Światłowody

Kto wynalazł światłowód?

W 1880 roku inżynier z Concord (Massachusets, USA) 
William
Wheeler skonstruował i opatentował konstrukcje 
którą nazwał 
rurociągiem świetlnym (light piping).
Była to pierwsza poważna próba prowadzenia światła 
w ośrodku 
szklanym. Wheeler planował wykorzystać swój 
pomysł do oświetlania 
wnętrza budynków (wynaleziona przez Edisona 
żarówka 
wyeliminowała pomysł jako zbyt skomplikowany i 
niepraktyczny).

Krótka historia transmisji 

światłowodowej

1876   -  Aleksander Graham Bell wynalazł, a w 
1880 

opatentował fototelefon (max odległość 200 m).

1854   -  John Tyndal zademonstrował efekt 
światłowodowy w 

dielektrykach, 

1910   -  Lord Rayleigh, badania i prace teoretyczne 
nad 

światłowodami

1958   -  Propozycja budowy lasera (Schawlow, 
Townes)
1960   -

Pierwszy laser rubinowy (Theodor Maiman)

1962   -  Impulsowy laser GaAs (Hall i in., Nathan i 
in.)

Krótka historia transmisji 

światłowodowej

1965   -  propozycja stosowania światłowodów 
gradientowych w

telekomunikacji (Miller)

1966   -  Kao, Hockman: szkła kwarcowe mogą być 
stosowane 

w telekomunikacji do wytwarzania światłowodów o 
małych stratach

1968   -  Kao, Davis: publikacja nt. małych strat w 
bryłach 

topionego kwarcu

1968   -  Produkcja pierwszego światłowodu 

telekomunikacyjnego (Uchida i in.)

1970   -  Produkcja włókna o stratach < 20 
dB/km, Corning 

Glass Company

Krótka historia transmisji 

światłowodowej

1972   -  Włókno o stratach 4 dB/km
 1982   -  Pierwsze włókna jednomodowe
 1985   -  Opracowanie wzmacniacza światłowodowego.
 1991   -  Opracowanie standardu transmisji SONET
 1995   -  Pierwsze instalacje systemów DWDM
 1998   -  Transmisja > 1Tb/s w jednym włóknie
 2000   -  Wprowadzenie pasma L (1560-1610nm). 
 2000   - Transmisja 40 GB/s w jednym kanale 
(opracowanie laboratoryjne)

Światłowód rurowy

Soczewka gazowa

Zalety włókien 

światłowodowych

 

Pasmo - zasięg

 

  nośnikiem informacji jest fala o częstotliwości 
z 

zakresu  1013  –1016  Hz,  która  oferuje 

znacznie 

większe  pasmo 

transmisyjne 

(~100THz/km)  w  porównaniu  z  elektrycznymi 
systemami  transmisyjnymi  (na  kablach 
współosiowych   do1GHz/100m),

    wielokrotnie  mniejsze  straty  mocy,  co  daje 
duży 

zasięg 

transmisji 

(~100km 

bez 

regeneracji),

  możliwość  jednoczesnej  transmisji  różnych 
sygnałów  w 

tym  samym  medium  przy 

zachowaniu maksymalnie szerokiego pasma.

Zalety włókien 

światłowodowych

 

Rozmiar i waga medium

  średnica  włókna  telekomunikacyjnego 
nie 

przekracza 

300µm, 

a 

kabla 

światłowodowego  w 

zależności  od 

przeznaczenia od 5mm do 25mm

    kabel  światłowodowy  jest  kilkakrotnie 
lżejszy 

od 

kabli 

współosiowych 

i 

kilkadzięsiątkrotnie 

lżejszy 

od 

wieloparowych kabli telekomunikacyjnych
Bezpieczeństwo

  jako  izolator  nie  stwarza  zagrożenia 
pożarowego i 

wybuchowego,

 

utrudniony 

(prawie 

niemożliwy) 

podsłuch  przesyłanej informacji

Zalety włókien 

światłowodowych

 

