Technika światłowodowa

,,Wprowadzenie do techniki światłowodowej’’

1.Fizyczne podstawy działania światłowodów

Podstawowe prawa fizyczne na jakich jest oparte działanie światłowodów to:

· Prawo symetrii wiązki padającej i odbitej (kąt padania jest równy kątowi odbicia (α₁=α₂)

· Prawo załamania światła na granicy dwóch ośrodków o różnych stałych dielektrycznych

· Prawo całkowitego wewnętrznego odbicia

1.1.Prawo symetrii wiązki padającej i odbitej, oraz prawo załamania światła na granicy dwóch ośrodków o różnych stałych dielektrycznych

Odbicie i załamanie promienia świetlnego na granicy dwóch ośrodków o

różnych współczynnikach. załamania światła

Promień odbity i załamany leżą w jednej płaszczyźnie utworzonej przez promień padający i prostopadłą do powierzchni odbijającej w punkcie padania tzn. płaszczyźnie i tak:

dla :odbicia

α₁= α₂

α₁– kąt padania promienia

α₂– kąt odbicia promienia

załamania:

gdzie n_1,2 jest stałą, noszącą nazwę współczynnika załamania światła ośrodka 2 względem ośrodka 1.

Niektóre współczynniki załamania światła(dla γ=589mm)

*Ośrodek*	*Współczynnik załamania*
Woda	1,33
Alkohol etylowy	1,36
Dwusiarczek węgla	1,63
Powietrze(1atm.20⁰C)	1,0003
*Szkło I (kron)*	*1,52*
*Szkło I I(flint)*	*1,66*

1.2.Prawo załamania światła na granicy dwóch ośrodków o różnych stałych dielektrycznych stałych dielektrycznych

Całkowite wewnętrzne odbicie światła wychodzącego ze źródła S, kąt graniczny α_g

Promień świetlny biegnący w ośrodku optycznie gęstym(szkło) pada na powierzchnię odgradzającą ten ośrodek od drugiego ośrodka o mniejszej gęstości optycznej (powietrze). Przedstawiono to na rysunku 2.Jeżeli kąt padania α wrasta to promień załamany biegnie równolegle do powierzchni łamiącej(promień ),czyli kąt załamania równy jest 90⁰.Dla kątów padania, które są większe od kąta granicznego α_g, nie otrzyma się promienia załamanego, natomiast zachodzi zjawisko całkowitego załamania światła. Aby wyznaczyć kat graniczny trzeba korzystać ze wzoru

:gdzie α₂ = 90⁰

skąd

Dla szkła i powietrza ;

czyli α_g = 41,8⁰

Całkowite odbicie nie może wystąpić, gdy światło przechodzi z ośrodka o mniejszym współczynniku załamania światła do ośrodka o współczynniku wyższym.

Zasada działania i własności transmisyjne światłowodu

Materiały stosowane do wytwarzania światłowodów

Światłowody telekomunikacyjne wytwarzane są ze szkła krzemionkowego SiO₂(szkło kwarcowe).Płaszcz światłowodu wykonany jest z czystego szkła, a rdzeń ze szkła z domieszką germanu. German zwiększa współczynnik załamania światła w rdzeniu, o wielkość zależną od koncentracji . W praktyce jest to około 1%. Na tłumienie światłowodu ma istotny wpływ zanieczyszczenie szkła jonami metali takimi jak Fe,Cu,Co,Cr,Ni,Mn, oraz OH^-. Stosowane także są światłowody kwarcowo-plastikowe, plastikowe, i ze szkła wieloskładnikowego

Budowa i zasada działania światłowodu

Światłowody telekomunikacyjne nazywane też włóknami szklanymi(ang. optical fibres),są to cylindryczne włókna szklane. Są otoczone powłoką lakierowaną(ang. coating),która nadaje im wytrzymałość mechaniczną .Wnętrze światłowodu posiada dwie warstwy, które różnią się między sobą wartością współczynnika załamania się światła. Jest to centralnie położony rdzeń(ang. core),który ma podwyższony współczynnik załamania światła, oraz otaczający go płaszcz(ang. clading).Budowa i zasada działania światłowodu przedstawiona jest na rys nr.1

Budowa i zasada działania światłowodu

Średnica zewnętrzna płaszcza jest znormalizowana i wynosi 125μm (1/8mm),natomiast Średnica rdzenia wynosi 50μm dla światłowodów wielomodowych (ang.multimode fibre)

15-11μm dla œwiat³owodσw jednomodowych (ang.single-mode fibre).Natomiast średnica pokrycia lakierowanego jest równa 250μm.Œwiat³o przebiega także w p³aszczu. Właściwości optyczne światłowodu charakteryzowane są przez profil współczynnika załamania światła tj. zależność wartości tego współczynnika od odległości od osi światłowodu. Dlatego światłowody można podzielić w zależności od kształtu profilu współczynnika załamania na:

