thumb|Światłowody thumb|Struktura światłowodu jednomodowego: 1. rdzeń: 8 μm 2. płaszcz: 125 μm 3. pokrycie wewnętrzne: 250 μm 4. pokrycie zewnętrzne: 400 µm Światłowód – przezroczysta zamknięta struktura z włókna szklanego wykorzystywana do propagacji światła jako nośnika informacji. Światłowody są także używane w celach medycznych, na przykład w technice endoskopowej, dekoracyjnych, w telekomunikacji, telewizji kablowej, technice laserowej, optoelektronice i jako składniki zintegrowanych układów optycznych. Medium transmisyjnym jest włókno światłowodowe o średnicy nieco większej od średnicy ludzkiego włosa. Jego zalety to zasięg i pasmo transmisji większe niż dla innych mediów transmisji.
W 1977 roku został stworzony pierwszy na świecie światłowód telekomunikacyjny, długości 9 km, łączący dwie centrale telefoniczne w Turynie we Włoszech. W Polsce pierwszy kabel światłowodowy został zaprojektowany i stworzony w 1978 przez pracowników naukowych Uniwersytetu Marii Skłodowskiej-Curie w Lublinie.
W styczniu 2017 roku największa polska sieć światłowodowa należała do Orange Polska, a jej łączna długość wynosiła ponad 100 000 km. Najdłuższy światłowód na świecie to SEA-ME-WE 3, o długości 39 000 km, łączący zachodnią Europę, przez Bliski Wschód, z południowo-wschodnią Azją oraz Australią.
Zasada działania thumb|Odbicia wiązki światła w światłowodzie Do transmisji danych, zamiast prądu elektrycznego, wykorzystywana jest modulowana fala świetlna, której źródłem może być laser półprzewodnikowy lub dioda elektroluminescencyjna (LED). Dzięki temu możliwa jest transmisja danych do 3 Tb/s, a przepływ danych jest zabezpieczony przed niepożądanym dostępem. Światłowody, które jako medium transmisyjne wykorzystują powietrze, osiągają transfer danych rzędu 74 Tb/s.
Światłowody nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego, w związku z czym podsłuchanie transmisji jest kosztowne. Cechuje je duża odporność na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, stopa błędów mniejsza niż 10−10 przy najwyższych przepustowościach, mała tłumienność jednostkowa (około 0,20 dB/km dla fali o długości 1,5 μm).
Aby wyeliminować lub ograniczyć wypromieniowanie światła przez boczne powierzchnie światłowodu, stosuje się odpowiednie zmiany współczynnika załamania światła. Promienie światła biegną prostoliniowo (światłowód skokowy) lub krzywoliniowo (światłowód gradientowy), odbijając się od ścianek światłowodu w wyniku ciągłego zmniejszania się współczynnika załamania. W najprostszym przypadku są to zmiany skokowe – wewnątrz światłowodu współczynnik załamania ma wartość większą, niż na zewnątrz; utrzymanie promieni światła w obrębie takiego światłowodu zachodzi na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia. W przypadku, gdy współczynnik załamania stopniowo zmienia się w przekroju poprzecznym światłowodu, mówimy o światłowodach gradientowych.
Takie wyobrażenie działania światłowodu jest jednak uproszczone – tym bardziej, im mniejsze rozmiary poprzeczne ma rozważany światłowód. Zamiast promieni światła (będących podstawą przybliżonej optyki geometrycznej) należy rozważać światło jako falę. Przybliżenie optyki geometrycznej jest sensowne jedynie dla światłowodów o dużych rozmiarach poprzecznych, traci natomiast sens, gdy rozmiar poprzeczny światłowodu staje się porównywalny z długością fali światła. Zjawiska falowe są istotne zwłaszcza w światłowodach jednomodowych.
Klasyfikacja thumb|Struktura światłowodu, w tym 12 jednomodowych włókien światłowodowych thumb|Struktura światłowodu wielomodowego Światłowody mogą być klasyfikowane ze względu na ich geometrię (planarne, paskowe lub włókniste), strukturę modową (jednomodowe lub wielomodowe), rozkład współczynnika załamania (skokowe i gradientowe) oraz rodzaj stosowanego materiału (szklane, plastikowe lub półprzewodnikowe).
Geometria Światłowody telekomunikacyjne dzieli się na planarne, paskowe i włókniste. Pod względem budowy różnią się one przede wszystkim grubością szklanego rdzenia (grubość pozostałych warstw jest taka sama), co wpływa na sposób przesyłania informacji.
Światłowód planarny Najprostszy światłowód planarny składa się z trzech warstw, z których środkowa ma większy współczynnik załamania, niż warstwy zewnętrzne. Światło jest uwięzione w tej warstwie na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia, o ile kierunki rozchodzenia się promieni tworzą z normalną kąty większe od kąta granicznego.
Światłowód paskowy Światłowód paskowy powstaje, kiedy propagacja wiązki w warstwie zostaje ograniczona w dwóch kierunkach. Światłowody paskowe są wykorzystywane w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach półprzewodnikowych. W układach fotoniki zintegrowanej służą do prowadzenia światła, tworząc bardziej rozbudowane struktury jak np. interferometr Macha-Zehndera lub złożone przyrządy jak multipleksery długości fali dla systemów WDM.
Światłowód włóknisty Światłowód włóknisty to zazwyczaj falowód dielektryczny o przekroju kołowym, otoczony przez płaszcz z innego materiału dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania. Włókna światłowodowe wykonywane są najczęściej ze szkła krzemionkowego, czasem z innych szkieł lub z plastiku. Światłowody plastikowe są stosowane na krótkich odległościach (do 100 m).
