Lekcja 1. Budowa i rodzaje światłowodów

Wstęp

Lekcja 1 wprowadza podstawowe pojęcia z zakresu budowy i rodzaju światłowodów. W tej lekcji zostaną wyjaśnione: podstawowe elementy budowy światłowodu i ich skład chemiczny, szczegóły techniczne światłowodów jednomodowych i wielomodowych, okna transmisyjne oraz ich zastosowanie. Zrozumienie tych pojęć i szczegółów technicznych jest konieczne aby kursant mógł zrozumieć i przyswoić wiedzę zawartą w kolejnych lekcjach.

Cele lekcji

Osoba ucząca się:

• wyjaśnia budowę wewnętrzną światłowodu i opisuje funkcję rdzenia, płaszcza i warstwy ochronnej
• potrafi wymienić związki chemiczne stosowane w światłowodach i ich wpływ na współczynnik załamania światła
• rozróżnia typy światłowodów i opisuje kryteria podziału światłowodów
• wyjaśnia budowę światłowodów jednomodowych i opisuje stosowane okna transmisyjne
• wyjaśnia budowę światłowodów wielomodowych o profilu skokowym i opisuje stosowane okna transmisyjne
• wyjaśnia budowę światłowodów wielomodowych o profilu gradientowym
• porządkuje kolejność okien transmisyjnych i przyporządkowane nim długości fali świetlnej

1. Budowa światłowodu

W podstawowej strukturze budowy światłowodu wyróżniamy:

• rdzeń
• płaszcz
• warstwę ochronną.

Rdzeń - znajduje się w środku światłowodu, jego podstawowy budulec stanowi szkło kwarcowe (SiO₂), które odznacza się odpowiednio wysokim współczynnikiem załamania światła. Rdzeń może być domieszkowany germanem (GeO₂), fosforem (P₂O₅) lub innymi pierwiastkami, aby podwyższyć współczynnik załamania światła.

Płaszcz - otacza rdzeń, posiada niższy współczynnik załamania niż rdzeń, dzięki czemu światło w skutek całkowitego odbicia promienia świetlnego od płaszczyzny płaszcza przemieszcza się w rdzeniu. Płaszcz zbudowany jest ze szkła kwarcowego o wysokiej czystości. Może być domieszkowany fluorem (F) lub borem (B₂O₃) w celu obniżenia współczynnika załamania światła względem rdzenia.

Warstwa ochronna - jest to izolacja ochronna oplatająca płaszcz. Warstwa ochronna wykonana jest z polimerów akrylowych, czasami z  poliamidu, silikonu, poliimidu lub nylonu. Powłoka ochronna może być dwuwarstwowa: miękka warstwa wewnętrzna i twardsza zewnętrzna.

Źródłem wiązki światła w światłowodzie jest dioda LED lub laser. Wiązka światła jest transmitowana w światłowodzie do momentu aż napotka fotodiodę, fototranzystor lub inny światłoczuły element. Światłoczuły element przetwarza impuls świetlny na impuls elektryczny. W celu zapobiegania przekłamaniom w transmisji światłowodowej na skutek dyspersji, tłumienia i szumów nieliniowych odpowiednio moduluje się wiązkę światła.

Wyróżniamy kilka kryteriów podziału światłowodów na grupy: ze względu na strukturę modową, ze względu na zmiany współczynnika załamania światła, ze względu na zastosowany materiał.

Podział ze względu na strukturę modową jest najbardziej rozpoznawalny i ma najistotniejsze znaczenie w doborze światłowodu ze względy na długość trasy telekomunikacyjnej. Wyróżniamy dwie podstawowe grupy w tym podziale:

• światłowody jednomodowe
• światłowody wielomodowe.

W przypadku podziału ze względu na współczynnik załamania światła wyróżniamy:

• światłowody skokowe
• światłowody gradientowe.

2. Światłowody jednomodowe

W światłowodzie jednomodowym  (SMF - Single Mode Fiber) transmitowany jest jeden mod, czyli jeden rodzaj wiązki świetlnej. Powierzchnia płaszcza odbija promienie świetlne pod stałym kątem i nie zachodzi zjawisko dyspersji. Najczęstszym źródłem światła dla światłowodów jednomodowych jest laser. Światłowody tego typu zapewniają najlepsze właściwości transmisyjne (transmisja do 3Tb/s, prawie bezstratna na odległości powyżej 100 km). Grubość rdzenia typowego kabla jednomodowego wynosi około 5‑10 mikrometrów, długość fali przenoszonego światła jest równa około 1.3‑1.6 mikrometrów co powoduje, że możliwa jest transmisja tylko jednego modu. 

Jednomodowość jest szeroko stosowana głównie z powodu znakomitych właściwości transmisyjnych . Największym wyzwaniem w powszechnym stosowaniu tego typu światłowodów jest wysoka cena elementów przyłączeniowych, które muszą być bardzo dokładne z powodu niewielkiej średnicy rdzenia i posiadać bardzo niskie współczynniki strat.

