pobierz plik

Światłowody, zasada działania, budowa i zastosowanie
Ratajczak Arkadiusz
Recki Dawid
Elbląg 2005
Spis treści:
1
2
3
4
5
Wstęp…………………………………………………………………......3
Zasada działania światłowodu……………………………………………4
Budowa światłowodu……………………………………………………..8
Zastosowanie światłowodów…………………………………………......11
Literatura………………………………………………………………….14
2
1.Wstęp
Światłowody są obecnie najszybciej rozwijającym się medium transmisyjnym.
Dzieje się tak, gdyż zarówno pod względem jakości jak i szybkości przesyłu
informacji światłowody są najlepsze. Przesył światła nie jest zakłócany przez pole
elektromagnetyczne co pozwala na stosowanie światłowodów w bardzo wielu
środowiskach szczególnie przemysłowych.. Dodatkowo powodem szybkiego rozwoju
światłowodów jest szerokie pasmo transmisji oraz większe odległości na jakie sygnał
może być przenoszony. Jeśli do tych zalet dodamy bezpieczeństwo pracy, dużą
niezawodność oraz małą wagę i wymiary otrzymamy odpowiedź dlaczego technika
światłowodowa staje się coraz bardziej powszechna.
3
2.Zasada działania światłowodu
Zasada działania światłowodu polega na przesyłaniu przez włókno szklane wiązki
światła (rys 2.1).Wiązka światła jest odpowiednikiem prądu elektrycznego w
zwykłych przewodach instalacyjnych. Sam światłowód pełni role łącznika między
nadajnikiem optoelektronicznym a odbiornikiem optoelektronicznym.Role nadajnika
może pełnić laser lub dioda LED, natomiast jako odbiornik stosowany jest element
światłoczuły (np.fotodioda ).
Rys 2.1. Zasada działania światłowodu
Wiązka światła wchodząca do światłowodu jest odpowiednio zmodulowana(
charakter takiej modulacji zależy od treści przekazywanych informacji). Następnie
puszczona w rdzeń światłowodu odbija się od linii będącej granicą pomiędzy
płaszczem a rdzeniem światłowodu. Zjawisko takie jest możliwe, gdyż współczynnik
załamania światła w rdzeniu jest większy od współczynnika załamania światła w
płaszcza, a to z kolei jest pochodną tego , że rdzeń jest wykonany z czystego szkła
kwarcowego, podczas gdy płaszcz wykonuje się ze szkła kwarcowego z dodatkami.
Bardzo ważna jest zależność, która mówi: ilość światła odbijanego wewnątrz rdzenia
zależy od kąta pod jakim światło pada na granice między rdzeniem a płaszczem.
Można więc powiedzieć, że im kąt jest mniejszy tym transmitancja jest gorsza. Dzieje
się tak, gdyż większość wiązki przedostaje się z rdzenia i zostaje wchłonięta przez
płaszcz zewnętrzny.
Aby transmisja mogła odbyć się w sposób prawidłowy należy wprowadzić
wiązke w światłowód pod odpowiednim kątem[1]. Pojawia się w tym momencie
zagadnienie zwane kątem wprowadzenia światła(Rys.2.2). Kąt wprowadzenia światła
jest bardzo ważnym parametrem określającym zdolność przesyłania informacji
światłowodem. Można go określić za pomocą kąta akceptacji oraz apertury
numerycznej. Kąt akceptacji jest to kąt zawarty między promieniem światła a osią
światłowodu. Można określić maksymalny kąt akceptacji, znaczy to tyle, że wiązki
światła wprowadzane pod kątem większym niż maksymalny kąt akceptacji nie
zostaną prawidłowo przesłane. Natomiast apertura numeryczna jest sinusem kąta
akceptacji .
4
Rys.2.2 Wprowadzanie wiązki światła pod odpowiednim kątem
Dokładny przebieg wiązki światła zależy od swego rodzaju kanałów
światłowodowych , które są tworzone przez wiązki modowe. Na ich podstawie można
wyróżnić światłowody jednomodowe i wielomodowe.
