ŚWIATŁOWODY – charakterystyka i zastosowanie wyk. Adrian Kanderski ZPSB, III rok, st. dzienne kierunek: ekonomia specjalność: turystyka Kołobrzeg 2006

Światłowód - definicja Falowód (kanał dielektryczny służący prowadzeniu w przestrzeni fal elektromagnetycznych) służący do przesyłania promieniowania świetlnego, Zasada jego działania opiera się na transmisji impulsów świetlnych między nadajnikiem (Optical Transmitter) przekształcającym sygnały elektryczne na świetlne, a odbiornikiem (Optical Receiver) przekształcającym sygnały świetlne odebrane ze światłowodu w sygnały elektryczne. Sieci oparte na światłowodach zwane są FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

Kilka faktów historycznych Historia światłowodów sięga końca XIX wieku - wtedy to pan Bell opatentował fototelefon (1880r.) a Lord Tyndal odkrył i opisał tak zwany efekt światłowodowy w dielektrykach. Jak to się dzieje z większością wielkich odkryć – teoria znacznie wyprzedziła praktykę. Wielkie odkrycia XIX wieku musiały i w tym przypadku poczekać na kontynuację praktycznie przez 60 lat aż do roku 1957, kiedy został wynaleziony laser (Schawlow, Townes, 1958).

Kilka faktów historycznych c.d. Dlaczego wynalezienie laseru miało aż takie znaczenie? Otóż sam światłowód (pojedyncze włókno) jest elementem pasywnym, czyli nie emituje światła. Żeby możliwa była transmisja, potrzebny jest więc element nadawczo – odbiorczy, który z jednej strony wysyłać będzie zmodulowaną wiązkę światła, a z drugiej strony jakieś urządzenie odbiorcze zamieni ponownie „światło” na sygnał elektryczny.

Kabel światłowodowy - definicja Fiber optic cable jest to: nośnik umożliwiający przenoszenie sygnałów o wyższych częstotliwościach spektrum elektromagnetycznego: światła. kabel optotelekomunikacyjny stosowany do budowy lokalnych bądź rozległych połączeń światłowodowych, zbudowany z wielu (do kilkuset) włókien optycznych.

Podział światłowodów Światłowody możemy podzielić na kilka grup: ze względu na strukturę - światłowody włókniste i planarne; ze względu na charakterystykę modową - światłowody jednomodowe i wielomodowe; ze względu na rozkład współczynnika załamania w rdzeniu - światłowody skokowe i gradientowe; ze względu na materiał - światłowody szklane, plastikowe oraz półprzewodnikowe

Budowa światłowodu Światłowód zbudowany jest ze specjalnego rodzaju szkła kwarcowego. Główną jego częścią jest rdzeń, który okrywa płaszcz i warstwa ochronna. Czasami rdzeń składa się z wielu włókien. Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się cały czas w rdzeniu, ponieważ następuje całkowite wewnętrzne odbicie promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia do płaszcza.

Budowa światłowodu c.d. Rdzeń (core) znajduje się pośrodku kabla i jest medium propagacyjnym sygnału. Wykonany jest ze szkła kwarcowego lub plastiku (POF - Plastic Optic Fiber). Obecne rdzenie mają średnice rzędu 8 mikronów dla światłowodu jednomodowego do 1000 mikronów dla wielomodowych światłowodów plastikowych (POF).

Budowa światłowodu c.d. Płaszcz (Cladding) wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń. Różnica ta powoduje, że zachowuje się niczym “lustro" otaczające rdzeń, kierując promień do wnętrza rdzenia, formując falę optyczną.

Budowa światłowodu c.d. Powłoka lakierowa (zwana również buforem lub buffer coating) chroni warstwę płaszcza. Wykonany jest z materiałów termoplastycznych i specjalnego żelu chroniącego włókno przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. wskutek wibracji). Kabel światłowodowy pod wpływem różnych temperatur może zmieniać swoje właściwości mechaniczne i fizyczne (wydłużać się lub skracać).

Budowa światłowodu c.d. Jako ochronę włókna podczas instalacji i przed zgubnym wpływem środowiska używa się powłoki zwanej “strenght members" Wykonana ona jest z różnych materiałów, poczynając od stali a kończąc na Kevlarze (materiał opracowany przez firmę DuPont, wykonuje się z niego min kamizelki kuloodporne). W pojedynczym i podwójnym kablu zabezpieczenie to wykonuje się jako otulinę coating. W kablach, gdzie jest kilka bądź kilkanaście włókien strenght member stosuje się centralnie wewnątrz przewodu.

