Sieci światłowodowe

 

1        Wstęp

Światłowód – przezroczysta zamknięta struktura z włókna szklanego wykorzystywana do propagacji światła jako nośnika informacji. Światłowody są także używane w celach medycznych, na przykład w technice endoskopowej, dekoracyjnych, w telekomunikacji, telewizji kablowej, technice laserowej, optoelektronice i jako składniki zintegrowanych układów optycznych. Medium transmisyjnym jest włókno światłowodowe o średnicy nieco większej od średnicy ludzkiego włosa. Jego zalety to zasięg i pasmo transmisji większe niż dla innych mediów transmisji.

Światłowód  jest najczęściej używanym medium na dłuższe, szerokopasmowe transmisje punkt-punkt wymagane przez szkielet LAN i sieci WAN. Jest wiele przyczyn, dla których światłowody są używane.

2        Zalety, dla których światłowody są wykorzystywane w sieciach

  • Światłowód jest odporny na wyładowania atmosferyczne, interferencję elektromagnetyczną (EMI) oraz interferencję częstotliwości radiowych (RFI). Ponadto nie generuje EMI i RFI.
  • Światłowód daje znacznie większe możliwości w zakresie szerokości pasma niż inne media.
  • Światłowód pozwala na transmisję na większe odległości z wyśmienitą jakością sygnału, z uwagi na bardzo małe tłumienie.
  • Światłowód jest bezpieczniejszy od innych mediów, gdyż trudno jest się podłączyć do światłowodu, zaś łatwo jest wykryć tego rodzaju próby.
  • Obecne techniki transmisji i odbioru światłowodowego mogą być zastąpione nowszymi urządzeniami w miarę ich rozwoju, co pozwala na osiągnięcie większych szybkości transmisji za pośrednictwem światłowodu bez wymiany okablowania.
  • Światłowód jest tańszy od przewodów miedzianych, szczególnie na większych dystansach.
  • Przy korzystaniu ze światłowodów nie ma problemów z uziemieniem, które występują przy innych mediach transmisyjnych korzystających z elektryczności.
  • Światłowody są lekkie i łatwe do instalowania.
  • Światłowód jest bardziej od miedzi odporny na czynniki środowiskowe, jak woda.

3        Model promienia światła

Promieniem świetlnym nazywamy pojedynczą falę energii elektromagnetycznej (EM), włączając w to światło widzialne i światło podczerwone. Każdy promień świetlny przemieszcza się w linii prostej dopóki w coś nie uderzy.

Gdy światło przechodzi z jednego nośnika do innego np. gdy opuszcza przestrzeń kosmiczną i wchodzi w atmosferę ziemską lub gdy opuszcza powietrze i uderza w szybę okna, część promieni świetlnych może zostać odbita, pochłonięta lub załamana. Przykładowo gdy patrzy się na taflę jeziora, można na niej zobaczyć odbijające się niewyraźne obiekty, natomiast gdy patrzy się na lustro obiekty są wyraźne. Powodem jest różnica odbijania i pochłaniania światła przez te obiekty. Innym zjawiskiem jest załamanie światła. Ma to miejsce gdy promienie zmieniają prędkość rozchodzenia się w danym nośniku, ilustruje to Rysunek 1. Załamanie i odbicie promienia

Rysunek 1. Załamanie i odbicie promienia

Promień pierwotny (w pierwszym nośniku) uderza w drugi nośnik. W efekcie otrzymujemy dwa promienie. Promień załamany, który przechodzi do drugiego nośnika pod zmienionym kontem oraz promień odbity którego kont jest równy kontowi promienia pierwotnego. Aby obliczyć kont załamania promienia, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

  • Kont padania promienia pierwotnego,
  • Różnice w prędkości z jaką światło przemieszcza się w danym nośniku.

Prędkość światła w próżni wynosi 300.000 km/s. Można powiedzieć że próżnia jest nośnikiem pierwotnym. Gdy światło przechodzi do innego nośnika np. powietrze, woda lub kabel optyczny jego prędkość jest redukowana do pewnego stopnia. Stopień tej redukcji jest proporcjonalny do gęstości optycznej danego nośnika. W miarę ze wzrostem gęstości, prędkość światła maleje. Podczas pracy z różnymi materiałami optycznymi, bardzo istotnym aspektem jest obliczenie siły i kierunku zarówno promienia odbitego jak i załamanego. Do obliczeń wykorzystywany jest wzór na współczynnik załamania (IR), który określa czynnik spowolnienia danego materiału.

