Wybrane problemy 

techniki 

światłowodowej

Wykład -7-

Światłowody

Optoelektronika II SUM ETI 2011/12

Optoelektronika II SUM ETI 2011/12

zaoczny

zaoczny

Przypominam proponowane 

tematy referatów

2

1. Wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości 

materiałów

.

2. Wybrane technologie stosowane w wytwarzaniu 

elementów elektronicznych – dyfuzja, epitaksja, 
fotolitografia.

3. Tranzystor unipolarny i polowy budowa, zasady 

pracy.

4. Półprzewodnikowe elementy fotowoltaiczne.
5. Budowa lasera na ciele stałym – budowa i zasady 

pracy.

6. Zastosowanie światła laserowego – omów kilka 

wybranych zastosowań. 

7. Zastosowanie techniki światłowodowej w 

telekomunikacji.

Kolejne tematy 

referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne:  efekt TN, 

problemy adresowania matrycowego, 
budowa kolorowego wyświetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa 

kolorowego wyświetlacza plazmowego i 
technika jego adreso-wania. 

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL, 

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,  
realizacja zobrazowania barwnego, 
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne 

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji 
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich – 

problemy budowy i kierunki rozwoju.

Wstęp 

Optyka  stanowi  dział  fizyki,  który  zajmuje  się  światłem. 
W  mowie  potocznej  przez  termin  „światło”  rozumiemy 
zarówno  wrażenia  wzrokowe,  jak  i  zjawiska,  które  je 
wywołują. 

Z  dzisiejszego  punktu  widzenia  fale  świetlne 
stanowią 

pewien 

wycinek 

widma 

fal 

elektromagnetycznych, 

obejmujący 

fale 

o 

długościach  zawartych  w  granicach  od  380  nm  do 
780 nm (1 nm = 10

-9

 m). Najkrótsze z nich widzimy jako 

światło fioletowe, najdłuższe jako czerwone. 

Optyka,  w  szerszym  słowa  tego  znaczeniu,  zajmuje  się 
również  promieniowaniem  niewidzialnym  dla  oka 
ludzkiego o długościach fal większych niż 780 nm do 100 
m  zwanym  podczerwienią,  oraz  mniejszych  od  380  nm 

do 1 nm nazywanym nadfioletem.

 

Pełny  zakres  widma  fal  elektromagnetycznych  oraz 
„miejsce  wśród  nich”  fal  nazywanych  „światłem” 
przedstawia rys. 

4

1 0

7

1 0

6

1 0

5

1 0

4

1 0

3

1 0

2

1 0

1

1

1 0

- 1

1 0

- 2

1 0

- 3

1 0

- 4

1 0

- 5

1 0

- 6

1 0

- 7

1 0

- 8

1 0

- 9

1 0

- 1 0

1 0

- 1 1

1 0

2 1

1 0

2 2

1 0

2 0

1 0

1 9

1 0

1 8

1 0

1 7

1 0

1 6

1 0

1 5

1 0

1 4

1 0

1 3

1 0

1 2

1 0

1 1

1 0

1 0

1 0

9

1 0

8

1 0

7

1 0

6

1 0

5

1 0

4

1 0

3

1 0

- 1 3

1 0

- 1 2

1 0

- 1 1

1 0

- 1 0

1 0

- 9

1 0

- 8

1 0

- 7

1 0

- 6

1 0

- 5

1 0

- 4

1 0

- 3

1 0

- 2

1 0

- 1

1

1 0

1

1 0

2

1 0

3

1 0

4

1 0

5

E n e r g i a

f o t o n ó w  w   e V

N a z w a

p r o m i e n i o w a n i a

C z ę s t o t l i w o ś ć

w   H z

D ł u g o ś ć

f a l i   w  m

P r o m i e n i e



P r o m i e n i e   X

T w a r d e

M i ę k k i e

N a d fi o l e t

P o d c z e r w o n e

Ś w i a tł o   w i d z i a l n e

M i k r o f a l e

T e l e w i z j a

R a d i o f o n i a

F a l e   d ł u g i e

1  k i l o m e tr  [ k m ]

1  m e t r   [ m ]

1  c e n t y m e tr   [ c m ]

1  m i k r o m e t r  [ m ]



1  n a n o m e tr  [ n m ]

1  a n g s t r e m   [ A ]

widzialne

5

Poglądy na naturę światła począwszy od XVII wieku uległy 
dużym  zmianom.  Jeden  z  twórców  optyki  I.Newton 
(opierając  się  na  tym,  że  podstawową  właściwością  jaką 
wykazuje  światło  jest  rozchodzenie  się  po  liniach 
prostych)  uważał,  że  światło  polega  na  ruchu  bardzo 
drobnych cząsteczek, korpuskuł świetlnych, poruszających 
się z określonymi prędkościami i mających określony pęd. 
Teoria  ta  bardzo  dobrze  tłumaczyła  zjawiska  załamania  i 
odbicia. 

W  wieku  XIX  zapanowała  (zapoczątkowana  pod 

koniec  XVII  wieku  przez  Ch.  Huyghensa)  teoria  falowa  – 
która  zakładała,  że  światło  ma  naturę  falową.  Teoria  ta 
bardzo  dobrze  tłumaczyła  zjawiska  ugięcia  i  interferencji 
oraz prawa załamania i odbicia światła. 

6

Obecnie obowiązuje zwarta fotonowa teoria światła. 
Według tej teorii światło (promieniowanie 
elektromagnetyczne) rozchodzi się w przestrzeni w 
postaci paczek energii – fotonów. Foton odpowiadający 
promieniowaniu o częstości drgań  ma energię  

i pęd  

(gdzie h – stała Plancka, c – prędkość światła w próżni). 
Tak więc teoria fotonowa jest swoistym połączeniem 
teorii korpuskularnej i falowej. 



h

E

c

/

h

p





7

 

 Podstawowe prawa optyki geometrycznej

Codzienne  doświadczenie  uczy  nas,  że 

światło 

rozchodzi  się  po  liniach  prostych.

  Jeśli  na  drodze 

promieni ustawimy przeszkodę, to za nią powstanie cień. 

W  przypadku  źródła  punktowego  (czyli  o 

rozmiarach 

tak 

małych, 

że 

w 

porównaniu 

z 

odległościami, z których to źródło obserwujemy możemy 
je  pominąć)  cień  jest  geometryczny  (rys.  a). 
Najczęściej  jednak  źródła  są  rozciągłe  –  wówczas 
przedmioty  nieprzezroczyste  dają  cień  i  półcień  (rys.  b). 
Obszar  cienia  obejmuje  punkty,  do  których  światło  w 
ogóle  nie  dochodzi,  obszar  półcienia  oświetlony  jest 
jedynie przez część źródła rozciągłego, przy czym nie ma 
ostrej granicy pomiędzy cieniem a półcieniem. 

8

Powstawanie cienia i półcienia przy oświetleniu 

nieprzezroczystego przedmiotu z  a) punktowego, b) 

rozciągłego źródła światła

9

Prócz  prostoliniowości  rozchodzenia  się  promieni 

świetlnych  w  optyce  geometrycznej  przyjmujemy,  że 
promienie  świetlne  biegną  w  przestrzeni  całkowicie  od 
siebie niezależnie. 

Kolejną  cechą  jest  odwracalność  biegu 

promieni  świetlnych.  Oznacza  to,  że  jeśli  światło 
biegnie po określonej drodze w pewnym kierunku, 
to  również  po  tej  samej  drodze  może  biec  w 
kierunku przeciwnym. 

Gdy  wiązka  świetlna  trafia  na  swej  drodze  na  inny 

ośrodek,  to  na  powierzchni  granicznej  (granicy  dwóch 
ośrodków)  część  promieniowania  zostaje  odbita,  a  reszta 
przechodzi  do  drugiego  ośrodka  ulegając  załamaniu 
(rys.10.3).

10

Rys.10.3. Odbicie i załamanie 

światła na granicy dwóch 

ośrodków 

Optyka  geometryczna 

opiera  się  na  dwóch  prawach 
charakte-ryzujących 
zachowanie 

się 

promieni 

świetlnych  na  granicy  dwóch 
ośrodków.  Są  to  prawa 
odbicia i załamania. 

Prawa odbicia są następujące:

1.      promień padający, odbity i normalna do powierzchni 
granicznej leżą w jednej płaszczyźnie;

2.      kąt padania jest równy kątowi odbicia.

11

Prawa  załamania

  zostały  sformułowane  przez 

W.Snelliusa i brzmią następująco:

1.       promień  padający,  załamany  i  normalna  do 
powierzchni granicznej leżą w jednej płaszczyźnie;

2.       stosunek  sinusa  kąta  padania    do  sinusa  kąta 

załamania  jest wielkością stałą:

          (10.1)

gdzie n

21

 nazywamy współczynnikiem załamania ośrodka, 

do  którego  promień  wchodzi  (ośrodek  2),  względem 
ośrodka z którego wychodzi (ośrodek 1). 

