Tutaj dowiesz się, jak działa i do czego służy światłowód. Opowiem też, jak można zbudować mini-światłowód i wykorzystać go do zabawy. W tym celu należy zaopatrzyć się w światłowód plastikowy i źródło światła w postaci małej latarki diodowej lub wskaźnika laserowego.

Światłowód jest to pewien rodzaj kanału (falowód optyczny) służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Zasada jego działania polega na wielokrotnym wykorzystaniu zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia (odbicie i załamanie fal) wiązki światła podążającej wzdłuż światłowodu. 
 
Transmisja światłowodowa polega na przekazaniu wiązki światła, którego źródłem może być dioda laserowa lub dioda elektroluminescencyjna (LED). Po drugiej stronie światłowodu jest ona odbierana przez element światłoczuły, np. fotodiodę. Aby zapewnić prawidłową i szybką transmisję, wiązka światła jest modulowana. Zapobiega to mogącym pojawiać się zniekształceniom sygnału. Tłumienie i dyspersja przesyłanej wiązki światła zależą od długości fali i materiału światłowodu.
 
Światłowodami są zazwyczaj przeźroczyste włókna dielektryczne (światłowody włókniste) składające się z rdzenia i otaczającego go płaszcza wykonanego z materiału o współczynniku załamania mniejszym od współczynnika załamania materiału rdzenia. Najczęściej są stosowane włókna szklane ze szkła krzemionkowego (światłowody kwarcowe) lub fluorkowego ewentualnie włókna plastikowe (światłowody polimerowe), wykonane z polimerów: PMMA (polimetakrylanu metylu), FP (fluoropolimerów) albo PS (polistyrenu). Rzadziej stosuje się światłowody ciekłokrystaliczne (fotoniczne) i półprzewodnikowe. Zewnętrzną warstwę światłowodu włóknistego stanowi powłoka ochronna, wykonana najczęściej z polimeru. 
  
 
 
Światłowody wykonuje się jako jednomodowe lub wielodomowe w zależności od ilości przesyłanych modów, czyli fal. Mody światłowodowe są to promienie światła laserowego lub diody, wprowadzone do rdzenia pod różnymi kątami.
 
W światłowodach jednomodowych przenosi się tylko jeden mod. Źródłem światła jest laser. Wszystkie promienie odbijane są pod tym samym kątem do powierzchni płaszcza, a więc mają one jednakową drogę do przebycia i zajmuje to taki sam czas. Tym samym nie występuje tutaj dyspersja. Światłowody jednomodowe umożliwiają transmisję danych bez ich wzmacniania na odległość do 100 km, a prędkość transmisji wynosi do 3 terabitów na sekundę (Tb/s). Dzięki zastosowaniu technologii przesyłania fal świetlnych o różnych kolorach teoretycznie możliwe jest przesyłanie jednym włóknem światłowodowym nawet 100 terabitów danych na sekundę, co w przybliżeniu odpowiada 20 miliardom jednostronicowych e-maili.
 
W światłowodach wielomodowych jest możliwość występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi przesyłanego sygnału, czyli dyspersja. Światłowody te przesyłają wiele modów o różnej długości, co powoduje zniekształcenia impulsu wyjściowego. Przez to zmniejszeniu ulega prędkość i odległość transmisji. Źródłem światła jest tutaj dioda LED. Światłowody wielomodowe można podzielić na dwa typy: o współczynniku skokowym i gradientowym. Najczęściej spotykane są światłowody o płynnej zmianie współczynnika załamania pomiędzy rdzeniem a płaszczem, czyli gradientowe.
 

 
 
Włókna światłowodów mają średnice rdzenia wahające się od kilku mikrometrów (światłowody jednomodowe) do 50-1000 mikrometrów (światłowody wielomodowe). Mogą występować w postaci pojedynczego włókna, wiązki włókien lub setek tysięcy zespawanych włókien (płytki światłowodowe). Światłowody w postaci wiązki włókien umieszcza się wewnątrz kabla światłowodowego zabezpieczonego warstwami ochronnymi i wzmacniającymi, których rodzaj i grubość zależy od zastosowania światłowodu. Oprócz światłowodów włóknistych (cylindrycznych) stosuje się także światłowody planarne (warstwowe, płaskie) i paskowe.
 
Zaletami światłowodów włóknistych są małe rozmiary poprzeczne, mały ciężar, dobra elastyczność, bardzo małe tłumienie światła, odporność na zmiany temperatury i zakłócenia zewnętrzne (np. pola elektromagnetyczne) oraz możliwość przesyłania nimi sygnałów w szerokim paśmie częstotliwości. Ta ostatnia zaleta optycznej transmisji sygnału powoduje, że nadaje się ona szczególnie do telefonii oraz transmisji danych i sygnałów telewizyjnych w formie cyfrowej. Światłowody włókniste wykorzystuje się w światłowodowej telekomunikacji daleko zasięgowej, w sieciach połączeń lokalnych i w czujnikach, jako wiązki światłowodowe do przekazywania obrazów, w tym też np. trudno dostępnych części maszyn lub części organizmu ludzkiego (endoskopy). Na krótkich odległościach stosowane są zwykle kable z włóknami światłowodowymi polimerowymi (plastikowymi). Światłowody tego typu są tańsze i bardziej elastyczne. Są wykorzystywane w wielu zastosowaniach przemysłowych (kable do transmisji danych), w kinach domowych i sprzęcie HiFi (kable optyczne audio) oraz do punktowego lub liniowego oświetlenia i dekoracji. Światłowody paskowe mają zastosowanie w układach optoelektroniki scalonej: źródłach światła, modulatorach i przełącznikach sygnału świetlnego, a także jako czujniki. Ponieważ większość sieci światłowodowych współpracuje z tradycyjnymi systemami łączności, przesyłany sygnał musi być konwertowany z postaci elektrycznej na optyczną i odwrotnie za pomocą przełączników optoelektrycznych. Więcej na temat zastosowań światłowodów znajdziesz klikając tutaj.
 
Zainteresowanych poszerzeniem swojej wiedzy o światłowodach oraz zobaczeniem światłowodów w akcji zapraszam do zaglądnięcia do Artykułów (notek) oraz obejrzenia zdjęć, dodanych do Prac i Galerii. W jednym z artykułów zamieściłem opis, jak wykonałem swój mini-światłowód i jak zbudowałem robota "strzelającego" wiązką światła. Zachęcam też do rozwiązania krzyżówki (z pewnością przyda się tutaj uważna lektura tego tematu) i wzięcia udziału w quizie (zwłaszcza pasjonatów Bionicle).
 
Literatura uzupełniająca:
Dorosz J., Technologia światłowodów włóknistych, Wyd. Politechniki Białostockiej, Białystok 2005.
Karpierz M.A., Weinert-Rączka E., Nieliniowa optyka światłowodowa, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009.
Marciniak M., Łączność światłowodowa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1998. 
 
Warto też zaglądnąć do tematów:
- Jak powstaje światło elektryczne?
- Czy światło może być ostre jak brzytwa?
- Jak zaobserwować dyfrakcję i rozszczepienie światła?
- Jak można nieźle zamieszać ...kolorami?
- Co można zobaczyć w krzywym zwierciadle?
- Czy można wpaść w dziurę ozonową?
- Jak działa szkło powiększające?
- Co można zbudować z klocków LEGO?