednak nie jest. Jedną z
podstawowych wad światłowodów jest tłumienie, które nie zmienia kształtu sygnału,
zmniejsza jedynie jego moc. Tłumienie powodowane jest przez straty falowe wynikające z
niedoskonałości przewodu. Należą do nich:
- absorpcja, czyli pochłanianie energii przez cząstki światłowodu;
- rozpraszanie energii powodowane fluktuacjami gęstości materiału rdzenia oraz
fluktuacjami współczynnika załamania w rdzeniu i w płaszczu przy jego granicy z
rdzeniem;
- rozpraszanie energii spowodowane nie doskonałościami włókna powstałymi już w
fazie produkcji takimi jak: zgięcia, mikropęknięcia czy spawy.
Wszystkie wymienione efekty prowadzą do straty propagowanej energii, przy czym
łączna strata energii mocy dP proporcjonalna jest do mocy wprowadzonej do światłowodu i
do długości drogi transmisji.
10
Tłumienie
[dB/km]
2.4. Okna transmisyjne
Długość fali
[μm]
Rysunek 7. Okna transmisyjne. 11
9
Opierając się na materiałach z [4].
Na podstawie [3], [4].
11
Zaczerpnięte z [3].
10
- 12 -
Tłumienie zależne od długości fali odgrywa istotną rolę w transmisji światłowodowej.
Wyróżniamy trzy okna przydatne do prowadzenia transmisji o obniżonej tłumienności
[widoczne na rysunku 7]:
I okno transmisyjne – obejmuje fale w okolicy 0,85 μm, dość wysokie tłumienie
(powyżej 1dB/km). O atrakcyjności tego okna stanowi
dostępność tanich źródeł światła, jednak zakres jego zastosowań
sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu
kilkunastu kilometrów.
II okno transmisyjne – na fali 1,3 μm, tłumienie poniżej 1 dB/km, zasięg transmisji od
75 do 100 km.
III okno transmisyjne – na fali 1,55 μm, tłumienie mniejsze niż 0,5 dB/km, zasięg
transmisji od 150 do 200 km.
Systemy pracujące w pierwszym oknie oparte są na włóknach wielomodowych, a ze
względu na ich wysoką tłumienność stosowane są dla małych odległości transmisji, głównie
lokalnych sieci komputerowych. Jako źródła światła wykorzystywane są diody
elektroluminescencyjne. Drugie okno wykorzystywane jest zarówno w systemach
wielomodowych, jak i jednomodowych. Są to systemy telekomunikacyjne lub zaawansowane
technologie sieci komputerowych. W oknie trzecim pracują telekomunikacyjne systemy
dalekosiężne oparte na włóknach jednomodowych. Źródłem światła są tutaj
jednoczęstotliwościowe lasery na falę 1550 nm.
- 13 -
3. Rodzaje światłowodów.
3.1. Klasyfikacja, czyli różne kryteria podziału
12
Jeśli za kryterium klasyfikacji światłowodów weźmiemy ich budowę uzyskamy dwie
podstawowe grupy:
a) włóknisty
b) planarny
Najczęściej stosowanym rodzajem światłowodów są światłowody włókniste, dlatego też dalej
będziemy się zajmować jedynie tą grupą.