· Światłowody o profilu skokowym(ang.step-index fibre)

· Światłowody o profilu ciągłym(gradientowe)

·

Światłowody wielowarstwowe(światłowody o profilu typu W)

.Profile współczynnika załamania światłowodów

Prowadzenie światła-mody światłowodów

Ponieważ rdzeń światłowodu ma wartość współczynnika załamania podwyższoną w stosunku do płaszcza, wiązka prowadzona w światłowodzie ma tendencje do utrzymywania się blisko rdzenia. Będzie to zrozumiałe, gdy uwzględni się definicje współczynnika załamania światła n

c=3·10⁸ m/s prędkość światła w próżni

v – prędkość światła w ośrodku

Współczynnik załamania światła,, n’’ - wielkość charakteryzująca zjawisko załamania fali. Odnosi się zazwyczaj do fali elektromagnetycznej, w szczególności do światła, ale definiuje się go również dla innych fal (np. akustycznych). Wyróżnia się współczynnik załamania bezwzględny, równy stosunkowi prędkości światła w próżni do prędkości fazowej fali w danym ośrodku, oraz względny - pewnego ośrodka II względem ośrodka I - równy ilorazowi współczynników załamania bezwzględnych ośrodków II i I. Współczynnik załamania zależy od długości fali.

Z powyższego wzoru wynika, że prędkość światła w płaszczu jest większa niż w rdzeniu co powoduje ,,zaginanie się’’ stałej fazy w kierunku rdzenia, oraz przepływ energii do niego(ogniskowanie).

Z drugiej zaś strony ograniczona wiązka prowadzona w rdzeniu ulega tzw. dyfrakcji tj. rozproszeniu(poszerzeniu).Zjawiska te zachodzą równocześnie i posiadają przeciwstawne oddziaływania .

Dyfrakcja – odchylenie się biegu promieni np. świetlnych od prostoliniowości, zachodzące w pobliżu krawędzi ciał nieprzezroczystych, a także na wąskich (w porównaniu z długością fali) szczelinach.

Jeżeli rozkład natężenia w wiązce jest taki, że efekty całkowicie się znoszą to wiązka taka jest modem światłowodowym.. Jest ona prowadzona w światłowodzie bez zmiany kształtu z prędkością modu ,,u’’.

Mod – jest to monochromatyczna(jednobarwna) wiązka światła rozchodząca bez zmiany kształtu się wzdłuż światłowodu z charakterystyczną dla siebie prędkością.

Powstaje także tzw. efektywny współczynnik załamania światła n_ef

c=3·10⁸ m/s prędkość światła w próżni

u- prędkość modu

gdzie n₂< n_ef< n₁

lub tzw. .stała propagacji β = k₀·n_ef

gdzie jest liczbą falową w próżni :λ – d³ugoœκ fali

Światłowód może posiadać wiele modów, które różnią się między sobą rozkładem pola i wartością stałych propagacji β. Taki światłowód nosi nazwę wielomodowego.

Różne mody posiadając różne stałe propagacji i przebiegają z różną prędkością, co powoduje dodatkowe poszerzenie impulsów(tzw. dyspersja impulsów).

Takiego niedostatku nie posiadają światłowody jednomodowe tzn. prowadzące tylko jeden mod. Dlatego też do szybkiej transmisji danych na duże odległości stosowany jest właśnie światłowód jednomodowy.

Aby uzyskać jednomodową transmisję światła powinno zastosować się światłowód z rdzeniem o odpowiednio małym promieniu (w porównaniu z długością fali świetlnej λ,w praktyce kilka mikrometrów) i (lub)odpowiednio małym skoku współczynnika załamania na granicy rdzeń-płaszcz. Warunek jednomodowości światłowodu o profilu skokowym ma postać:

Długość fali ,,odcięcia 2-go modu λ_c’’, rozumiana jako najkrótsza długość fali ,przy jakiej pojawia się drugi mod

Długość fali odcięcia 2-go modułu λ_c jest parametrem światłowodów jednomodowych i podlega normalizacji.(powinna ona mieć wartość w granicach 1,1 μm χ 1,28μm).