W światłowodach jednomodowych wykorzystuje się specyficzne długości fal świetlnych, które należą do zakresu bliskiej podczerwieni. Wybór tych konkretnych częstotliwości nie jest przypadkowy – wynika on z właściwości fizycznych szkła kwarcowego, z którego wykonane są włókna. Wyróżniamy trzy okna transmisyjne stosowane w światłowodach jednomodowych do których przypisane są konkretne długości fali świetlnej:

• drugie okno transmisyjne - 1310 nm - jest to klasyczna długość fali dla światłowodów jednomodowych. Jej największą zaletą jest zerowa dyspersja chromatyczna, co oznacza, że sygnał nie rozmywa się w czasie podczas transmisji przez włókno. Ma jednak wyższe tłumienie (ok. 0,35 dB/km) niż fala 1550 nm.
• trzecie okno transmisyjne -  1550 nm -  jest to obecnie najważniejsza długość fali w sieciach szkieletowych i długodystansowych. Charakteryzuje się najniższym tłumieniem (ok. 0,20–0,25 dB/km), co pozwala przesyłać dane na bardzo duże odległości bez konieczności stosowania regeneratorów sygnału.
• czwarte okno transmisyjne - 1565‑1625 nm (Pasmo L) -  pasmo wykorzystywane głównie w zaawansowanych systemach zwielokrotnienia falowego (DWDM) oraz do monitoringu i diagnostyki sieci (pomiary OTDR), ponieważ jest bardzo czułe na zgięcia mikroskopijne włókna.

3. Światłowody wielomodowe o profilu skokowym

W przeciwieństwie do światłowodu jednomodowego, w kanale światłowodowym wielomodowym (Multi‑Mode Fiber, MMF)  o profilu skokowym transmitowane jest wiele modów, a współczynnik załamania światła zmienia się skokowo. Zachodzi zjawisko dyspersji, tzn. krawędzie transmitowanego sygnału ulegają rozmyciu na skutek odbijania wiązek światła pod różnymi kątami od powierzchni płaszcza. W wyniku dyspersji przebieg impulsów wysłany kanałem światłowodowym jest odbierany na wyjściu z pewnym zniekształceniem. W celu minimalizacji tego zjawiska światłowody wielomodowe stosuje się na mniejsze odległości i wykorzystuje się w nich mniejsze prędkości transmisji. Dioda LED stanowi najczęściej stosowane źródło światła w tego typu światłowodach.

W światłowodach wielomodowych wykorzystuje się głównie dwa okna transmisyjne, którym przypisane są dwie konkretne długości fali. Wybór tych wartości wynika z właściwości fizycznych szkła kwarcowego oraz kosztów produkcji źródeł światła:

• pierwsze okno transmisyjne -  850 nm - to najpopularniejsza długość fali dla sieci lokalnych (LAN). Źródłem światła są Diody VCSEL (Vertical‑Cavity Surface‑Emitting Laser), które są tanie i wydajne. Fale o tej długości stosuje się na krótkie dystanse, np. wewnątrz serwerowni czy budynków (do ok. 550 m w standardzie OM3/OM4), charakteryzuje je stosunkowo wysokie tłumienie (ok. 2.5 – 3 dB/km), ale ze względu na niską cenę osprzętu stanowią one standard w sieciach Ethernet.
• drugie okno transmisyjne - 1300 nm lub 1310 nm - wykorzystywane jest tam, gdzie potrzebny jest nieco większy zasięg. Źródłem światła są Lasery FP (Fabry‑Perot) lub diody LED w starszych rozwiązaniach. Stosowane jest w połączeniach między budynkami lub w nieco dłuższych magistralach wewnątrz sieci kampusowych. Fale te maja znacznie niższe tłumienie niż fale 850 nm (ok. 0.6 – 1 dB/km) oraz mniejszą dyspersja chromatyczna, co pozwala na transmisję na dystansie do 2 km.

4. Światłowody wielomodowe o profilu gradientowym

Światłowód ze współczynnikiem gradientowym (ang. Graded‑Index Fiber, w skrócie GI) to inteligentne rozwiązanie problemu, który trapił pierwsze generacje światłowodów – tzw. dyspersji modowej. Zamiast gwałtownej zmiany gęstości między rdzeniem a płaszczem, mamy tu do czynienia z łagodnym przejściem, które toleruje różne kąty padania światła. Kabel światłowodowy z współczynnikiem gradientowym jest rozwiązaniem pośrednim pomiędzy drogim i najlepszej jakości światłowodem jednomodowym a tanim i słabej jakości światłowodem wielomodowym ze skokową zmianą współczynnika odbicia. 

W tradycyjnym światłowodzie skokowym (Step‑Index) rdzeń ma stały współczynnik załamania światła. W światłowodzie gradientowym współczynnik ten zmienia się w sposób ciągły wzdłuż promienia rdzenia:

• w samym centrum współczynnik załamania jest najwyższy,
• przy krawędziach blisko płaszcza współczynnik załamania płynnie maleje, dzięki temu światło nie odbija się od ścianek jak od lustra, lecz zakrzywia się płynnie, tworząc tory przypominające sinusoidę.