Kable optotelekuminikacyjne (światłowodowe) są konstrukcjami optycznymi przenoszącymi falę elektromagnetyczną poprzez wielokrotne odbicia. Ze względu na swoje właściwości  znajdują coraz  szersze zastosowanie. Podstawowe obszary używania światłowodów to telekomunikacja, automatyka, aparatura medyczna, robotyka, technika wojskowa. Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła (fali elektromagnetycznej), którego źródłem może być laser lub dioda LED. Wiązka światła jest tutaj odpowiednikiem prądu w innych kablach. Po drugiej stronie światłowodu jest ona odbierana przez element światłoczuły np. fotodiodę. Aby zapewnić prawidłową i szybką transmisję, wiązka światła jest modulowana. Zapobiega to mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału. Wielką zaletą transmisji światłowodowej jest jej niewrażliwość na zakłócające pola elektromagnetyczne, możliwość wykorzystania bardzo szerokiego pasma (nawet do 3 Tb/s) oraz bardzo duże odległości na jakie sygnał może być transmitowany bez potrzeby dodatkowego wzmacniania.

Światłowód zbudowany jest ze specjalnego rodzaju szkła kwarcowego. Jego główną częścią jest rdzeń, który okrywa płaszcz i warstwa ochronna. Zasada działania światłowodu polega na użyciu dwóch materiałów przewodzących światło o różnych współczynnikach załamania. Współczynnik załamania w rdzeniu jest nieco wyższy niż w płaszczu. Promień świetlny przemieszcza się przez cały czas w rdzeniu, ponieważ następuje jego całkowite wewnętrzne odbicie (promień odbija się od płaszczyzny przejścia rdzenia i płaszcza). Na zewnątrz płaszcza znajduje się okalająca go izolacja ochronna. Światłowody produkuje się jako jednomodowe (SM) i  wielomodowe (MM). Dodatkowo wielomodowe można podzielić na dwa typy: o współczynniku skokowym i gradientowym (najczęściej spotykane są światłowody o płynnej zmianie współczynnika załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem, czyli gradientowe).

W światłowodach jednomodowych, przenosi się tylko jeden mod. Oznacza to, że wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza. Wszystkie promienie mają wiec jednakową drogę do przebycia i zajmuje to taki sam czas. Oznacza to, że nie powstaje dyspersja. Umożliwiają transmisję danych bez ich wzmacniania na odległość do 100km. Prędkość transmisji sięga 3Tb/s. Ze względu na te właściwości są najbardziej efektywne. Źródłem światła jest tu laser. Dotychczas główną ich wadą, hamującą ich powszechne stosowanie, był wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych.

W wielomodowym światłowodzie istnieje możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja. Światłowody wielomodowe przesyłają wiele modów o różnej długości co powoduje zniekształcenia impulsu wyjściowego, a co za tym idzie zmniejszenie prędkości i odległości transmisji. W tym rodzaju światłowodu źródłem światła jest dioda LED. W światłowodzie wielomodowym, rdzeń jest dosyć gruby, ma ok. 50 mikrometrów, czyli jego średnica jest wielokrotnie większa niż długość fali przenoszonego światła. Promień światła może składać się z wielu składowych (z wielu modów), które mogą być przenoszone jednocześnie. Jeżeli zmniejszymy rdzeń dostatecznie (do ok. 5-10 mikrometrów, dla długości fali światła 1,3 mikrometra), to światłowód może przewodzić jedynie jeden mod. Będzie to już światłowód typu jednomodowego (omawiany powyżej).

Światłowód jednomodowy .

Rdzeń jest cienki ( 9µm ), biegnie nim tylko jedna wiązka światła.

Światłowód wielomodowy.

Przez rdzeń ( 50 µm ) może biec wiele promieni świetlnych ( modów ) jednocześnie.

