Światłowody - podstawowe pojęcia i definicje

2.1.5 Apertura numeryczna światłowodu

Apertura numeryczna NA jest to liczba charakteryzująca zdolność włókna światłowodowego do transmisji promieni padających na jego czoło pod kątem. Definiowana jest jako sinus kąta akceptacji, to jest maksymalnego kąta w stosunku do osi rdzenia włókna, dla którego zachodzi jeszcze zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia padającego promienia świetlnego.

Rys.4 Apertura numeryczna światłowodu [1].

Apertura numeryczna światłowodu jest określana przez kąt akceptacji amax. Korzystając z prawa załamania otrzymuje się [1]

ponieważ

to

2.1.6 Częstotliwość znormalizowana

Częstotliwość znormalizowana jest to parametr, który pozwala określić, czy światłowód jest jednomodowy, czy wielomodowy. Jest on definiowana jako

λ – długość fali światła w powietrzu,

a – promień rdzenia,

NA – apertura numeryczna światłowodu.

2.2 Światłowody jednomodowe

Mod jest to monochromatyczna fala elektromagnetyczna propagująca wzdłuż falowodu z charakterystyczną dla siebie prędkością fazową, o charakterystycznym rozkładzie poprzecznym natężenia, niezmieniającym się wzdłuż kierunku propagacji (charakterystyczna trajektoria).

Światłowody jednomodowe (ang. Single Mode Fibers, SMF) są to włókna, w których fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym. Charakteryzują się one małą średnicą rdzenia – zwykle od 5 do 10 µm, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. Światłowody te nadają się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być przesyłany, bez wzmacniania, na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat.

Światłowód jest jednomodowy jeżeli wartość częstotliwości znormalizowanej u jest mniejsza lub równa 2,405, powyżej tej wartości światłowód jest traktowany jako wielomodowy.

Rys.5 Światłowód jednomodowy.

2.3 Światłowody wielomodowe

Światłowody wielomodowe (ang. MultiMode Fiber, MMF) posiadają zwykle średnicę rdzenia 50 lub 62,5 µm. Średnica płaszcza jest taka sama jak w światłowodach jednomodowych i wynosi 125 µm. W tego rodzaju światłowodach fala o takiej samej długości może rozchodzić się wieloma drogami. Prędkość rozchodzenia się modów w falowodzie może być różna powodując zniekształcenie (rozmycie) impulsu, a w konsekwencji ograniczenie prędkości lub odległości transmisji.

Światłowody wielomodowe dzieli się na skokowe i gradientowe.

2.3.1 Światłowody wielomodowe skokowe

W tego rodzaju światłowodach współczynnik załamania zmienia się skokowo między rdzeniem i płaszczem. Mody poruszające się w rdzeniu, odbijają się od granicy rdzeń-płaszcz pod różnymi kątami co powoduje, że przebywają różną drogę. Ponieważ prędkość rozchodzenia się światła jest stała (w szkle wynosi około 2 108 m/s), dlatego czas przejścia poszczególnych modów przez światłowód jest różny. Zjawisko to powoduje poszerzenie impulsu docierającego do końca światłowodu i jest określane jako dyspersja międzymodowa. Powoduje to ograniczenie pasma przenoszenia światłowodu i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały.

Rys.6 Światłowód wielomodowy o skokowym współczynniku załamania.

2.3.2 Światłowody wielomodowe gradientowe

Światłowód gradientowy ma budowę warstwową. Każda warstwa jest domieszkowana inaczej, dzięki czemu współczynnik załamania zmienia się w sposób ciągły. Wartość minimalna współczynnika występuje na granicy rdzeń-płaszcz natomiast maksymalna na osi rdzenia. Światłowody tego rodzaju zapewniają podobną prędkość rozchodzenia się różnych modów (poruszających się po łukach) wzdłuż kabla. Jest to spowodowane tym, iż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, dzięki czemu mają większą prędkość liniową.

Rys.7 Światłowód wielomodowy o gradientowym współczynniku załamania.

[1] Jan Dorosz, Wykład z przedmiotu „Elementy Optoelektroniczne”, Politechnika Białostocka Białystok 2005.
[12] http://pl.wikipedia.org