IR = prędkość światła w próżni / prędkość światła w materiale

Tabela 1 pokazuje wskaźnik załamania dla powietrza, szkła, diamentu i wody

Substancja

Wskaźnik załamania IR

Powietrze

1,000

Szkło

1,523

Diament

2,419

Woda

1,333

 

4        Zasada działania

Do transmisji danych, zamiast prądu elektrycznego, wykorzystywana jest modulowana fala świetlna, której źródłem może być laser półprzewodnikowy lub dioda elektroluminescencyjna (LED). Dzięki temu możliwa jest transmisja danych do 3 Tb/s, a przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem. Światłowody, które jako medium transmisyjne wykorzystują powietrze, osiągają transfer danych rzędu 74 Tb/s.

Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego, w związku z czym podsłuchanie transmisji jest kosztowne. Cechuje je duża odporność na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, stopa błędów mniejsza niż 10−10 przy najwyższych przepustowościach, mała tłumienność jednostkowa (około 0,20 dB/km dla fali o długości 1,5 μm).

Aby wyeliminować lub ograniczyć wypromieniowanie światła przez boczne powierzchnie światłowodu, stosuje się odpowiednie zmiany współczynnika załamania światła. Promienie światła biegną prostoliniowo (światłowód skokowy) lub krzywoliniowo (światłowód gradientowy), odbijając się od ścianek światłowodu w wyniku ciągłego zmniejszania się współczynnika załamania. W najprostszym przypadku są to zmiany skokowe – wewnątrz światłowodu współczynnik załamania ma wartość większą, niż na zewnątrz; utrzymanie promieni światła w obrębie takiego światłowodu zachodzi na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. W przypadku, gdy współczynnik załamania stopniowo zmienia się w przekroju poprzecznym światłowodu, mówimy o światłowodach gradientowych.

Takie wyobrażenie działania światłowodu jest jednak uproszczone – tym bardziej, im mniejsze rozmiary poprzeczne ma rozważany światłowód. Zamiast promieni światła (będących podstawą przybliżonej optyki geometrycznej) należy rozważać światło jako falę. Przybliżenie optyki geometrycznej jest sensowne jedynie dla światłowodów o dużych rozmiarach poprzecznych, traci natomiast sens, gdy rozmiar poprzeczny światłowodu staje się porównywalny z długością fali światła. Zjawiska falowe są istotne zwłaszcza w światłowodach jednodomowych.

5        Klasyfikacja

Światłowody mogą być klasyfikowane ze względu na ich geometrię (planarne, paskowe lub włókniste), strukturę modową (jednomodowe lub wielomodowe), rozkład współczynnika załamania (skokowe i gradientowe) oraz rodzaj stosowanego materiału (szklane, plastikowe lub półprzewodnikowe).

5.1      Geometria

Światłowody telekomunikacyjne dzielimy na planarne, paskowe i włókniste. Pod względem budowy różnią się one przede wszystkim grubością szklanego rdzenia (grubość pozostałych warstw jest taka sama), co wpływa na sposób przesyłania informacji.

5.1.1        Światłowód planarny

Najprostszy światłowód planarny składa się z trzech warstw, z których środkowa ma większy współczynnik załamania, niż warstwy zewnętrzne. Światło jest uwięzione w tej warstwie na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia, o ile kierunki rozchodzenia się promieni tworzą z normalną kąty większe od kąta granicznego.

5.1.2        Światłowód paskowy

Światłowód paskowy powstaje, kiedy propagacja wiązki w warstwie zostaje ograniczona w dwóch kierunkach. Światłowody paskowe są wykorzystywane w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach półprzewodnikowych. W układach fotoniki zintegrowanej służą do prowadzenia światła, tworząc bardziej rozbudowane struktury jak np. interferometr Macha-Zehndera lub złożone przyrządy jak multipleksery długości fali dla systemów WDM.

5.1.3        Światłowód włóknisty

Światłowód włóknisty to zazwyczaj falowód dielektryczny o przekroju kołowym, otoczony przez płaszcz z innego materiału dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania. Włókna światłowodowe wykonywane są najczęściej ze szkła krzemionkowego, czasem z innych szkieł lub z plastiku. Światłowody plastikowe są stosowane na krótkich odległościach (do 100 m).

5.2      Struktura modowa

5.2.1        Światłowód jednomodowy

Światłowody jednomodowe (ang. Single Mode Fiber, SMF) charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. W światłowodach jednomodowych sygnał – wytworzony przez laser półprzewodnikowy – ulega tylko niewielkim zniekształceniom (brak dyspersji międzymodowej). Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez regeneracji na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Umożliwiają one stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia bardzo efektywny transfer danych.

