Światłowód to przezroczysta zamknięta struktura z włókna szklanego lub tworzywa sztucznego wykorzystywana do propagacji promieniowania świetlnego jako nośnika informacji. Wykazuje wiele zalet w stosunku do przewodów miedzianych. Przede wszystkim umożliwia transmisję większej liczby danych z większą szybkością i na większe odległości. Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Cechuje je duża odporność na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne i mała tłumienność jednostkowa.

Aby przekazać informację z pomocą włókna szklanego lub z tworzywa sztucznego (światłowodu) sygnał elektryczny, pochodzący ze standardowego interfejsu szeregowego, musi być przetworzony na sygnał optyczny przez konwerter (przetwornik elektryczno-optyczny). Włókna optyczne nie przewodzą prądu elektrycznego, więc nie wpływają na nie: szumy elektryczne, wyładowania atmosferyczne, interferencja elektromagnetyczna i radiowa. Zapewniają izolację galwaniczną na obu końcach łącza. Zajmują mniej miejsca niż przewody miedziane, okazują się niewrażliwe na wibracje i nie ulegają korozji. Są łatwiejsze w instalacji i wystarczająco elastyczne, aby przy rozwijaniu i wyginaniu nie pękać i nie tracić wydajności. Stosowanie światłowodów jest ograniczone natomiast wszędzie tam, gdzie wymagane jest zasilanie prądem elektrycznym.

Do transmisji danych wykorzystywana jest modulowana fala świetlna. Fale świetlne, jak każde inne fale elektromagnetyczne, charakteryzują dwa podstawowe parametry: częstotliwość i długość. W technice przekazu radiowego i telewizyjnego wyróżnia się określone częstotliwości fal, natomiast w przekazie optycznym nośnikiem informacji jest promieniowanie elektromagnetyczne o określonej długości fali. Światło widzialne mieszczące się w zakresie długości fali od 420 nm (fiolet) do 720 nm (czerwień) nie jest używane do transmisji danych, m.in. z powodu łatwej interferencji z promieniowaniem słonecznym. W technice światłowodowej wykorzystywane jest niewidzialne promieniowanie świetlne. Jego zakres odpowiada szerokości pasma podczerwieni.

Zasada transmisji promieniowania świetlnego światłowodem polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania światła do wykonania rdzenia i płaszcza światłowodu. Płaszcz jest zewnętrznie zabezpieczony izolacją ochronną. Współczynnik załamania światła materiału rdzenia jest nieco wyższy niż współczynnik załamania światła materiału płaszcza. Promień świetlny przemieszcza się w rdzeniu światłowodu dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu (TIR) od granicy przejścia z rdzenia do płaszcza (rys. 1.). Promień światła biegnący prostoliniowo przy przejściu z rdzenia do płaszcza częściowo załamuje się na powierzchni granicznej i częściowo się od niej odbija. Przy zwiększaniu kąta padania strumienia świetlnego względem kierunku prostopadłego do powierzchni granicznej osiąga się taką wartość tego kąta, przy której udział wiązki przechodzącej do płaszcza zmniejsza się do zera. Dzięki tej właściwości w rdzeniu włókna przemieszcza się całkowicie odbity strumień światła.

Rys. 1. Zasada działania światłowodu, n₁, n₂ – współczynniki załamania światła

We włóknie optycznym zachodzą niekorzystne zjawiska wpływające na jakość transmisji sygnału świetlnego, zwłaszcza tłumienie i dyspersja. Intensywność tych zjawisk zależy przede wszystkim od długości fali transmitowanego sygnału. Aby je ograniczyć, wykorzystuje się wybrane długości fal nazywane oknami transmisyjnymi. Należy do nich promieniowanie świetlne, głównie z zakresu fal podczerwieni znajdujące się w czterech kolejnych oknach bezpośrednio poniżej długości fal światła widzialnego:

• I okno……………………………….. 850 nm

• II okno (pasmo 0) ………………… 1310 nm

• III okno (pasmo C) ………………… 1550 nm

• IV okno (pasmo L) ………………… 1625 nm

W współczesnych systemach optycznych stosuje się szerszy zakres długości fal w granicach od 800 nm do 1600 nm. Światła widzialnego o długości fali 670 nm używa się do lokalizacji błędów i uszkodzeń w światłowodach. Abonencki dostęp do sieci przy małych odległościach jest realizowany za pośrednictwem promieniowania 780 nm. Okno 1350 nm (pasmo 0) to punkt o zerowym rozproszeniu w przypadku światłowodów jednomodowych, ale o wysokim tłumieniu. Wykorzystywane jest do zastosowań o średnim zasięgu (do 10 km). Okno 1550 nm (pasmo C) obejmuje zakres od 1525 nm do 1565 nm, wykorzystywane jest praktycznie do wszystkich zastosowań o długim zasięgu. Okno IV – pokrywa zakres 1570 nm do 1610 nm (pasmo L), stosuje się je do badania włókien optycznych w trakcie ich eksploatacji. Przy użyciu technologii WDM (Wavelength Divizion Multiplexing) włókna optyczne jednomodowe i wielomodowe mogą jednocześnie bez interferencji transmitować sygnały o różnych długościach fali. Zjawisko dyspersji modowej nie występuje w światłowodach jednomodowych, w których prowadzony jest tylko jeden mod. W celu uzyskania dużych prędkości transmisji na duże odległości stosuje się tylko światłowody jednomodowe.

