HISTORYCZNY ROZWÓJ PRĘDKOŚCI TRANSMISJI
Po przekazie sygnałów elektrycznych telegrafem Morse’a w 1832roku, kolejnymi krokami milowymi w przekazie informacji było wynalezienie przez wspomnianego już Bella mikrofonu elektromagnetycznego (wykorzystywanego też jako słuchawka pod drugiej stronie łącza) oraz prostej łącznicy ręcznej. Urządzenia te umożliwiły utworzenie pierwszych sieci telefonicznych. Najpierw były to sieci miejscowe, później linie kablowe dalekosiężne. Medium transmisyjnym jakim stały się kable miedziane zaczęto przesyłać sygnały takie jak głos, dane, obrazy. Przez wiele lat przekaz analogowy (transmisja analogowa oznacza, że są przesyłane sygnały o ciągłym widmie częstotliwości) był podstawą komunikacji na duże odległości. Zwiększenie efektywności przekazu w sieciach telekomunikacyjnych było możliwe poprzez pojawienie się przekazu cyfrowego z zastosowaniem komputerów i systemów mikrokomputerowych oraz cyfrowych central telefonicznych (transmisja cyfrowa oznacza, że przesyłany jest ciąg impulsów dwustanowych typu tak/nie, podobnie jak w komputerach). Szukano wówczas lepszego nośnika, a to dlatego, iż komputery połączone w pętli przesyłały między sobą duże, jak na owe czasy, wielkości danych. Oczekiwania te spełniło medium transmisyjne, którym jest światłowód. I choć już w 1910 roku ogłoszono teoretyczne podstawy optycznej transmisji informacji, to pierwszy użyteczny światłowód wyprodukowała fi rma Corning Glass dopiero w 1972 roku. Za jego pomocą możliwa stała się optyczna transmisja informacji przez modulację promienia świetlnego w laserze półprzewodnikowym. 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. Kable zawierały po 24 włókna optyczne, z których każde mogło przenosić 672 kanały telefoniczne. Możliwość realizacji międzymiastowych linii z kablami światłowodowymi stała się faktem, kiedy zademonstrowano łącze optyczne o długości ponad 100 km bez konieczności stosowania wzmacniaczy. Od momentu wprowadzenia światłowodów do systemów transmisyjnych zapoczątkowano wiele zaawansowanych technologii, a przede wszystkim powstała perspektywa tworzenia sieci szerokopasmowych o znacznie większych przepływnościach .
BUDOWA ŚWIATŁOWODU
Transmisja światłowodowa polega na prowadzeniu przez włókno szklane promieni optycznych generowanych przez diodę lub laser. Promień światła rozchodzi się w światłowodzie po drodze będącej łamaną, tzn. ulega kolejnym odbiciom. W przypadku światłowodu możemy mówić o zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła (bez strat) na styku ośrodków rdzenia i płaszcza. Podstawowym składnikiem do budowy światłowodu jest dwutlenek krzemu. Ogólnie światłowód jest dwuwarstwowym, szklanym cylindrem, w którym warstwa wewnętrzna (rdzeń) dysponuje wyższym współczynnikiem załamania niż warstwa zewnętrzna (płaszcz). Światłowód składa się z trzech części: rdzenia, płaszcza i osłony zewnętrznej. Grubość rdzenia wynosi w zależności od rodzaju światłowodu: dla światłowodu jednomodowego od 4 do 10 mikronów, dla światłowodów wielodomowych od 50 do 1000 mikronów. Zbudowany jest najczęściej ze szkła kwarcowego lub plastiku, rzadziej z innych rodzajów szkieł lub materiałów krystalicznych, jak np. szafi r. Płaszcz – jego średnica to ok. 125 μm. Jest wykonany z materiału o mniejszym współczynniku załamania światła niż rdzeń. Najczęściej są to plastiki, lecz niekiedy także stosuje się szkła z odpowiednimi domieszkami. Pokrycie (osłona zewnętrzna) ma za zadanie ochronę płaszcza i rdzenia przed mikropęknięciami. Wykonane jest z elastycznych materiałów, jak np. akryl. W procesie technologicznym najczęściej składa się z dwóch lub więcej warstw. Dodatkowo włókna zabezpiecza się kolejnymi warstwami, scalającymi ze sobą najczęściej po kilkanaście pojedynczych włókien. Wyróżnia się kable światłowodowe do połączeń wewnętrznych i zewnętrznych oraz jedno- i wielomodowe. Kabel zewnętrzny ma specjalną konstrukcję, która powoduje jego zwiększoną odporność na oddziaływanie warunków zewnętrznych. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym oplotem oraz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową koszulką zewnętrzną. Kable wewnętrzne przeznaczone są do układania wewnątrz budynku. Posiadają cieńszą warstwę ochronną i nie są tak odporne, jak kable zewnętrzne. Rdzeń światłowodu stanowi „przewodnik światła”, w którym rozchodzą się fale świetlne (wzdłuż światłowodu). Promienie świetlne wprowadzone do światłowodu ulegają wielokrotnym odbiciom od powierzchni zetknięcia rdzenia z płaszczem. W danym światłowodzie mogą się rozchodzić tylko pewne określone rodzaje fal zwane modami.