21

n

sin

sin







Prawa  odbicia  i  załamania  możemy  wyprowadzić  z 

równań  Maxwella,  co  oznacza,  że  obowiązują  one  dla 
wszystkich obszarów widma elektromagnetycznego 

12

Prawa dotyczące propagacji 

światła





1





2

n

1

n

2





1





2

n

1

n

2

Prawo Snelliusa:                                   
           n

1

sin

1

= n

2

sin

2

Teraz  rozważymy  pewien  ciekawy  przypadek 

szczególny,  który  znajduje  znaczące  zastosowanie  w 
naszym  współczesnym  życiu  –  zwłaszcza  w  systemach 
łączności ...

Rozpatrzmy  promień  świetlny  biegnący  w  ośrodku 

optycznie  gęstszym  (np.  szkle),  który  pada  na 
powierzchnię  ograniczającą  ten  ośrodek  od  ośrodka  o 
mniejszej gęstości optycznej (np. powietrze) – rys.

14

Prawa dotyczące propagacji 

światła

Kąt graniczny czyli warunek na 
załamanie pod kątem prostym: 
n

1

sin

gr

= n

2





g r

n

1

n

2





g r

n

1

n

2

Prawa dotyczące propagacji 

światła

Całkowite wewnętrzne odbicie i prawo 
odbiciem:        

padania

= 

załamania

n

1

n

2

n

1

n

2

Jeżeli  kąt  padania    wzrasta,  dochodzimy  do 

sytuacji,  w  której  promień  załamany  biegnie  równolegle 
do  powierzchni  oddzielającej  oba  ośrodki  (powierzchni 
łamiącej)  –  czyli  kąt  załamania  równa  się  90

o

.  Wtedy 

spełniona jest równość:

sin 90

o

 = 1 czyli

        

 

Dla promieni padających pod kątem większym 

od  kąta  granicznego  

g

 

nie  otrzymujemy  już 

promieni  załamanych  –  obserwujemy  zjawisko 
zwane całkowitym wewnętrznym odbiciem

.

 

o

2

g

1

90

sin

n

sin

n





1

2

g

n

n

sin





17

A

B

Zjawisko  to  jest  powszechnie  wykorzystywane 

m.in.  w  światłowodzie,  które  jest  cienkim  „włóknem” 
szklanym,  a  wiązka  światła  jest  w  nim  prowadzona 
przez  całkowite  wewnętrzne  odbicie  na  granicy  szkło-
powietrze (rys.10.7).

18

Ogólny schemat budowy 

światłowodów

Światłowody składają 

się w ogólnym 
przypadku 
z dwóch warstw:

 rdzenia o wyższym 

współczynniku 
załamania, przy czym 
rdzeń może składać 
się z wielu warstw

 płaszcza o mniejszym 

współczynniku 
załamania

p ła s z c z

r d z e ń

p ła s z c z

r d z e ń

Typy światłowodów

 Światłowody 

o skokowej zmianie 
współczynnika 
załamania w rdzeniu

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

Typy światłowodów

 Światłowody 

o gradientowej 
zmianie 
współczynniku 
załamania światła 
w rdzeniu

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

r

n

n

p ła s z c z a

n

r d z e n ia

r

r d z e n ia

r

p ła s z c z a

Podział światłowodów

• ze względu na strukturę 

- włókniste 

- planarne

• ze względu na charakterystykę modową 

- 

jednomodowe 

- wielomodowe

• ze względu na rozkład współczynnika załamania w 

rdzeniu 

- skokowe 

- gradientowe

• ze względu na materiał 

- szklane

- plastikowe

- półprzewodnikowe

Propagacja w światłowodzie o skokowej 

zmianie współczynnika złamania

Wchodzące światło propaguje się wewnątrz 

rdzenia. Gdy pada na płaszcz pod kątem 

większym od kąta granicznego ulega 

całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

n

o

 to apertura numeryczna 





n

1

n

2





n

1

n

2

Odbicie światła na granicy 

światłowód - powietrze

Odbicie światła na granicy światłowód-powietrze 

opisywane jest poprzez współczynniki 
Fresnela.



n

1

n

2



n

1

n

2

Rozciągnięcie impulsu 

propagującego się w światłowodzie

W wyniku dyspersji oraz pokonywania różnych dróg 

optycznych następuje czasowe rozciągnięcie się 
impulsu światła propagującego w światłowodzie. 



n

1

n

2









w

1

w

2



n

1

n

2









w

1

w

2

Wpływ dyspersji

Wpływ tłumienia

Światłowody gradientowe

Zasada Fermata determinuje drogę po jakiej 

propaguje się promień świetlny w 
światłowodzie gradientowym.



n

2



n

2

Rozkłady gęstości mocy

W zależności od tego jaki 

typ modu propaguje 
się w światłowodzie 
mamy różny rozkład 
mocy we wiązce.

L P

0 1

L P

1 1

L P

2 1

L P

0 1

L P

1 1

L P

2 1

Telekomunikacyjne 

zastosowanie 

światłowodów

referat

Filozofia układów transmisji 

danych.

W celu zrozumienia zasady 

działania systemów transmisji 

danych opartych na liniach 

optycznych przyjrzyjmy się 

układowi elektronicznemu obok

Rysunek przedstawia układ separacji galwanicznej działający 

w  spo-sób  następujący.  Do  wejścia  (Input)  doprowadzony 

jest  sygnał  ele-ktryczny.  Sygnał  elektryczny  zamieniony 

jest  na  sygnał  optyczny.  Służy  do  tego  fotodioda 

nadawcza.  Odbiornikiem  jest  fotoele-ment  (fototranzystor 

lub  fotodioda  odbiorcza)  umieszczony  blisko  fotodiody 

nadawczej, zadaniem którego jest operacja odwrotna, czyli 

zamiana  sygnału  optycznego  na  sygnał  elektryczny.  Tak 

więc  na  wyjściu  układu  (Output)  otrzymujemy  taki  sam 

sygnał  jak  na  wejściu.  Dzięki  temu  zyskujemy  całkowitą 

izolację galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem. 

Sygnał 
elektryczny

Sygnał 
elektryczny

Sygnał optyczny

Filozofia układów transmisji 

danych.

Aby rozdzielić układ nadajnika 
od odbiornika, należy zastosować 
pomiędzy tymi elementami światłowód. 
Struktura układu transmisyjnego oparta 
na wykorzystaniu linii optycznej 
-światłowodu przedstawia rysunek obok. 
Zamiana sygnałów elektrycznych 
na sygnały optyczne dokonywana jest 
w światłowodowym module nadajnika 
a odbiór sygnałów optycznych oraz 
zamiana ich na sygnały elektryczne 
dokonywana jest w światłowodowym 
module odbiorczym. Moduły połączone 
są światłowodem, który jako środowisko 
rozprzestrzeniania się fal optycznych 
pozbawiony jest większości wad 
charakteryzujących powszechne układy 
kablowe.

Sygnał 
elektryczny

Sygnał 
elektryczny

Sygnał optyczny

Obecnie 

najnowocześniejszym 

medium 

transmi-syjnym jest światłowód (Fiber Optic 

Cable). Zasada jego działania opiera się na 

transmisji  impulsów  świetlnych  między 

nadajnikiem 

(Opti-cal 

Transmitter) 

przekształcającym  sygnały  ele-ktryczne  na 

świetlne,  a  odbiornikiem  (Optical  Receiver) 

przekształcającym 

sygnały 

świetlne 

odebrane  ze  światłowodu  w  sygnały 

elektryczne.  Sieci  oparte  na  światłowodach 

zwane  są  FDDI  (Fiber  Distributed  Data 

Interface). 

Struktura włókna 

światłowodu

Światłowód  to  falowód  służący  do  przesyłania 

promieniowa-nia  świetlnego.  Jest  w  formie  włókien 

dielektrycznych – naj-częściej szklanych, z otuliną z 

tworzywa  sztucznego,  charakte-ryzującego  się 

mniejszym  współczynnikiem  załamania  światła  niż 

wartość tego współczynnika dla szkła. 

Promień  światła  rozchodzi  się  w  światłowodzie  po 

drodze  bę-dącej  łamaną  tzn.  ulegając  kolejnym 

odbiciom  (w  przypadku  światłowodu  z  włókien  są, 

to odbicia całkowite wewnętrzne). 

Transmisja  światłowodowa  polega  na  przesyłaniu 

sygnału optycznego wewnątrz włókna szklanego. 

Budowa światłowodu.

Włókno optyczne, złożone z dwóch 

rodzajów szkła o różnych 

współczynnikach załamania (Refraction 

Index): 

- część środkowa, 

- rdzeń (Core), najczęściej o średnicy 

62,5 µm (rzadziej 50µm) - część 

zewnętrzną,

- płaszcz zewnętrzny (Cladding), o 

średnicy 125 µm; 

Warstwa akrylowa Tuba - izolacja o 

średnicy 900 µm. Oplot kewlarowy.

   - Izolacja zewnętrzna. 

Zasada działania 

światłowodu.

Promień  światła  wędrując  w  rdzeniu  światłowodu  (o 

współ-czynniku 

załamania 

n

1

), 

napotyka 

na 

środowisko  o  innym  współczynniku  załamania  (n

2

)  - 

płaszcz.  Gdy  promień  pada  od  strony  rdzenia  na 

płaszcz pod kątem α, to pewna część światła zostaje 

odbita i wraca do rdzenia. 