Światło w rdzeniu włókna szklanego rozchodzi się na różne sposoby nazywane „modami”. Modem światłowodowym jest promień światła przesyłany (propagowany) wzdłuż światłowodu, w którym zjawiska ogniskowania i dyfrakcji znoszą się wzajemnie. Rodzaje modów rozróżnia się w zależności od kąta wprowadzenia światła do światłowodu. Mody mogą być poosiowe – promieniowanie świetlne wprowadzane po osi włókna, mody wyższego rzędu – promienie świetlne wprowadzane do światłowodu pod dużym kątem i często odbijane, mody niższego rzędu – promienie wprowadzane pod małym kątem i rzadko odbijane. Im rdzeń włókna ma mniejszą średnicę, tym mniej jest możliwych modów. Poniżej określonej średnicy włókno staje się jednomodowe, co oznacza, że możliwy jest tylko jeden sposób rozchodzenia się promieniowania wewnątrz rdzenia (transmisji). Bardzo dobre właściwości częstotliwościowe takiego światłowodu pozwalają na gęste spakowanie informacji.

W konsekwencji włókna światłowodowe dzieli się na jednomodowe o średnicy rdzenia od 8 µm do 10 µm (typowo 9 µm) i wielomodowe o średnicy rdzenia większej niż 10 µm. Światłowody jednomodowe charakteryzuje skokowa zmiana współczynnika załamania światła. Światłowód będzie jednomodowy, tzn., że będzie prowadzić tylko jeden mod, jeżeli jego częstotliwość znormalizowana V okaże się mniejsza niż 2,405. Fala świetlna rozchodzi się wtedy prawie równolegle do osi światłowodu i dochodzi do jego końca w jednym modzie, podstawowym. Światłowody jednomodowe są wykorzystywane do komunikacji dalekosiężnej. Sygnał może być przenoszony bez regeneracji na odległość do 100 km.

Włókna wielomodowe mają najczęściej średnice 50 µm i 62,5 µm. Światłowody wielomodowe można podzielić na dwa rodzaje: o współczynniku załamania światła skokowym i gradientowym. Najczęściej spotykane są światłowody gradientowe, tzn. o płynnej zmianie współczynnika załamania światła (rys. 2).

Rys. 2. Różne rodzaje światłowodów: a) światłowód jednomodowy – transmitowany jest tylko jeden mod, b) światłowód wielomodowy, występują różne kąty odbicia promienia świetlnego, c) światłowód wielomodowy gradientowy

W światłowodzie gradientowym wielomodowym ze względu na płynną zmianę współczynnika załamania światła propagacja światła w rdzeniu okazuje się zbliżona do sinusoidalnej. Rdzeń światłowodu wielomodowego jest stosunkowo gruby, a jego średnica wielokrotnie większa niż długoś

fali przenoszonego światła. Promień światła może zatem zawierać wiele składowych (wiele modów), które mogą być propagowane (przenoszone) jednocześnie. Linia transmisji wielodomowej składa się ze źródła światła, np. diody lub lasera, światłowodu ze złączami rozłącznymi lub spawanymi i fotodetektora na przeciwległym końcu światłowodu przetwarzającego sygnał optyczny na elektryczny.

Oprócz podziału światłowodów ze względu na ich strukturę modową są one klasyfikowane w zależności od ich geometrii, współczynnika załamania światła oraz rodzaju stosowanego materiału.

Ze względu na znaczną różnorodność światłowodów powstała konieczność ich znakowania w zależności od ich rodzaju i kategorii transmisyjnej.

Organizacją zajmującą się m.in. standaryzacją kabli i urządzeń związanych z techniką światłowodową jest IEC (Internacional Electrotechnical Commision), która przyjęła następujące kategorie światłowodów wielodomowych i jednomodowych:

• kategoria OM (Optical Multimode) dotycząca światłowodów wielomodowych,

• kategoria OS (Optical Singlemode) obejmująca światłowody jednomodowe.

Kategorie OM włókien wielodomowych określone w normach IEC są powszechnie stosowane (tabela 1), natomiast kategorie włókien jednomodowych OS bywają dość rzadko spotykane. Przyjęte oznakowanie kabli jednomodowych wykorzystywanych głównie w telekomunikacji wynika z rekomendacji ITU (International Telekommunikation Union). Do opisu standardów światłowodów jednomodowych przyjęto tzw. grupę G w zakresie od G.650 do G.659. Do każdego rodzaju włókien odnosi się inna rekomendacja, więc nazwy rodzajów włókien wynikają bezpośrednio z numeru rekomendacji (tabela 2). Postanowienia rekomendacji opierają się na wymaganiach norm IEC, ale są od nich o wiele bardziej restrykcyjne.

Tabela 1. Kategorie światłowodów wielomodowych (IEC)

Tabela 2. Rekomendacje ITU

Najprostszy światłowód planarny składa się z trzech warstw. Warstwa środkowa ma większy współczynnik załamania światła niż warstwy zewnętrzne. Impulsy świetlne są „uwięzione” w warstwie wewnętrznej w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia, pod warunkiem że kierunki rozchodzenia się promieni tworzą z normalną kąty większe od kąta granicznego.

Światłowód paskowy powstaje, gdy propagacja wiązki promieni w warstwie jest ograniczona do dwóch kierunków. Światłowody paskowe wykorzystuje się w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach półprzewodnikowych, tworząc bardziej rozbudowane struktury.

Światłowód cylindryczny to zwykle falowód dielektryczny o przekroju kołowym otoczony przez płaszcz z innego materiału dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania światła lub z tworzywa sztucznego. Światłowody z tworzywa sztucznego są zwykle stosowane na krótkich odcinkach transmisji – do 100 m.

W zależności od zastosowanego materiału wyróżnia się dwa podstawowe typy włókien optycznych – szklane i plastikowe.

