Jak działa światłowód? Czym jest prawo Snelliusa?

Jak działa światłowód? Czym jest prawo Snelliusa?

Chociaż światłowody nie są jeszcze dostępne w każdym domu, technologia światłowodowa coraz bardziej przeważa nad innymi, starszymi formami łączności przewodowej na duże odległości.

Skąd się wziął i jak działa światłowód? Dlaczego światłowody coraz częściej zastępują tradycyjne przewody elektryczne?

Co to jest światłowód? Jak działa?

W dalszej części artykułu przedstawimy dokładnie, co to jest światłowód, jednak na wstępie warto zaznaczyć, że idea przesyłania informacji na odległość za pomocą światła jest znana ludzkości, odkąd opanowała ona ogień. Kiedyś zapalone ogniska na wzgórzach informowały sąsiednie wioski o zbliżających się wrogich wojskach, dzisiaj ludzkość używa innych źródeł światła, by błyskawicznie przesłać terabajty danych pomiędzy kontynentami. Stało się to możliwe dzięki wynalazkowi, który uniezależnił nadawcę i odbiorcę od warunków pogodowych oraz ukształtowania terenu. Wynalazkiem tym jest światłowód. Jak działa ten element? Jeżeli chcesz się tego dowiedzieć, to czytaj dalej! 

Czym jest światłowód?

Światłowód to medium komunikacyjne w postaci „przewodu”, który służy do transmisji promieni świetlnych. Jego zadaniem jest też odizolowanie przesyłanego światła od środowiska zewnętrznego, np. od światła słonecznego. W większości wypadków wykorzystywany jest do realizacji szybkich transmisji cyfrowych.

Z zewnątrz niewiele różni się od zwykłego kabla, w dodatku produkuje się światłowody z różnych materiałów, o różnych grubościach, kolorach i sztywnościach. Kabel światłowodu wyróżniają zwykle nietypowe wtyczki i czasem mniej lub bardziej widoczny nadruk tekstowy na całej długości. W środku jest natomiast zupełnie inny – zamiast miedzianych lub aluminiowych drutów znajdują się w nim przeźroczyste pręty ze szkła lub plastiku, czasem o grubości niewiele większej od ludzkiego włosa, połączone w wiązki.

Światłowody na pierwszy rzut oka można czasem rozpoznać po nietypowych wtyczkach

Światłowody na pierwszy rzut oka można czasem rozpoznać po nietypowych wtyczkach

Światłowody wyróżnia także kruchość, przez co ich montaż wymaga pewnego doświadczenia i ostrożności, kąty ich prowadzenia są odpowiednio łagodniejsze, a wiązka musi zostać zabezpieczona przed nadmiernym przemieszczaniem się. Nadepnięcie lub zbyt mocne zgięcie światłowodu oznacza przeważnie konieczność wymiany, bo jego wewnętrzne włókna zwyczajnie pękają.

Jak działa światłowód? Skrót informacji

Światłowód można wyobrazić sobie jako długi, wijący się tunel pokryty od środka lustrami. Włączenie odpowiednio silnego źródła światła po jednej stronie tunelu sprawi, że zobaczymy je natychmiast po drugiej stronie, i to niezależnie od ilości zakrętów po drodze. W światłowodach tunel ten ma średnicę rzędu dziesiątek mikrometrów, jest wypełniony przeźroczystym szkłem lub tworzywem, a zamiast luster wykorzystano prawa fizyki, dzięki którym światło rozchodzi się w nim w bardzo podobny sposób. Źródłem światła bardzo często są diody laserowe, dlatego warto też wiedzieć jak działa laser.

Jak i kiedy powstał pierwszy światłowód?

Pierwszą udokumentowaną demonstracją działającego prototypu „światłowodu” był eksperyment przeprowadzony i opisany w roku 1842 przez Daniela Colladona. Wykorzystał on do tego celu strumień wody wyciekający z bocznej ściany zbiornika do ustawionej niżej miski. Odpowiednio skierowana lampa sprawiała, że strumień wody zdawał się świecić własnym światłem. Do dzisiaj zbliżone zjawisko wykorzystuje się w różnego rodzaju parkach wodnych i podczas nocnych pokazów fontann.