Światłowód będzie prowadził tylko jeden mod, jeżeli jego częstotliwość znormalizowana V będzie mniejsza niż 2,405.

 

 

Światłowody jednomodowe przy wykonywaniu połączeń rozłącznych za pomocą wtyków narzucają tolerancję rzędu ułamka mikrometra. Wykonanie takich czynności w normalnych warunkach polowych jest trudne i zmusiło do poszukiwania innych rozwiązań. Źródłem światła w światłowodach jednomodowych jest laser o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra. Możliwości transmisyjne światłowodów jednomodowych ogranicza tłumienie szkła, dyspersja chromatyczna, dyspersja polaryzacyjna i optyczne efekty nieliniowe. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.

5.2.2        Światłowód wielomodowy

Światłowody wielomodowe (ang. Multi Mode Fiber, MMF) charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym fala o takiej samej długości fali może rozchodzić się wieloma drogami, zwanymi modami. Prędkość ruchu modów wzdłuż falowodu może być różna, powodując zniekształcenie (rozmycie) impulsu, a co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji lub odległości transmisji

5.3      Rozkład współczynnika załamania

Rozkład współczynnika załamania światła jest charakterystyczną właściwością światłowodu, konieczną do realizacji konkretnego rozwiązania światłowodowego. Światłowody znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach i nie jest możliwe wytwarzanie ich tylko jedną metodą. Właśnie dlatego koniecznie trzeba rozróżnić światłowody pomiędzy skokowymi i gradientowymi.

5.3.1        Światłowód skokowy

W światłowodzie tego typu współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem a płaszczem. Mody prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Prędkość światła zależy od ośrodka, w którym światło się rozchodzi: w próżni ta prędkość wynosi 300 000 km/s, a w światłowodzie 200 000 km/s, dlatego czasy przejścia promieni przez mody światłowodu są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały.

5.3.2        Światłowód gradientowy

Rdzeń światłowodu gradientowego ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Największą wartość ma na osi rdzenia, zaś najmniejszą na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają – dla różnych modów (poruszających się po łukach) – tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż modu. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania; oznacza to, że mają większą prędkość liczoną wzdłuż drogi poruszania się promienia.

5.4      Materiał

Ze względu na materiały światłowody możemy dzielić na następujące grupy: szklane, plastikowe i półprzewodnikowej.

5.4.1        Światłowód szklany

Światłowody szklane są wykorzystywane do przesyłania danych na dużych odległościach i z wielkimi prędkościami. W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi nieorganiczne tworzywo.

5.4.2        Światłowód plastikowy

Światłowody plastikowe wykorzystywane są jedynie do lokalnego przesyłania danych między urządzeniami na małe odległości i z małymi prędkościami (w porównaniu ze światłowodami szklanymi). W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi tworzywo organiczne. Światłowody plastikowe charakteryzują się trzema podstawowymi wymiarami: średnicą rdzenia, średnicą płaszcza oraz średnicą pokrycia zewnętrznego. Do grupy światłowodów plastikowych zalicza się HCS/PCS (Hard Clad Silica, Plastic Clad Silica), w których płaszcz jest plastikowy, ale rdzeń szklany. Typowe zastosowania światłowodów plastikowych to automatyka przemysłowa, motoryzacja, sprzęt domowy (np. Toslink) i rozwiązania typu Fiber To The Desktop.

5.4.3        Światłowód półprzewodnikowy

Światłowody półprzewodnikowe charakteryzują się półprzewodnikowym rdzeniem, najczęściej jest to arsenek galu (GaAs).

6        Kabel światłowodowy

Kable światłowodowe wykorzystywane są przez urządzenia sieciowe, do przesyłania zmodulowanego światła podczerwonego, przez szklane włókno znajdujące się wewnątrz kabla. Istotną kwestią jest to, że światłowodem nie przepływa żaden sygnał elektryczny. Elektryczne wartości binarne, są reprezentowane przez odpowiednie światło podczerwone. Tak więc jedynym typem sygnału w kablu optycznym, jest promień świetlny. Z racji tej, że transmisja optyczna rządzi się innymi prawami niż przesył sygnałów elektrycznych, zastosowanie kabli światłowodowych daje wiele korzyści m.in. wykorzystanie o wiele dłuższych odcinków kabla czy mniejsza podatność na zakłócenia.

Rysunek 2 Przekrój kabla światłowodowego

7        Złącza światłowodowe

Rysunek 3 Typy zakończeń kabli światłowodowych