1.    Wiadomości podstawowe o światłowodach .

Światłowód jak sama nazwa wskazuje – służy do przesyłania fal elektromagnetycznych o częstotliwościach fal świetlnych lub zbliżonych . Najczęściej mają postać cylindrycznego włókna lub też postać paskową , stosowaną w układach optyki zintegrowanej .

Materiał światłowodu jest w zasadzie dielektrykiem , a więc światłowody są falowodami dielektrycznymi . Do wyjątków należą światłowody powietrzne lub gazowe .

Podstawowym materiałem światłowodów jest szkło , choć w pewnych przypadkach – zwłaszcza krótkich odcinków – plastykowe włókna wykazują dużą przydatność .

Techniki transmisyjne wykorzystujące światłowody pozwalają na uzyskanie dużo większych przepływności danych i na znacznie większe odległości niż w przypadku tradycyjnych przewodów miedzianych . Na dodatek transmisja odbywa się przy mniejszej stopie błędów .

Pierwszymi światłowodami były rury metalowe lub szklane wewnątrz metalizowane , wypełnione powietrzem lub gazem obojętnym . Ich średnice były nie mniejsze od kilku milimetrów .

Rozchodzenie się fal świetlnych w tego typu rurze przedstawia rysunek .

Światłowód rurowy

Wiązka promieniowania odbija się od jej wewnętrznej powierzchni . Odbicia wywołują stosunkowo niewielkie straty energii w dobrze wypolerowanych rurach , dopóki kąty odbicia są niewielkie . Poważniejszy wpływ na rozkład energii promieniowania wywierają drobne nierówności powierzchni . Zawężają one pasmo transmisyjne typowego światłowodu rurowego do kilku gigaherców na kilometrowym odcinku tego światłowodu . Podobnie oddziałują wszelkie odchylenia od geometrii (liniowości) światłowodu powodując , że dopuszczalny promień zagięcia rury jest rzędu pół kilometra co z góry wyklucza szersze zastosowanie tego typu światłowodów w praktyce telekomunikacyjnej . Miejsce światłowodów rurowych przejęły światłowody dielektryczne .

2.    Światłowody dielektryczne – rodzaje i zasada pracy .

Światłowody dielektryczne prowadzą falę elektromagnetyczną we włóknie (rdzeniu) wykonanym z materiału optycznie gęstszego od otaczającego go ośrodka (płaszcza) . Wewnątrz światłowodu fala odbija się na granicy ośrodków .

Światłowód dielektryczny

              Warunkiem koniecznym jest , aby przenikalność elektryczna (stała dielektryczna) włókna była większa od przenikalności elektrycznej otaczającego go ośrodka (ε2 < ε1) . Ponieważ :

              gdzie :

                            ε – przenikalność elektryczna ( stała dielektryczna )

                            n – współczynnik załamania światła

a więc między współczynnikami załamania musi zachodzić podobna zależność. Charakter odbicia fali na tego typu ścianie dielektrycznej jest nieco inny niż odbicia na ścianie metalowej . Padająca na ścianę metalową fala elektromagnetyczna praktycznie nie wnika w nią , lecz zamyka się prądami wzbudzanymi w metalu . Natomiast fala elektromagnetyczna padająca na ścianę dielektryczną , wchodzi na pewną głębokość optycznie rzadszego dielektryka . Odbijający się promień świetlny zagina się na pewnej głębokości w tym ośrodku. Jest to tzw. efekt Goss – Haenchena.

Odbicie na ścianie dielektrycznej

              Istnienie tego zjawiska sprawia prawdopodobnie , że drobne nierówności powierzchni ściany dielektrycznej nie są tak szkodliwe przy przesyłaniu fal elektromagnetycznych w światłowodach , jak analogiczne nierówności metalowych światłowodów rurowych . Wspomniany efekt Goss – Haenchena jest zazwyczaj pomijalny , gdyż wpływa tylko na zależności fazowe , nieistotne w telekomunikacji światłowodowej .

              Warunkiem rozprzestrzeniania się fali elektromagnetycznej jest , aby jej promienie odbijały się od ściany dielektrycznej pod kątem θ , mniejszym od kąta krytycznego θkryt wyznaczonego przez prawo Snelliusa :

gdzie : n1 – współczynnik załamania ośrodka prowadzącego falę ,

              n2 – współczynnik załamania ośrodka otaczającego .