Niewrażliwość na zakłócenia

  medium  optyczne  jest  dielektrykiem  i 
dlatego  wykazuje  dużą  odporność  na 
oddziaływanie 

pola 

elektromagnetycznego, 

fal 

radiowych, 

impulsów  elektromagnetycznych,

    ograniczony  ścisłymi  kryteriami  proces 
propagacji 

optycznej 

uniemożliwia 

przesłuch pomiędzy włóknami
Ekonomiczność

 

duża 

niezawodność 

prawidłowo 

wykonanej  instalacji

malejące 

koszty 

komponentów 

i 

montażu

Kamienie milowe

Kamienie milowe

Parametry opisujące 

światłowód

 

Tłumienie (dB) / Tłumienie jednostkowe 

(dB/km) 

  Pasmo przenoszenia (MHz lub Mbit/s)

  Apertura numeryczna

  Średnica rdzenia (grubość warstwy
prowadzącej)  (µm) 

  Profil współczynnika załamania

  „Modowość)

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Zakresy fal świetlnych 
   
   

W węższym sensie nazwy „światło" 

używa się  do określenia fal 
elektromagnetycznych, na jakie jest 
wrażliwe ludzkie oko, tj. fal o długości fali λ 
zawierającej się między 0,4 μm (barwa 
fioletowa) i 0,8 μm (barwa czerwona). 

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Zakresy fal świetlnych 
   
   W szerszym sensie określenie „światło"

 

obejmuje również promieniowanie 

niewidzialne emitowane przy zmianach 

stanów kwantowych elektronów 

zewnętrznej powłoki atomu: 

promieniowanie nadfioletowe o długości 

fali krótszej niż 0,4 μm oraz 

promieniowanie podczerwone o długości 

fali dłuższej niż 0,8 μm. 

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Współczynnik załamania światła
 
      Współczynnik  załamania  światła  n  jest 

definiowany  jako:

  
   

   

Współczynnik ten podaje, więc ile razy prędkość światła w próżni c 

jest większa od prędkości światła v w danym ośrodku.

 

v

c

n

Propagacja sygnału w światłowodzie

Wartości współczynników załamania w 

ośrodkach przezroczystych

Materiał 

n

Powietrze

1

Woda

1,33

Kwarc syntetyczny 1,46
Szkło

1,5

Krzem

3,5

German

4

Arsenek galu GaAs 3,35

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Intensywność światła 
       

Intensywność  światła,  podobnie  jak  innych 

rodzajów  fal  elektromagnetycznych,  można 
charakteryzować podając:

• Amplitudę,  tj.  maksymalne  wartości  pola 

elektrycznego lub magnetycznego fali. Zazwyczaj 
podaje  się  amplitudę  pola  elektrycznego  w  V/m 
(woltach na metr).

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Intensywność światła 

     

Intensywność  światła,  podobnie  jak  innych 

rodzajów  fal  elektromagnetycznych,  można 
charakteryzować podając:

• Natężenie światła, tj. moc optyczną 

skoncentrowaną w jednostce powierzchni, 
przez którą światło przechodzi. Podaje się je w 
W/m2 (wat na metr kwadratowy). Natężenie 
światła jest proporcjonalne do kwadratu 
amplitudy. 

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Dyspersja i nieliniowość optyczna 

       
              Współczynnik  załamania  danego  ośrodka 

nie  jest  wielkością  stałą,  lecz  może  zależeć 
od:

1. Długości  fali  (częstotliwości),  jest  to  tzw. 

dyspersja,

2. Natężenia światła, jest to tzw. nieliniowość  

    optyczna.

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Kompensacja dyspersji – solitony

 

 
        Przy odpowiednim dopasowaniu kształtu, 

czasu trwania i amplitudy impulsów optycznych 
(wielkość efektów nieliniowych zależy od 
natężenia światła, a więc od jego amplitudy) 
można uzyskać zupełną kompensację 
poszerzenia dyspersyjnego. 

Propagacja sygnału w światłowodzie

Propagacja światła 

               Propagację  światła  opisuje  się  na  dwa 

sposoby:

1.  Dla  szerokich  wiązek  światła  wprowadza  się 

pojęcie fali płaskiej, której wymiary poprzeczne 
są nieograniczone. 