W  zależności  od  kąta  padania  i  współczynników 

załamania materiałów rdzenia i płaszcza, zmienia się 

ilość  odbitego  świa-tła.  Powyżej  pewnego  kąta 

zachodzi zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego 

i światło padające zostaje odbite bez strat.

Elementy optyczne wykorzystywane do transmisji danych to 

nadajniki  i  odbiorniki.  Najważniejszym  elementem  systemu 

optycznego  jest  źródło  sygnału  (nadajnik).  W  systemach 

światłowodowych fale nośne wytwarzane są przez: 

- diody laserowe (LD),

- diody elektroluminescencyjne (LED),

pośród kilku możliwych struktur diod elektroluminescencyjnych 

w telekomu-nikacji światłowodowej zastosowanie znalazły 

trzy: 

- Dioda powierzchniowa,

- Dioda krawędziowa, 

- Dioda superluminescencyjna

. 

Światłowody  mają  różną  budowę.  Zależy  ona  od  ich 

zastosowania 

i 

wynikających 

stąd 

wymagań. 

Wszechobecna  komputeryzacja  i  ciągły  rozwój  usług 

multimedialnych  "wymusił"  powstanie  światłowodów 

telekomunikacyjnych. Dają one możliwość budowania 

łączy 

dalekosiężnych, 

bądź 

lokalnych 

sieci 

komputerowych  o  dużych  przepływnościach.  Rynek 

telekomunikacji został zdominowany przez 

światłowody 

jednomodowe 

(do 

budowy 

linii 

dalekosiężnych i sieci lokalnych) oraz 

światłowody wielomodowe (do budowy sieci lokalnych)

światłowód wielomodowy skokowy

światłowód wielomodowy gradientowy

światłowód jednomodowy

Światłowody 

jednomodowe

Światłowody  jednomodowe,  których 

rdzenie  są  dodatkowo  domieszkowane 

erbem, są obecnie najlepszym medium 

transmisji sygnałów na odległość.

Światłowody 

jednomodowe 

są, 

efektywniejsze 

i 

pozwalają, 

transmitować  dane  na  odległość  100 

km bez wzmacniacza.

 

Włókna jednomodowych kabli światłowodo-

wych  mają  zwykle  od  5  do  10  mikronów 

śre-dnicy  i  otoczone  są  ochronnym 

wypełnieniem o średnicy 125 mikronów. 

Ponieważ 

instalacja 

oparta 

na 

światłowodach jednomodowych jest bardzo 

droga  i  cechuje  się  dużą  szerokością 

udostępnianego pasma, dlatego stosuje się 

ją 

przy 

budowie 

wysokiej 

jakości 

infrastruktur  informatycznych  i  w  sieciach 

telekomunikacyjnych. 

Złącze światłowodowe jednomodowe  cena 3,90 zł 
+ VAT

Wadą  światłowodów  jednomodowych  jest 

to, że w związku z bardzo małym rdzeniem, 

trudniej  jest  je  zakończyć,  wszelkie 

elementy  wymagają  większej  dokładności, 

znacznie droższe są też obecne urządzenia 

(karty 

sieciowe, 

koncentra-tory 

itp.) 

współpracujące z takimi światłowodami. 

Generalnie  wydajność  systemu  wzrasta  ze 

wzro-stem długości fali świetlnej, wzrastają 

także ko-szty.

 

Światłowody 

wielomodowe

Do transmisji sygnałów na małe 
odległości (sieci lokalne) służą 
włókna światłowodowe 
wielomodowe.

Rdzeń 

telekomunikacyjnego 

światłowodu  wielomodowego  składa 

się  z  setek  (a  nawet  kilku  tysięcy) 

warstw  szkła  kwarcowego  (SiO

2

) 

domieszkowanego 

dwutlenkiem 

germanu (GeO

2

), przy czym najwięcej 

domieszki  jest  w  osi  rdzenia. 

Warstwowe  domieszkowanie  rdzenia 

powoduje  powstanie  gradientowego 

profilu współczynnika załamania.

Światłowód wielomodowy charakteryzuje 

się  tym,  że  promień  światła  może  być 

wprowa-dzony  do  niego  pod  różnymi 

kątami - modami.

Najważniejszym problemem w przypadku 

tego  rodzaju  światłowodów  jest  zjawisko 

dyspersji,  polegające  na  "poszerzaniu" 

się  promienia  świetlnego  wraz  z  drogą 

przebytą 

wewnątrz 

światłowodu. 

Ponieważ dyspersja powiększa się wraz z 

drogą  promienia  świetlnego,  więc  kable 

wielomodowe  stosowane  są  maksy-

malnie na długościach do 5 km.  

Transmisja 

wielomodowa 

jest 

sterowana  za  pomocą  diody  LED. 
Diody 

LED 

są 

źródłem 

światła 

nieskoncentrowanego.  Ponieważ  dioda 
nie 

jest 

zdolna 

do 

wysyłania 

skoncentro-wanego 

światła, 

zatem 

wiązka ulega rozpro-szeniu. Nakłada to 
ograniczenia  na  długość  okablowania 
światłowodowego 

sterowanego 

za 

pomocą diody LED. 

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. 

Obecnie stosowane są w 

telekomunikacji następujące 

rodzaje włókien:

- włókna jednomodowe (J), 

- włókna jednomodowe z przesuniętą. 

    dyspersją, (Jp), 

- włókna jednomodowe o niezerowej 

dyspersji (Jn), 

- włókna wielomodowe - gradientowe 

(G 50/125), 

- włókna wielomodowe - gradientowe 

(G 62,5/125),

Zalety światłowodów

:

- odporność na zakłócenia 
elektromagnetyczne,
- brak generacji zakłóceń 
elektromagnetycznych,
- brak prądów błądzących,
- brak różnic potencjałów,
- mała tłumienność,
- duża trwałość, rzędu 25 lat,
- duża prędkość transmisji.

Przełączniki optyczne

Problemem pojawiającym się przy 

optycznym przesyłaniu 

informacji w sieciach rozległych 

jest odpowiednie pokierowanie 

sygnałem świetlnym, tak aby 

trafił on od nadawcy do odbiorcy.

Owo przekierowywanie wiązki 

światła realizowane jest w 

urządzeniach nazywanych 

przełącznikami optycznymi, 

które są złożone z mikrolusterek. 

Kolejny dowód, iż zawansowane technologie opierają się na 

obserwacjach codziennego życia. Zabawa w puszczanie 

"zajączków" stała się sposobem 

na obejście czasochłonnej konwersji sygnału z postaci 

analogowej 

na świetlną. Taką zasadę budowy przyjęto przy konstruowaniu 

przełączników optycznych. Na zdjęciu widać matrycę mikroluster 

zawieszonych 

na elastycznych wiązadłach - na fotografi: Lucent WaveStar 

LambdaRouter. 

Połączenia światłowodowe w 

Europie

W 2001r. w Europie działała szkieletowa sieć optyczna 

Ebone, obejmująca swoim zasięgiem 19 krajów. 

Miała długość 17,5 tys. kilometrów i jest własnością grupy 

Global TeleSystems. W sieci tej wykorzystywana jest 

technologia DWDM (Dense Wavelength Division 

Multiplexing), która pozwalała zwielokrotnić przepustowość 

światłowodów dzięki użyciu do 40 wiązek laserowych zamiast 

jednej. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie łącznie 2,5 

gigabita danych w ciągu sekundy. 

Ruchem sieciowym sterowało ponad 30 gigabitowych routerów, 

rozlokowanych na całym kontynencie. Poprzez Ebone 

możliwe jest również przesyłanie danych do Stanów 

Zjednoczonych oraz Japonii. 

W październiku 2003r. dzięki zwiększeniu z 40 do 80 fal 

świetlnych w jednym przewodzie, TP S.A. rozbudowała 

szkieletową sieć optyczną i uzyskała transmisję równą 

630Gb/s.

Kiedy spojrzymy na mapę ukazującą stan sieci Ebone, 

przekonamy się, że Warszawa ma dwa połączenia: jedno z 

Berlinem, drugie ze Sztokholmem.

Jako pierwsza połączyła Polskę z Internetem 
w 1991 roku sieć NASK. Dziś jej 
infrastruktura (górna lewa mapa), w 
większości dzierżawiona od innych, nie 
wygląda już imponująco na tle operatorów 
sieci, takich jak TP SA (która nie udostępniła 
mapy) czy TEL-ENERGO (środkowa mapa). 
Dzięki współpracy 
z TEL-ENERGO również polskie środowisko 
naukowe może pochwalić się infrastrukturą 
tworzącą szybką sieć POL-34 (górna prawa 
mapa). Na samym dole znajduje się 
orientacyjna mapa europejskiej sieci 
szkieletowej Ebone.