Światłowody jednomodowe są to takie , które przenoszą tylko jeden mód
(podstawowy). Wiązka światła rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i
trafia do końca włókna w jednym modzie – podstawowym(Rys.2.3). Dzięki tej zalecie
światłowody jednomodowe wykorzystywane są do transmisji danych na duże
odległości.
Rys.2.3. Przesył wiązki światła w światłowodach jednodomowych
Natomiast w światłowodach wielomodowych fala wejściowa jest rozdzielana na
wiele promieni o takiej samej długości przesyłanymi po innych torach . Można je
dodatkowo podzielić na gradientowe i skokowe.
W skokowych współczynnik załamania światła zmienia się skokowo . Mody w
tego typu światłowodach prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami co powoduje,
że mają różną drogę do przebycia.
5
Rys.2.4. Przesył wiązki światła w światłowodach wielomodowych skokowych
W światłowodach grdientowych każda warstwa jest inaczej domieszkowana, co
powoduje , że współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły.
Rys.2.5. Przesył wiązki światła w świałowodach wielomodowych gradientowych
Opisana powyżej zasada działania światłowodu w rzeczywistych warunkach
może być zakłócona przez dyspersje i tłumienie. W czasie eksploatacji światłowodu
możemy mieć do czynienia z rozmyciem się i impulsu sygnału. Odpowiedzialne za
taki stan rzeczy jest zjawisko zwane dyspersją . Dyspersja powstaje, gdyż są różne
prędkości poruszania się fal. Znaczy to tyle, że fale wysłane jednocześnie z nadajnika
nie docierają w tej samej chwili do odbiornika. Skutkiem tego jest otrzymanie na
wyjściu impulsu szerszego niż normalnie powinien wyglądać lub co gorsza nałożenie
się na siebie impulsów.
Jeśli dany światłowód jest światłowodem wielodomowym to mamy do
czynienia z tzw. dyspersją modową, która powstaje dzięki różnym kątom odbicia
każdego z modów. Jeśli każdy z modów ma inny kąt odbicia to jednocześnie ma
dłuższą drogę do przebycia i dociera do odbiornika w innym czasie.
W światłowodach jednodomowych nie występuje zjawisko dyspersji modowej,
lecz istnieje dyspersja chromatyczna spowodowana jest ona zmianą współczynnika
załamania szkła kwarcowego w funkcji długości fali. Znaczy to tyle, że impuls światła
składający się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących się z
różną prędkością po przesłaniu na pewną długość światłowodu ulega rozmyciu. Innym
zjawiskiem składającym się na dyspersje chromatyczną jest wędrowanie wiązki przez
płaszcz światłowodu, zjawisko to jest zależne od materiału płaszcza.
6
Rys.2.6. Wpływ dyspersji na przesył impulsu
Obok dyspersji głównym czynnikiem zakłócającym normalną prace
światłowodu jest tłumienie wiązki światła . Źródłem tłumienia jest strata mocy
optycznej, która powstaje na skutek niedoskonałości światłowodu. W rzeczywistości w
światłowodzie występuje absorpcja (pochłanianie energii przez materiał światłowodu).
Tłumienie nie ma wpływu na kształt sygnału oddziałuje jedynie na jego moc. Ze
względu na tłumienie ograniczona jest długość światłowodów, gdyż ze wzrostem
długości przewodu światłowodowego wzrasta tłumienie.
Rys.2.7. Wpływ tłumienia na przesył impulsu
7
3.Budowa światłowodu
Ze względu na materiał rdzenia wyróżniamy 2 typy włókien optycznych:.
- włókna plastikowe,
- włókna szklane.
Włókno plastikowe to jedno lub wiele włókien wykonanych z żywicy akrylowej.
Średnica tych włókien to od 0,25 do 1mm. Włókna te są umieszczone w osłonie
polietylenowej. Do zalet włókien plastikowych zalicza się łatwość układania oraz
łatwość wykonywania połączeń. Natomiast wadą włókien optycznych plastikowych
jest to że nie mogą one pracować w środowisku o podwyższonej temperaturze.(brak
odporności na wysoką temperaturę). Za źródła światła w włóknach plastikowych są
wykorzystywane stosunkowo tanie diody LED. Światłowody plastikowe są stosowane
tam gdzie nie wymaga się dużej prędkości transmisji oraz tam gdzie jest mała
odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem optycznym (medycyna).