2.  Wąskie  wiązki  światła  aproksymuje  się  często 

jako  tzw.  wiązki  gaussowskie,  tj.  wiązki,  w 
których  kształt  rozkładu  natężenia  światła  w 
kierunku  poprzecznym  do  rozchodzenia  się 
wyraża się funkcją Gaussa exp(-x

2

).

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Optyka falowa 

Optyka  falowa  uwzględnia  falowy  charakter 
światła.  Podejście  to  jest  niezbędne  przy  opisie 
zjawisk  optycznych  charakterystycznych  dla  ruchu 
falowego:  dyfrakcji,  interferencji,  polaryzacji, 
superpozycji  fal,  fali  stojącej.  Niezbędne  jest 
również  przy  opisie  prowadzenia  światła  w 
falowodach  o  przekroju  poprzecznym  małym, 
porównywalnym  z  długością  fali  świetlnej,  jak  jest 
w przypadku światłowodów jednomodowych. 

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Optyka geometryczna 

Jest  to  podejście  przybliżone  oparte  na  koncepcji 
promienia 

świetlnego. 

Promień 

świetlny 

symbolizuje kierunek rozchodzenia się fali płaskiej, 
o  znacznych  wymiarach  poprzecznych.  Nie  należy 
go  mylić  z  pojęciem  wąskiego  strumienia  światła 
(tzn. wiązki ograniczonej przestrzennie). 

Propagacja sygnału w światłowodzie

• Optyka kwantowa 

Optyka  kwantowa  uwzględnia  ziarnistą  strukturę 
promieniowania  elektromagnetycznego  -  światło 
rozchodzi  się  w  postaci  porcji  zwanych  kwantami 
promieniowania lub fotonami. 

Propagacja sygnału w światłowodzie

•Zjawisko całkowitego 
wewnętrznego    odbicia 

 

n

2

 < n

1

 

Ośrodek przezroczysty 

Ośrodek przezroczysty 

Kierunek wzdłużny „z” 

n

1

 

β 

α  α 

A 

a 

Propagacja sygnału w światłowodzie

•Zjawisko całkowitego 
wewnętrznego    odbicia 

 

n

2

 < n

1

 

Ośrodek przezroczysty 

Ośrodek przezroczysty 

n

1

 

β=90

o

 

α

gr

  α

gr

 

b 

Propagacja sygnału w światłowodzie

•Zjawisko całkowitego 
wewnętrznego    odbicia 

 

n

2

 < n

1

 

Ośrodek przezroczysty 

Ośrodek przezroczysty 

n

1

 

α 

α 

c 

Prawo Snella 

1

2

90

sin

sin

n

n

gr







1

2

sin

sin

n

n







1

2

sin

n

n

gr





Zasada działania światłowodu 

Efekt Goos-Haenchena 

Składowe pól TE i TM

Składowe pola modów TE (poprzeczych elektrycznie) 

Składowa wzdłużna pola 
elektrycznego Ez = 0 

Składowe pól TE i TM

Składowe pola modów TM (poprzeczych magnetycznie) 

Składowa wzdłużna pola 
magnetycznego  Hz = 0 

Zależności Fresnela

Jeśli kąt padania Q przyjmie wartość 
n

1

sinQ=n

2

  to R=1 i następuje całkowite 

wewnętrzne odbicie

Współczynnik odbicia R

E

 dla fali TE

Współczynnik odbicia R

H

 dla fali TM

Zależności Fresnela

Jeśli kąt padania Q >Q

g

 to R

E

 i R

H

 są 

zespolone:

Oznacza to, że pole E i H doznają przesunięcia fazowego w 
procesie odbicia

Zmiana fazy dla fal TE:

Zmiana fazy dla fal TM:

Zależności Fresnela

Zależności Fresnela

Tłumienie optyczne (Attenuation)

Tłumienie optyczne (Attenuation) określa ilość 
traconego światła w rdzeniu włókna przy 
założeniu, że natężenie impulsu świetlnego I  w  
funkcji odległości z opisuje wyrażenie:

gdzie:
   a - jest współczynnikiem pochłaniania,
  I

0

  - natężeniem początkowym.

Wykładniczy charakter strat pozwala opisywać je 
w postaci 
logarytmicznej - w decybelach.