Sieci optyczne w Polsce

Podstawową infrastrukturę sieci optycznych DWDM 

w Polsce tworzą sieci szkieletowe znajdujące się w 

obszarze kilku największych operatorów sieci 

telekomunikacyjnej      TP S.A., sieci światłowodowej 

energetyki Tel-Energo oraz sieci resortu kolejnictwa – 

Enargis- Polska. Wielu innych operatorów takich jak 

NASK, NETIA, BTP TELBANK korzysta z własnych 

łączy lub dzierżawi fragmenty największych sieci 

światłowodowych, doposażając je w odpowiednio 

nowoczesne platformy optyczne. Początki DWDM w 

Polsce to miedzy innymi przeprowadzona w 2000 

roku eksperymentalna transmisja z szybkością do 640 

Gb/s najdłuższa kablowa. Najdłuższą kablową 

infrastrukturą optyczną o długości ponad 11 tys. km 

dysponuje TP S.A., która rozbudowuje od 2001 r. 

szkieletową sieć transmisyjną. Drugą co do wielkości 

krajową siecią optyczną dysponuje konsorcjum Tel-

Energo o łącznej długości 8.5 tys. km.

Złożonym  problemem  jest  cięcie  i  łączenie 

świa-tłowodów  ze  sobą.  Zwłaszcza  dotyczy 

to  światło-wodów  jednomodowych,  gdzie 

cienkie rdzenie, w każdym segmencie kabla 

muszą  być  w  stosunku  do  siebie  ułożone 

idealnie  centrycznie.  Na  styku  powstają 

również tzw. odbicia Fresnela, zwię-kszające 

tłumienność  połączeń.  Na  przejściach 

można  ograniczyć  straty  do  teoretycznej 

granicy  ok.  4%.  Tłumienie  na  złączach  jest 

zmienne  i  zawiera  się  miedzy  0,2  i  2  dB  w 

zależności  od  typu  użytego  złącza  i  jakości 

wykonania.

Okna transmisyjne

 

Okno transmisyjne dla fali 850 nm 

Okno transmisyjne dla fali 850 nm – jest 

naj-starsze historycznie. Charakteryzuje 
go umiar-kowana pojemno transmisyjna, 
oraz wysoka tłumienno (4dB/km). Jest ono 
wykorzystywane do transmisji opartej o 
kabel gradientowy. Stosu-je się tutaj 
sygnał modulowany, typowe odległo-ści to 
ponad 2km. Wadą  jest bardzo niska gra-
niczna szybko transmisji – 1Gb/s.

Wykorzystywane jest światło o kolorze czerwonym (bardzo 
jaskrawym), emi-towane przez zwykłą diodę półprzewodnikową. Z 
tego powodu koszt takiego połączenia jest stosunkowo niski.

 

Okno transmisyjne dla fali 1300 nm 

Okno transmisyjne dla fali 1300 nm – zostało wprowadzone w 

roku 1987. Przeznaczone do współpracy z kablami jednomodowymi 
i wielomodowymi gradientowymi. Tłumienno – około 0,4 dB/km. 
Przy transmisji wielomodowej transfer bez regeneracji może 
odbywać się na odległości do kilkudziesięciu kilometrów. Jako źródło 
światła wykorzystuje się najczęściej laser półprzewo-dnikowy. 
Maksymalna prędkość transmisji danych to 80 – 100 Gb/s

 Okno transmisyjne dla fali 1550 nm – wprowadzone w roku 
1989. Nie
znajdują tutaj zastosowania zwykłe światłowody SMF, muszą być 
wyko-rzystywane specjalne kable. Tłumienność – około 0,16 
dB/km. Okno to jest preferowane przy transmisjach na duże 
odległości

Konstrukcja włókien optycznych

Konstrukcja włókien optycznych

 Rdzeń jest ośrodkiem, w którym 
biegnie światło. Wykonany jest z 
domieszkowanego szkła np. GeO

2

+SiO

2

 

zapewniającego dobre właściwości 
przewodzące.

 Płaszcz światłowodu wykonany jest 
z czy-stego szkła SiO

2

 mającego 

niższy  współ-czynnik załamania niż 
rdzeń. 

Różnica współczynników załamania pozwala światłu poruszać się w 
rdze-niu. Granica rdzeń-płaszcz działa jak lustro nie pozwala 
wydostać się świa-tłu poza rdzeń (całkowite wewnętrzne odbicie).

 Bufor wykonany z tworzywa sztucznego np. akrylanu. Nie 
ma wpływu na działanie światłowodu. Chroni włókno przed 
uszkodzeniem w trakcie
umieszczania w kablu, podczas instalacji i w wykonywania złącz. 
Poprawia
również elastyczność

WYBRANE UWAGI O 
TECHNOLOGII 
ŚWIATŁOWODÓW

Kable  wewnątrzobiektowe

  przeznaczone  są  do 

transmisji sygnałów cyfrowych i analogowych w całym 

paśmie  optycznym,  wykorzystywanym  we  wszystkich 

systemach  transmisji:  danych,  głosu  i  obrazu, 

stosowanych 

w 

teleinformatycznych 

sieciach 

lokalnych.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• giętkie i łatwe w montażu

• mogą być układane w pobliżu instalacji elektrycznych

• nadają się do oprawiania w złączach każdego standardu

Powłoka kabli wykonana jest z materiałów trudnopalnych, 

może być równocześnie bezhalogenowa.

Kable  uniwersalne

  przeznaczone  są  do  transmisji 

sygnałów  cyfro-wych  i  analogowych  w  całym  paśmie 

optycznym, 

wykorzystywanym 

we 

wszystkich 

systemach transmisji: danych, głosu i obrazu.

Kable są przystosowane do:

• wykonywania połączeń między urządzeniami 

optoelektronicznymi w pomieszczeniach

• zamkniętych i na zewnątrz budynków

• zaciągania do kanalizacji kablowej i wewnątrzobiektowej

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• łatwe w montażu

• mogą być układane w pobliżu instalacji elektrycznych

• nadają się do oprawiania w złączach każdego standardu
Powłoka kabli wykonana jest z materiałów trudnopalnych.

Kable  zewnętrzne

  przeznaczone  są  do  transmisji 

sygnałów  cyfro-wych  i  analogowych  w  całym  paśmie 

optycznym,  wykorzystywa-nym  we  wszystkich  systemach 

transmisji:  danych,  głosu  i  obrazu,  stosowanych  w 

teleinformatycznych sieciach dalekosiężnych, rozległych i 

lokalnych, w każdej konfiguracji przestrzennej.

• Kable przeznaczone są do układania w kanalizacji kablowej 

pierwotnej i wtórnej. Kable mogą być układane w pobliżu 

energetycznych linii wysokiego napięcia.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją 

wody poprzez wypełnienie tub żelem hydrofobowym oraz 

wypełnienie ośrodka przy pomocy taśm czy sznurków 

wodnoblokujących lub żelu hydrofobowego.
Powłoka kabli jest odporna na ścieranie, promieniowanie UV 

oraz korozję naprężeniową.

Kable  zewnętrzne  wzmacniane

  przeznaczone  są  do 

transmisji  sygnałów  cyfrowych  i  analogowych  w  całym 

paśmie  optycznym,  wykorzystywanym  we  wszystkich 

systemach transmisji: danych, głosu i obrazu, stosowanych 

w 

teleinformatycznych 

sieciach 

daleko-siężnych, 

rozległych  i  lokalnych,  w  każdej  konfiguracji  przestrzen-

nej

.

Kable tubowe wzmacniane, są przystosowane do:

• układania w kanalizacji kablowej pierwotnej i wtórnej

• układania bezpośrednio w ziemi na terenach o małym zagrożeniu 

uszkodzeniami mechanicznymi

• podwieszania na słupach linii telefonicznych, linii energetycznych średnich 

i niskich napięć,

• trakcji kolejowej

• Kable mogą być układane w pobliżu energetycznych linii wysokiego 

napięcia.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją wody.

Kable  samonośne

  są  przeznaczone  do  transmisji 

sygnałów  cyfro-wych  i  analogowych  w  całym  paśmie 

optycznym  wykorzystywanym  we  wszystkich  systemach 

transmisji:  danych,  głosu  i  obrazu,  stoso-wanych  w 

teleinformatycznych  sieciach  dalekosiężnych,  rozległych  i 

lokalnych,  w  każdej  konfiguracji  przestrzennej.  Kable 

przystoso-wane  są  do  podwieszania  na  słupach  linii 

telefonicznych. Kable z dielektrycznym elementem nośnym 

przystosowane  są  do  podwie-szania  na  słupach:  trakcji 

kolejowej, linii energetycznych średnich i niskich napięć.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją 

wody
Powłoka kabli jest odporna na ścieranie, promieniowanie UV 

oraz korozją naprężeniową.

Kable 

przeciwgryzoniowe

 

przeznaczone 

są 

do 

transmisji  sygnałów  cyfrowych  i  analogowych  w  całym 

paśmie  optycznym  wykorzysty-wanym  we  wszystkich 

systemach 

transmisji: 

danych, 

głosu 

i 

obrazu, 

stosowanych 

w 

teleinformatycznych 

sieciach 

dalekosiężnych,  rozle-głych  i  lokalnych,  w  każdej 

konfiguracji przestrzennej.