Włókno szklane tworzą zazwyczaj włókna o średnicach od kilku do 100
mikrometrów. Medium transmisyjne to włókno szklane wykonane z
domieszkowanego dwutlenku krzemu, otoczone płaszczem wykonanym z czystego
szkła. Płaszcz pokryty jest buforem (osłoną). Bufor wykonany jest z akrylu, jego
celem jest poprawienie elastyczności włókna oraz chroni go przed uszkodzeniami.
Rysunek 3.1 Budowa włókna szklanego.
8
Wiadomo, że nagie światłowody są bardzo delikatne, przez co bardzo podatne na
uszkodzenia np. złamanie, dlatego są one stosowane wraz z zabezpieczeniem w
postaci pokrycia wtórnego. Włókno światłowodu wraz z pokryciem wtórnym tworzy
kabel światłowodowy.
Mamy kilka rodzajów takich kabli:
- ścisła tuba,
- luźna tuba,
- rozeta,
Ścisła tuba jest najprostszym sposobem zabezpieczenia światłowodu przed
działaniem czynników zewnętrznych. Jest to nałożenie na światłowód będący w
pokryciu pierwotnym dodatkowego pokrycia ze specjalnego tworzywa. Światłowód
taki może być użyty we wszystkich konstrukcjach kabli. (wewnątrz obiektów).
Rysunek 3.2 Kabel optotelekomunikacyjny – ścisła tuba.
Luźna tuba to dwuwarstwowa rurka. Zabezpiecza ona światłowód przed
deformacjami oraz wpływem sił tarcia. Wewnętrzna warstwa jest wykonana z
tworzywa zapewniającego bardzo mały współczynnik tarcia, natomiast zewnętrzna
warstwa zabezpiecza światłowód przed czynnikami zewnętrznymi. Tuba taka zawiera
od jednego do kilkudziesięciu światłowodów. Żel m. in. Chroni tubę przed dostaniem
się wody do jej wnętrza.
9
Rysunek 3.3 Kabel optotelekomunikacyjny – luźna tuba.
Rozeta jest wykonana z polipropylenu i wypełniona żelem. Chroni włókna
przed wpływem czynników zewnętrznych i jednocześnie pozostawia im swobodę
ruchu. Rozety są najczęściej wykonane jako 10 –rowkowe. W 1 rowku znajduje się 1
lub kilka światłowodów.
Rysunek 3.4 Kabel optotelekomunikacyjny – rozeta.[5]
10
4.Zastosowanie światłowodów
Ze względu na liczne zalety światłowodów (szerokie pasmo przenoszeni, brak
przesłuchów między liniami, mała wrażliwość na pole elektromagnetyczne, małe
wymiary) cieszą się one bardzo dużym zastosowaniem.
Główne zastosowania światłowodów:
-Zastosowanie światłowodów w telefonii.
Światłowody cieszą się ogromnym zastosowaniem w dziedzinie telefonii ze
względu na możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma. Już pierwsza sieć
światłowodowa zawierała 24 włókna optyczne, a każde z nich mogło przenosić 672
kanały telefoniczne. Kolejnym ważnym krokiem zastosowania techniki
światłowodowej była możliwość realizacji międzymiastowych linii światłowodowych
po tym jak powstało łącze optyczne przesyłające sygnał o długości ponad 100 km bez
wzmacniaczy. Zalety światłowodów takie jak: niewrażliwość na pole
elektromagnetyczne, brak iskrzenia czy duża niezawodność sprawiają że mogą być
one stosowane prawie w każdym środowisku. Dlatego też istnieją sieci
telekomunikacyjne w elektrowniach. Sygnał światłowodu jest do tego stopnia
niewrażliwy na pole elektromagnetyczne, że może być on dołączony do kabla
przewodzącego prąd.