Struktura modowa Światłowody telekomunikacyjne dzielą się na jedno- i wielomodowe. Pod względem budowy różnią się one przede wszystkim grubością szklanego rdzenia (grubość pozostałych warstw jest taka sama), co wpływa na sposób przesyłania informacji. Kable te mogą być wielowłóknowe),
Światłowód jednomodowy thumb|Przepływ strumienia świetlnego w światłowodzie jednomodowym Światłowody jednomodowe (ang. Single Mode Fiber, SMF) charakteryzują się średnicą rdzenia od 8 do 10 mikrometrów, a także skokową zmianą współczynnika załamania światła. W światłowodach jednomodowych sygnał – wytworzony przez laser półprzewodnikowy – ulega tylko niewielkim zniekształceniom (brak dyspersji międzymodowej). Fala świetlna rozchodzi się prawie równolegle do osi światłowodu i dociera do końca włókna w jednym modzie – tzw. modzie podstawowym. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez regeneracji na odległość do 100 km, zaś ich żywotność wynosi 25 lat. Umożliwiają one stosowanie wielu protokołów jednocześnie, co zapewnia bardzo efektywny transfer danych.
Światłowód będzie prowadził tylko jeden mod, jeżeli jego częstotliwość znormalizowana V będzie mniejsza niż 2,405.
gdzie: – średnica rdzenia światłowodu, – długość fali optycznej transmitowanej w falowodzie, i – odpowiednio: współczynniki załamania rdzenia i płaszcza.
Światłowody jednomodowe przy wykonywaniu połączeń rozłącznych za pomocą wtyków narzucają tolerancję rzędu ułamka mikrometra. Wykonanie takich czynności w normalnych warunkach polowych jest trudne i zmusiło do poszukiwania innych rozwiązań. Źródłem światła w światłowodach jednomodowych jest laser o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra. Możliwości transmisyjne światłowodów jednomodowych ogranicza tłumienie szkła, dyspersja chromatyczna, dyspersja polaryzacyjna i optyczne efekty nieliniowe. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.
Światłowód wielomodowy thumb|Zakończenie złącza światłowodu wielomodowego Światłowody wielomodowe (ang. Multi Mode Fiber, MMF) charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym fala o takiej samej długości fali może rozchodzić się wieloma drogami, zwanymi modami. Prędkość ruchu modów wzdłuż falowodu może być różna, powodując zniekształcenie (rozmycie) impulsu, a co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji lub odległości transmisji.
Rozkład współczynnika załamania Rozkład współczynnika załamania światła jest charakterystyczną właściwością światłowodu, konieczną do realizacji konkretnego rozwiązania światłowodowego. Światłowody znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach i nie jest możliwe wytwarzanie ich tylko jedną metodą. Właśnie dlatego koniecznie trzeba rozróżnić światłowody pomiędzy skokowymi i gradientowymi.
Światłowód skokowy thumb|Przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym skokowym W światłowodzie tego typu współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem a płaszczem. Mody prowadzone są w rdzeniu pod różnymi kątami, przez co mają różną drogę do przebycia. Prędkość światła zależy od ośrodka, w którym światło się rozchodzi: w próżni ta prędkość wynosi 300 000 km/s, a w światłowodzie 200 000 km/s, dlatego czasy przejścia promieni przez mody światłowodu są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały.
Światłowód gradientowy thumb|Przepływ strumieni świetlnych w światłowodzie wielomodowym gradientowym Rdzeń światłowodu gradientowego ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Największą wartość ma na osi rdzenia, zaś najmniejszą na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają – dla różnych modów (poruszających się po łukach) – tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż modu. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania; oznacza to, że mają większą prędkość liczoną wzdłuż drogi poruszania się promienia.
Materiał Ze względu na materiały światłowody możemy dzielić na następujące grupy: szklane, plastikowe i półprzewodnikowe.
Światłowód szklany Światłowody szklane są wykorzystywane do przesyłania danych na dużych odległościach i z wielkimi prędkościami. W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi nieorganiczne tworzywo.
Światłowód plastikowy Światłowody plastikowe wykorzystywane są jedynie do lokalnego przesyłania danych między urządzeniami na małe odległości i z małymi prędkościami (w porównaniu ze światłowodami szklanymi). W przeźroczystym włóknie materiał rdzenia stanowi tworzywo organiczne. Światłowody plastikowe charakteryzują się trzema podstawowymi wymiarami: średnicą rdzenia, średnicą płaszcza oraz średnicą pokrycia zewnętrznego. Do grupy światłowodów plastikowych zalicza się HCS/PCS (Hard Clad Silica, Plastic Clad Silica), w których płaszcz jest plastikowy, ale rdzeń szklany. Typowe zastosowania światłowodów plastikowych to automatyka przemysłowa, motoryzacja, sprzęt domowy (np. Toslink) i rozwiązania typu Fiber To The Desktop.
Światłowód półprzewodnikowy Światłowody półprzewodnikowe charakteryzują się półprzewodnikowym rdzeniem, najczęściej jest to arsenek galu (GaAs).
Ograniczenia propagacji w światłowodach Światłowody nie są idealnym medium transmisyjnym, biegnące nim światło ulega tłumieniu i dyspersji.
Tłumienie Jedną z podstawowych cech światłowodu jest tłumienie sygnału optycznego. Spowodowane jest przez straty mocy optycznej wynikające z niedoskonałości falowodu. W rzeczywistym światłowodzie występuje absorpcja (pochłanianie energii przez materiał światłowodu), rozpraszanie energii spowodowane przez fluktuacje gęstości i współczynnika załamania szkła (tzw. rozpraszanie Rayleigha). W czasie instalacji i użytkowania światłowodów mogą pojawić się dodatkowe składniki tłumienia takie jak zgięcia lub mikropęknięcia.
Straty materiałowe