Pierwsze zasady działania światłowodu opracowano dzięki eksperymentom na strumieniach wody

Pierwsze zasady działania światłowodu opracowano dzięki eksperymentom na strumieniach wody

Dopiero przeszło sto lat później, w 1965 roku, niemiecki fizyk Manfred Börner zademonstrował urządzenie, które określono mianem pierwszego światłowodowego systemu transmisji danych. Kolejnym krokiem milowym okazało się opracowanie sposobu na bardzo szybkie rozciąganie szkła kwarcowego, dzięki czemu utworzone w ten sposób przewody stały się tańsze od przewodów miedzianych. Z czasem dopracowano też inne parametry produkcji, dzięki czemu światłowody stały się także bardziej odporne na zakłócenia – włókna światłowodowe mogą mieć nawet 150 km długości.

Problemy optycznej transmisji danych - zasada działania światłowodu

Jeżeli chcemy przesłać informację w postaci promienia świetlnego, musimy zagwarantować, że nadajnik i odbiornik będą się bezpośrednio „widzieć”. Muszą zatem być odpowiednio wysoko, nad drzewami, pagórkami i budynkami. Między nimi nie może być jakichkolwiek przeszkód, nawet w postaci mgły czy deszczu. Pominięcie nawet tylko jednego z tych czynników sprawi, że odebrane światło może być niewykrywalne po stronie odbiornika, a przez to komunikacja nie dojdzie do skutku.

Nawet jeśli użyjemy ogromnej mocy lasera, zapewnimy doskonałą widoczność i wycelujemy go precyzyjnie w odbiornik, to przy dużej odległości wciąż możemy tracić połączenie. Przeszkodzą nam drgania skorupy Ziemi, wywoływane np. przez ruch samochodowy. Drgania „rozmyją” wiązkę i osłabią energię świetlną docierającą do odbiornika.

Nawet dobra widoczność nie zagwarantuje stabilnego połączenia

Nawet dobra widoczność nie zagwarantuje stabilnego połączenia

Żeby poprawić połączenie, przydałoby się jakoś „zamknąć” to światło – tak aby można je było przesłać niezależnie od ukształtowania terenu, położenia nadajnika i odbiornika czy warunków atmosferycznych. Dzięki temu nasz promień świetlny mógłby przechodzić przez otwory w ścianach, przekopy pod drogami, a nawet po dnie oceanu. Brzmi nierealnie? Do tego właśnie służą światłowody!

Jak działa światłowód podczas komunikacji w trudnym terenie

Światłowód pozwala ominąć większość przeszkód i zapewnić stabilne połączenie

Jak jednak zmusić promień świetlny, który rozchodzi się po linii prostej, do pokonywania rozmaitych zakrętów? Pierwsze skojarzenie to zwierciadło. Wystarczyłaby rurka wykonana z polerowanego od środka metalu, aby liczne odbicia doprowadziły nasz promień na koniec jego drogi.

Rozchodzenie się światła w metalowej rurce

Rozchodzenie się światła w metalowej rurce

Niestety, takie rozwiązanie ma kilka istotnych wad. Po pierwsze – metalowe rurki byłyby drogie i ciężkie. Jakikolwiek defekt (np. wgniecenie) lustrzanej powierzchni osłabiałby wychodzące promienie. A gdyby w środku skropliła się wilgoć, to krople mogłyby znacznie rozproszyć, wręcz „zawrócić” takie światło.

Jest jeszcze jeden powód: odbicia światła od metalowych powierzchni (nawet czystych i gładkich) wiążą się z pewnymi stratami. Ich źródłem jest budowa chemiczna samego metalu, który pochłania część energii niesionej przez fotony. Skutkiem tego byłyby osłabienie wiązki światła i jednoczesny wzrost temperatury rurki – choć prawdopodobnie ledwo zauważalny. Na szczęście naukowcy znaleźli inny, doskonalszy mechanizm – to tzw. całkowite wewnętrzne odbicie.

Jak działa drukarka laserowa? Czym jest bęben światłoczuły?
Jak działa drukarka laserowa? Czym jest bęben światłoczuły?

Drukarki laserowe na dobre zadomowiły się w naszych domach i firmach, mało kto zdaje jednak sobie sprawę, jak działa drukarka…... Czytaj dalej »

Czym jest całkowite wewnętrzne odbicie?