Kable tubowe wzmacniane są przystosowane do:

• układania w kanalizacji kablowej pierwotnej i wtórnej

• układania bezpośrednio w ziemi na terenach o małym zagrożeniu 

uszkodzeniami mechanicznymi

• podwieszania na słupach linii telefonicznych, linii energetycznych 

średnich i niskich napięć

• trakcji kolejowej

• Kable mogą być układane w pobliżu energetycznych linii wysokiego 

napięcia.

Właściwości użytkowe:

• w pełni dielektryczne

• odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją wody

Zastosowanie poliamidu w dwuwarstwowej powłoce stanowi ochronę 

kabli przed atakami gryzoni. Powłoka kabli odporna jest na ścieranie, 

promieniowanie UV oraz korozję naprężeniową.

Kable  do  kanalizacji  ściekowej

  przeznaczone  są  do 

transmisji  sygnałów  cyfrowych  i  analogowych  w  całym 

paśmie  optycznym  wykorzystywanym  we  wszystkich 

systemach 

transmisji: 

danych, 

głosu 

i 

obrazu, 

stosowanych  w  teleinformatycznych  sieciach  daleko-

siężnych,  rozległych  i  lokalnych,  w  każdej  konfiguracji 

przestrzen-nej.

Kable są przystosowane do układania:

• w kanalizacji ściekowej

• bezpośrednio w ziemi i na ziemi w terenach o dużym zagrożeniu 

uszkodzeniami mechanicznymi

• w kanalizacji kablowej pierwotnej

Właściwości użytkowe:

• mają w pełni dielektryczne ośrodki

• są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

• są zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i wzdłużną penetracją 

wody

Dzięki zastosowaniu taśmy stalowej falowanej kable zachowują 

giętkość i są odporne na działanie naprężeń poprzecznych oraz ataki 

gryzoni. Powłoka zewnętrzna kabli jest odporna na ścieranie, 

promieniowanie UV oraz korozję naprężeniową.

Kable taktyczne

 mają zastosowanie w:

• wojskowa łączność polowa,

• łączność polowa na terenach gdzie prowadzone są prace 

geologiczne, górnicze, archeologiczne itp. na otwartej 

przestrzeni oraz pod ziemią

• łączność polowa na terenach przemysłowych, gdzie 

prowadzone są prace remontowo-budowlane szczególnie 

w przemyśle chemicznym i naftowym, na otwartej 

przestrzeni i pod ziemią oraz wszędzie tam, gdzie 

występują narażenia na oddziaływanie szkodliwych 

czynników chemicznych i mechanicznych,

• czasowe systemy łączności, przesyłania danych oraz 

sygnałów telewizyjnych np. dla ekip obsługujących 

przekazy z wydarzeń i imprez na terenie otwartym oraz w 

obszarach zabudowanych,

• czasowe systemy nadzoru terenów i obiektów 

wymagających transmisji sygnałów o dużej przepływności 

np. z kamer wizyjnych

Własności użytkowe:

lekkie, wytrzymałe (na działanie sił rozciągających i 

zgniatają-cych) dzięki podwójnej warstwie 

wzmocnienia z włókien aramido-wych,

 przeznaczone dla służb zbrojnych i cywilnych w celu 

szybkiego i łatwego utworzenia światłowodowej 

łączności w warunkach polo-wych

zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach 

środowiskowych gdzie wymagane są niska średnica 

(np. 6,0 mm) i mała masa kabla (np. 27 kg/km),

 przystosowane do układania na otwartej 

przestrzeni, pod ziemią w warunkach narażeń na 

mechaniczne uszkodzenia czy też w pomie-szczeniach 

zamkniętych.

dwie poliuretanowe powłoki kabla zapewniają 

wysoką giętkość kabla w niskich temperaturach, 

umożliwiają wielokrotne zwijanie i rozwijanie kabla,

są odporne na czynniki chemiczne, ścieranie, 

drgania mechani-czne, niepalnione dzięki 

zastosowaniu bezhalogenowego poliuteranu 

nierozprzestrzeniającego płomienia

wzdłużnie uszczelnione dzięki zastosowaniu 

wodnoblokujących włókien aramidowych

odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, 

zapewniają szybką transmisję danych

Kable  górnicze

  są  przeznaczone  do  transmisji  sygnałów 

cyfrowych i analogowych w całym paśmie optycznym. Służą 

do  wykonywania  połączeń  między  urządzeniami  systemów 

optoelektronicznych.  Są  przystosowane  do  układania  na 

powierzchni  i  w  podziemnych  wyrobiskach  zakładów 

górniczych. Mogą być podwieszane poziomo i pionowo.

Właściwości użytkowe:

• Kable górnicze maja w pełni dielektryczne ośrodki i są odporne 

na zakłócenia elektromagnetyczne. Zastosowanie dielektrycznego 

centralnego elementu wytrzymałościowego, wzmocnienia na 

ośrodku z włókien aramidowych zespolonych klejem 

termotopliwym oraz opancerzenia z drutów stalowych pozwala na 

uzyskanie dużej odporności kabli na naprężenia wzdłużne i 

poprzeczne. Kable są zabezpieczone przed wnikaniem wilgoci i 

wzdłużną penetracją wody poprzez zastosowanie taśm i sznurków 

pęczniejących pod wpływem wilgoci. Zewnętrzna powłoka kabli 

jest wykonana z polwinitu nierozprzestrzeniającego płomienia 

uodpornionego na działanie światła.

W porównaniu z tradycyjnymi kablami 

miedzianymi świa-tłowód ma wiele zalet.

Najważniejsze z nich to:

• niskie tłumienie,

• szerokie pasmo transmisyjne,

• brak przesłuchów,

• poufność transmisji,

• niewrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne,

• nie wytwarzanie zakłóceń w otoczeniu,

• mała masa,

• mała średnica,

• niski koszt,

• szeroki zakres temperatur pracy,

• izolacja między nadajnikiem a odbiornikiem,

• brak niebezpieczeństwa zwarcia elektrycznego,

• brak niebezpieczeństwa iskrzenia.

Światłowód nie jest jednak ośrodkiem idealnym. 

Ograniczenia możliwości transmisyjnych 

wynikają z następujących efektów:

• tłumienia  światłowodu  powodującego  straty  mocy 

optycznej  sygnału.  Określa  ono  zasięg  transmisji,  i 

tym 

samym 

długości 

odcinków 

między 

regeneratorowych,

• dyspersja  chromatyczna  (zależność  współczynnika 

załamania, 

a 

więc 

prędkości 

światła 

od 

częstotliwości)  powodująca  posze-rzenie  czasowe 

impulsów  i  niebezpieczeństwo  przypisania  im 

błędnych  wartości  w  odbiorniku.  Poszerzenie  to 

rośnie  wraz  z  odległością  transmisji.  W  związku  z 

tym  na  krótkich  łączach  szybka  transmisja  jest 

możliwa,  na  łączach  długich  zaś  konie-czny  jest 

kompromis między szybkością i odległością transmi-

sji,

• nieliniowość 

optyczna 

szkła 

(zależność 

współczynnika  zała-mania  od  natężenia  światła) 

powodująca również zniekształce-nia impulsów.

Zastosowanie światłowodów  w 

telekomunikacji:

1.  Łącza  telefoniczne:

  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  -  pracując  w 

standardzie  T3  -  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  wzmacniaków.  Dziś  możliwa  jest 

nawet  budowa  podmorskiej  linii  światłowodowej 

ułożonej  na  dnie  Oceanu  Atlantyckiego.  Odległość 

między Nowym Jorkiem a Londynem, wynosząca 6500 

km, 

wymagałaby 

zainstalowania 

około 

200 

wzmacniaków rozstawionych, co 30-35 km.

2. Usługi abonenckie.

3. Sieci telekomunikacyjne w elektrowniach:

 

Światłowody mogą być prowadzone przez tereny 

elektrowni lub podstacji energetycznych bez 

żadnego uszczerbku dla transmitowanych 

sygnałów. Możliwe jest dołączenie światłowodu do 

któregoś z kabli przewodzących prąd lub po 

prostu wykonanie kabla energetycznego 

zawierającego również żyłę światłowodową.

4. Linie telekomunikacyjne wzdłuż linii 

energetycznych.

5. Telekomunikacyjna sieć kolejowa.

6. Łączność terenowa.

7. Rozgłośnie telewizyjne:

 Niewielki ciężar kabla 

światłowo-dowego  jest  bardzo  wygodny  przy 

transmisjach  "na  żywo,  umożliwia,  bowiem 

znaczną  swobodę  ruchu  kamer  i  minika-mer.  W 

zastosowaniach  tych  wykorzystuje  się  tylko 

jeden  ka-nał,  a  więc  sygnał  może  być 

przekazywany  w  paśmie  podsta-wowym  w 

postaci analogowej. Szerokość pasma 6 MHz jest 

w zupełności wystarczająca.

8. Telewizja kablowa.

9. Lokalne sieci komputerowe.

10. Zdalna kontrola i ostrzeganie:

 

Światłowody skutecznie konkurują z kablami 
koncentrycznymi również w zakresie transmisji 
sygnałów wizyjnych dla celów zdalnej kontroli i 
nadzoru. Duża odporność na zakłócenia 
elektromagnetyczne oraz mała podatność na 
zniszczenie wskutek wyładowań atmosferycznych 
są w tych zastosowaniach szczególnie istotne.