Można powiedzieć że czymś pośrednim miedzy światłowodem o pojedynczym modzie i kablami światłowodowymi o współczynniku skokowym, jest wcześniej wspomniany kabel światłowodowy gradientowy. W takim kablu współczynnik załamania zmniejsza się sukcesywnie od środka rdzenia na zewnątrz. Promień świetlny, który ukośnie chce wydostać się z centrum kabla jest uginany w sposób ciągły i kierowany z powrotem w stronę środka kabla. Rdzeń w światłowodzie gradientowym jest tak gruby, że jednocześnie może on przenosić wiele modów światła.

Podział kabli światłowodowych na grupy

Zasadniczo światłowody dzieli się na dwa sposoby:  ze względu na rodzaj kabla ( np. wewnętrzne, zewnętrzne – podział wynika z tego, w jakim środowisku będzie stosowany kabel ) oraz ze względu na rodzaj włókna ( jedno i wielomodowe – podział wynika z ilości przesyłanych jednorazowo modów, czyli fal ).

– podział wg rodzajów kabla :

Kable zewnętrzne – powinny być wytrzymałe mechaniczne oraz odporne na oddziaływanie warunków zewnętrznych, czyli promieni UV, wilgoci i wody, wysokiej i niskiej temperatury.  Często stosuje się tu konstrukcję tzw. „luźnej tuby”  ( co oznacza że  włókna są umieszczone w luźnych tubach i w pokryciu pierwotnym mają pewną swobodę pod powłoką zewnętrzną, dodatkowo powłoka ta jest nieco krótsza, tak aby naprężenia przenosiły się tylko na nią ). Luźne tuby wypełnione żelem pochłaniającym wilgoć zawierają jedno lub kilka włókien i oplatają centralny dielektryczny element wzmacniający. Rdzeń kabla otoczony jest specjalnym wypełnieniem oraz na zewnątrz odporną na wilgoć i promienie słoneczne polietylenową powłoką zewnętrzną. Takie kable mogą dla przykładu występować również w wykonaniu do kanalizacji ściekowej ze zbrojeniem ( np. taśmą stalową ). Do tej grupy możemy również zaliczyć kable samonośne – o specjalnej wzmocnionej konstrukcji, wytrzymujące duże naprężenia występujące gdy kabel jest np. podwieszony między budynkami lub innymi konstrukcjami.

Kable wewnętrzne – przeznaczone są do układania wewnątrz budynków. Posiadają cieńszą warstwę ochronną i nie są tak odporne jak kable zewnętrzne, lecz powinny spełniać ostre normy co do właściwości spalania: powłoka kabla nie może zawierać halogenów, które podczas spalania wydzielają toksyczne związki oraz musi być typu uniepalnionego, czyli powstrzymującego płomień, a w ostateczności poziom emisji dymów powinien być bardzo niski.

Kable uniwersalne – ich konstrukcja jest wypadkową wcześniej przytoczonych typów. Przeznaczone są do stosowania zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz budynków.

Każdy z powyższych rodzajów kabli może być dodatkowo uniepalniony lub mieć jakąś dodatkową ochronę, np. antygryzoniową.

– podział wg rodzajów włókien :

Światłowody wielomodowe – ( MM ) przesyłają wiele modów ( fal ) o różnej długości co powoduje rozmycie impulsu wyjściowego i ogranicza szybkość lub odległość transmisji. Źródłem światła jest tu dioda LED.

OM1 = 62,5µm  ( najstarsze, najmniej wydajne – najgorsze i najdroższe włókno )

OM2 = 50µm     ( tu występują różne rodzaje )

Światłowody jednomodowe – ( SM ) są efektywniejsze i pozwalają transmitować dane na odległość 100 km bez wzmacniacza. Dotychczas jednak ze względu na wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych było to bardzo drogie rozwiązanie. Źródłem światła jest tu laser.

Single Mode = 9µm ( w tym przypadku również różne rodzaje )

Wszystko to można wedle potrzeb razem łączyć, aby uzyskać potrzebny nam kabel.