W światłowodach z włókna szklanego płaszcz i rdzeń zbudowane są z przezroczystego materiału nieorganicznego (SiO₂). Włókno szklane tworzą zazwyczaj włókna o średnicach od kilku do 100 µm, które do pracy w wyższych temperaturach umieszcza się w rurce ze stali nierdzewnej. Umożliwia to ich użycie w temperaturze do 350^oC. Spośród wielu rodzajów światłowodów przeznaczonych do różnych zastosowań najbardziej znane są światłowody szklane włókniste o symetrii współosiowej. Światłowody szklane są właściwe do przesyłania sygnałów na duże odległości z wielkimi prędkościami.

W światłowodach plastikowych rdzeń włókna zbudowany jest z przezroczystego tworzywa organicznego. Charakteryzują je trzy podstawowe wymiary: średnica rdzenia, średnica płaszcza oraz średnica pokrycia zewnętrznego. Do światłowodów plastikowych zalicza się również światłowody, w których rdzeń jest szklany, płaszcz zaś z tworzywa sztucznego.

Plastikowe włókno optyczne składa się z jednego włokna lub większej liczby włókien z żywicy akrylowej o średnicy od 0,25 mm do 1 mm umieszczonych w osłonie z polietylenu.

Światłowody z plastiku w porównaniu ze światłowodami szklanymi mają wiele zalet: łatwość układania, łatwość wykonywania połączeń, możliwość stosowania diod LED jako źródeł światła. Cechuje je znaczna tolerancja na niedokładności połączeń. Mają one również wady – m.in. dużą tłumienność, wąski zakres temperatur pracy. Światłowody plastikowe stosuje się w sprzęcie RTV, w urządzeniach przemysłowych i medycznych, czyli tam, gdzie odległość między nadajnikiem a odbiornikiem optycznym jest niewielka i gdzie nie są wymagane duże prędkości transmisji. Najczęściej znajdują zastosowanie w automatyce przemysłowej, motoryzacji, sprzęcie AGD w zabawkach i w rozwiązaniach typu Fiber to the Deskop.

Podstawowym parametrem światłowodu jest jego tłumienie. Poziom tłumienia światłowodu zależy od zanieczyszczeń włókien szklanych jonami metali – żelaza, miedzi, chromu, niklu. Największy jednak wpływ na tłumienność światłowodu ma zanieczyszczenie jonami OH-. Zmniejszenie ilości jonów OH- w szkle umożliwia zredukowanie tłumienności światłowodów z 1000 dB/km do kilkudziesięciu. Światłowód tego rodzaju, czyli włókno optyczne, złożone jest z centralnie umieszczonego rdzenia o stałej lub zmiennej charakterystyce załamania światła (współczynnika załamania światła n₁) i z powłoki o niskim współczynniku załamania światła n₂ oraz wzmocnienia mechanicznego zwanego buforem (pokrycia zewnętrznego). Współczynnik załamania światła określa wartość zmniejszenia prędkości transmisji światła w danym ośrodku w stosunku do prędkości transmisji w próżni:

n = c/v

gdzie:

c = 3 × 10⁸ jest prędkością światła w próżni, a

v – to prędkość światła w danym ośrodku.

W myśl ogólnych praw optyki promień światła na granicy dwóch przezroczystych ośrodków, mających różne współczynniki załamania światła, może być odbity lub załamany (rys. 3). Załamanie promienia świetlnego następuje powyżej tzw. krytycznego kąta załamania Θ_{kr .} Kąt krytyczny dwóch ośrodków o znanych współczynnikach można określić z zależności wynikającej z prawa Snelliusa.

Θ_kr < arccos n_1/n₂

gdzie n₁ >n₂ – współczynniki załamania światła ośrodków (rdzenia i płaszcza), w których transmitowany jest promień światła. Przy kącie padania promienia światła przekraczającym kąt krytyczny Θ_kr promień jest załamany, co w praktyce oznacza wchłonięcie go przez ośrodek o mniejszym współczynniku załamania. W przypadku światłowodów jest to materiał płaszcza.

Rys. 3. Zjawiska odbicia i załamania światła

Granica na styku rdzenia i płaszcza działa jak lustro, nie dopuszczając do wydostania się światła poza rdzeń. Jest to zjawisko całkowitego odbicia wewnątrz rdzenia. Praktycznie istnieje pewna część strumienia światła, która się nie odbija od „lustra”, lecz ulega załamaniu i tworzy pasożytniczą transmisję wewnątrz płaszcza światłowodu. Wyższa wartość współczynnika załamania światła rdzenia od współczynnika załamania światła płaszcza powoduje, że prowadzony w światłowodzie strumień światła ma tendencję do utrzymywania się w pobliżu rdzenia. Prędkość strumienia światła w płaszczu jest większa niż w rdzeniu, co powoduje zaginanie się powierzchni fazy stałej w kierunku rdzenia i przepływ do niego energii. Zjawisko to nazywa się ogniskowaniem. Wiązka promieni świetlnych prowadzona w rdzeniu ulega tzw. dyfrakcji, czyli rozproszeniu. Oba te zjawiska – ogniskowanie i dyfrakcja mają kierunek przeciwny i wzajemnie się znoszą. Strumień świetlny przechodzi przez rdzeń światłowodu o wysokim współczynniku załamania światła i odbija się od powłoki o niskim współczynniku załamania światła. Jest to zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego rdzenia. W światłowodzie szklanym medium transmisyjne stanowi rdzeń o przekroju kołowym wykonany ze szkła krzemionkowego. Powłoka otaczająca rdzeń wykonana jest ze szkła kwarcowego. Kwarc ma znaczną wytrzymałość na rozciąganie, lecz jest kruchy i łatwo się łamie. Poszczególne włókna są chronione warstwą lakieru, który nie dopuszcza do powstawania mikropęknięć na powierzchni światłowodu w czasie produkcji i ewentualnie w trakcie eksploatacji.