Podstawowe kryterium podziału światłowodów włóknistych jest ilość wiedzionych
modów. I tak włókna dzieli się na:
a) wielomodowe – które ze względu na charakterystykę współczynnika załamania w
rdzeniu dodatkowo dzielą się na:
- skokowe
- gradientowe
b) jednomodowe
Można też podzielić światłowody ze względu na użyte do ich produkcji materiały:
- domieszkowane SiO2
- tzw. ZBLAN, zrobione z użyciem Zr, Ba, La, Al, Na
- plastikowe (PMMA)
- z użyciem wielowarstw epitaksjalnych (np. GaAs/AlGaAs)
- na bazie warstwy dielektrycznej, oraz
- na bazie warstwy polimerowej
Oprócz zwykłych światłowodów pasywnych (służących jedynie do przesyłania danych) są
również wytwarzane światłowody specjalne:
- aktywne (erbowe, prazeodymowe) – ze względu na zdolność aktywnej obróbki
sygnału zwane również wzmacniaczami aktywnymi
- polaryzacyjne (podtrzymujące polaryzację i polaryzujące)
- cieczowe
3.2. Typy światłowodów
13
Mody światłowodowe stanowią cechę włókna i określają rozkład pola i fizyczny kształt
wiązki świetlnej układającej się w światłowodzie. Zjawisko całkowitego wewnętrznego
odbicia powoduje, że wiązka światła prowadzona w światłowodzie ma tendencję do
utrzymywania się bezpośrednio w rdzeniu. W światłowodzie wielomodowym na skutek
specyficznych warunków optycznych (dość gruby rdzeń o średnicy ok. 50 μm, wielokrotnie
większej niż długość fali światła) powstaje i przesyłane jest wzdłuż osi włókna wiele
dyskretnych modów. Aby uzyskać jednomodową transmisję stosuje się światłowody o
odpowiednio małej średnicy rdzenia (9 μm), porównywalnej z długością fali świetlnej. Na
skutek tego w światłowodzie prowadzona jest tylko jedna monochromatyczna wiązka
świetlna o stałej szybkości propagacji impulsu. Minimalizuje to dyspersję transmitowanego
sygnału świetlnego i zwiększa efektywną długość toru światłowodowego bez potrzeby
12
13
Na podstawie [3].
Bazując na [1], [4].
- 14 -
regeneracji sygnału. Wadą takiego rozwiązania jest jednak cienki rdzeń, co utrudnia łączenie
światłowodów ze sobą. W światłowodzie wielomodowym gradientowym współczynnik
załamania w rdzeniu zmienia się w sposób ciągły od środka rdzenia (wartość maksymalna)
do wartości minimalnej na granicy z płaszczem. Promień świetlny, który ukośnie chce się
wydostać z centrum światłowodu jest uginany w sposób ciągły z powrotem w stronę jego
środka. Ponadto promień współczynnika załamania światła jest tak ukształtowany, by różne
mody miały tę samą prędkość rozprzestrzeniania się wzdłuż światłowodu. Promienie
poruszające się po zewnętrznych, dłuższych łukach mają większą prędkość ponieważ
współczynnik załamania jest mniejszy.
3.3. Światłowody wielomodowe
14
Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów (fal) o różnej długości co
powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość transmisji lub długość toru
transmisyjnego. Źródłem światła jest tu dioda LED.
Diody LED są źródłem światła niespecjalnie skoncentrowanego. W związku z tym
wymagają dość szerokiej ścieżki transmisji. Mają one też dosyć niską (jak dla światła)
częstotliwość, więc szerokość ich pasma przesyłania również nie jest największa. Kluczową
właściwością diod świetlnych jest ich niezdolność do wysyłania skoncentrowanej wiązki
światła. Wysyłane światła ulega zatem rozpraszaniu. Stopień rozpraszania nakłada
praktyczne ograniczenia na długość okablowania światłowodowego sterowanego za pomocą
diody świetlnej.
Impuls optyczny wprowadzany do światłowodu rozkłada się tutaj na szereg modów o
skończonej liczbie, a każdy z modów przenosi część mocy impulsu. Światłowody
wielomodowe ze względu na budowę rdzenia dzieli się dodatkowo na dwa rodzaje. Włókna o
stałej wartości współczynnika załamania światła w rdzeniu, czyli o skokowym profilu
współczynnika załamania – tzw. światłowody skokowe i na włókna o płynnej zmianie
współczynnika – tzw. światłowody gradientowe.
3.3.1.
Światłowody skokowe
rdzeń
n
płaszcz
1 mod
2 mod
Rysunek 8. Mody i rozkład współczynnika załamania w światłowodach skokowych.
14
W oparciu o [1], [4].
- 15 -
W światłowodzie tym poszczególne promienie świetlne podążają "zygzakami"
odbijając się od granicy rdzeń-płaszcz. Każdy mod pada pod innym kątem i ma własną drogę
przejścia odcinka światłowodu. Najkrótsza droga wiedzie wzdłuż osi włókna, natomiast
najdłuższa "zygzakiem" o najmniejszym kącie odbicia. Ponieważ prędkość rozchodzenia się
światła jest stała w całym obszarze rdzenia wraz ze wzrostem długości włókna powiększają
się różnice w czasie dotarcia poszczególnych modów na koniec światłowodu. Jak już
wspomnieliśmy różnica czasów pomiędzy najkrótszą i najdłuższą drogą jest przyczyną
dyspersji między modowej.
