Warto przeczytać

RlB9Ggb01lswY

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia końcówkę światłowodu, z której usunięto zewnętrzne warstwy, aby ukazać jego budowę w przekroju. W dużym, niebieskim cylindrze o dość grubych ściankach umieszczono współosiowo cieńszy, żółty cylinder, a w nim jeszcze cieńszy niebieski walec. Z podstawy walca wzdłuż jego osi wychodzi cieniutki szklany pręt, który jest rdzeniem światłowodu.

W dzisiejszym świecie, gdy biegamy nieustannie, chcąc załatwić jak najwięcej spraw w jak najkrótszym czasie, ważna jest dla nas jak największa prędkość przekazywania informacji. Z tego też względu jednym z najlepiej rozwijających się mediów transmisyjnych są światłowodyświatłowódświatłowody (Rys. 1.).

Światło widzialne, czyli fala elektromagnetyczna o długości od ok. 380 nm do ok. 780 nm odbierana przez oko ludzkie, rozchodzi się prostoliniowo. Napotykając na przeszkodę może ulec: absorpcji (pochłonięciu), załamaniu albo odbiciu (Rys. 2.).

RbL2rNlg12dR6

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia od góry szklany element w kształcie połowy koła umieszczony wewnątrz okręgu z podziałką kątową. Kąt zerowy znajduje się w najwyższym punkcie okręgu. Na lewo i na prawo od niego symetrycznie zaznaczono kąty trzydzieści stopni, niżej kąty sześćdziesiąt stopni, na średnicy okręgu kąty dziewięćdziesiąt stopni. Podobna podziałka znajduje się w dolnej połowie okręgu. W najniższym punkcie jest kąt zerowy, wyżej po obu stronach kąty trzydzieści stopni, jeszcze wyżej kąty sześćdziesiąt stopni i na średnicy okręgu kąty dziewięćdziesiąt stopni. Między punktami zerowymi narysowano pionową linię, która jest średnicą okręgu. W lewym górnym rogu umieszczony jest laser, który wysyła cienki promień białego światła w kierunku górnej, poziomej granicy szklanego półkola. Promień przechodzi przez punkt na podziałce kątowej z lewej strony odpowiadający kątowi sześćdziesiąt stopni. Promień pada na poziomą granicę szklanego półkola w punkcie przecięcia z pionową linią, zwaną normalną i przechodzi od szkła załamując się do normalnej. Promień załamany wychodzi z dolnej, prawej ćwiartki szklanego półkola, przechodząc przez punkt na podziałce kątowej z prawej strony odpowiadający kątowi około trzydzieści pięć stopni. Promień załamany jest słabszy niż promień padający, ponieważ część światła uległa odbiciu na granicy szkła. Widoczny jest słaby promień odbity skierowany w górę i w prawo i przechodzący przez punkt na podziałce kątowej z prawej strony odpowiadający kątowi sześćdziesiąt stopni.

Jeśli światło pada na granicę ośrodków, z ośrodka o większym bezwzględnym współczynniku załamaniabezwzględny współczynnik załamaniabezwzględnym współczynniku załamania do ośrodka, który charakteryzuje się niższym współczynnikiem załamania, pod kątem większym niż tzw. kąt granicznykąt granicznykąt graniczny, mamy do czynienia z całkowitym wewnętrznym odbiciemcałkowite wewnętrzne odbicie światłacałkowitym wewnętrznym odbiciem; spełnione jest oczywiście prawo odbicia (Rys. 3.). Zasada działania światłowodu oparta jest na tym właśnie prawie.

R1Nfc6xiOGtx9

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia od góry szklany element w kształcie połowy płaskiego walca podzielonego pionową płaszczyzną przechodzącą przez oś symetrii walca. Na powierzchnię boczną walca pada promień światła laserowego skierowany wzdłuż promienia walca. Promień przechodzi bez załamania przez kolistą ścianę boczną walca i pada pod małym kątem na płaską powierzchnię połówki walca. Promień odbija się całkowicie od granicy szkła z powietrzem. Promień odbity ma prawie taką samą jasność jak promień padający.

