Lekcja 2. Zasady działania i parametry światłowodu

1. Fala świetlna

Długość fali świetlnej jest to odległość jaką pokonuje światło podczas jednego pełnego okresu drgań, wyrażana jest zwykle w nanometrach [nm].  Długość fali świetlnej λ oblicza się ze wzoru:

gdzie: 

• c = prędkość światła w próżni = 299 792 458 [m/s],
• f = częstotliwość fali [Hz],
• λ = długość fali [m].

Dla światła widzialnego wyróżniamy następujące długości fal świetlnych:

W technologii światłowodowej stosujemy długości fal świetlnych opisane w tabeli poniżej:

2. Zasada działania światłowodu

Główną zasadą działania światłowodu jest całkowite wewnętrzne odbicie. Światło wpadające do rdzenia światłowodu pod odpowiednim małym kątem nie przenika na zewnątrz, lecz odbija się do środka, za każdym razem gdy dociera do granicy rdzenia i płaszcza. Dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu impuls świetlny może być transmitowany na ogromne odległości z bardzo małymi stratami.

Warunkami koniecznymi do zajścia całkowitego wewnętrznego odbicia są:

• różnica gęstości - rdzeń światłowodu musi mieć wyższy współczynnik załamania światła niż otaczający go płaszcz,
•  kąt graniczny - światło musi padać na granicę rdzenia i płaszcza pod odpowiednio małym kątem (tzw. kątem ślizgowym), kąt ten zazwyczaj jest większy niż 82 stopni licząc od linii prostopadłej do ścianki.

Kąt graniczny obliczamy z przekształconego prawa Snelliusa (prawo załamania światła):

zatem:

gdzie : n1 - współczynnik załamania rdzenia, n2 - współczynnik załamania płaszcza.

3. Przesyłanie sygnałów świetlnych w światłowodzie

Dane przesyłane są światłowodami za pomocą impulsów świetlnych. Nadajnik przetwarza sygnały elektryczne na impulsy świetlne przesyłane kablem światłowodowym z bardzo dużą prędkością. Odbiornik na drugim końcu kabla światłowodowego dekoduje impulsy świetlne z powrotem na sygnały elektryczne.

Typowa długość fali wynosi zazwyczaj 800 do 1600nm, najczęściej używane długości fal w włóknach optycznych to 850nm, 1300nm i 1550nm. Włókno wielomodowe nadaje się do długości fal 850nm i 1300nm, podczas gdy światłowody jednomodowe najlepiej nadaje się do długości fal 1310nm i 1550nm.

W celu zredukowania błędów zwianych z dyspersja i tłumieniem oraz w celu zwiększenia przepustowości transmisji światłowodowej stosuje się metody multipleksowania sygnałów świetlnych w światłowodzie. Wyróżniamy następujące metody multipleksowania:

• WDM – Wavelength Division Multiplexing  - multipleksowanie z podziałem długości fali
• TDM / OTDM – Time Division Multiplexing  - multipleksowanie z podziałem czasu
• SDM – Space Division Multiplexing - Multipleksowanie z podziałem przestrzeni
• PDM – Polarization Division Multiplexing - Multipleksowanie z podziałem polaryzacji

WDM – Wavelength Division Multiplexing - multipleksowanie z podziałem długości fali- jest to najważniejsza i najbardziej rozpowszechniona metoda multipleksowania w światłowodach. Każdy sygnał jest nadawany na innej długości fali, następnie sygnały są łączone za pomocą multipleksera i rozdzielane na końcu za pomocą demultipleksera. Jako sprzęt multipleksujący i de‑multipleksujący używa się filtrów optycznych, siatek dyfrakcyjnych lub pryzmatów. Zalety WDM to ogromny wzrost przepustowości  bez dodawania nowych kabli, stosuje się w większości nowoczesnych sieci szkieletowych. Główne warianty multipleksowania z podziałem długości fali to: 

• CWDM - Coarse WDM - szeroki odstęp między kanałami około 20 nm, zazwyczaj 8–18 kanałów, jest to tańszy wariant, stosowany na krótsze dystanse metropolitalne. 
• DWDM - Dense WDM - gęsty, bardzo wąski odstęp między kanałami, około 0,8 nm - 0,4 nm, zazwyczaj 80–160 kanałów, używany na duże odległości, z wzmacniaczami - EDFA.
• FWDM / inne warianty — czasem spotykane warianty dedykowane.