Budowa światłowodu c.d. Płaszcz (jacket) jest ostatnią warstwą ochronną kabla i służy do ochrony przed uszkodzeniami powstałymi w wyniku oddziaływania niekorzystnych warunków środowiska w jakim znajduje się światłowód. Inny rodzaj płaszcza zostanie użyty dla kabli przeznaczonych do układania wewnątrz budynków, inny na zewnątrz, pod ziemią czy napowietrznych.

Zasada działania światłowodu Promień światła wędrując w rdzeniu światłowodu (o współczynniku załamania n1), napotyka na środowisko o innym współczynniku załamania (n2) - płaszcz. Gdy promień pada od strony rdzenia na płaszcz pod kątem a, to pewna część światła zostaje odbita i wraca do rdzenia. W zależności od kąta padania i współczynników załamania materiałów rdzenia i płaszcza, zmienia się ilość odbitego światła. Powyżej pewnego kąta zachodzi zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego i światło padające zostaje odbite bez strat.

Rodzaje światłowodów Światłowody jednomodowe W światłowodach jednomodowych sygnał ulega niewielkim zniekształceniom, tzw. dyspersja chromatyczna, na którą składają się 2 zjawiska: dyspersja materiałowa i falowa dyspersja materiałowa - powodowana jest zmianą współczynnika załamania szkła kwarcowego w funkcji długości fali. Ponieważ nie istnieje źródło światła ściśle monochromatyczne, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących się z różną prędkością, docierający po przebyciu fragmentu włókna mod charakteryzuje się rozmyciem w czasie. dyspersja falowa - częściowo powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu. Szybkość rozchodzenia się zależy od właściwości materiałowych płaszcza.

Rodzaje światłowodów; światłowody jednomodowe c.d. Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym. Światłowody jednomodowe charakteryzują się małą średnicą rdzenia – zwykle od 8 do 10 mikronów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. Źródłem światła jest tu laser. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez wzmacniania na odległość do 100 km (dlatego też są lepsze od światłowodów wielomodowych), zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Główną ich wadą, hamującą ich powszechne stosowanie, jest wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych PRZEKRÓJ WŁÓKNA ŚWIATŁOWODU JEDNOMODOWEGO

Rodzaje światłowodów; światłowody jednomodowe c.d. Ponieważ instalacja oparta na światłowodach jednomodowych jest bardzo droga i cechuje się dużą szerokością udostępnianego pasma, dlatego stosuje się ją przy budowie wysokiej jakości infrastruktur informatycznych i w sieciach telekomunikacyjnych. Wadą światłowodów jednomodowych jest to, że w związku z bardzo małym rdzeniem, trudniej jest je zakończyć, wszelkie elementy wymagają większej dokładności, znacznie droższe są też obecne urządzenia (karty sieciowe, koncentratory itp.) współpracujące z takimi światłowodami. Generalnie wydajność systemu wzrasta ze wzrostem długości fali świetlnej, wzrastają także koszty.

Rodzaje światłowodów; światłowody wielomodowe Światłowody wielomodowe - (ang. Multi Mode Fiber, MMF) charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym następuje rozdzielenie fali wejściowej na wiele promieni o takiej samej długości fali lecz propagowanymi po innych drogach. W światłowodach wielomodowych występuje zjawisko zniekształcenia impulsu wyjściowego a co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji i odległości, na jaką może być transmitowana. Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe. PRZEKRÓJ WŁÓKNA ŚWIATŁOWODU WIELOMODOWEGO

Rodzaje światłowodów; światłowody wielomodowe; gradientowe Światłowód gradieniowy ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Wartość maksymalną przyjmuje na osi rdzenia zaś minimalną na granicy z płaszczem Światłowody gradientowe zapewniają – dla różnych modów (poruszających się po łukach) – tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż kabla. 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 liniową.

Rodzaje światłowodów; światłowody wielomodowe; skokowe Jak sama nazwa wskazuje w światłowodzie tym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Mody prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Jak wiadomo prędkość rozchodzenia światła jest stała (w szkle 200 000 km/s), dlatego czasy przejścia promieni przez światłowód są różne.