W światłowodzie jednomodowym o bardzo małej średnicy rdzenia (równej długości fali świetlnej) przesyłany jest tylko jeden rodzaj fali – monochromatyczna wiązka świetlna o stałej szybkości propagacji impulsu, co minimalizuje dyspersję transmitowanego sygnału świetlnego i zwiększa efektywną długość światłowodowego toru bez potrzeby regeneracji sygnału. Z uwagi na powyższe, światłowody jednomodowe pozwalają transmitować dane na odległość kilkudziesięciu km bez konieczności stosowania wzmacniacza. Źródłem światła jest tu laser. W światłowodzie wielomodowym o znacznie większej średnicy rdzenia niż długość fali świetlnej rozchodzi się wiele rodzajów fal (modów) o danej długości. Powoduje to rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość lub odległość transmisji. W światłowodach wielodomowych źródłem światła jest dioda LED. Ponieważ dyspersja (poszerzenie) powiększa się wraz z drogą promienia świetlnego, więc kable wielomodowe stosowane są maksymalnie na długościach do 5 km. Wady światłowodów wielomodowych są równoważone przez ich zalety, takie jak: o wiele niższe koszty w porównaniu ze światłowodami jednomodowymi, łatwiejsze prace montażowe i konserwacyjne ze względu na większe wymiary od światłowodów jednomodowych. Wyróżniamy światłowody wielodomowe o płynnej oraz skokowej zmianie współczynnika załamania.
PRZEPŁYW ŚWIATŁA W ŚWIATŁOWODACH JEDNO I WIELOMODOWYCH
Transmisja w światłowodach odbywa się w tzw. oknach. Tłumienie, czyli osłabianie sygnału zależne jest od długości fali. Wyróżnia się trzy okna przydatne do prowadzenia transmisji o obniżonej tłumienności:
I okno transmisyjne – obejmuje fale w okolicy 0,85 μm, dość wysokie tłumienie powyżej 1 dB/km. O atrakcyjności tego okna stanowi dostępność tanich źródeł światła, jednak zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu kilkunastu kilometrów;
II okno transmisyjne – na fali l,3 μm, tłumienie około 0,4 dB/km, zasięg transmisji od 75 do l00 km;
III okno transmisyjne – na fali 1,55 μm, tłumienie mniejsze niż 0,2 dB/km, zasięg transmisji od 150 do 200 km.
WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE Pierwsze światłowody wyprodukowane w latach 70-tych wykonane były ze szkła organicznego o tłumieniu jednostkowym 20 dB/km. Obecnie produkowane światłowody (ze szkła kwarcowego) mają tłumienność stukrotnie mniejszą, tj. około 0,2 dB/km.
ŚWIATŁOWODY OŚWIETLENIOWE Światłowody oświetleniowe (Solid Core) to plastikowe światłowody z pojedynczych rdzeni oplecionych warstwą ochronną. Możemy je podzielić na dwie grupy: świecące bokiem oraz świecące tylko na końcach. Wszystkie takie światłowody składają się ze światłowodowego rdzenia (aktywny światłowód) oraz powłoki teflonowej i warstwy zatrzymującej promienie UV (średnica zewnętrzna). Ze światłowodami oświetleniowymi współpracują źródła światła w postaci lamp halogenowych lub metalohalogenowych. Światłowody świecące końcem są wykonane z czystego metakrylanu. W połączeniu z odpowiednimi lampami metalohalogenkowymi światłowody te przewodzą pełne spektrum światła bez widzialnych zafałszowań kolorów i przy zachowaniu kluczowych parametrów światła na dystansie do 30 metrów. Światłowody świecące bokiem stosuje się do podświetlenia głównie krawędzi budynków, balkonów, bram wjazdowych, schodów, czy ciemnych korytarzy np. w kinach, jak również w technice samochodowej – np. pierścieniowe światła pozycyjne w samochodach BMW (przednie i tylne).