-Zastosowanie do wykrywania zwarć
W tym przypadku światłowód jest dołączony do kabla przewodzącego prąd. W
światłowodzie przesyłana jest wiązka o określonej polaryzacji. W przypadku zwarcia
zmienia się polaryzacja i do odbiornika dociera wiązka o innej polaryzacji. W ten
sposób jesteśmy informowani o zmianach jakie zaszły w obwodzie.
-Zastosowanie światłowodów jako czujników
Światłowody jako czujniki są stosowane do pomiaru ruchu obrotowego. Rolę
czujnika pełni zwój włókna optycznego. Sygnał świetlny wędruje przez to włókno w
obu kierunkach. Mierzy się różnice obu faz rozchodzących się w przeciwnych
kierunkach wiązek światła. Na tej podstawie określa się stan zwoju. Jeśli różnica faz
jest zerowa to znaczy, że przewód jest nieruchomy. Natomiast jeżeli występuje ruch
obrotowy powstaje różnica faz proporcjonalna do tego ruchu.
11
-Zastosowanie do oświetlenia
Światłowody oświetleniowe możemy podzielić ze względu na część świecącą na
dwa rodzaje: świecące bokiem (SIDE LIGHT) oraz świecące na końcach (END
LIGHT).Oba te rodzaje składają się ze światłowodowego rdzenia oraz powłoki
teflonowej i warstwy zatrzymującej promienie UV. Światłowody tego typu są bardzo
wytrzymałe eksploatacyjnie oraz mechanicznie. Zdolność świecenia światłowodów
sprawiła, że znalazły one zastosowanie w drogownictwie. Można spotkać świecący
znak drogowy, częścią świecącą jest oczywiście światłowód.
Rys.4.1. Światłowody wykorzystywane w drogownictwie
-Zastosowanie w sieciach komputerowych
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) umożliwia realizację szybkich połączeń
dla różnych rodzajów sieci i jest oparty na technologii światłowodowej. Została ona
zaprojektowana dla komputerów, które wymagają szybszych połączeń niż prędkość
4Mbps które otrzymuję się w sieciach Token Ring lub 10Mbps w sieciach Ethernet
(sieci te nie wykorzystują technologii światłowodowej). Sieć FDDI może obsługiwać
szereg sieci LAN, wymagających szybkiego połączenia między nimi. Zbudowana jest
z dwóch pierścieni, w których dane są nadawane ze stacji roboczych w 2
przeciwbieżnych kierunkach. Sieć taka osiąga zawrotną prędkość transferu wynoszącą
100Mbps.W sieciach takich niemożliwe jest podsłuchanie lub przechwycenie
nadawanych informacji.
Rys4.2. Sieć FDDI [8]
12
-Zastosowanie w telewizji kablowej
Światłowody są także wykorzystywane w telewizji kablowej. Stanowią one bardzo
dużą konkurencję dla kabli koncentrycznych ze względu na dużą odporność na
zakłócenia elektromagnetyczne oraz małą podatność na zniszczenie wskutek
wyładowań atmosferycznych.
-Zastosowanie w medycynie
Światłowody znajdują także zastosowanie w medycynie np. w stomatologii. Lasery
dentystyczne wyposażone są w lekkie ,bardzo cienkie i elastyczne światłowody, przez
co możliwa jest nie tylko penetracja każdego zakamarka jamy ustnej ale także kanału
zęba. W światłowody wyposażone są również lasery chirurgiczne (np. chirurgia
plastyczna) oraz okulistyczne.
13
5. Literatura
[1] Pióro Barbara, Pióro Marek: Podstawy Elektroniki WSiP Warszawa 1998
[2] Magazyn Technologie teleinformatyczne 1/2004
[3] Leksykon naukowo-techniczny z suplementem Wydawnictwa NaukowoTechniczne Warszawa 1989
[4] Strona internetowa Elektroniki cyfrowej: www.stud.wsi.edu.pl
[5] Strona internetowa: www.teleoptics.com.pl
[6] Strona internetowa: www.wiedza.servis.pl
[7] Strona internetowa: www.swiatlowody.friko.pl
[8] Strona internetowa: www.student.wsu.kielce.pl
14