Zastosowanie światłowodów Łącza telefoniczne: w jednym z pierwszych zbudowanych systemów, światłowodowe kable połączyły budynki urzędów telefonicznych w Chicago, oddalone od siebie o l km i o 2,4 km, Usługi abonenckie, Sieci telekomunikacyjne w elektrowniach: Światłowody mogą być prowadzone przez tereny elektrowni lub podstacji energetycznych bez żadnego uszczerbku dla transmitowanych sygnałów, Linie telekomunikacyjne wzdłuż linii energetycznych,

Zastosowanie światłowodów c.d. Telekomunikacyjna sieć kolejowa, Łączność terenowa, Rozgłośnie telewizyjne: Niewielki ciężar kabla światłowodowego jest bardzo wygodny przy transmisjach „na żywo”, ponieważ umożliwia znaczną swobodę ruchu kamer i minikamer, Telewizja kablowa, Zdalna kontrola i ostrzeganie: Światłowody skutecznie konkurują z kablami koncentrycznymi również w zakresie transmisji sygnałów wizyjnych dla celów zdalnej kontroli i nadzoru. Duża odporność na zakłócenia elektromagnetyczne oraz mała podatność na zniszczenie wskutek wyładowań atmosferycznych są w tych zastosowaniach szczególnie istotne.

Zastosowanie światłowodów c.d. Pociski sterowane światłowodami, Komputery: Systemy światłowodowe są szczególnie predysponowane do transmisji danych w postaci cyfrowej, na przykład takich, jakie powstają w komputerach, Możliwe jest wykonywanie połączeń między centralnym procesorem a urządzeniami peryferyjnymi, między centralnym procesorem a pamięcią oraz między różnymi procesorami. Małe rozmiary i niewielki ciężar, dobre zabezpieczenie informacji wynikające z "zamknięcia" promieniowania wewnątrz włókna optycznego sprawiają, że światłowody są odpowiednim torem do transmisji danych, bez względu na odległość,

Zastosowanie światłowodów c.d. Wewnętrzne przekazywanie danych, Lokalne sieci komputerowe, Okablowanie samolotów i statków: Istotną zaletą w zastosowaniach na statkach i w samolotach jest zmniejszone ryzyko iskrzenia i pożaru.

Kabel transatlantycki „360 pacific” Projekt zrealizowany przez firmy Alcatel oraz 360networks. Dzięki połączeniu wiedzy obydwu firm w dziedzinie rozwijania i wdrażania technologii sieci światłowodowych, Alcatel i 360networks przyspieszyły rozbudowę infrastruktury sieci światłowodowej 360networks kładąc na dno oceanu podwójny kabel światłowodowy 6-wiązkowy, o łącznej przepustowości 4,8 Tb/s i długości 22 tys. kilometrów, który połączył Stany Zjednoczone, Kanadę i Japonię.

Kabel transatlantycki „360 pacific” c.d. Alcatel, w ramach kontraktu wartego około 1,1 miliarda USD, był odpowiedzialny za zaprojektowanie sieci, a także za dostawę i instalację sprzętu transmisyjnego oraz zabezpieczającego, łącznie z przewodami, wtórnikami i terminalami. Instalacja 360pacific rozpoczęła się pod koniec 2000 roku. 360pacific został połączony z 360asia, kablem podmorskim o długości 16 tys. kilometrów. Kabel został oddany do eksploatacji w pierwszym kwartale 2002 roku.

Kabel transatlantycki „360 pacific” c.d. Dzięki niemu możliwa stała się transmisja pomiędzy Japonią, Koreą Południową, Tajwanem, Filipinami, Hongkongiem, Singapurem i Chinami a północnoamerykańską naziemną siecią 360networks o długości 38,6 tys. km (24 000 mil). Koszt inwestycji wyniósł ok. 300 milionów USD.

Montaż kabla światłowodowego na dnie morskim

Układanie kabla 1. Kabel rozciągany, zawieszony za pomocą boi/pływaków 2. Położenie kabla 4. Zatopienie kabla 3. Połączenie dwóch końców

Układanie kabla c.d. Statek „montujący” kabel światłowodowy porusza się z prędkością ok. 1km/h. Boje podtrzymujące kabel rozmieszczone są w odległości 12 m .