11. Pociski sterowane światłowodami.

12.  Komputery:

  Systemy  światłowodowe  są 

szczególnie 

predy-sponowane 

do 

transmisji 

danych  w  postaci  cyfrowej,  na  przy-kład  takich, 

jakie  powstają  w  komputerach,  Możliwe  jest  wy-

konywanie 

połączeń 

między 

centralnym 

procesorem 

a 

urzą-dzeniami 

peryferyjnymi, 

między  centralnym  procesorem  a  pamięcią  oraz 

między  różnymi  procesorami.  Małe  rozmiary  i 

niewielki  ciężar,  dobre  zabezpieczenie  informacji 

wynikające 

z 

"zamknięcia" 

promieniowania 

wewnątrz  włókna  optycznego  sprawiają,  że 

światłowody  są  odpowiednim  torem  do  transmisji 

danych, bez względu na odległość.

13. Wewnętrzne przekazywanie danych.
14. Okablowanie samolotów i statków:

 Istotną 

zaletą w zastoso-waniach na statkach i w 

samolotach jest zmniejszone ryzyko iskrzenia i 

pożaru.

Wzmacnianie sygnału

Budowa lasera diodowego oraz zastosowanie 

zintegrowanych wzmacniaczy 

światłowodowych były ważnymi krokami w 

rozwoju komunikacji światłowodowej.

la s e r

e r b

W z m a c n ia c z

      o p ty c z n y

la s e r

e r b

W z m a c n ia c z

      o p ty c z n y

Laserowy wzmacniacz sygnału 

Ramanowskiego

Nietelekomunikacyjne 
zastosowania techniki 

światłowodowej

Perspektywa przyszłości 

– KOMPUTERY OPTYCZNE

ZALETY
• ogromna przepustowość 
• promień światła może się krzyżować z innymi 

promieniami, nie ulegając przy tym znaczącym 

zakłóceniom 

• przez światłowód może płynąć jednocześnie 

światło o różnych długościach fali. Dlatego też 

komputery optyczne nadają się szczególnie 

dobrze do roli komputerów równoległych 

• SZYBKOŚĆ - Nauka nie zna niczego szybszego 

od światła, poruszającego się w próżni z 

prędkością 300 000 km/s 

Perspektywa przyszłości 

– KOMPUTERY OPTYCZNE

Cudowny wynalazek w uścisku pęsety: w tym małym 

przedmiocie można zamknąć nanosekundowe światło. 

Prototyp optycznego układu pamięci.

Perspektywa przyszłości 

– KOMPUTERY OPTYCZNE

Części składowe komputera 

optycznego w porównaniu z 

okiem muchy.

Przekrój poprzeczny 

falowodu (superszybkiego 

światłowodu) 

przekazującego fale 

świetlne.

Znaczące różnice

- Światło zamiast elektryczności 

KOMPUTERY OPTYCZNE

• Nośnikiem  informacji  jest 

świa-tło. 

Światło 

można 

rozpatrywać  jako  falę,  ale 

również 

jako 

stru-mień 

cząsteczek  zwanych  foto-

nami. 

Nie 

niosą 

one 

ładunku  elektrycznego  i  nie 

wymagają chłodzenia. 

• Pomiędzy 

częściami 

komputera 

optycznego 

sygnały 

biegną 

światłowodami.

• Brak 

wytwarzania 

z 

układów 

ciepła, 

oraz 

problemów 

z 

jego 

odprowadzaniem.

KOMPUTERY OBECNE

• Nośnikiem  informacji  są 

ele-ktrony. 

Części 

elektroniczne 

są 

zbudowane z krzemu. 

• Sygnały 

pomiędzy 

poszcze-gólnymi 

częściami 

komputera 

biegną  po  metalowych, 

alumi-niowych 

lub 

miedzianych ście-żkach. 

• Wysokie  częstotliwości 

takto-wania 

powodują 

nagrzewanie 

się 

układów.

Zalety i właściwości 

światłowodów

w dziedzinie systemów 

oświetleniowych

• Szeroką gamę zastosowań - światłowody mogą być użyte do 

oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. Są odporne na 

wpływ warunków atmosferycznych.

• Bezpieczeństwo stosowania - energia elektryczna 

dostarczana jest tylko do generatorów światła. W samym kablu 

światłowodowym nie płynie prąd, dzięki czemu światłowody 

można używać nawet do oświetlenia podwodnego.

• Trwałość - raz zainstalowane światłowody nie tracą swoich 

własności. Odpowiednia powłoka chroni je przed glonami 

i grzybami.

• Łatwość i niskie koszty obsługi - sam światłowód jest 

praktycznie bezobsługowy - może być więc układany 

w miejscach trudno dostępnych. Sporadycznej obsługi wymaga 

jedynie generator światła, np. w celu wymiany żarówki. 

Generator światła powinien być umieszczony w miejscu 

o łatwym dostępie.

• Uniwersalność - ten sam kabel światłowodowy można używać 

wielokrotnie w różnych projektach, za każdym razem nadając 

mu inny kształt i/lub zmieniając kolorowe filtry w generatorze 

światła.

Zalety i właściwości 

światłowodów

w dziedzinie systemów 

oświetleniowych

• Podczas świecenia światłowód nie wydziela ciepła, nie 

występuje też promieniowanie UV.

• Dowolna zmiana koloru światła - dzięki zastosowaniu 

odpowiednich fil-trów barwnych możliwe jest uzyskanie 

dowolnego koloru świecenia.

• Łatwość nadawania kształtu - światłowód jest elastyczny 

i posiada niewielki promień gięcia. Można go formować 

w praktycznie dowolny sposób.

• Elastyczność w doborze komponentów - istnieje ogromna 

różnorodność światłowodów, generatorów światła oraz 

akcesoriów dodatkowych, które mogą być zestawiane 

w niezliczonej liczbie konfiguracji. Wiele kabli światłowodowych 

może być podświetlanych przez jeden generator światła.

• Wiele punktów świetlnych z jednego źródła światła - za 

pomocą światłowodów możemy rozprowadzić światło z jednego 

źródła w kilka oddalonych od siebie miejsc.

• Możliwość dokładnego określenia poziomu natężenie 

światła - dzięki technologii obróbki światłowodów 

stosowanych przez firmę Roblon z Danii.

„Niekiedy ten sam przedmiot w 
różnym
oświetleniu sprawia odmienne 
wrażenie.“
Tania Blixen, pisarka

ŚWIATŁOWODY

Światłowody stosowane są tam, gdzie szczególną rolę 
od-grywa subtelne oświetlenie efektowe.
Dzięki zastosowaniu PMMA (polimetylmetakrylat) lub 
włókna
szklanego w technice oświetleniowej możliwe jest 
instalowa-nie punktów świetlnych w niezwykłych 
miejscach bez potrze-by ich późniejszego 
konserwowania lub montaż w materia-łach 
tworzących spektakularne efekty świetlne.
Za pomocą filtrów interferencyjnych oddających 
100% żąda-nej barwy światła (pozostałe fale są 
filtrowane) możemy na
życzenie dokonywać zmiany barw mechanicznie lub 
za po-mocą nastaw czasowych. W generatorach 
światła mogą być
zastosowane filtry korekcji barw.

 

ZESTAWY ŚWIATŁOWODÓW Z POLIMETYLMETAKRYLATU 

(PMMA) LI1QW20WCU

 SCHRACK INFO

Dekoracyjny zestaw w formie gwieździstego nieba

• Nie wymaga konserwacji
• Tylko jedno źródło światła na generator
• Enengrooszczędny generator w zestawie
• Brak zabrudzeń w miejscu wyjścia wiązki światła w punktach 
świetlnych
• Możliwość generowania różnych barw światła w czasie 
wskazanym przez użytkownika
• Bezszelestny, brak wentylatora w generatorze

 DANE TECHNICZNE
Źródło specjalne 230V/12V 20W w generatorze

Różne zastosowania 

domowe

Przykłady wykorzystania 

światłowodów

Inne zastosowania

Warto wiedzieć, że światłowody stosuje się też: 

 Jako transmisję obrazu i mocy w zastosowaniach 

medycznych;

 Jako kabel studyjny do pracy w telewizji "na żywo„

 W pomiarach obciążeń, naprężeń, odkształceń, 

przemieszczeń;

 Jako  mierniki  pH;  Jako  czujniki  drgań,  odległości, 

przezroczy-stości (wody, atmosfery); 

 Do monitorowania temperatury, ciśnienia, naprężeń 

pola elektrycznego; 

 W diagnostyce i badaniach silników spalinowych; 

 Do monitorowania składu mieszanki paliwowo-

powietrznej; 

 W optycznych skaningowych mikroskopach tunelowych; 

 W kontroli procesów transportu cieczy i gazów. 

