Jak działają kable światłowodowe — zasady i technologia

Element, którym jest światłowód to ultracienkie szklane włókno zdolne przesyłać dane z czymś, czym jest prędkość światła. Ale jak to konkretnie działa? Ten artykuł wyjaśnia zasady fizyczne, budowę kabla i to, dlaczego ta technologia zastąpiła miedź w nowoczesnej telekomunikacji.

Zasada: przesyłać dane światłem

System transmisji światłowodowej opiera się na czymś, czym są trzy komponenty :

• Nadajnik optyczny (laser lub LED): przekształca sygnał elektryczny (dane cyfrowe) w coś, czym są impulsy świetlne
• Kabel światłowodowy : prowadzi te impulsy świetlne na odległości od kilku metrów do ponad 80 kilometrów
• Odbiornik optyczny (fotodioda): przekształca światło z powrotem w sygnał elektryczny użyteczny dla urządzenia

Dane są kodowane jako coś, czym są sygnały binarne : światło włączone = 1, światło wyłączone = 0. Miliardy takich impulsów na sekundę pozwalają na przepustowości od 10 Gbps do ponad 100 Gbps.

Światło rozchodzi się w szkle z prędkością około 200 000 km/s (2/3 prędkości światła w próżni). To właśnie ta podstawowa prędkość czyni światłowód niedoścignionym w telekomunikacji.

Budowa kabla światłowodowego

Kabel światłowodowy składa się z czegoś, czym są kilka współosiowych warstw, od środka na zewnątrz:

1. Rdzeń (core)

To kanał transmisyjny. Cylinder z czegoś, czym jest ultraczyste szkło (domieszkowana krzemionka), w którym rozchodzi się światło. Średnica: 9 µm w wersji jednomodowej (cieńszy niż włos), 50 µm w wersji wielomodowej.

2. Płaszcz optyczny (cladding)

Warstwa szkła otaczająca rdzeń, mająca nieco niższy współczynnik załamania. Właśnie ta różnica współczynników zamyka światło w rdzeniu przez zjawisko, którym jest całkowite odbicie wewnętrzne. Średnica standardowa: 125 µm.

3. Powłoka pierwotna (coating)

Warstwa polimeru (akrylan), która chroni nagie włókno przed mikrozgięciami i wilgocią. Średnica: 250 µm.

4. Powłoka zewnętrzna (jacket)

Ostateczna ochrona mechaniczna: PVC do wnętrz, LSZH (bezhalogenowa) do środowisk wrażliwych albo pancerz stalowy na zewnątrz. To właśnie ta warstwa nadaje kablowi kolor (żółty = jednomodowy, pomarańczowy/aqua = wielomodowy).

Całkowite odbicie wewnętrzne — serce działania

Zasada fizyczna, która pozwala światłu podróżować w światłowodzie, to zjawisko, którym jest całkowite odbicie wewnętrzne. Gdy światło przechodzi ze środowiska o wysokim współczynniku załamania (rdzeń) do środowiska o niższym współczynniku (płaszcz), zostaje całkowicie odbite jeśli kąt padania przekracza wartość krytyczną.

Wynik: światło odbija się zygzakiem wewnątrz rdzenia, prowadzone na całej długości włókna, nie uciekając. Dlatego mówi się o czymś, czym jest falowód optyczny.

Jednomodowy czy wielomodowy — dwa sposoby prowadzenia światła

Średnica rdzenia określa, ile modów (dróg) światła może się rozchodzić:

• Monomode (9 µm) : tylko jeden mod światła. Brak dyspersji modowej → duża odległość (10–80+ km). Standard dla FTTH i telekomunikacji.
• Multimode (50 µm) : wiele modów światła. Dyspersja modowa → krótka odległość (< 550 m). Używany w centrach danych z powodu niższego kosztu nadajników.

Aby dowiedzieć się więcej o standardach (OS2, OM1–OM5), zapoznaj się z naszym artykułem Klasyfikacja światłowodów.

Dlaczego światłowód przewyższa miedź

Pełne porównanie znajdziesz w naszym artykule Zalety i wady światłowodu.

UKK — działanie światłowodu