 

 

az

I

z

I

exp

0



Przypomnienie

Prędkość światła propagowanego w ośrodku:

gdzie:  c – prędkość światła w próżni 300 000 
km/s

n – współczynnik załamania światła 

danego 

       ośrodka

n

c

V 

Przypomnienie

Charakteryzacja światłowodów - jednostki

  Długość fali światła wyraża się w:

      µm = 10

-6

m

      nm = 10

-9

m

  Tłumienie światłowodu wyraża się w dB:

            A [dB] = 10* lg (Pwy/Pwe)

      3dB = 50%     20 dB = 1%     30 dB = 0,1%    40 dB = 

0,01%

  Tłumienie jednostkowe (tłumienność) 
wyraża  się w dB/km:

          A [dB/km] = 10* lg (Pwy/Pwe)/L

Tłumienność szkła 

kwarcowego

Tłumienność szkła 

kwarcowego

Tłumienie światłowodu 

• absorpcja w ultrafiolecie 
• absorpcja w podczerwieni 
• absorpcja 

na 

zanieczyszczeniach 

(głownie jony OH

-

 )

• rozpraszanie Rayleigha
• straty falowodowe
• rozpraszanie  nieliniowe  Ramana  i 

Brillouina

Źródła strat:

Tłumienność szkła 

kwarcowego

Tłumienie 
światłowodu

Tłumienie 
światłowodu

Tłumienie światłowodu

Absorpcja  w  ultrafiolecie  wynika  z 
wybijania  przez  fotony  elektronów 
do  pasma  walencyjnego  i  ogranicza 
ona  „od  góry”  pasmo  transmisji 
optycznej. 
Doświadczenia  wykazują,  że  w 
zakresie  długości  fal  od  800  do 
1600  nm  efekt  ten  jest  do 
pominięcia.

Tłumienie światłowodu

Absorbcja w podczerwieni jest 
spowodowana drganiami atomów 
krzemu i tlenu w SiO

2 

względem 

siebie, przy czym długość fali 
odpowiadająca częstotliwości 
rezonansowej wynosi około 9 mm. 
Wokół tej częstotliwości światło jest 
silnie pochłaniane. 

Tłumienie światłowodu

Absorpcja na zanieczyszczeniach 
jest to głownie absorpcja na jonach 
OH

-

, których źródłem jest woda. 

Druga i trzecia harmoniczna drgań 
tego jonu odpowiada długościom 
fali 1370 nm i 950 nm, stąd znaczny 
wzrost tłumienia w tych zakresach. 

Tłumienie światłowodu

Tłumienie światłowodu

Tłumienie światłowodu

Apertura numeryczna

Numerical Aperture (NA) określa zdolność 
włókna do 
absorbcji światła i jest określana dla danego 
wymiaru rdzenia włókna. Generalnie, im 
większa średnica rdzenia, tym większa apertura 
numeryczna i tym łatwiej podłączyć źródło do 
światłowodu.

Apertura numeryczna

Wartość apertury numerycznej określa się wzorem:

gdzie: 
α -połowa kąta akceptacji,
n1-współczynnik załamania rdzenia,
n2-współczynnik załamania płaszcza włókna.

2

2

2

1

sin

n

n

NA











m

a x

F a le   r d z e n io w e

F a le   p ła s z c z o w e

F a le   w y c ie k a ją c e

n

1



n

2

Światłowód płaski

2d

h

β

k

h

β

k

θ

n

2

n

1

n

3

φ

3

φ

2

k=k

o

n

k

o

=2π/λ

β=k

o

n

1

sinθ

h=k

o

n

1

cos 

θ

Równanie charakterystyczne (warunek 
zgodności faz)

2dk

o

n

1

cos θ - φ

2

-φ

3

 =2πm

gdzie: m = 
0,1,2,3….

Liczba propagowanych 
modów:

2

2

2

1

2

n

n

d

M

m







Jeśli:  φ

2

,φ

3

 

=0 

d

m

2

cos







kąt akceptowanych 
promieni

Światłowód włóknisty

Rozwiązanie graficzne równania 

charakterystycznego

Równanie charakterystyczne

Wykresy modowe światłowodu 

włóknistego

Światłowód o profilu 

skokowym