Właściwości światłowodów

Kabel optotelekomunikacyjny może przenosić impulsy świetlne na duże odległości, z dużą szybkością i niewielkim tłumieniem.
Długość odcinka kabla światłowodowego, jaki możemy zainstalować, jest ograniczona przez jego dyspersję i tłumienie.
Dyspersja sprawia, że poszczególne promienie światła mają różne czasy przebiegów przez światłowód. Impuls świetlny ulega poszerzeniu ( rozmyciu ), co ogranicza częstotliwość maksymalną powtarzania impulsów, czyli szerokość pasma przenoszenia

Normalny obraz sygnału cyfrowego przesyłanego światłowodem

Efekt dyspersji i tłumienia tego sygnału w światłowodzie.

Jest to szczególnie istotne przy światłowodach wielomodowych, ponieważ różne mody mają różne czasy przebiegu, a to ogranicza szerokość pasma. Zjawiska te nie występują w światłowodach jednomodowych, dlatego są one efetywniejsze. W światłowodach tak jedno, jak i wielomodowych istnieje również naturalna dyspersja materiału. Wynika ona ze zmian współczynnika załamania światła w szkle, z którego jest wykonany. Zależy ona od długości fali, powodowana jest też przez niejednorodności struktury samego materiału użytego do produkcji. Od długości fali i materiału światłowodu oprócz dyspersji zależy również tłumienie. Najniższe teoretyczne tłumienie występuje przy fali o długości 1,55 µm i wynosi 0,16 dB/km, podczas gdy najmniejsza dyspersja występuje przy fali o długości 1,3 µm.

Większość sieci światłowodowych współpracuje z tradycyjnymi systemami łączności, przesyłany sygnał musi więc być konwertowany z postaci elektrycznej na optyczną i odwrotnie. Przełączniki realizujące takie funkcje nazywane są switchami optoelektrycznymi. Należy jednak pamiętać, że na skutek opóźnień czasowych potrzebnych na kilkukrotną konwersję sygnału stosowanie rozwiązań hybrydowych powoduje straty w przepustowości sieci jako całości.

Łączenie światłowodów

Oddzielnym i dość trudnym tematem jest cięcie i łączenie światłowodów ze sobą. Najwięcej problemów stwarza to w przypadku światłowodów jednomodowych, gdzie cienkie rdzenie w każdym segmencie kabla muszą być w stosunku do siebie ułożone idealnie centrycznie. Dodatkowo na styku łączonych włókien powstają tzw. odbicia Fresnela zwiększające tłumienność połączeń. Na złączach również powstaje dodatkowe tłumienie, którego wartość jest zmienna i zawiera się miedzy 0,2 i 2 dB w zależności od typu użytego złącza i jakości wykonania. Najbardziej popularne złącza optyczne to :

SC – dające dobre i pewne połączenie, w plastikowej obudowie, stosowane chyba najczęściej
LC – mniejsze od wcześniej wymienionego, dość popularne ze względu właśnie na tą właściwość i na użycie w modułach SFP
ST – metalowe, przypominające standardowe złącze typu BNC, stosowane częściej w sieciach wielomodowych

Wybór odpowiedniego złącza w praktyce jest już narzucony np. poprzez standard końcówek, w którym wykonane są  urządzenia aktywne. Poniżej przytaczamy najczęściej stosowane słownictwo elementów połączeniowych używanych w instalacjach światłowodowych.

