Światłowodem nazywa się rodzaj falowodu czyli ośrodek przesyłający falę elektromagnetyczną (EM). Transmitowana fala jest falą z zakresu widzialnego, dlatego możemy mówić o falowodach optycznych. Jest obecnie najbardziej popularną metodą szybkiego przysyłania danych w telekomunikacji.

Światłowód zbudowany jest z rdzenia oraz płaszcza. W rdzeniu rozchodzi się fala EM i jest najczęściej wykonany ze szkła kwarcowego lub tworzywa o podobnych parametrach. Płaszcz jest zewnętrzną warstwą ochronną zamyka światło wewnątrz rdzenia.
Liczba modów to liczba wiązek światła, które mogą się w nim rozchodzić jednocześnie. Światłowód jednomodowy ma średnicę około 8 mikronów i posiada wyjątkowo dobre parametry do transmisji danych: sygnał wpuszczony w postaci jednej wiązki rzadko odbija się od ścianek, co powoduje małe straty energetyczne. W takim światłowodzie sygnał może zostać przesłany na odległość około 100km bez montowania w światłowód wzmacniaczy syngnału.
Światłowód wielomodowy ma średnicę około 1000 mikronów. Wiązka w rdzeniu rozdziela się na wiele fal o różnych drogach propagacji. Odbijając się wielokrotnie od ścianek następuje transmisja fali EM. Jest on mało wydajny energetycznie, ponieważ w porównaniu do falowodu jednomodowego są dość duże straty przy odbiciach, a co za tym idzie- sygnał jest przesyłany na mniejsze odległości bez wzmacniania.

Zasada działania światłowodu opiera się na podstawowym prawie optyki- odbiciu światła. Promień rozchodzący się w rdzeniu napotykając na granicę dwóch ośrodków (rdzenia i płaszcza) ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, dzięki czemu fala padająca i odbita mają te same parametry. Jest to bardzo istotne w przesyłaniu danych, ponieważ informacja niesiona przez falę nie ulega zniekształceniu.

ZALETY ŚWIATŁOWODÓW:

 -duża pojemność informacyjna pojedynczego włókna i szybkość transferu
– małe straty i zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości (dla jednomodowych)
– brak emisji zakłóceń EM oraz odporność na nie
– mała waga, wymiary, coraz niższe ceny produkcji (jednocześnie niższe ceny zakupu)
– dużo bardziej bezpieczne niż przewody elektryczne, gdyż nie występują zwarcia i iskrzenie
– niezawodność w przesyłaniu danych
– prosta obsługa

WADY ŚWIATŁOWODÓW:

– Występowanie zjawiska dyspersji światłowodach wielomodowych: rozszczepione promienie nie docierają w jednym czasie do odbiornika, co ogranicza szerokość pasma transmisji. W światłowodach wielomodowych szerokość jest ograniczona poprzez poszczególne, rozchodzące się mody, co w połączeniu z dyspersją wewnątrz rdzenia powoduje chaos. Poza dyspersją wewnątrz światłowodu wielomodowego występuje też dyspersja szkła krzemu lub tworzywa sztucznego, która polega na zmianie współczynnika załamania światła w szkle (tworzywie), które zawiera defekty struktury krystalicznej.
– Tłumienie – im mniejsze, tym lepsze. 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: używanie specjalnych złączek w warunkach laboratoryjnych, koniecznie w warunkach bezpyłowych.
– Kosztowny proces produkcji światłowodów
– odbicia Fresnela na styku dwóch części światłowodu

Zastosowanie światłowodów:
• Łącza telefoniczne:
• 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.
• Rozgłośnie telewizyjne: transmisje „na żywo”. Ich stosunkowo niewielki ciężar pozwala na swobodne przemieszczanie kamer i minikamer. W tych sytuacjach nie jest konieczna zbyt duża szerokość pasma
• Zdalna kontrola i ostrzeganie: 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.
• 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.
• Komputery: Od połączeń między centralnym procesorem, a urządzeniami peryferyjnymi i pamięcią, po wielkie i daleko-zasięgowe połączenia sieci internetowych.
• 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.

Słowniczek pojęć:
(definicje zaczerpnięte z Wikipedii)
1. Mod – charakterystyczny rozkład pola elektromagnetycznego odpowiadającym danemu kątowi rozchodzenia się fal w falowodzie. Mody można interpretować jako efekt wzajemnej interferencji płaskich fal elektromagnetycznych odbijających się wielokrotnie od granicy ośrodków tworzących falowód. Każdy z modów ma specyficzne właściwości, takie, jak prędkość propagacji, częstotliwość i długość fali, poprzeczne rozkłady pola elektromagnetycznego w ośrodku. O tym ile modów przenosi dany światłowód decyduje jego kształt, średnica rdzenia światłowodu, apertura numeryczna i długość fali propagującej się w tym światłowodzie.
Mody dzieli się na:
– TE – mody których natężenie pola elektrycznego w kierunku rozchodzenia się jest zerowe.
– TM- mody których indukcja magnetyczna w kierunku rozchodzenia się jest zerowa.
– TEM – mody których natężenie pola elektrycznego i indukcja magnetyczna wzdłuż kierunku rozchodzenia jest zerowa.
– Hybrydowe – mody nie spełniające powyższych warunków.