3.3.2.
Światłowody gradientowe
rdzeń
n
1 mod
2 mod
płaszcz
Rysunek 9. Mody i rozkład współczynnika załamania w światłowodach gradientowych.
W światłowodzie gradientowym współczynnik załamania światła w rdzeniu, dzięki
odpowiedniemu warstwowemu domieszkowaniu, zmienia się w sposób ciągły. Zmiana
przebiega od wartości maksymalnej na osi rdzenia do minimalnej na granicy z płaszczem jak
to pokazano powyżej.
Współczynnik załamania rdzenia jest ukształtowany tak, aby różne mody miały tę samą
prędkość rozprzestrzeniania się wzdłuż światłowodu. Mody poruszające się po łukach
zewnętrznych, czyli o dłuższej drodze ale i przez szkło o mniejszym współczynniku
załamania, mają większą prędkość od modów propagujących się wzdłuż osi. W rezultacie nie
ma różnic prędkości różnych modów i związanego z tym poszerzenia impulsu na końcu
włókna.
Zarówno w wielomodowym światłowodzie skokowym jak i gradientowym, mogą się
propagować także tzw. mody płaszczowe, doznające całkowitego wewnętrznego odbicia na
granicy płaszcz-pokrycie ochronne włókna. Są one pobudzane na początku światłowodu, w
miejscu wprowadzania promieniowania ze źródła światła. Mody płaszczowe są silnie
tłumione w płaszczu na długości włókna wynoszącej kilkadziesiąt metrów.
- 16 -
3.4. Światłowody jednomodowe
15
rdzeń
n
płaszcz
1 mod
Rysunek 10. Mod i rozkład współczynnika załamania w światłowodach jednomodowych.
Światłowody jednomodowe są efektywniejsze i pozwalają transmitować dane na
odległość do 100 km bez wzmacniacza. Jednak ze względu na wysoki koszt interfejsów
przyłączeniowych jest to bardzo drogie rozwiązanie. Źródłem światła jest tu laser. Dzięki
temu, że sygnał ten prawie wcale nie ulega rozproszeniu, nawet najbardziej zewnętrzne
części jego wiązki nie zaczynają chociażby dotykać wewnętrznych ścianek włókna
przewodzącego, nie mówiąc o jakichkolwiek odbiciach. Strumień danych przesyłany jest
więc równolegle do osi przewodnika na całej jego długości i dociera do miejsca
przeznaczenia w jednym modzie, czyli w całości w jednym punkcie czasu.
Włókna jednomodowych kabli światłowodowych mają zwykle od 5 do 10 μm średnicy i
otoczone są ochronnym wypełnieniem o średnicy 125 μm. Wysokie koszty przewodów i
sprzętu laserowego w połączeniu z dużą szerokością udostępnianego pasma sprawiają, że
technologia ta bardziej nadaje się do wykorzystania przy tworzeniu wysokiej jakości
infrastruktur informacyjnych niż do sieci lokalnych. Największe zastosowanie jak dotychczas
znalazła w komercyjnych sieciach telefonicznych.
Światłowód jednomodowy jest światłowodem o skokowym profilu współczynnika
załamania światła, w którym może się propagować tylko jeden mod, tzw. mod podstawowy.
Liczba modów prowadzona w światłowodzie skokowym zależy od wartości tzw.
częstotliwości znormalizowanej światłowodu V.
Im mniejsza jest wartość V, tym mniej modów prowadzi światłowód. Warunkiem
jednomodowości włókna jest aby V < 2,405. Aby ten warunek był zachowany, światłowód
jednomodowy musi mieć dostatecznie mały promień rdzenia, małą różnicę
współczynników załamania oraz dużą długość wiedzionej fali.
Ponieważ we włóknie jednomodowym propagowany jest tylko jeden mod,
pozbawione jest ono dyspersji międzymodowej. Wyłącznie ten typ włókna jest obecnie
stosowany w dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej.
15
Bazując na [1], [4] oraz [7].
- 17 -
4. Transmisja światłowodowa
Jak wcześniej opisano, światłowód pozwala nam na szybki przesył informacji na
znacznie większe odległości w porównaniu z kablem miedzianym. Jednak aby wysłać
informację światłowodem trzeba zastosować szereg urządzeń pozwalających na konwersję
sygnału elektrycznego na światło i odwrotnie. W tej części zajmiemy się opisem
podstawowych urządzeń związanych z transmisją danych światłowodami.