Pigtail – niewielki kabelek światłowodowy z jednej strony zakończony prefabrykowanym złączem, z drugiej gołym włóknem, przeznaczony do połączenia ( przez dospawanie ) z kablem dystrybucyjnym

Patchcord – niewielki kabelek światłowodowy zakończony dwoma złączami, pozwala łączyć/przełączać sygnały optyczne między urządzeniami aktywnymi, z innymi kablami lub przełącznicami

Spaw – trwałe połączenie dwóch włókien światłowodowych wykonane przez nadtopienie łukiem elektrycznym

Spaw mechaniczny – najczęściej zaciskowy element centrujący i łączący na stałe w sposób mechaniczny dwa włókna

Osłonka spawu – element wzmacniający mechanicznie spaw ( osłonki posiadają wzmocnienie metalowe i kurczą się pod wpływem ciepła aby zapewnić maksymalną wytrzymałość )

Kaseta spawów – element podtrzymujący spawy (na specjalnej wewnętrznej tacy), chroniący je i utrzymujący wszystkie w jednym miejscu

Przełącznica – obudowa dla spawów, paneli krosowych itp. montowana w szafach krosowych

Skrzynia zapasu kabla – służy do bezpiecznego ułożenia zapasu kabla

Adapter – element łącznikowy z dwoma gniazdami optycznymi, do montażu w panelu frontowym przełącznicy, występuje także    w wersjach hybrydowych, np. ST/SC

Zaślepka – plastikowy element, montowany w adapterze, ważny pod kątem ochrony przed kurzem i zabrudzeniami

Mufa – element połączeniowy, pozwalający łączyć ze sobą dwa lub więcej kabli  ( istnieją specjalne mufy, które można instalować nawet bezpośrednio w ziemi )

Podsumowanie

Światłowody będą z pewnością coraz częściej wykorzystywane. Technika optotelekomunikacyjna już teraz dość mocno zbliża się do klienta końcowego. Zapewnia ona prawie idealne parametry transmisji. Dotychczas kable światłowodowe stosowało się tylko w dużych sieciach lokalnych i metropolitarnych, wymagających długich odcinków połączeniowych ( np. synchroniczne szkieletowe sieci telekomunikacyjne ) oraz w połączeniach bezwzględnie wymagających wysokiej jakości i prędkości transmisji. W małych sieciach były rzadkością  z powodu wysokich kosztów, jakie trzeba było ponieść aby je zainstalować. Teraz coraz częściej stosuje się je w mniejszych instalacjach, takich jak sieci telewizji kablowych czy rozbudowane systemy monitoringu. Prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości będą one w stanie dostarczyć sygnał bezpośrednio do gospodarstw domowych.

Na rynku jest dostępnych coraz więcej kabli światłowodowych. Oczywiście tak jak każdy kabel, również światłowód może być produktem dobrej, średniej lub złej jakości. Bardzo ważne jest również to, jakie włókno ( jakiej klasy, jakiego producenta ) jest użyte w danym kablu. Niewłaściwy dobór kabla i pozorne oszczędności mogą się okazać dużym problemem. Dlatego też radzimy korzystać ze sprawdzonych dostawców.

Jedną z ważniejszych zalet światłowodów jest ich niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne, gdyż zbudowane są z materiałów dielektrycznych, głównie ze szkła, którego podstawowym surowcem jest krzemionka (czyli piasek ). Rozkład współczynnika załamania światła w rdzeniu i płaszczu decyduje o właściwościach danego światłowodu, koniecznych dla realizacji konkretnego rozwiązania układu optoelektronicznego. Wymagania stawiane światłowodom są bardzo różne, nie jest więc możliwe wytwarzanie ich tylko jedną, uniwersalną metodą. Inne parametry ważne są dla zastosowań medycznych a inne znów dla telekomunikacji. My skupimy się na światłowodach telekomunikacyjnych. Ze względu na ich dużą różnorodność poniżej prezentujemy tabelę oznaczeń kabli światłowodowych telekomunikacyjnych.

TABELA OZNACZEŃ KABLI ŚWIATŁOWODOWYCH

Zasada oznaczania kabli światłowodowych polega na kolejnym podaniu odpowiednich liter lub ich zestawu oraz cyfr arabskich wg zasady jak w tabeli poniżej