Technika światłowodowa w lotnictwie

Zastosowanie 

techniki 

światłowodowej 

w 

lotnictwie  wydaje  się  być  procesem  naturalnym,  z 
powodu  potencjalnych  możliwości  oferowanych  przez 
to  rozwiązanie.  Po  pierwsze  systemy  światłowo-dowe 
zapewniają redukcję masy i objętości nawet do 80% w 
stosun-ku do klasycznych układów elektrycznych. Jeżeli 
uzmysłowić  sobie  fakt,  iż  system  elektrycznych  kabli 
samolotu F-22 Raptor ma nadal ponad 18 km długości i 
waży ponad 550 kg, to obniżenie wagi tej instalacji jest 
szczególnie  cenne  –  oznacza  bowiem  możliwość  zwię-
kszenia  udźwigu  samolotu.  Po  drugie,  układy  te  są 
‘bezpieczne’ gdyż gwarantują pełną izolację od wpływu 
impulsów  elektromagnety-cznych  EMI  (ang.  Electro-
Magnetic  Impulse),  zakłóceń  radiowych  RFI  (ang. 
Radio-Frequency Interference) jak i nie stanowią źródła 
fal 

elektromagnetycznych 

umożliwiających 

przeciwnikowi  namierzenie  obiektu.  Dla  klasycznych 
układów  elektrycznych  izolacja  taka  jest  nie-możliwa 
choćby  z  powodu  występowania  licznych  połączeń 
elektry-cznych (w F-22 jest ich ok. 138.000). 

Przy  relatywnie  niskich  kosztach,  oferują  prawie 

nieograniczone  pasmo  przenoszenia,  co  pozwala  na 
szybki  i  efektywny  przekaz  informacji.  Zalety  te 
pozwalają  na  ich  szerokie  zastosowanie  na 
pokładach  współczesnych  statków  powietrznych 
zasadniczo w trzech kategoriach. 
>> 

Pierwszą 

stanowią 

systemy 

szybkiego 

przekazu informacji wew-nątrz statku. 
>>  Druga  to  elementy  nowoczesnych  czujników 
takich 

jak 

światło-wodowe: 

giroskopy 

 

i 

przyspieszeniomierze,  czujniki  ciśnienia  i  tem-
peratury  czy  też  systemy  kontroli  lotu  i 
monitoringu pracy silników.
>> W końcu, mogą być zastosowane jako element 
czujnikowy 

materiałów 

kompozytowych, 

co 

poprzez  struktury  samo  adaptujące  pozwala  na 
pełny  monitoring  stanu  elementów  nośnych 
samolotu. 

Jednakże  zastosowanie  techniki  światłowodowej  w 

technice 

lotniczej 

wymaga 

spełnienia 

pewnych 

szczególnych  wymagań.  Chodzi  tu  między  innymi  o 
szeroki  zakres  możliwych  temperatur  pracy,  odporność 
elementów  i  systemów  na  wibracje,  drgania  czy  też 
przeciążenia. 

Światłowód jako system szybkiego przekazu 
informacji

 

Od  przeszło  20  lat  na  licznych  statkach 

powietrznych 

stosuje 

się 

cyfrową 

magistralę 

komunikacyjną 

MIL-STD-1553. 

Jednak 

awio-nika 

samolotów  nowej  generacji  wymaga  transmisji  dużej 
ilości  da-nych  i  większych  szybkości  transmisji  niż 
przepustowość  1Mbit/sek  oferowana  przez  MIL-STD-
1553.  Problemy  te  łatwo  można  rozwiązać  stosując 
światłowody zamiast tradycyjnych przewodów elektry-
cznych (kabli koncentrycznych czy skrętek). 

Światłowodowe 

magistrale 

komunikacyjne 

stanowią  już  dziś  podstawę  systemów  awionicznych 
zarówno  statków  powietrznych  nowej  generacji 
(samoloty  EF-2000  EuroFighter  i  F-22  Raptor,  śmi-
głowiec  RAH-66  Comanche)  jak  i  zmodernizowanych 
starszych  ty-pów.  Przykładem  może  być  samolot  A-7, 
na  którym  302  przewody  elektryczne  zastąpiono  12 
światłowodami, co spowodowało redu-kcję masy  łącza 
o  95  %  (z  40  kg  przewodu  tradycyjnego  do  1.7  kg 
kabla światłowodowego). 

W  tym  przypadku  nie  występują  również 

ograniczenia  dotyczą-ce  fizycznej  długości  szyny,  a  co 
najważniejsze rozwiązanie optyczne całkowicie eliminuje 
wpływ  impulsu  elektromagnetycznego  (EMI)  i  zakłóceń 
radiowych  (RFI),  gdyż  światłowód  pozwala  na  pełną 
separację elektryczną połączonych ze sobą urządzeń.

Parametr

Sieci lokalne

Sieci pokładowe

Temperatura 

pracy

0 do 70C

-65 do 150C

Wilgotność

0-95

Szczelne hermetycznie

Wibracje

Częstotliwości  do  5 

Grms

Szerokopasmowe,  15-40 

Grms

Przeciążenia

5-

50-

Siły 
rozciągające

65 N

powyżej 10 000 N

Skręcenia 
kabla

13  N

40 N

Zginanie kabla 100 cykli w 90

100 cykli w 180

Łatwopalność
Toksyczność

Zgodnie  z  krajowymi 

normami 
elektrycznymi

Ustalana przepisami FAR

Tolerowane 
ciśnienie

Praca na ziemi

Do 

Zanurzenie w 
cieczy

Nie wymagane

Odporne na działanie 
środków czyszczących i 

paliwa lotniczego

Mgła solna

Nie wymagany

Hermetyczne

Piasek i kurz

Nie wymagany

Hermetyczne

Porównanie komercyjnych i lotniczych  wymagań na 

sieci światłowodowe 

Światłowód jako element systemu kontroli lotu 

Ostatnio  wprowadzone  do  eksploatacji  samoloty 

Boeing 777 i Airbus 320 używają systemu kontroli lotu 
bazującego  na  kablach  ele-ktrycznych  tzw.  FBW  (ang. 
Fly-by-Wire) 

zamiast 

tradycyjnych 

ukła-dów 

mechanicznych. 

Pomimo wielu zalet takiego systemu główną jego 

wadą jest wrażliwość na EMI oraz wysoko-natężeniowe 
pola  radiacyjne.  Stąd  powstała  koncepcja  budowy 
optycznego  systemu  kontroli  lotu  –  FBL  (ang.  Fly-by-
Light)  opartego  o  włókna  optyczne  (rys.4),  który 
ostatnio  rozszerzony  jest  o  koncepcję  zastosowania 
światłowodów  do  syste-mu  kontroli  silników  ECS  (ang. 
Engine Ciontrol System) - rys. 5 

Diagram konfiguracji systemu FBL opracowany w 1994 przez 

Systems Research Aircraft 

Czujniki optyczne w systemie kontroli silnika 

Zasadniczy problem z budową tych systemów jest ich 
niezawodno-ść.  Albowiem  pierwszym  i  zasadniczym 
wymaganiem 

stawianym 

systemowi 

kontroli, 

zwłaszcza  lotu,  jest  jego  wiarygodność.  Można 
stwierdzić, 

iż 

z 

definicji 

kontrola 

lotu 

jest 

niebezpieczeństwem lotu – jeśli zawodzi samolot oraz 
przebywający  w  nim  ludzie  stają  się  ekstremalnie 
zagrożeni. 

Do określania jakości systemu kontroli 

lotu 

używa 

się 

współczynnika 

prawdopodobieństwa  utraty  kontroli  -  PLOC 
(ang. 

probability-of-loss-of-control), 

który 

wynosi  10

-5

  usterek  na  godzinę  lotu  (dla 

samolotów  wojskowych)  oraz  10

-9

  dla  lotnictwa 

cywilnego.

 

Zatem 

elementy 

światłowodowe 

stosowane  w  takim  systemie  muszą  gwarantować  co 
najmniej  taką  lub  wyższą  niezawodność,  co  nie  jest 
łatwe do osiągnięcia. 

FA-18 podczas test systemów fotonicznych w ramach 
programu FOCSI 

Dla  FBL,  wszystkie  typy  czujników,  poza 

przyspieszeniomie-rzami  maja  swe  światłowodowe 
odpowiedniki.  Natomiast  system  ECS  poza  czujnikiem 
położenia, temperatury i ciśnienia wymaga do-datkowo 
czujników:  prędkości  obrotowej  turbiny  oraz  detektora 
pło-mienia.  Jednakże,  do  budowy  całego  systemu  FBL 
na bazie włókien optycznych w niedalekiej przyszłości, 
konieczne  jest    osiągnięcie  dla  nich  komercjalnego 
poziomu rozwoju zgodnego z wymaganiami stawianymi 
przez lotnictwo wojskowe. 

Światłowód jako czujnik wielkości fizycznej 

W 

wielu 

laboratoriach 

prowadzone 

są 

zaawansowane 

badania 

nad 

możliwościami 

zastosowania  czujników  światłowodowych  do  detekcji 
przyspieszeń,  pól  elektrycznych  i  magnetycznych, 
tempera-tury, pola akustycznego, drgań, wilgotności czy 
ciśnienia. Badania te mają na celu wytworzenie układów 
aplikacyjnych dla przyszłych zastosowań. 