ŚwiatłowódświatłowódŚwiatłowód, czasem nazywany także falowodem optycznym, umożliwia transmisję fali elektromagnetycznej z zakresu widzialnego, ale nie tylko – może w nim rozchodzić się również podczerwień czy ultrafiolet. Światłowód zbudowany jest z dwóch zasadniczych warstw: rdzenia i płaszcza oraz otaczających je warstw ochronnych (Rys. 4.). To właśnie w rdzeniu, wykonanym zwykle ze szkła kwarcowego, tworzywa sztucznego bądź materiałów krystalicznych (np. szafiru), następuje przesyłanie informacji. Aby zaszło zjawisko całkowitego wewnętrznego odbiciacałkowite wewnętrzne odbicie światłacałkowitego wewnętrznego odbicia, otaczający go płaszcz musi mieć niższy współczynnik załamania. Można go wykonać z polimeru o tej właściwości bądź szkieł z odpowiednimi domieszkami. Najbardziej zewnętrzną powłokę światłowodu stanowią warstwy ochronne zabezpieczające go przed uszkodzeniami mechanicznymi.

R4fVWNtLq9t2R

Rys. 4. Schemat budowy światłowodu przedstawia cztery kolorowe walce umieszczone współosiowo jeden w drugim. Najcieńszy, niebieski pręcik w samym środku oznaczony cyfrą jeden, opisano jako rdzeń. Otacza go niebieski walec o większym promieniu oznaczony cyfrą dwa, opisany jako płaszcz. Kolejny, jasnożółty walec o jeszcze większym promieniu oznaczono cyfrą trzy i ostatni jasnoczerwony walec o największym promieniu oznaczono cyfrą cztery. Walce trzy i cztery opisano jako warstwy ochronne.

Znając budowę światłowodu, przejdźmy do zasady jego działania. Jak już wspomniano, podstawę stanowi tutaj zjawisko całkowitego wewnętrznego odbiciacałkowite wewnętrzne odbicie światłazjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia na styku rdzenia i płaszcza (Rys. 5.). Oprócz właściwie dobranej różnicy współczynników załamania, światło – czyli fala elektromagnetyczna, którego źródłem może być dioda laserowa lub elektroluminescencyjna – musi zostać wprowadzone do światłowodu pod odpowiednim kątem (tak, by kąt padania na granicę rdzenia i płaszcza był większy od kąta granicznegokąt granicznykąta granicznego). Ulega ono wówczas odbiciu. Następnie propaguje się dalej, by ponownie trafić na granicę ośrodków i znowu się odbić. Sytuacja ta powtarza się wielokrotnie, a informacja przesyłana jest na znaczne odległości. Prezentuje to Rys. 5.

R13CQcCxrK2cC

Rys. 5. Schematyczny rysunek pokazuje przekrój przez światłowód. Biały poziomy pasek symbolizuje rdzeń. Od góry i od dołu graniczy z szarymi paskami, które symbolizują płaszcz. Od lewej strony do rdzenia wchodzi kilka promieni świetlnych. Promień, skierowany ukośnie w prawo i dół, trafia na dolną granicę między rdzeniem i płaszczem pod dużym kątem do granicy, załamuje się i przechodzi do płaszcza, gdzie jest pochłaniany. Podobnie promień skierowany ukośnie w prawo i w górę trafia na górną granicę między rdzeniem i płaszczem pod dużym kątem do granicy, załamuje się i przechodzi do płaszcza. Inaczej zachowują się dwa promienie biegnące pod małym kątem do osi symetrii. Promień, skierowany w prawo i dół, trafia na dolną granicę między rdzeniem i płaszczem pod małym kątem do granicy i ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Kąt odbicia jest równy kątowi padania, więc odbity promień pada na górną granicę pod takim samym kątem i znów ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i dalej sytuacja się powtarza. Promień skierowany ukośnie w prawo i w górę trafia na górną granicę między rdzeniem i płaszczem pod małym kątem do granicy i również ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Kolejne odbicie następuje od dolnej granicy i tak dalej.

Słowniczek