Naturę całkowitego wewnętrznego odbicia wiele osób mogło zaobserwować już w latach szkolnych, podczas zabawy przeźroczystą linijką. Słońce padające na tworzywo pod różnymi kątami dawało możliwość oślepiania kolegów refleksami świetlnymi, zwanymi „zajączkami”. Położenie słońca na niebie było w tym przypadku kluczowe, a co bardziej dociekliwy obserwator szybko zauważył, że możliwości tej broni są ograniczone do pewnego zakresu kątów. Gdy powierzchnia linijki była prostopadła do padającego na nią światła, to światło przechodziło przez nią bez odbicia.

Wyobraźmy sobie podłużny blok przezroczystego pleksi leżący na stole. Bierzemy do ręki zwykły wskaźnik laserowy i przykładamy go do mniejszej ścianki tego bloku pod różnymi kątami. Jeżeli wskaźnik jest ustawiony prostopadle do płaszczyzny, to promień z lasera przechodzi na wprost przez cały blok. Na przeciwległej ścianie widzimy kropkę.

Światło lasera przy ustawieniu prostopadłym do powierzchni pleksi

Światło lasera przy ustawieniu prostopadłym do powierzchni pleksi

Gdy obrócimy laser pod innym kątem, to może nas zaskoczyć pojawienie się kilku świecących punktów. Pochodzą one od promieni, które częściowo przeszły przez blok, a częściowo zostały odbite w kierunku wnętrza szkła. To nas jednak nie zadowala w kontekście światłowodu, bo nie chcemy, aby światło „uciekało” gdzieś po drodze.

Wewnętrzne odbicia i „ucieczka” światła z bloku pleksi

Wewnętrzne odbicia i „ucieczka” światła z bloku pleksi

Ustawiając laser pomiędzy dwoma skrajnymi położeniami – prostopadłym i niemal równoległym do powierzchni pleksi – zaobserwujemy w pewnym momencie całkowite wewnętrzne odbicie światła. Promień padnie na ściankę bloku pod takim kątem, że nie będzie w stanie „przebić” się na wylot, do atmosfery. Ulegnie odbiciu w całości i w ten sposób podąży wzdłuż wnętrza bloku, aż do przeciwległej ścianki, gdzie kąt padania będzie znacznie większy od pozostałych, światło wydostanie się na zewnątrz i zobaczymy punkt na ścianie (choć prawdopodobnie w innym miejscu niż wcześniej).

Całkowite wewnętrzne odbicie światła wymaga odpowiedniego kąta padania

Całkowite wewnętrzne odbicie światła wymaga odpowiedniego kąta padania

Dlaczego tak się dzieje? Szkło i powietrze są przeźroczyste, nie stanowią same w sobie zauważalnej bariery dla światła ze wskaźnika. Dopiero granica pomiędzy tymi substancjami (częściej używa się określenia „ośrodkami”) może stanowić barierę nie do pokonania. Wynika to z różnic między tzw. współczynnikami załamania światła. Dla powietrza wynosi on (w przybliżeniu) 1, a dla pleksi – około 1,5.

Jako ciekawostkę można uznać fakt, że współczynnik załamania światła wynika w pewnym stopniu z różnicy w gęstościach między materiałami. Im większa gęstość, czyli stosunek masy ośrodka do jego objętości, tym światło porusza się wolniej. Choć nauka zna też kilka wyjątków – jest nim np. granica pomiędzy wodą i etanolem.

Na czym polega prawo Snella (Snelliusa)?

Powyższy eksperyment znany był już od starożytności, jednak uznaje się, że dopiero holenderski astronom oraz matematyk Willebrord Snell (zwany Snelliusem) poprawnie opisał to zjawisko w 1621 roku (choć zbliżoną wiedzę ludzie posiadali już w II wieku naszej ery).

Sprowadził on swoje prawo – nazwane później prawem Snella – do stwierdzenia, że promień odbity zawsze leży w tej samej płaszczyźnie co promień padający, i opisał zależność kąta padającego do załamanego. Wynika z niej, że jeśli światło przechodzi z ośrodka o mniejszym współczynniku załamania światła do ośrodka o współczynniku większym, to kąt załamania jest mniejszy od kąta padania.