4.1. Tor transmisyjny
16
Chociaż światłowód cechują o rzędy lepsze parametry w porównaniu z medium
miedzianym, to w większości rozwiązań sieciowych na małych obszarach na razie wygrywa
miedź. Jest to po części spowodowane wadą transmisji światłowodowej jaką jest konieczność
stosowania konwerterów, a tym samym zwiększenia kosztów budowy sieci. Każde
podłączenie urządzenia elektronicznego do światłowodu wiąże się z koniecznością konwersji
sygnałów elektrycznych na optyczne lub optycznych na elektryczne.
Wyobraźmy sobie dwie maszyny cyfrowe, które chcemy połączyć ze sobą za pomocą
światłowodu [jak na rysunku 11].
A
Maszyna
Cyfrowa
konwerter
Ele
B
konwerter
światłowód
Opt
Opt
Maszyna
Cyfrowa
Ele
sygnał optyczny
sygnał elektryczny
Rysunek 11. Tor transmisji światłowodowej.
Konwerter elektryczno-optyczny przetwarza sygnał elektryczny maszyny A na sygnał
optyczny, który znowu zostaje przetworzony konwerterem optyczno-elektrycznym z
powrotem na sygnał elektryczny doprowadzony do maszyny B. Można więc w tym torze
transmisyjnym wyróżnić takie elementy jak nadajnik i odbiornik sygnału optycznego.
4.2. Nadajniki optyczne
17
Vcc
Nadajnik
optyczny
odpowiednio
wysterowany sygnałem elektrycznym generuje
strumień światła, który możemy przesłać
światłowodem. Obok przedstawiono najprostszą
realizację tego zadania [rysunek 12].
wejście
LED
Rysunek 12. Układ prostego nadajnika.
16
17
Na podstawie [1].
Zaczerpnięte z [7].
- 18 -
Napięcie podane na wejście układu powoduje zwarcie do masy wyjścia przedstawionej
bramki NOT z otwartym kolektorem. W tym momencie przez obwód diody
elektroluminescencyjnej zaczyna płynąć prąd i emituje ona sygnał świetlny. Rezystor został
użyty w celu ograniczenia prądu diody.
Tak prosty nadajnik pozwoli nam jedynie na przetworzenie cyfrowej sekwencji zer i
jedynek na świecenie bądź gaszenie diody. Przykład ten tylko przybliża samą zasadę
generowania sygnału świetlnego co pozwoli już na zakodowanie dowolnej informacji.
4.3. Odbiorniki optyczne
18
Przedstawmy teraz prosty układ odbiornika pozwalający na odebranie i przetworzenie
nadanego sygnału optycznego na sygnał elektryczny. Na rysunku 13. naszkicowano schemat
odbiornika.
Vcc
1
2
2
wyjście
3
1
WZM
3
źródło
napięcia
odniesienia
Rysunek 13. Układ prostego odbiornika oraz przebiegi czasowe w zaznaczonych punktach.
Do detekcji sygnału świetlnego użyto fotodiody. W ten sposób uzyskamy bardzo
słaby sygnał elektryczny dlatego podajemy go na wzmacniacz. Aby ostatecznie uzyskać
końcowy elektryczny poziom zer i jedynek stosujemy komparator wzmocnionego napięcia z
napięciem odniesienia. Przybliżone przebiegi w kolejnych punktach układu przedstawiono na
wykresach. Zademonstrowany sposób pozwala odbierać sekwencje świetlne i przekazywać je
na odbiornik elektryczny.
W rzeczywistej komunikacji światłowodowej układy nadajników i odbiorników są o
wiele bardziej skomplikowane. Często zapewnia się podział częstotliwościowy kanału i
przesyłanie wielu różnych informacji tym samym medium transmisyjnym.
18
Zaczerpnięte z [7]
- 19 -
4.4. Technika solitonowa
19
W najszybszych rozwiązaniach transmisji światłowodowej nie stosuje się przesyłania
zwykłych impulsów świetlnych ponieważ są one bardzo podatne na zniekształcenia.
Wykorzystuje się w tym celu wspaniałe odkrycie fizyki jakim jest soliton (ang. solitary
oznacza: odosobniony).