Układanie kabla c.d. pług: hydrauliczną piłę do cięcia skał: Montaż kabla wymaga ogromnego nakładu pracy oraz wielu pomocnych przy tym maszyn, do których należy zaliczyć: pług: hydrauliczną piłę do cięcia skał:

Układanie kabla c.d. oraz morski traktor zdolny do zakopywania kabli:

Statki układające światłowody Jednym z najbardziej znanych statków tego typu jest statek kablowniczy C.S. Heimdal obsługiwany przez Alcatela. Statek C.S. Heimdal ma bazę w Japonii. Jest to jednostka w pełni zmobilizowana, o długości 130 m, z kompletną załogą liczącą 50 osób i wyposażona w zdalnie obsługiwane pojazdy. Dzięki niej Alcatel może reagować na potencjalne awarie kabla swoich klientów w ciągu 12 godzin.

Statki układające światłowody c.d. Alcatel jest obecnie światowym liderem rynku kabli podmorskich. Położył ponad 450 000 km podmorskich sieci, czyli odpowiednik jedenastokrotnego obwodu kuli ziemskiej. Sieci te ciągną się od Europy do Japonii, wzdłuż obu Ameryk i przez Ocean Spokojny.

Naprawa kabli Statek C.S. Heimdal miał również okazję brać udział w wielu operacjach naprawy kabli. Jednym z nich było uszkodzenie kabla łączącego Japonię i USA. Usuwano uszkodzenie kabla leżącego pod wodą na głębokości niemal 9400 metrów - bijąc tym samym światowy rekord napraw kabli podmorskich. Ze względu na głębokości wód wahające się od 5300 m do rekordowej liczby 9400 m, Alcatel opracował specjalistyczny chwytak, który pozwolił na podniesienie kabla z dna morskiego bez zagrożenia, że rozerwie się od pod własnym ciężarem.

Przebieg naprawy kabla 2. Przecięcie kabla/wciągnięcie na statek 1. Znalezienie defektu 3. Przyczepienie boi/znalezienie drugiego końca kabla 4. Naprawa/wymiana końcówki 5. Połączenie/zatopienie

Podsumowanie Technologia światłowodowa okazała się jednym najważniejszych wynalazków XX wieku. Znalazła już zastosowanie w wielu dziedzinach życia, a ciągle pojawiają się nowe. Jednym najnowszych zastosowań światłowodów jest tworzenie oparciu mnie systemów oświetleniowych. Taki sposób oświetlenia ma liczne zalety stosunku do tradycyjnych metod oświetleniowych. Wśród najważniejszych należy wymienić:

Podsumowanie c.d. Szeroką gamę zastosowań - światłowody mogą być użyte do oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. Są odporne na wpływ warunków atmosferycznych Oświetlenie wewnętrzne Oświetlenie zewnętrzne

Podsumowanie c.d. Bezpieczeństwo stosowania - energia elektryczna dostarczana jest tylko do iluminatorów. W samym kablu światłowodowym nie płynie prąd, dzięki czemu światłowody można używać nawet do oświetlenia podwodnego. Zastosowanie światłowodu w basenie

Podsumowanie c.d. Oraz: Trwałość - raz zainstalowane światłowody nie tracą swoich własności. Odpowiednia powłoka chroni je przed glonami i grzybami, Łatwość i niskie koszty obsługi - sam światłowód jest praktycznie bezobsługowy - może być więc układany w miejscach trudno dostępnych. Sporadycznej obsługi wymaga jedynie iluminator, w celu wymiany żarówki. Powinien być umieszczony w miejscu o łatwym dostępie, Uniwersalność - ten sam kabel światłowodowy można używać wielokrotnie w różnych projektach, za każdym razem nadając mu inny kształt i/lub zmieniając kolorowe filtry na iluminatorze

Podsumowanie c.d. Podczas świecenia światłowód nie wydziela ciepła, nie występuje też promieniowanie UV, Dowolna zmiana koloru światła - dzięki zastosowaniu odpowiednich filtrów barwnych możliwe jest uzyskanie dowolnego koloru świecenia, Łatwość nadawania kształtu - światłowód jest elastyczny i posiada niewielki promień gięcia. Można go formować w praktycznie dowolny sposób, Elastyczność w doborze komponentów - istnieje ogromna różnorodność światłowodów, iluminatorów oraz akcesoriów dodatkowych, które mogą być zestawiane w niezliczonej liczbie konfiguracji. Wiele kabli światłowodowych może być podświetlanych przez jeden iluminator.

KONIEC