Wzór ilustrujący prawo Snelliusa

Wzór ilustrujący prawo Snelliusa

Prawo Snella dotyczy tylko i wyłącznie substancji jednorodnych. Jeśli okaże się, że nasze eksperymentalne pleksi zawiera drobiny innych tworzyw, jeśli maszyna, która ją odlała, niedokładnie wymiesza składniki albo jeśli w środku znajdą się pęknięcia lub np. pęcherzyki powietrza, to w oczywisty sposób eksperyment może dać zupełnie nieprzewidywalne wyniki.

Kiedy zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie?

Im większy jest stosunek współczynników załamania światła między dwiema substancjami, tym silniej zostanie odchylony promień po przejściu z jednej substancji do drugiej. Całkowite wewnętrzne odbicie zajdzie wtedy, kiedy promień padnie pod odpowiednio dużym kątem w stosunku do granicy substancji – zostaje wówczas odbity do wnętrza, praktycznie bez żadnych strat.

Im większy kąt padania, tym mniej światła „ucieka”, a więcej się odbija od granicy ośrodków

Im większy kąt padania, tym mniej światła „ucieka”, a więcej się odbija od granicy ośrodków

Całkowite wewnętrzne odbicie zachodzi wyłącznie przy przejściu z ośrodka o większym współczynniku załamania światła do ośrodka o współczynniku mniejszym. Czyli zaobserwujemy je przy przejściu światła z pleksi do powietrza, ale przy przejściu z powietrza do pleksi już nie.

Jak działa światłowód?

Światłowód wykorzystuje w pełni opisane wcześniej zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Wspominaliśmy wcześniej o tunelu wyłożonym lustrami i o metalowej rurce wypolerowanej od środka. Dzięki fizyce rozwiązanie jest dużo prostsze. Światłowód może być po prostu bardzo długim i cienkim blokiem pleksi z naszego ostatniego eksperymentu. Jedyną różnicą w praktycznych zastosowaniach będą używane materiały, choć pleksi wykorzystuje się czasem do tworzenia „światłowodowych” lamp i innych świetlnych dekoracji wykorzystujących zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.

Tania, światłowodowa lampa z pleksi

Tania, światłowodowa lampa z pleksi

Źródło światła dostaje się do wnętrza jednego końca włókna światłowodu (długiego, przeźroczystego drutu), a dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia przemieszcza się praktycznie bezstratnie wzdłuż niego i wydostaje się drugim końcem.

Jak jest zbudowany światłowód? Zasada działania

W telekomunikacji, czyli np. do prowadzenia łączy internetowych, używane są światłowody wykonane ze znacznie doskonalszych materiałów niż pleksi. Przeważnie wykorzystuje się do tego celu bardzo czyste szkło kwarcowe. Odpowiednio cienkie włókno szkła jest zaskakująco elastyczne. Takie włókno, nazywane rdzeniem, jest powlekane innym materiałem, nazywanym płaszczem. Jego współczynnik załamania jest znacznie mniejszy od współczynnika rdzenia.

Budowa światłowodowego

Budowa światłowodowego

Jak wygląda budowa światłowodu? Rdzeń ma przekrój okrągły, a płaszcz otula go z każdej strony. Jednak taka struktura byłaby podatna na uszkodzenia. Dlatego wzmacnia się ją poprzez dodanie kolejnych warstw ochronnych, najczęściej wykonanych z tworzywa sztucznego. Liczba tych warstw i ich grubość zależą od zastosowania konkretnego światłowodu.

Przykładowa budowa przewodu światłowodowego

Przykładowa budowa przewodu światłowodowego

Czym jest światłowód jednomodowy?

Światłowody telekomunikacyjne dzielimy na jednomodowe i wielomodowe. W dużym uproszczeniu światłowód wielomodowy przenosi wiązkę składającą się z wielu promieni świetlnych (modów) jednocześnie. Posiada on negatywny wpływ na jakość wyjściowego sygnału, bo promienie rozchodzą się w nim z różnymi prędkościami (zależnie od kąta, w jakim dostały się do środka). To powoduje, że impuls świetlny staje się mniej precyzyjny, a zasięg transmisji się zmniejsza.

W światłowodzie jednomodowym wiązki świetlne rozchodzą się ze zbliżoną prędkością, dzięki czemu docierają z jednego do drugiego końca „w tym samym czasie”, pozwalając na znaczne zwiększenie zasięgu transmisji i uzyskanie lepszej precyzji sterowania czasem trwania impulsu świetlnego.