W światłowodzie na drodze przesyłu sygnału optycznego powstaje zjawisko zaniku mocy, jego przyczyną jest tłumienie. Wyraża się ono zależnością:

A = 10log (P/P₀) [dB]

gdzie:

P – moc na wejściu światłowodu,

P₀ – moc na wyjściu światłowodu.

Straty określone w ten sposób mają wartość ujemną przy zaniku mocy (P<p_{0) i wartość dodatnią, gdy w światłowodzie następuje wzmocnienie sygnału, np. w wyniku zastosowania wzmacniaczy optycznych.}

Tłumienie łącza światłowodowego, wyrażone w decybelach, stanowi sumę tłumień poszczególnych odcinków światłowodu. W światłowodach jednorodnych w kierunku transmisji tłumienie jest proporcjonalne do jego długości. W łączach rzeczywistych sygnał wyjściowy ma w wyniku tłumienia wartość jednej setnej lub jednej dziesięciotysięcznej wartości sygnału wejściowego. Straty sygnału mogą być kompensowane przez wzmacniacze światłowodowe lub zniwelowane czułością układów odbiorczych.

Tłumienie mocy sygnału optycznego w światłowodzie wynika z dwóch przyczyn: materiałowych i falowodowych. Straty materiałowe, wynikające z braku idealnej przezroczystości szkła kwarcowego, są na ogół nieuniknione. Szkło kwarcowe wykazuje pewną naturalną tłumienność, która zależy od długości fali świetlnej transmitowanej przez światłowód. Właśnie z tą zależnością jest związany podział na trzy zakresy (okna) transmisyjne. Tłumienność szkła kwarcowego w I paśmie transmisyjnym wynosi około 1,53 dB/km, w drugim paśmie transmisyjnym 0,28 dB/km i w trzecim paśmie transmisyjnym 0,13 dB/km.

Przyczyną strat falowodowych są głównie braki jakościowe przy produkcji włókien światłowodowych. To m.in. niedokładność wymiarów rdzenia światłowodów oraz zmiany współczynnika załamania światła na granicy rdzenia i płaszcza.

Straty w światłowodzie wywoływane są również przez mikrozgięcia i makrozgięcia. Mikrozgięcia powstają w procesie produkcji włókien. To odkształcenia kształtu rdzenia i płaszcza występujące wzdłuż włókna losowo lub okresowo. W światłowodzie wielodomowym wywołują one mieszanie się modów i ich konwersję w mody wyciekające do płaszcza. W światłowodzie jednomodowym są one przyczyną rozmycia modu. Makrozgięcia powstają przy fizycznym oddziaływaniu na kabel, np. przy jego transporcie czy układaniu. Przy zakrzywieniach włókna światłowodowego większych od kilku centymetrów tłumienie jest pomijalne. Przy promieniach zgięcia mniejszych od kilku centymetrów występuje zmiana współczynnika załamania światła w obszarze zgięcia, co prowadzi do tworzenia się modów wyciekających i uwidacznia się świeceniem włókna na powierzchni.

Obok tłumienia drugim bardzo ważnym parametrem światłowodu jest jego apertura numeryczna. Warunkiem wprowadzenia strumienia świetlnego do światłowodu i jego transmisji w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy rdzenia i płaszcza jest utrzymanie kąta jego padania w powietrzu w stosunku do osi światłowodu poniżej pewnej wartości maksymalnej. Kąt ten nazywa się kątem akceptacji lub rozwartości światłowodu Θ (rys. 4). Sinus tego kąta nosi nazwę apertury numerycznej NA.

NA = sinΘ

Pojęcia „apertury numerycznej” i „kąta akceptacji” służą do ustalenia możliwości wprowadzenia do światłowodu wielomodowego światła z diody LED lub z lasera. Im kąt akceptacji i apertura światłowodu są większe, tym większą część światła ze źródła można wprowadzić do światłowodu. Obecnie używane światłowody mają aperturę numeryczną w granicach od 0,10 do 0,5.

Rys. 4. Kąt akceptacji i apertura numeryczna

Dyspersja jest zjawiskiem ograniczającym zasięg transmisji światłowodu. Dyspersją nazywa się deformację impulsów świetlnych w czasie transmisji światłowodem polegającą na ich poszerzeniu. Dyspersja powoduje, że poszczególne promienie światła mają różny czas przebiegu przez światłowód. Impuls świetlny ulega poszerzeni (rozmyciu), co ogranicza maksymalną częstotliwość powtarzania impulsów, czyli szerokość pasma przenoszenia. Jest to zwłaszcza istotne w światłowodach wielomodowych. Szerokość pasma ogranicza to, że różne mody mają odmienne czasy przebiegu. Dyspersja zwiększa się wraz z przyrostem odległości od źródła światła. Całkowita dyspersja światłowodu składa się z dyspersji chromatycznej, czyli materiałowej, dyspersji modowej i dyspersji falowodowej. Największy wpływ na wartość ogólną ma dyspersja materiałowa. Przez domieszkowanie krzemu w procesie produkcji włókna pierwiastkami rzadkimi można wpłynąć na zmianę współczynnika załamania światła włókna światłowodowego. W ten sposób da się uzyskać dwa różne rodzaje dyspersji, tzw. normalną i anormalną. Przy dyspersji normalnej fale o większej długości przemieszczają się szybciej niż fale krótsze. Przy dyspersji anormalnej występuje zjawisko odwrotne. Typowe światłowody wykazują dyspersję zerową przy fali 1310 nm oraz dyspersję normalną przy falach krótszych i anormalną przy falach dłuższych.

Dyspersja modowa występuje tylko wtedy, gdy transmitowanych jest więcej niż jeden mod. Ten typ dyspersji będzie spowodowany różną prędkością pojedynczych modów światła transmitowanego jednocześnie wzdłuż światłowodu. Efektem dyspersji modowej jest zniekształcenie informacji przesyłanych światłowodem wielomodowym. Zniekształcenie to rośnie wraz z odległością transmisji, jednocześnie pasmo transmisyjne (przenoszenia) łącza się zmniejsza.

