BUDOWA ŒWIATŁOWODU

Włókna światłowodowe dostarczają operatorowi telekomunikacyjnemu znacznie szersze pasmo transmisyjne, niż para miedziana. Zalecenie G.983.1 określa by optyczna sieć dystrybucyjna ODN zbudowana była w oparciu o światłowód jednomodowy G.652.

Medium transmisyjne światłowodu stanowi szkło kwarcowe domieszkowane tlenkami metali GeO₂, P₂O₅, B₂O₃ w celu kształtowania wartości współczynnika refrakcji n. Oprócz światłowodów krzemowych spotkać można światłowody polimerowe oraz ze szkła fluorkowego. Rysunek 1 przedstawia strukturę włókna światłowodu.

Rysunek 1. Struktura włókna światłowodu

Rdzeń światłowodu wykonany jest z materiału optycznego gęstszego, o większym współczynniku załamania n₁, niż otaczający go płaszcz. Warunkiem prowadzenia fali świetlnej jest, aby jej promienie odbijały się na granicy rdzenia i płaszcza pod kątem mniejszym niż kąt krytyczny Θ_kryt wyznaczony przez prawo Snelliusa:

cos Θ_kryt =

Konstrukcja włókna światłowodowego ma decydujący wpływ na jego parametry. Dla współcześnie produkowanych światłowodów jednomodowych średnica rdzenia wynosi        od 4 -10 μm (głównie 9μm), przy średnicy powłoki od 75 -125μm (zwykle 125μm). Dla światłowodów wielomodowych o skokowej (jednorodna struktura rdzenia) lub gradientowej (rdzeń niejednorodny) zmianie współczynnika odbicia średnica rdzenia mieści się w zakresie od 50 do 1000μm. Średnica płaszcza zależy natomiast od struktury wewnętrznej i wynosi od 125 -140μm dla światłowodów ze współczynnikiem gradientowym lub od 125 -1050μm dla światłowodów ze skokowym współczynnikiem odbicia.

Najczęściej spotykana, znormalizowana średnica zewnętrzna płaszcza światłowodu wynosi 125μm, a średnica płaszcza z pokryciem lakierowym 250μm.

Przy sprzęganiu światłowodów ze źródłem światła bardzo ważnym parametrem jest apertura numeryczna NA światłowodu określająca jego zdolność do pobierania użytecznej energii świetlnej.

Promieniowanie padające na czoło światłowodu pod kątem większym niż kąt akceptacji (0,5α) nie są przenoszone przez światłowód, lecz wydostają się na zewnątrz i są tłumione.

            W światłowodzie propagować mogą wyłącznie fale na wybranych kierunkach. Fale te

nazywane są modami. Jeśli w światłowodzie jest tylko jeden taki kierunek światłowód

nazywany jest światłowodem jednomodowym. Liczba modów dla określonej długości fali i apertury numerycznej NA zależy od promienia rdzenia.

            Bardzo ważnym parametrem jest również tłumienie samego światłowodu. Zastosowanie do budowy światłowodu szkła kwarcowego domieszkowanego tlenkami metalów w tym tytanu, talu, germanu i boru powoduje, że straty tłumienia w światłowodzie spowodowane są następującymi zjawiskami [13]:

• rozproszeniem sygnału optycznego (nieregularność struktury SiO₂ prowadzi do fluktuacji gęstości materiału, na którym światło ulega rozproszeniu -tzw. rozproszenie Rayleigha);  
• absorpcją energii sygnału (silna absorpcja zarówno w podczerwieni, jak i w nadfiolecie oraz przez zanieczyszczenia światłowodu: jony OH ^-,jony metali Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺. Tłumienie rośnie ze wzrostem koncentracji domieszek);

oraz nieregularnością samego światłowodu:

• makrozgięcia (powstają podczas nawijania kabla na bęben lub podczas przeciągania przez zakrzywienia w kanalizacji);
• mikrozgięcia (powodowane naprężeniami mechanicznymi podczas procesu wytwarzania oraz wskutek tarcia między włóknami);
• wahania średnicy rdzenia, jego eliptyczność.

W wypadkowej tłumienności światłowodu można wyróżnić dwa minima położone wokół fal o długości 1,31μm i 1,55μm. Noszą one nazwy odpowiednio drugiego i trzeciego okna transmisyjnego. Typowe wartości tłumienia światłowodu we wspomnianych oknach wynoszą 0,4dB/km (1,31μm) oraz 0,2dB/km (1,55μm).

Kolejnym ważnym zjawiskiem określającym propagację fal w światłowodzie jest dyspersja, czyli zależność parametrów ośrodka od częstotliwości. Powoduje ona rozmycie czasowe krótkich impulsów, a w konsekwencji ogranicza na maksymalną szybkość transmisji ( Rysunek 2 ).

Rysunek 2. Rozkład modów w światłowodach oraz rozmycie sygnału

Dyspersja całkowita światłowodu składa się z trzech składników [13]:

• dyspersji modowej - nie występuje we włóknach jednomodowych i spowodowana jest różną prędkością rozchodzenia się modów;
• dyspersji materiałowej -zależność od częstotliwości grupowych współczynników załamania materiałów z jakich wykonano światłowód;
• dyspersji falowodowej -zależność od częstotliwości efektywnego współczynnika załamania oddziałującego z danym modem, spowodowaną zmianami podziału mocy tego modu pomiędzy rdzeń i płaszcz.