Światłowody jednomodowe muszą być bardzo cienkie. Mają grubość rzędu 9 µm, co odpowiada w przybliżeniu długości fali świetlnej. Precyzja, z jaką trzeba je wykonać, negatywnie wpływa na ich cenę. Światłowody wielomodowe są prostsze w produkcji, gdyż ich średnica wynosi „aż” 50 µm. Są też światłowody grubsze, ale stosowane na bardzo krótkie odległości.

Popularne złącza światłowodowe

Popularne złącza światłowodowe

Trzeba pamiętać, że tak małe średnice wymuszają stosowanie odpowiednich złącz. Dopasowanie czoła światłowodu do układu, który wpuszcza do niego światło (nadajnika) i je z niego odbiera (odbiornika), musi być doskonałe.

Zalety światłowodów

Wiemy już, jak działa światłowód. Pytanie, dlaczego tak chętnie go stosujemy. Głównym powodem jest szybkość transmisji. Okazuje się, że „miganie” laserem do wnętrza światłowodu może odbywać się znacznie szybciej niż przesyłanie impulsów elektrycznych przewodami. Dotyczy to zwłaszcza dużych odległości, gdzie impulsy elektryczne zaczynają być silnie tłumione.

Kolejny powód to zakłócenia. W łączu światłowodowym odbywa się zamiana impulsów elektrycznych na impulsy światła laserowego, które może wędrować kilometrami, a następnie zostać przekształcone z powrotem na postać elektryczną. Dzięki temu transmitowana informacja nie jest po drodze narażona na oddziaływanie nawet najsilniejszych zakłóceń elektromagnetycznych.

Jest jeszcze jeden powód, chociaż mniej istotny. Transmisję elektryczną można podsłuchać. Trzeba do tego odpowiednio czułych przyrządów i właściwych warunków, ale jest to możliwe. W przypadku światłowodu żadna informacja nie wydostaje się poza światłowód. A przynajmniej żadna mierzalna dostępnymi narzędziami. Natomiast ingerencja w sam światłowód (oskrobanie zewnętrznych warstw i próba dostania się do rdzenia) spowoduje znaczne zakłócenie transmisji lub ją w ogóle uniemożliwi. Odbiorca szybko dowie się, że coś jest nie tak z sygnałem.

Wady światłowodów

Światłowody to technologia znacznie nowsza od tradycyjnych przewodów elektrycznych. Z tego powodu wiedza na jej temat, materiały i narzędzia są nieco trudniej dostępne. Na przykład aby połączyć dwa końce przewodu elektrycznego, wystarczy śrubowe złącze, kropla cyny, a czasem nawet tylko sprawne palce, które skręcą te końce ze sobą.

Spawarka do światłowodów

Spawarka do światłowodów

Z kolei żeby połączyć dwa końce „gołych” światłowodów, potrzebujemy specjalnych, drogich spawarek i doświadczenia. Niedostateczna precyzja w posługiwaniu się tym narzędziem sprawi, że sygnał świetlny będzie na łączeniu znacznie tłumiony i system przestanie działać poprawnie. Światłowody wymagają też więcej uwagi przy montażu ze względu na swoją kruchość. Technologia stale się jednak rozwija i wady te z roku na rok zdają się mieć coraz mniejsze znaczenie.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 145

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Podsumowanie

W artykule przybliżyliśmy to, jak wygląda budowa światłowodu. Pokazaliśmy także ogólnie, co to jest światłowód oraz jak działa. Przywołaliśmy prawo Snella, które ma zastosowanie w budowie światłowodu oraz które pokazuje, jak wygląda zasada działania światłowodu. Jeżeli interesuje Cię światłowód, zasada działania tego sprzętu powinna być już dla Ciebie jasna.

 

Źródła: [1], [2], [3]
Autor: Michał Kurzela
Redakcja techniczna: Damian Nowak

Jak działa drukarka laserowa? Czym jest bęben światłoczuły?
Jak działa drukarka laserowa? Czym jest bęben światłoczuły?

Drukarki laserowe na dobre zadomowiły się w naszych domach i firmach, mało kto zdaje jednak sobie sprawę, jak działa drukarka…... Czytaj dalej »

jtd, komunikacja, laser, światłowody

Trwa ładowanie komentarzy...