Pasmo przenoszenia jest wielkością określającą właściwości transmisyjne światłowodów. Typowe wartości w światłowodach wielomodowych o średnicy rdzenia 62,5 µm wynoszą około 200 MHz/km i w rdzeniach o średnicy 50 µm około 500 MHz/km.

Światłowody produkowane są na bazie norm europejskich ułatwiających tworzenie systemów przesyłu sygnałów. Zakłada się, że sygnał w pojedynczym włóknie światłowodowym przesyłany jest tylko w jedną stronę od nadajnika do odbiornika. Możliwe są również rozwiązania umożliwiające komunikację dwustronną.

Typowy kabel światłowodowy wykonany jest z włókien optycznych pokrytych warstwą emalii ochronnej, tzw. pokryciem pierwotnym. Niekiedy zamiast emalii spotyka się warstwę tworzywa. Zadaniem tego pokrycia jest zwiększenie odporności mechanicznej włókna w czasie transportu i czynności instalacyjnych. Średnica włókna w emalii zwykle wynosi 125 µm, pokrycie wewnętrzne 250 µm i pokrycie zewnętrzne 400 µm. Włókna światłowodowe umieszczane są w tubach, czyli w rurach nazywanych buforami (rys. 5). Wolna przestrzeń pozostała w tubach po umieszczeniu w nich włókien światłowodów jest wypełniana żelem lub innym materiałem zabezpieczającym włókna przed wilgocią i działaniami mechanicznymi. Nazywa się to pokryciem wtórnym włókna. Kable światłowodowe wyposażane są w elementy wzmacniające. Mogą to być włókna kewlarowe o dużej wytrzymałości mechanicznej, zewnętrzny oplot z włókna szklanego, drutów lub taśm stalowych albo w postaci wewnętrznego lub zewnętrznego kordu. Jako powłokę zewnętrzną kabla najczęściej stosuje się polietylen.

a)

b)

Rys. 5. Kable światłowodowe, a) w luźnej tubie, b) w ścisłej tubie

W okablowaniu strukturalnym wykorzystuje się kable światłowodowe w tzw. luźnej tubie lub w ścisłej tubie. Luźna tuba ma postać sztywnej rury z tworzywa sztucznego, w której umieszczonych jest zazwyczaj od 4 do 12 włókien w pokryciu pierwotnym, mogących się w niej swobodnie poruszać. Ścisła tuba ściśle otacza włókna światłowodowe.

Kable w luźnej tubie, tzw. kable zewnętrzne, są zazwyczaj wypełnione żelem, który zapewnia ochronę przed wilgocią, działaniem podwyższonych temperatur i przed naprężeniami. Długości włókien światłowodowych dobiera się tak, aby zmiany długości poszczególnych elementów kabla pod wpływem wahań temperatury nie powodowały naprężeń wzdłuż włókien. W niektórych konstrukcjach kabli światłowodowych luźne tuby wypełniane są proszkiem, który pod wpływem wilgoci zamienia się w żel i uszczelnia tubę.

Kable światłowodowe w ścisłej tubie, tzw. kable wewnętrzne, są najczęściej przeznaczone do instalacji wewnątrz budynków. Ich konstrukcja i materiały zapewniają włóknom optycznym bardzo dobrą ochronę. Przy większej liczbie włókien stają się one sztywne . Ich zaletą jest łatwość mechanicznego wykonywania złącz włókien światłowodowych. Właściwość ta wynika z tego, że włókno w ścisłej tubie ma grubość 900 µm. Jest łatwiejsze do uchwycenia w czasie montażu i nie wymaga stosowania elementu dystansującego w przeciwieństwie do włókien światłowodu w luźnej tubie, który ma średnicę 250 µm. Materiały stosowane na płaszcz zewnętrzny światłowodów w ścisłej tubie muszą być samo gasnące, nieprzenoszące płomienia i niewydzielające pod wpływem płomieni halogenków. Kable w ścisłej tubie są również używane do wyrobu kabli krosowych w wersjach pojedynczych (Simple) i podwójnej (dupleks) i kabli typu pigtail. Kable krosowe są z obu stron zakończone złączami, kable typu pigtail mają zaś budowę taką samą jak kable krosowe, lecz są zakończone złączem tylko z jednej strony. Druga strona wymaga zakończenia stałego lub zaopatrzenia w odpowiednie złącze rozłączne.

Połączenia zewnętrzne, czyli telekomunikacyjne trakty światłowodowe, wykonuje się kablami w luźnej tubie układanymi w kanalizacji lub bezpośrednio w ziemi. W warunkach zwiększonej agresywności chemicznej czynników zewnętrznych oraz zagrożeń uszkodzeń mechanicznych stosowane są kable opancerzone, ocynkowane, owinięte drutem stalowym lub taśmą stalową. Inną grupą kabli w wykonaniu specjalnym są kable napowietrzne samonośne lub przeznaczone do podwieszania. Oprócz wymienionych kabli światłowodowych wewnętrznych i zewnętrznych istnieją też kable uniwersalne. Kable tego rodzaju mają konstrukcję luźnej tuby i zostały wyposażone w powłoki zewnętrzne zabezpieczające przed uszkodzeniami mechanicznymi i zagrożeniami pożarowymi. Kable te sprawdzą sięszczególnie w miejscach, w których kabel zewnętrzny łączy się z kablem wewnętrznym.