Podstawowe zasady techniki światłowodowej

Dwa odległe od siebie urządzenia pracują z wykorzystaniem sygnału elektrycznego i komunikują się za pośrednictwem sygnału optycznego

Aby to umożliwić, w nadajniku zachodzi zamiana sygnału elektrycznego na optyczny(tzw. konwersja E/O),a w odbiorniku zamiana odwrotna(tzw. konwersja O/E)

Dlatego pojedyncze łącze światłowodowe składa się z:

· Źródła światła .Tę role spełnia laser półprzewodnikowy, albo dioda LED

· Światłowodu

· Detektora sygnału optycznego. Te rolę spełnia fotodioda(tj. dioda półprzewodnikowa spolaryzowana w kierunku zaporowym, gdzie prąd zależy od oświetlenia)

.Idea łączności światłowodowej przedstawiona jest na rys nr.1

Schemat łącza światłowodowego

Fotodioda - rodzaj diody półprzewodnikowej, spolaryzowanej zaporowo, przez którą w warunkach braku oświetlenia płynie bardzo mały prąd. Przy oświetleniu fotodiody wytwarzają się nośniki prądu (pary elektron - dziura), w wyniku czego pojawia się prąd, proporcjonalny do strumienia światła. Charakterystyka widmowa fotodiody zależy od rodzaju wykorzystanego materiału półprzewodnikowego.

Jednomodowy światłowód telekomunikacyjny stanowi prawie idealny przewodnik transmisyjny ze względu na niskie tłumienie, oraz małą dyspersję.

Tłumienie i dyspersja w szkle zależą od długości fali świetlnej. Tłumienność światłowodu szklanego wynosi 0,7:0,4;0,2 dB/km w kolejnych tzw. oknach optycznych, które odpowiadają długościom fali świetlnej λ=0,85;1,3;1,55μm.Czestotliwoœζ fali wynosi 10¹⁴Hz.

Dlatego pozwala to na modulowanie fali z częstotliwością do teraherzów, oraz przepływności informacji do Tbit/s. Przesyłanie tak krótkich fal jest możliwe dlatego, że szkło kwarcowe posiada zerową dyspersję dla λ=1,3μm,i także po zaprojektowaniu dla λ=1,55μm.S³aba nieliniowość optyczna umożliwia przesy³anie impulsów, które nie ulegają poszerzeniu w czasie propagacji tzw. solitonσw, z szybkościach rzędu dziesiątek Gbit/s na duże odległości. W celu kompensacji strat mocy powstałych w światłowodzie została wprowadzona technologia tzw. wzmacniaczy optycznych.

Są to odcinki światłowodu z domieszka erbu(erbium doped fibre amplifier-EDFA) i dające wzmocnienie dla λ=1,55μm.

Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji i informatyce

(Sieci i topologie)

Na całym świecie obserwowany jest wzrost zapotrzebowania na zaawansowane usługi telekomunikacyjne. Rozwój telekomunikacji koncentruje się z jednej strony na tzw. ,,kompleksowej cyfryzacji sieci’’(dotyczy to systemów komutacyjnych jak i teletransmisyjnych),a z drugiej strony na integracji sieci pod względem technicznym, oraz świadczonych usług. Dominującym kierunkiem rozwoju teletransmisji jest stosowanie światłowodów jako medium teletransmisyjnego. Stosowane sieci transoceaniczne zapewniają transmisje danych z szybkością 5gigabitót na sekundę(5Gbit/s).Daje to możliwość prowadzenia jednocześnie w jednej parze włókien kabla światłowodowego 320tys. rozmów telefonicznych. Istnieją łącza próbne o szybkości do 10 gigabitów na sekundę(10Gbit/s),przy długości światłowodu 9000km.W związku z zaletami linii światłowodowej uważa się, że istnieje potężny bodziec dla rozwoju sieci łączności całkowicie światłowodowych włącznie z doprowadzeniem światłowodu do domów (tzw.idea Fiber to The Home- światłowód do domu).W obecnej sytuacji trudno jest dokonać jasnego podziału sieci komputerowych. Od niedawna bowiem podział sieci zaczyna tracić swoją aktualność. Dąży się bowiem do stworzenia jednej globalnej sieci w której funkcjonują wszystkie protokóły. Jednak można jeszcze wyodrębnić sieci, które pracują z wykorzystaniem światłowodu. Do nich należą miedzy innymi sieć FDDI i sieć Fiber Channel

Sieć FDDI

Sieć FDDI (Fiber Distributed Data Interface) jest to sieć lokalna o przepływności 100Mbit/s. Jest ona zdefiniowana przez standardy ANSI i ISO.

ANSI, American National Standards Institute - pozarządowa organizacja, działająca od roku 1918 w Stanach Zjednoczonych, z siedzibą w Nowym Jorku. Powołana w celu promowania i koordynacji działań na rzecz wprowadzania standardów w rozmaitych dziedzinach techniki. Zadaniem organizacji nie jest tworzenie standardów od podstaw, a jedynie, przy pomocy tzw. komitetów, uzgadnianie działań różnych grup je tworzących. ANSI jest członkiem założycielem międzynarodowej organizacji ISO oraz członkiem międzynarodowej organizacji IEC.