Pozytywnym 

przykładem 

może 

być 

kompensowany 

tempera-turowo 

światłowodowy 

przetwornik  ciśnienia  dla  bezwzględnego  po-miaru 
ciśnienia  -    FOTPS  (ang.  Fiber  Optic  Total  Pressure 
Sensor)  Przetwornik  ten  mierzy  sumę  ciśnienia 
barycznego  na  danej  wysokości  oraz  ciśnienia 
dynamicznego z rury Pitota, które jest proporcjonalne do 
szybkości  powietrza.  Układ  ten  przeszedł  pozytywne 
badania  na  pokładzie  FA-18  (w  ramach  programu 
FOCSI).  W  zakresie  pomiarowym  od  0  do  276  kPa 
uzyskano odchylenie standardowe w granicach 1%.  

Niewątpliwym  liderem  jest  jednak  żyroskop 

światłowodowy  -  FOG  (ang.  Fiber  Optic  Gyro),  będący 
pierwszym  czujnikiem  światło-wodowym  który  osiągnął 
poziom  rozwoju  pozwalający  na  jego  zasto-sowanie  na 
szersza  skalę  w  tym  także  w  lotnictwie.  Głównym 
elemen-tem  tego  sukcesu  są  proponowane  przez  FOG 
parametry  z  wolna  po-wodujące  dominację  tej 
technologii  w  dowolnych  systemach  nawiga-cji. 
Klasyczne żyroskopy mechaniczne w wielu przypadkach 
nie  zape-wniają  już  bowiem  odpowiednich  parametrów 
pomiarowych. Z kolei żyroskop laserowy ze względu na 
zjawisko  sprzęgania  modów  wyma-ga  stosowania 
uciążliwego  systemu  drgań  mechanicznych  nie  dając 
spodziewanej  jakości  wskazań  dla  niskich  prędkości 
pomiarowych.  Natomiast  FOG  jest prostszym  w  użyciu, 
zaś  możliwe  do  osiągnięcia  parametry  pozwalają  na 
jego  szerokie  wykorzystanie  w  wielu  dziedzinach 
pokazanych na rys

Pierwsza  generacja  żyroskopu  światłowodowego 

I-FOG,  bazu-je  na  interferometrze  (rys.  10a). 
Przeciwbieżne  wiązki  świetlne  mają,  z  tytułu  efektu 
Sagnaca,  różnicę  faz  proporcjonalną  do  wejściowej 
prędkości  kątowej  (W).  Ta  różnica  faz  jest  mierzona 
przez 

detektor 

jako 

zmiana 

natężenia 

interferencyjnego.  Obecnie  I-FOG  są  na  tyle  dobrze 
rozwinięte,  iż  zaczynają  być  wdrażane  w  praktyce. 
Zapewniają 

krótkie 

czasy 

uruchamiania, 

małą 

konsumpcje  mocy,  są  lekkie  i  raczej  niekosztowne;  w 
zamian  oferują  szeroki  zakres  pomiarowy  oraz  sze-
rokie  pasmo.  Wytwórcy  tych  układów  zwiększają 
czułość  poprzez  użycie  dłuższych  włókien  (100-
1000m),  które  to  podnosi  koszt  urzą-dzenia  oraz 
wprowadza  wyższe  szumy.  Pozostałe  typy  takie  jak: 
pokazany  na  rys.  10b  rezonator  FOG  (R-FOG)  i  FOG  z 
wykorzystaniem rozproszenia wstecznego Brillouina (B-
FOG  -  rys.  10c)  mogą  oferować  wyższą  czułości  oraz 
szersze  pasmo  dynamiki  przy  krótszych  odcinkach 
światłowodu.  Jednakże  ich  rozwój  znajduje  się  w 
stadium  początkowych  stad  należy  traktować  je  jako 
ewentualne rozwiązania przyszłościowe.

Przestrzeń  kosmiczna  poza  strefą  przyciągania 

Ziemskiego, 

precyzyjna 

nawigacja 

kosmiczna, 

pozycjonowanie 

i 

stabilizowanie 

w 

przestrzeni 

kosmicznej wymagają czułości lepszej niż 0.001

o

/h. Dla 

I-FOG  pomocne  w  osiągnięciu  tego  zakresu  może  być 
zastosowanie  lasera  światłowodowego  na  bazie 
domieszkowanego 

Er 

włókna 

oraz 

precyzyjnej 

stabilizacji  termicznej,  a  także  wydłużenie  włókna 
optycznego  tworzącego  pętlę  czujnika.  Alternatywne 
rozwiązanie stanowi R-FOG (rys. 10b). Przy 10 m. pętli i 
wysoko  spójnym  źródle  laserowym  o  szerokości 
widmowej 100 Hz, układ ten ma czułość wystarczającą 
dla  zastosowań  lotniczych.  Ta  krótsza  długość  włókna 
jest  też  korzystna  z  punktu  widzenia  ograniczenia 
dryftu  wynika-jącego  ze  zmian  termicznych,  zaś  źródło 
laserowe  jest  znacznie  stabilniejsze  od  SuperLEDa. 
Polepszenie  parametrów  poniżej  magicznego  progu 
0.001

o

/h  należy  spodziewać  się  także  w  najnowszej 

generacji  B-FOG  (rys.  10c).  Układ  ten  bezpośrednio 
dostarcza  na  swe  wyjście  zmianę  częstotliwości 
proporcjonalną  do  mierzonej  prędkości  obrotu  -  zatem 
może oferować bardzo szeroki zakres pomiarowy.  

Czujniki światłowodowe w materiałach 
kompozytowych

Od  wielu  lat  materiały  kompozytowe  znajdują   

coraz  szersze  zastosowania  w  przemyśle  lotniczym. 
Niewątpliwym 

‘przyspiesza-czem’ 

stały 

się 

tu 

zastosowania  kewlaru  i  włókien  karbonowych  co,  w 
połączeniu  z  żywicami  epoksydowymi,  dało  nową 
rodzinę mate-riałów charakteryzujących się lekkością i 
olbrzymią  wytrzymałością.  Materiały  te  stosowane  są 
coraz  szerzej  w  przemyśle  lotniczym  jako  pokrycia 
statku  powietrznego.  Przykładem  może  być  F-117A, 
SR-73,  itd.  Z  drugiej  strony  konstrukcja  lotnicza 
poddawana jest w trakcie eksploatacji licznym, bliskim 
granicznym  obciążeniom,  które  mogą  być  źródłami 
zmęczeń  materiałów i ich uszkodzeń. Stąd, możliwości 
stałego  monitoringu  struktury  podczas  jej  pracy  jest 
nader kuszącą perspektywą. W przypadku zastosowań 
lotniczych  określono,  iż  system  taki  powinien 
zapewniać  możliwość  obserwacji  z  pokładu  samolotu 
struktury 

o 

wymiarach 

od 

5 

do 

50m., 

charakterystycznej  średnicy  (lokalizacji)  około  0.5  m., 
w ciężkich warunkach pracy, ze stałą czasową od mili- 
do  sekund.  Natomiast  ze  względu  na  koszt  samolotu, 
cena takiego systemu może być nawet bardzo wysoka 

W  rozwiązaniach  tych  zatopiony  w  strukturze 
może  być  do-wolny  czujnik  światłowodowych 
zarówno  punktowy  jak  i  roz-łożony,  zaś 
optymalnym  rozwiązaniem  jest  tu  czujnik  inter-
ferencyjny.  Przykładową  aplikacją  może  być 
pokazany  na  rys.  11  układ  pozwalający  na 
lokalizację  defektu  struktury  drogą  rejestracji 
przez  czujniki  światłowodowe  zmian  sygnału 
ultrasonicznego.

Przypominam proponowane 

tematy referatów

121

1. Wiązania chemiczne i ich wpływ na właściwości 

materiałów

.

2. Wybrane technologie stosowane w wytwarzaniu 

elementów elektronicznych – dyfuzja, epitaksja, 
fotolitografia.

3. Tranzystor unipolarny i polowy budowa, zasady 

pracy.

4. Półprzewodnikowe elementy fotowoltaiczne.
5. Budowa lasera na ciele stałym – budowa i zasady 

pracy.

6. Zastosowanie światła laserowego – omów kilka 

wybranych zastosowań. 

7. Zastosowanie techniki światłowodowej w 

telekomunikacji.

Kolejne tematy 

referatów

1. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne:  efekt TN, 

problemy adresowania matrycowego, 
budowa kolorowego wy-świetlacza video.

2. Wyświetlacze plazmowe: budowa 

kolorowego wyświe-tlacza plazmowego i 
technika jego adresowania. 

3. Wyświetlacze elektroluminescencyjne: EL, 

OLED, PLED, LED – budowa, efekt fizyczny,  
realizacja zobrazowania barwnego, 
zastosowania, kierunki rozwoju.

4. Systemy projekcyjne: historia, współczesne 

LCD, DLP, budowa, sposób realizacji 
zobrazowania, kino cyfrowe.

5. Wyświetlacze na podłożach giętkich – 

problemy budowy i kierunki rozwoju.