              Powyższe rozważania wykazują , że pojedyncze włókno wykonane z mało stratnego materiału o przenikalności elektrycznej ε1 większej od przenikalności otoczenia może wieść falę elektromagnetyczną . W praktyce takie włókno , zwane rdzeniem , otoczone jest płaszczem o mniejszej przenikalności elektrycznej ε2 . Jest to konieczne , aby stworzyć „podparcie” mechaniczne dla rdzenia , a również , aby umożliwić powstanie odpowiedniego rozkładu pola elektromagnetycznego w światłowodzie . Zazwyczaj tak ukształtowany światłowód włóknisty jest zaopatrzony w dodatkową warstwę zewnętrzną , aby uchronić część optycznie czynną od wpływów mechanicznych i chemicznych .

              W światłowodzie płaszczowym średnice płaszcza są rzędu paru setek mikrometrów , a długość odcinka wynosi części metra do kilometra , w zależności od zastosowań . Promieniowanie wnikające do światłowodu może się w nim rozchodzić w postaci fal własnych rdzenia lub płaszcza , względnie wyciekać do otaczającego ośrodka .

Promienie świetlne wchodzące do płaszczowego światłowodu dielektrycznego

Rodzaj wzbudzonych fal zależy od kąta , pod którym wchodzi wiązka świetlna przez płaszczyznę czołową do wnętrza światłowodu . Jedynie fale rdzeniowe są użytecznym rodzajem energii prowadzonej przez światłowód . Wzbudza je ta część promieniowania padającego na płaszczyznę czołową światłowodu , która zawiera się w kącie bryłowym 2α , odpowiadającym kątowi krytycznemu Θkryt . Ten kąt α wyznacza aperturę numeryczną NA światłowodu :

Apertura numeryczna określa zdolność światłowodu do pobierania użytecznej energii świetlnej . Fale płaszczowe i fale wyciekające są wywołane promieniowaniem wchodzącym do światłowodu pod kątem większym niż α (czyli promieniowaniem będącym poza kątem bryłowym 2α) oraz powstają  z fal rdzeniowych na skutek rozpraszania się ich na niejednorodnościach ośrodka lub na nierównościach powierzchni rdzenia .

Światłowody dielektryczne wykonuje się zazwyczaj ze szkła o nieco odmiennych składach chemicznych rdzenia i płaszcza , mających wymagane wartości współczynników załamania światła . Tańsze gatunki światłowodów mają rdzeń ze szkła , a płaszcz z plastyku . Odnosi się to zwłaszcza do światłowodów o większych średnicach , zbliżonych do milimetra .

2.1. Rodzaje światłowodów dielektrycznych .

              Ze względu na sposób propagacji światła wyróżnia się dwa rodzaje światłowodów dielektrycznych : wielomodowe i jednomodowe . Swiatłowody wielomodowe są tańsze , ale z powodu dyspersji impulsy nimi przesyłane ulegają większemu zniekształceniu niż w światłowodach jednomodowych . Promienie odbijające się od ścianek światłowodu docierają na jego koniec w różnym czasie i „rozmywają” przesyłany impuls , natomiast w światłowodzie jednomodowym promienie biegną równolegle i w związku z tym opisany efekt nazywany dyspersją międzymodową nie występuje .

              Wysyłany impuls składa się z fal o różnych częstotliwościach (nieparzyste harmoniczne) , które transmitowane są z różnymi prędkościami . Różnice tych prędkości powodują na końcu światłowodu dodatkową dyspersję chromatyczną i wynikające z tego dalsze rozmycie impulsu w światłowodzie wielomodowym . Efekt ten potęguje się wraz z poszerzeniem widma źródła światła , co jest charakterystyczne dla tańszych diod LED stosowanych jako nadajniki sygnałów.

Rozchodzenie się promieniowania w światłowodzie wielomodowym – szerokość rdzenia 60 mikronów

Rozchodzenie się światła w światłowodzie jednomodowym – szerokość rdzenia 9 mikronów

Światłowód wielomodowy gradientowy jest odmian...