ISO, International Standard Organisation, Międzynarodowa Organizacja Standardów - międzynarodowa organizacja pozarządowa z siedzibą w Genewie, powołana do życia w 1947. Jej celem jest promowanie i tworzenie międzynarodowych standardów w różnych dziedzinach działalności naukowej, technicznej i ekonomicznej. Standardy wypracowane przez ISO są publikowane jako IS (International Standards), czyli Standardy Międzynarodowe.

Podstawową tej sieci jest światłowód wielomodowy, lub jednomodowy. Sieć składa się z dwóch pierścieni światłowodowych, w których dane rozchodzą się w przeciwnych kierunkach. Do pierścieni natomiast dołączone są stacje. Najważniejszym rodzajem stacji są tzw. koncentratory, pozwalają one na dołączenie wielu urządzeń do sieci FDDI. Koncentrator łączy się bezpośrednio z obydwoma pierścieniami (pierwotnym i wtórnym).Koncentrator jest to urządzenie aktywne, kontrolujące stan sieci. Pozwala także na dołączanie, oraz usuwanie urządzeń z minimalnym wpływem na prace pierścienia. Jest to robione automatycznie lub na polecenie ze stacji zarządzającej.

Rodzaje stacji w systemie FDDI

· Stacja DAS (Double Attachmen Station) :łączy się bezpośrednio z pierścieniami, albo koncentratorami

· Stacja SAS (Single Attachmen Station):łączy się tylko z koncentratorem

Stacje DAS,SAS po zamontowaniu w komputerach pozwalają na podłączanie się użytkowników do sieci FDDI. Do łączenia urządzeń ze światłowodami wykorzystywane są podwójne złącza typu MIC (Media Interface Connector).Można także używać złączy pojedynczych np. ST dla światłowodów wielomodowych i FC-PC dla jednomodowych

Podstawowe parametry sieci FDDI

Maksymalna odległość

· <= 2km dla światłowodu wielomodowego 62,5/125μm

· >20km dla światłowodu jednomodowego 8—10/125 μm

Całkowita maksymalna długość światłowodu w sieci: 200km(każdy z pierścieni może mieć co najwyżej 100km)
Długość fali optycznej nadajnika: 1310nm
Maksymalna liczba stacji: 500
Przepływność sieci :100Mbit/s
Maksymalne straty w linii:

· 11dB dla światłowodu wielomodowego

· 10-132 dB dla światłowodu jednomodowego(w zależności od typu nadajnika)

W przypadku awarii, lub braku zasilania w jednej ze stacji, może być użyty opcjonalny optyczny przekaźnik omijający. Jego użycie pozwala ominąć odbiornik, oraz nadajnik optyczny w uszkodzonej stacji, dlatego że światło przechodzi bezpośrednio z wejścia na wyjście. Sieć typu FDDI pokazana jest na rysunku nr.1.

Schemat sieci FDDI

Fibre Channel

Fibre Channel jest to standard połączeń wysokiej jakości, który zapewnia szybką transmisje dużych ilości danych (pomiędzy stacjami roboczymi, systemami pamięci masowych itp.) na obszarze wielu budynków położonych niedaleko siebie na danym obszarze. System Fibre Channel może przesyłać inne kanały i protokóły sieciowe takie jak : ATM,FDDI, Ethernet, HIPPI,SCSI przez ten sam ośrodek i sprzęt. Sieć ta pokazana jest na rysunku

Schemat sieci Fibre Channel

Topologie stosowane w sieciach

1.Topologia magistrali

Topologia ta polega na podłączeniu poszczególnych stacji równolegle, oraz bezpośrednio do jednorodnego medium transmisyjnego. Sygnały nadawane przez którąkolwiek ze stacji docierają do wszystkich pozostałych stacji. Jest to łącze wielopunktowe. Schemat takiej topologii jest przedstawiony na rysunku nr.1.

Schemat topologii magistrali

Topologia drzewa

Jest to uogólnienie topologii magistralowej. Centralnym punktem jest aktywny rozgałęźnik (hub),nazywany także translatorem.

Hub (koncentrator) - HUB jest powszechnym punktem zbiorczym dla sieci topologii gwiazdy. Arcnet, 10BaseT oraz 10BaseF Ethernet, a także inne podobne topologie sieci używają HUB-ów do połączenia wielu kabli w jedną sieć. Niektóre HUB-y (takie jak 10BaseT) posiadają zdolności do regenerowania sygnału.

Wszystkie dane kierowane są przez translator. Sieć taka może zawierać wiele podsegmentów nazwanych gałęziami sieci. Jest ona przedstawiona na rysunku nr.2.

.Schemat topologii drzewa