W ostatnim czasie firma Technokabel wprowadziła na rynek kable światłowodowe wielodomowe ognioodporne typu FOC-2-SLT-HFFR PH120/E30-E60 w płaszczu koloru pomarańczowego certyfikowane przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej. Kable te zapewniają transmisję sygnałów przez 120 minut w temperaturze przekraczającej 800^oC i są odporne na oddziaływanie wody. Są one przeznaczone do instalacji na stałe zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz pomieszczeń w instalacjach czynnych w czasie akcji gaśniczej i ewakuacji [8].

W związku z dużą różnorodnością rodzajów, budowy i pochodzenia kabli światłowodowych konieczne jest używanie odpowiedniego ich znakowania nazywanego „nomenklaturą kabli”. Stosowane są trzy systemy oznakowania kabli światłowodowych. W Polsce i w Europie najczęściej używany jest system europejski. W Polsce obok systemu europejskiego często stosuje się system polski. Kable importowane często bywają oznaczane systemem azjatyckim powszechnie stosowanym w Chinach i w Indiach. Oznaczenia kabli światłowodowych nanoszone są na poszycie zewnętrzne, a ich prawidłowe rozpoznawanie i dekodowanie ma kluczowe znaczenie dla jakości sporządzanej dokumentacji technicznej i wydajności robót instalatorskich. Oznaczenia nomenklaturowe kabli światłowodowych dostarczają informacji dotyczących:

• typu konstrukcji kabla,

• rodzaju materiałów poszyć zewnętrznych,

• rodzaju uszczelnienia,

• rodzaju i ilości włókien wewnątrz kabla,

• parametrów wytrzymałościowych kabla.

Oznaczenia nanoszone są w odstępach od 0,8 m do 1,5 m. Ponadto na zewnętrznym poszyciu kabla światłowodowego mogą znajdować się dodatkowe informacje:

• nazw producenta,

• długość od początku odcinka (w metrach),

• dodatkowe symbole związane z przeznaczeniem kabla.

Istotnym problemem w znakowaniu kabli światłowodowych jest odmienność znakowania producenta od znakowania przyjętego przez dany system nomenklaturowy. Może to wprowadzić w błąd – zmylić projektanta, wykonawcę czy inwestora. Jak można sobie z tym poradzić? Należy zawsze zwracać uwagę na szyk kodowania, pamiętając, że niekiedy może brakować niektórych symboli związanych z budową kabla. W tabeli 3 przedstawiony jest szyk symboli przyjęty w nomenklaturze europejskiej. W tabeli 4 – symbole systemu znakowania kabli światłowodowych zgodnie z nomenklaturą europejską.

Tabela 3. Szyk symboli w oznakowaniu kabli światłowodowych zgodnie z nomenklaturą europejską

Tabela 4. Symbole systemu znakowania kabli światłowodowych zgodnie z nomenklaturą europejską. [5]

Rodzaj (typ) światłowodu może być zidentyfikowany na podstawie standardowych oznaczeń kolorami warstwy ochronnej kabla (tabela 5.)

Tabela. 5. Oznakowanie kolorami warstwy ochronnej kabli i patchcordów [6]

Charakterystyka widmowa użytego źródła światła w znacznym stopniu determinuje właściwości łącza światłowodowego. Przepływność bitowa łącza zależy głównie od szerokości zakresu widma promieniowania źródła światła – im jest on węższy, tym szerszy może być zakres transmitowanych częstotliwości i przepływność bitowa łącz będzie większa.

Do transmisji stosuje się jedno z dwóch typowych źródeł światła – diody elektroluminescencyjne LED oraz bardziej zaawansowane technologicznie diody laserowe. Proste w konstrukcji i bardzo rozpowszechnione diody LED wykorzystuje się do transmisji na krótkich odcinkach światłowodu i przy niewielkich szybkościach, przeważnie w sieciach LAN. W diodach LED wykorzystuje się zjawisko emisji spontanicznej. Moc emitowanego światła wzrasta wraz ze wzrostem prądu zasilania. W praktyce diody te wykazują znaczną nieliniowość spowodowaną wzrostem temperatury łącza związaną ze wzrostem natężenia prądu zasilającego. Cechy charakterystyczne diod LED to znaczna niezawodność, odporność na przeciążenia oraz wąskie pasmo modulacji. Diody te są wytwarzane na podłożu z arsenku galu do transmisji w pierwszym oknie oraz z fosforku indu do transmisji w drugim oknie. Sprawdzą się więc w generowaniu sygnałów optycznych do światłowodów wielomodowych.

W transmisjach szerokopasmowych większe znaczenie mają diody laserowe. W diodach tych wykorzystywane jest zjawisko emisji wymuszonej. Są one przydatne zwłaszcza w transmisjach na duże odległości za pomocą włókien jednomodowych.

Do odbioru sygnałów świetlnych stosuje się tzw. fotodetektory. Należą do nich m.in. fotodioda i fotodioda lawinowa. Ze względu na rodzaj materiału detekcyjnego fotodetektory dzieli się na krzemowe, germanowe oraz oparte na arsenkach. Fotodetektory krzemowe są najlepsze do światła widzialnego do 1000 nm, germanowe umożliwiają zadawalający odbiór w trzech oknach optycznych od 750 do 1600 nm. Fotodetektory wytwarzane na bazie arsenków okażą się odpowiednie do odbioru sygnałów o długości fali od 1000 nm do 1700 nm. Zadaniem detektorów promieniowania świetlnego jest przekształcenie energii świetlnej na prąd elektryczny. Prąd ten zostanie następnie wzmocniony i obrobiony w celu odtworzenia przesłanej informacji. Detektor promieniowania powinien spełniać następujące wymagania:

• wysokiej czułości w zakresie pracy nadajników promieniowania optycznego,

• dużego wzmocnienia o charakterystyce liniowej,

• małych szumów własnych,

• wysokiej stabilności temperaturowej,

• niewielkich wymiarów i masy,

• niskiego napięcia zasilającego.