Soliton jest krótkim impulsem o obwiedni zbliżonej do funkcji sekans hiperboliczny.
natężenie impulsu
Właściwości tego typu fal
zostały zauważonye bardzo wcześnie.
Termin soliton pojawił się około 40
sekans hiperboliczny
lat temu, lecz historia z nim związana
rozpoczęła się znacznie wcześniej.
Już w XIX wieku szkocki inżynier
John Scott Russell (1808 - 1882)
zaobserwował w 1834 roku wielkie
czas
odosobnione fale (ang. solitary
waves) na kanale w pobliżu
Edynburga. Fale powstające w
momencie gwałtownego zatrzymania
łodzi,
przybierające
kształt
wyodrębnionego
pojedynczego
Rysunek 14. Impuls solitonowy.
grzbietu wodnego, kontynuowały z
wielką prędkością swój bieg pokonując
kilka kolejnych mil, najwyraźniej nie zmieniając kształtu ani nie zmniejszając prędkości.
Russell był przekonany, że zaobserwowane przez niego fale, które nie ulegały rozproszeniu,
stanowiły odkrycie o istotnym znaczeniu naukowym.
Fale solitonowe opisano matematycznie wiele lat później, ale jeszcze długo
pozostawały czystą teorią i wydawało się, że nie będzie ona mieć większego praktycznego
znaczenia. Dopiero 1973 roku Hasegawa i Tapert zaproponowali zastosowanie impulsów
solitonowych w telekomunikacji światłowodowej, jako rozwiązanie przeciwdziałające
szkodliwym zjawiskom nieliniowości i dyspersji.
W nowoczesnej technice sieciowej impuls solitonowy wytwarzany jest przez modulator
laserowy i transmitowany przez medium światłowodowe. Poprzez dobór odpowiedniego
natężenia sygnału, jego czasu trwania i właściwej obwiedni, jest możliwy przekaz takiego
impulsu świetlnego praktycznie bez żadnej dyspersji i zmiany kształtu na dowolną odległość.
Użycie solitonów pozwala na osiąganie bardzo dużych prędkości przesyłu na duże
odległości. Wykorzystując standardowe światłowody z solitonami o szerokości od 20 do 50
ps, uzyskuje się transmisję solitonową o przepływności 10÷20 [Gb/s] na odległość ok. 36 000
[km].
19
Na podstawie [1], [8], [9], [10].
- 20 -
4.5. Regeneracja sygnału
20
Światłowód pozwala nam na przesyłanie informacji na bardzo duże odległości bez
konieczności regeneracji sygnału. Jednak cechuje go niezerowa tłumienność i w końcu
biegnący w nim sygnał wygaśnie. Dlatego chcąc przesyłać informację na jeszcze większą
odległość musimy zastosować dodatkowe urządzenia (dokładnie jak w przypadku torów
miedzianych).
Klasycznym podejściem do tego problemu jest regeneracja sygnału za pomocą tzw.
repeater-a. Urządzenie to w przypadku światłowodu zawiera w sobie konwertery aby
odczytać sygnał ze światłowodu, przetworzyć na sygnał elektryczny, zregenerować, a
następnie przesłać go dalej przetwarzając z powrotem na sygnał optyczny.
Można zatem wyróżnić trzy bloki funkcjonalne. [patrz rysunek 15]
REPEATER
światłowód
konwerter
Opt
Ele
regenerator
sygnału
elektrycznego
konwerter
Ele
światłowód
Opt
Rysunek 15. Bloki funkcjonalne repeater-a.
Repeater-y światłowodowe są zapewne droższe od ich odpowiedników dla medium
miedzianego, lecz pamiętajmy o tym, że sygnał w światłowodzie może być przesyłany
niewspółmiernie dalej bez ich stosowania.
Innym rozwiązaniem pozwalającym na wzmocnienie sygnału biegnącego
światłowodem są wzmacniacze optyczne. Jest to zupełnie inne podejście do problemu
ponieważ sam wzmacniacz nie regeneruje sygnału. Regeneracja sygnału zachodzi wtedy, gdy
po przejściu przez regenerator sygnał nie tylko ma przywrócony odpowiedni poziom (w
przypadku medium miedzianego jest to odpowiednie napięcie), lecz pozbawiony jest
zakłóceń. Wzmacniacz jedynie wzmacnia sygnał podany na wejście, a więc także ze
zniekształceniami. Pamiętajmy jednak, że informacja w światłowodzie ulega znacznie
mniejszym zniekształceniom niż w medium miedzianym (brak przesłuchów, brak wpływu
zakłóceń elektromagnetycznych), dlatego wzmocnienie sygnału może tu być wykorzystane z
dużo większym powodzeniem.