TDM – Time Division Multiplexing - multipleksowanie z podziałem czasu - sygnały są przesyłane sekwencyjnie w różnych szczelinach czasowych w ramach jednego strumienia, natomiast po stronie odbiornika są rozdzielane na podstawie czasu odbioru. Stosuje się w starszych systemach PDH/SDH, obecnie głównie w warstwie elektrycznej przed nadajnikiem optycznym lub w połączeniu z WDM. Zaletą TDM jest prosta implementacja na niskich prędkościach, natomiast przy bardzo wysokich przepustowościach wymaga bardzo szybkiej elektroniki.

SDM – Space Division Multiplexing - multipleksowanie z podziałem przestrzeni -  jest to nowa generacja multipleksowania, rozwijana intensywnie od ok. 2010 r, która wykorzystuje dodatkowe wymiary przestrzenne we włóknie. Główne realizacje to: MCF (Multi Core Fibres) - jedno włókno zawiera wiele rdzeni,  MDM (Mode Division Multiplexing) w jednym rdzeniu wykorzystuje się rożne metody propagacji. Zaletą jest potencjalny wzrost pojemności o rzad wielkości. Wyzwania związane są z cross talkiem i skomplikowaną budowa multiplekserów przestrzennych.

PDM – Polarization Division Multiplexing - multipleksowanie z podziałem polaryzacji - polega na wykorzystaniu dwóch prostopadłych polaryzacji światła jako dwóch niezależnych kanałów. Stosuje się we wszystkich nowoczesnych systemach 100G i wyższych.

4. Dyspersja

Dyspersja - na skutek tego zjawiska poszczególne mody światła przebiegają przez światłowód w różnych chwilach czasu. W wyniku tego efektu wiązka światła podana na wejście ulega rozmyciu na wyjściu światłowodu. Ogranicza to w dużym stopniu częstotliwość transmitowanych impulsów świetlnych, oraz prędkość transmisji, która również zostaje zmniejszona. Wrażliwość na zmniejszenie pasma przenoszenia uwydatnia się w przypadku światłowodów wielomodowych, gdzie poszczególne mody charakteryzują się odmiennymi czasami transmisji. Można również zaobserwować dyspersję naturalną szkła kwarcowego, niezależnie od użytego rodzaju światłowodu. Dyspersja ta jest tym większa im większe są zanieczyszczenia szkła kwarcowego, zależy również od długości fali świetlnej.

5. Tłumienność

Tłumienność - jest to kluczowy parametr w transmisji światłowodowej. Transmisja kanałem światłowodowym charakteryzuje się praktycznie znikomym tłumieniem nawet na bardzo duże odległości. Kiedy w 1970 roku powstały pierwsze włókna światłowodowe, ich tłumienie wynosiło 20dB/km. Wraz z upływem lat wyłożono duże nakłady pieniędzy na zoptymalizowane transmisji światłowodowej, co zaowocowało powstaniem pierwszych światłowodów do powszechnego użytku. Pracowały one przy długości fali 0.85 mikrometra. W kablach drugiej generacji zastosowano przy transmisji wiązki świetlne o długości 1,3 mikrometra, a to za sprawą najmniejszej dyspersji jaka przy takiej długości fali występuje. Obecna trzecia już generacja kabli światłowodowych pracuje w głębokiej podczerwieni, to jest około 1,55 mikrometra długości fali świetlnej. Takie parametry zostały wprowadzone z powodu badań, które wykazały najmniejszą podatność na tłumienie właśnie przy tej długości fali. Wynosi ono zaledwie 0,16 dB/km.