W systemach telekomunikacji światłowodowej do odbioru promieniowania świetlnego najczęściej jest wykorzystywana dioda lawinowa APD lub półprzewodnikowa typu p-i-n. Diody te często występują w formie zintegrowanej z tranzystorem lub z tranzystorem bipolarnym. Fotodioda półprzewodnikowa jest tańsza, mniej wrażliwa na temperaturę i wymaga znacznie niższych napięć polaryzujących niż dioda lawinowa. Szybkości działania obu rodzajów diod są zbliżone. W systemach, w których występuje znaczne tłumienie sygnału, wykorzystywane jest wewnętrzne wzmocnienie diody lawinowej.

Straty przy połączeniach fotodiod ze światłowodami zazwyczaj nie przekraczają 1 dB. Wynika to stąd, że powierzchnia czynna fotodiody jest większa od średnicy wiązki promieniowania świetlnego opuszczającego światłowód.

Złącza światłowodowe to stałe lub rozłączne połączenia dwóch odcinków światłowodów. Złożonym problemem jest łączenie ze sobą odcinków włókien światłowodów szklanych. Dotyczy to zwłaszcza światłowodów jednomodowych, których cienkie rdzenie w każdym odcinku kabla muszą być ułożone w stosunku do siebie idealnie cylindrycznie. Na styku odcinków powstają tzw. odbicia Fresnela zwiększające tłumienność połączeń. Tłumienie na złączach jest zmienne i zamyka się w granicach 0,2 dB do 2 dB w zależności od typu użytego złącza i jakości wykonania. Światłowodowe złącza rozłączne są jedną z podstawowych części sieci światłowodowej. Dzięki nim możliwe jest poprawne i powtarzalne łączenie odcinków kabli, przyłączanie światłowodów do nadajników i odbiorników sygnałów optycznych, zakańczanie kabli krosowych oraz prefabrykowanie kabli służących do wykonywania połączeń światłowodowych w terenie. Złączom światłowodowym stawia się następujące wymagania:

• niskiej tłumienności wprowadzanej do toru światłowodowego,

• powtarzalności parametrów połączenia przy kolejnych rozłączeniach i łączeniach,

• takiej samej sprawności sprzężenia połączeń wykonywanych między różnymi kompletami złącz tego samego typu,

• długotrwałego zachowania parametrów złącza,

• dostatecznej wytrzymałości mechanicznej,

• odporności na zmiany warunków środowiskowych.

Transmisja sygnału świetlnego między dwoma odcinkami światłowodu odbywa się przez optyczne sprzężenie rdzeni światłowodów. Uzyskanie możliwie najmniejszych strat wymaga precyzyjnego montażu połączeń, prawidłowego pozycjonowania, czystości łączonych powierzchni oraz zbliżenia powierzchni czołowych włókien. Podstawową część złącza rozłącznego stanowi element osiujący, tzw. ferrula.

Ferrula jest zazwyczaj wykonywana z materiału ceramicznego o współczynniku temperaturowym zbliżonym do szkła. Ferrula ma kształt cylindra z otworem wzdłuż osi o wymiarach dostosowanych do wymiarów płaszcza światłowodu. Do otworu w ferruli wprowadza się włókno światłowodu przez całą jej długość do jej czoła, które stanowi interfejs sygnału świetlnego. Włókno zostaje trwale połączone z ferrulą za pomocą żywicy. Po wprowadzeniu i umocowaniu włókna powierzchnia czołowa ferruli jest polerowana. W celu połączenia dwóch odcinków światłowodu ferule wsuwane są do części pozycjonującej, tzw. adaptera. Połączenie ferruli z adapterem powoduje, że oba elementy osiujące przylegają do siebie z lekkim naciskiem – koło 10 N. Tego rodzaju połączenie umożliwia utrzymanie tłumienności wtrąceniowej na bardzo niskim poziomie – około 0,5 dB.

Podstawową cechą złącza jest fizyczny kontakt części złącza określony jako typ PC (ang. Physical Contact). Każde złącze typu PC występuje w dwóch rodzajach w zależności od sposobu szlifu ferruli. Złącza dzieli się więc na złącza typu UPC (ang. Ultra Physical Contact) (rys. 6a) oraz APC (Angled Physical Contact) (rys. 6b). W złączach typu PC występuje kontakt szkło-szkło, dzięki czemu unika się odbić Fresnela. W zależności od jakości polerowanej powierzchni ferruli rozróżnia się złącza PC-SPC, APC i UPC (kontakt fizyczny, superkontakt fizyczny i ultrakontakt fizyczny).

Rys. 6. Złącze światłowodowe rozłączne typu PC, a) rodzaju UPC, b) rodzaju APC

W złączach typu APC standardowy proces polerowania daje tłumienie sygnału odbitego na poziomie 35 dB, w złączach typu UPC zaś tłumienie sygnału odbitego może osiągnąć wartości powyżej 55 dB. Dalsze zmniejszenie reflektancji uzyskuje się przez polerowanie powierzchni czołowych ferruli pod kątem 8^o lub 9^o i niekiedy 12^o lub 14^o w stosunku do płaszczyzny prostopadłej do jej osi. Tego rodzaju konstrukcja złącza prawie zupełnie usuwa odbicia Fresnela i umożliwia osiągnięcie tłumienia sygnału odbitego na poziomie 65 dB. W użyciu jest wiele rodzajów wtyków z złączami wykonanymi w technice PC z ferrulami ceramicznymi, metalowymi, polimerowymi i hybrydowymi o średnicach 2,5 mm lub 1,25 mm. Mają one różne konstrukcje korpusów o odmiennym przeznaczeniu, np. z obudowami gwintowanymi, bagnetowymi lub prostokątnymi. Najczęściej stosowane są wtyki typu:

• ST − wyposażone w bagnetowy zamek obrotowy, umożliwiają prosty i szybki montaż włókna, dostępne są w wersjach jednomodowej i wielomodowej, najczęściej bywają stosowane do kabli wielomodowych (rys. 7),

• LC − w wersjach simpleks i dupleks jako jednomodowe i wielomodowe, z zamkiem zatrzaskowym; mają niewielkie wymiary, ferrulę o średnicy1,25 mm (rys. 8),

• SC − prostokątne z montażem typu push-pull, w wersjach simpleks i dupleks; jednomodowe i wielomodowe (rys. 9),

• FC − z gwintowanym sposobem mocowania, w wersjach jednomodowych i wielomodowych, głównie stosowane do kabli jednomodowych (rys. 10),

• E2000 − z montażem typu push-pull z klapką chroniącą ferrulę przed zabrudzeniem, w adapterze długie prowadnice złącza światłowodowego; wersje jednomodowa i wielomodowe (rys. 11).

Rys. 7. Złącze (wtyk) ST wielomodowe [MEDITRONIK]

Rys. 8. Złącze (wtyk) LC/UPC jednomodowe [Atel Electronics]

Rys. 9. Złącze (wtyk) SC/APC jednomodowe [Atel Electronics]

Rys. 10. Złącze (wtyk) FC/UPC typu fast connector [Batna24]

Rys. 11. Złącze (wtyk) E2000/APC jedno- i wielomodowe, system pusch-pull [Teltech]

W wielu specyficznych zastosowaniach, np. militarnych, przemysłowych, na platformach wydobywczych, w kopalniach używane są złącza soczewkowe o nietypowej konstrukcji.

W technice światłowodowej występują również złącza nierozłączalne (stałe). Trwałe połączenia włókien światłowodowych wykonuje się zazwyczaj jako spawy termiczne, w których uzyskuje się tłumienność sygnałów odbitych na poziomie niższym niż 0,1 dB. Wielkość strat powodowana takimi złączami jest związana z miejscową zmianą jednorodności struktury światłowodu, jednak pod warunkiem precyzyjnego centrowania osi łączonych włókien. Spawanie szklanych włókien światłowodowych polega na doprowadzeniu ich końcówek do temperatury topnienia, dociśnięciu ich i uformowaniu spawu. Ręczne spawanie szklanych włókien o niewielkich średnicach byłoby bardzo trudne i niedokładne, dlatego spawanie światłowodów wykonuje się za pomocą spawarek światłowodowych.

Pierwszą czynnością jest obróbka końców włókien polegająca na usunięciu warstw ochronnych tzw. stripperem i przemycie ich alkoholem. Po takim przygotowaniu obydwu końcówek włókien umieszcza się je w spawarce. Po uruchomieniu spawarki następują: samoczynne centrowanie końców włókien i kolejno doprowadzenie ich do temperatury topnienia przez łuk elektryczny, dociśnięcie, badanie wytrzymałości spawu i tłumienności złącza.

W ofercie rynkowej znajduje się wiele modeli spawarek światłowodów różniących się stopniem automatyzacji, właściwościami, przeznaczeniem i liczbą funkcji. Wysokiej klasy urządzenia wyposażone są w wyświetlacz umożliwiający obserwacją spawu, ocenę jego jakości i wstępne oszacowanie strat połączenia. We współczesnych spawarkach wykorzystuje się centrowanie połączenia do rdzenia lub do płaszcza. Centrowanie oraz geometria spawu zależą od dokładności wymiarów płaszcza. Centrowanie do płaszcza nie zawsze jest równoznaczne dopasowaniu do rdzenia, co powoduje znaczne podwyższenie strat. Obecnie najczęściej stosuje się spawarki z centrowaniem do rdzenia. Daje to gwarancję niskostratnego połączenia [7].

Sieci LAN (budynkowe) złożone są z systemów komunikacyjnych dostarczających głos i/lub dane do sieci komputerowych. Zazwyczaj długość kabli światłowodowych w sieciach LAN wynosi od kilku do kilkuset metrów. Są one łączone przez złącza do patch paneli i gniazd do przyłączania sprzętu komunikacyjnego. Całkowity przebieg światłowodu od stanowiska do głównej sieci w budynku nazywany jest „kanałem”. Odcinek światłowodu, z wyłączeniem patchcordów na końcu od strony kanału nazwanyjest „łączem” (linią), indywidualne światłowody między punktami złącz wzdłuż łącza noszą zaś nazwę „odcinki połączenia”, wyłączając patchcordy łączące stanowisko z siecią.

W większości instalacji światłowodowych LAN kanał światłowodowy składa się z pary światłowodów. W takim dupleksie jeden światłowód służy do nadawania, drugi zaś do odbierania danych. Gniazdo telekomunikacyjne na stanowisku pracy jest gniazdem dupleks. Gniazdo ze stanowiskiem pracy (z komputerem, drukarką) łączy się za pomocą wtyku dupleks lub dwóch wtyków simpleks.

Podczas budowy sieci światłowodowych lub ich remontu można mieć do czynienia z wyrobami różnych producentów krajowych i zagranicznych. W takich przypadkach powstaje kwestia kompatybilności sprzętu i jego prawidłowego wykorzystania. Konieczna jest weryfikacja co najmniej poniższych parametrów technicznych:

• długości fali świetlnej,

• szybkości transmisji i jej zgodności z normami,

• rodzaju kabla światłowodowego (jednomodowego lub wielodomowego),

• zgodności średnic rdzenia (np. OM1, OM2).

Jeżeli te parametry będą się pokrywać, to różnice między producentami nie powinny mieć znaczenia i sprzęt powinien działać poprawnie.