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 e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Zasada powstawania hologramów: Rodzaje hologramów, układy zapisujące, interferencja, paralaksa, zapis w prążkach interferencyjnych
Które substancje charakteryzują się zjawiskiem fluorescencji. Do czego jej używad, jak się wytwarza światło UV.
Kąt graniczny, całkowite wewnętrzne odbicie. Stanowisko, na którym prezentowane będzie jedno z ważniejszych podstawowych zjawisk optycznych.

Zmienny współczynnik załamania

Pokaz prezentujący, jak różne materiały załamują światło oraz fakt, że parametrem odpowiedzialnym jest współczynnik załamania.

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.
Jak działa i skąd wzięła się kuchenka mikrofalowa?
Czym jest Head-Up Display, gdzie stosowany, jak wytwarzany. Przyszłościowe możliwości, planowane zastosowania.
Zasada działania wzroku/korekcja: Budowa ludzkiego oka, martwe pola, metody korekcji wzorku, parametry okularów
Zasada działania projektora: Projektory slajdowe, multimedialne. Układ optyczny, lampy, itd.
Zasada działania światłowodu opiera się na podstawowym prawie optyki- odbiciu światła.
Jeśli mówimy o mieszaniu barw, powinniśmy dokonać rozróżnienia na mieszanie addytywne oraz subtraktywne. Nasze pokazy mają pokazać obydwa sposoby mieszania barw.
Fala świetlna jako fala EM: Ogólne objaśnienie fali EM, widmo fal EM wraz z zastosowaniami, wyjaśnienie dlaczego światło jest falą EM.