6. Pasmo przenoszenia

Pasmo przenoszenia w światłowodach to jeden z najważniejszych parametrów, który określa maksymalną ilość informacji, jaką można przesłać przez włókno w jednostce czasu na określoną odległość. W przeciwieństwie do kabli miedzianych, gdzie ograniczeniem są głównie rezystancja i indukcyjność, w światłowodach głównym ograniczeniem jest dyspersja.

Pasmo przenoszenia światłowodu definiuje się zazwyczaj jako częstotliwość, przy której moc sygnału wyjściowego spada o 3 dB w stosunku do mocy sygnału wejściowego.

Dla światłowodów wielomodowych używa się jednostki MHz·km. Oznacza to, że pasmo jest ściśle powiązane z odległością – im dłuższy kabel, tym mniejsze dostępne pasmo.

W światłowodach wielomodowych głównym ograniczeniem jest dyspersja modowa. Różne promienie światła (mody) biegną różnymi drogami, docierając do końca w różnym czasie.

W światłowodach jednomodowych pasmo jest niemal nieograniczone w porównaniu do MM, a głównym limitem jest dyspersja chromatyczna (zależność prędkości od długości fali).

7. Parametry geometryczne

Bardzo istotne z perspektywy użytkownika są parametry geometryczne światłowodu, do których zaliczamy:

• maksymalny promień gięcia
• średnica płaszcza i rdzenia
• niekołowość
  błąd koncentryczności

Parametr maksymalnego promienia gięcia (często nazywany po prostu dopuszczalnym promieniem gięcia) to jeden z krytycznych wskaźników technicznych światłowodu. Określa on, jak mocno można wygiąć kabel, zanim dojdzie do degradacji sygnału lub fizycznego uszkodzenia włókna. W praktyce wyróżniamy dwa rodzaje tego parametru:

• Dynamiczny promień gięcia: Obowiązuje podczas instalacji (przeciąganie kabla przez peszle, koryta), gdy kabel jest poddawany naprężeniom. Jest on zazwyczaj większy (ok. 20‑krotność średnicy zewnętrznej kabla).
• Statyczny promień gięcia: Obowiązuje po zainstalowaniu kabla, gdy leży on nieruchomo w szafie lub gniazdku. Jest zazwyczaj mniejszy (ok. 10‑krotność średnicy).

Średnica płaszcza i rdzenia podczas procesu łączenia światłowodów (zarówno metodą spawania termicznego, jak i za pomocą połączeń mechanicznych) mają krytyczne znaczenie dla tłumienności oraz wytrzymałości mechanicznej złącza. Włókna wysokiej jakości mają małą rozbieżność średnicy płaszcza i rdzenia. Podczas łączenia włókien o różniących się średnicach rdzeni może dojść do powstania mikro‑zwierciadeł, które powodują odbijanie sygnału wewnątrz włókna, co skutkuje pogorszeniem parametrów transmisyjnych takich jak tłumienność i pasmo przenoszenia.

Niekołowość (ang. Non‑circularity) jest to parametr opisujący, jak bardzo przekrój płaszcza lub rdzenia odbiega od idealnego koła, czyli przyjmuje kształt elipsy. Jeśli płaszcz jest eliptyczny, włókno może „skakać” lub obracać się w rowku spawarki podczas procesu pozycjonowania. Utrudnia to uzyskanie stabilnego łuku elektrycznego i precyzyjnego styku czół włókien.

Błąd współśrodkowości (Core‑to‑Cladding Concentricity Error)Jest to parametr określający, jak bardzo środek rdzenia jest przesunięty względem geometrycznego środka płaszcza.Jeśli włókno ma duży błąd współśrodkowości, spawarka centrująca „do płaszcza” połączy włókna idealnie z zewnątrz, ale rdzenie będą przesunięte względem siebie.Wysokiej jakości włókna mają ten błąd na poziomie < 0,5 [um]