Takie podejście ma unikalną cechę. Mianowicie sygnał przechodząc przez taki
wzmacniacz cały czas pozostaje sygnałem optycznym. Jest to niezastąpione w przypadku
przesyłania informacji wieloma kanałami poprzez zastosowanie podziału częstotliwości
ponieważ równocześnie wzmacniane są wszystkie kanały.
Idea wzmacniacza optycznego polega na włączeniu w tor światłowodu odcinka z
domieszką erbu (cały światłowód jest oczywiście szklany). Do części domieszkowanej
doprowadza się światło z pomocniczego źródła nazwanego pompą światła. Są to z reguły
diody laserowe dużej mocy. [patrz rysunek 16]
20
Na podstawie wykładu [1].
- 21 -
wejściowy
strumień światła
wzmocniony
strumień wejściowy
światłowód domieszkowany
POMPA ŚWIATŁA
Rysunek 16. Wzmacniacz światła.
Po dostarczeniu dodatkowej energii świetlnej do części domieszkowanej, na wyjściu
obserwujemy wzmocniony sygnał wejściowy. Wzmocnienie zachodzi przez przekazywanie
wejściowemu sygnałowi energii z atomów pierwiastka domieszkowanego naładowanych
pompą światła. Takie wzmacniacze są już powszechnie stosowane w komunikacji
światłowodowej.
5. Podsumowanie
Budowa sieci światłowodowych jeszcze długo będzie droższa od sieci opartych na
mediach miedzianych. Jednak już widać systematyczny spadek cen mediów optycznych
szklanych jak i z tworzyw sztucznych. Dlatego liczba ich zastosowań w różnych dziedzinach
przemysłu stale rośnie.
Przy wykorzystaniu w mniejszych sieciach atutem światłowodów jest bezpieczeństwo
ponieważ podsłuch informacji biegnącej światłowodem związany jest z koniecznością
przerwania medium. Z tego powodu jest bardzo łatwo wykryć taką działalność gdyż na
chwilę zrywana jest łączność między maszynami. Wyspecjalizowanemu pracownikowi
założenie urządzenia rozgałęziającego zajmuje minimum 2 minuty co dla systemów ochrony
transmisji jest czasem wystarczającym do wykrycia zagrożenia.
Poza tym rozwój optoelektroniki i techniki światłowodowej jest bardzo duży. Zapewne
jeszcze o wiele bardziej poprawią się parametry transmisyjne i zwiększy się pole możliwych
zastosowań. Obecnie budując każdą sieć warto zastanowić się nad użyciem do tego celu
światłowodów. Chociaż koszt takiej sieci jest większy to biorąc pod uwagę jej wykorzystanie
w przyszłości może się to bardziej opłacić. Jedna linia światłowodu może być zastosowana
do budowy każdej odmiany sieci ethernet lub innej. Zależy to jedynie od rodzaju
zastosowanych konwerterów (są akceptowane przez większość technologii sieciowych).
- 22 -
6. Źródła
Wykłady:
[1]
[2]
[3]
prof. dr hab. inż. Andrzeja Grzywaka
dr inż. Ryszarda Macelucha
dr Sergiusza Pateli
http://wtm.wemif.pwr.wroc.pl/~spatela/dydak/listawyk.html
Witryny internetowe:
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
http://rsienkiewicz.strony.wi.ps.pl/
http://nms.ise.pw.edu.pl/photonics_information/konferencje/ksz/swiatlowody_konf.html
http://eduseek.interklasa.pl/artykuly/artykul/ida/2792/idc/5/
http://free.polbox.pl/n/nataliaa/
http://www.networld.pl/leksykon/nw_term_info.asp?termin_nazwa=soliton
http://www.tnf.pl/tnf_new/Strony/arch/2001/112001/a091101.html
http://www.tnf.pl/tnf_new/Strony/arch/2002/012002/a040102.html