2. Interferencja – zjawisko powstawania nowego, przestrzennego rozkładu amplitudy fali (wzmocnienia i wygaszenia) w wyniku nakładania się (superpozycji) dwóch lub więcej fal. Warunkiem interferencji fal jest ich spójność, czyli korelacja faz, amplitudy i częstotliwości.

3. Dyspersja – zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej. Jednym ze skutków dyspersji jest to, że wiązki światła o różnych barwach, padające na granicę ośrodków pod kątem różnym od zera, załamują się pod różnymi kątami. Efekt ten można zaobserwować, gdy światło białe pada na pryzmat i ulega rozszczepieniu na barwy tęczy.

4. Całkowite wewnętrzne odbicie – zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) i występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu. Zjawisko to jest wykorzystywane w pryzmatach oraz światłowodach. Jest także przyczyną powstawania refleksów w oszlifowanym diamencie.

5. Odbicie Fresnela- W światłowodach oprócz rozproszenia wstecznego zachodzi zjawisko odbicia w strefach niejednorodności współczynnika załamania światła , np. w łącznikach mechanicznych pęknięciach włókna lub na końcu włókna . W strefie tej na granicy dwóch dielektrycznych ośrodków różniących się współczynnikami załamania , zachodzi odbicie skierowane zwrotnie . Wg klasycznej teorii transmisji odpowiada to odbiciu sygnału na granicy torów różniących się impedancjami charakterystycznymi (falowymi) . Do oceny odbicia wprowadza się współczynnik odbicia fali oznaczony symbolem r oraz współczynnik odbicia mocy (odbicie Fresnela) oznaczony symbolem r2 . Współczynnik odbicia mocy r2 określa stosunek mocy odbitej do mocy padającej. (Definicja z: http://kursy.utp.edu.pl/fresnel.html )

• Literatura:
M. Szustakowski „Elementy techniki światłowodowej”
R.S. Romaniuk „Światłowody kapilarne”
J. Siuzdak „wstęp do współczesnej komunikacji światłowodowej”
J.R. Meyer-Arendt „Wstęp do optyki”
E. Hecht “Optics”
J. D. Gaskill “Linear Systems, Fourier Transforms and Optics”
J.W. Goodman “Introduction to Fourier Optics”

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Connect with Facebook

Zasada działania wzroku/korekcja: Budowa ludzkiego oka, martwe pola, metody korekcji wzorku, parametry okularów więcej

3 polaryzatory, badanie naprężeń

Pokaz prezentujący zjawisko wygaszenia fali świetlnej w sytuacji ustawienia dwóch polaryzatorów w kierunkach prostopadłych oraz przepuszczania światła po dodaniu pomiędzy nimi 3. polaryzatora.

Zmienny współczynnik załamania

Pokaz prezentujący, jak różne materiały załamują światło oraz fakt, że parametrem odpowiedzialnym jest współczynnik załamania.
Zasada działania projektora: Projektory slajdowe, multimedialne. Układ optyczny, lampy, itd. więcej
Zasada powstawania hologramów: Rodzaje hologramów, układy zapisujące, interferencja, paralaksa, zapis w prążkach interferencyjnych więcej
Czym jest Head-Up Display, gdzie stosowany, jak wytwarzany. Przyszłościowe możliwości, planowane zastosowania. więcej
Zasada działania światłowodu opiera się na podstawowym prawie optyki- odbiciu światła. więcej
Które substancje charakteryzują się zjawiskiem fluorescencji. Do czego jej używad, jak się wytwarza światło UV. więcej
Jak działa i skąd wzięła się kuchenka mikrofalowa? więcej
Jeśli mówimy o mieszaniu barw, powinniśmy dokonać rozróżnienia na mieszanie addytywne oraz subtraktywne. Nasze pokazy mają pokazać obydwa sposoby mieszania barw. więcej
Fala świetlna jako fala EM: Ogólne objaśnienie fali EM, widmo fal EM wraz z zastosowaniami, wyjaśnienie dlaczego światło jest falą EM. więcej
Kąt graniczny, całkowite wewnętrzne odbicie. Stanowisko, na którym prezentowane będzie jedno z ważniejszych podstawowych zjawisk optycznych. więcej