Co to jest światłowód i jak jest zbudowany?

03.10.2022
Internet

Co to jest światłowód i jak jest zbudowany?

Czytasz teraz te słowa dzięki Internetowi.  Prawdopodobnie trafiłeś na tę stronę, dzięki wyszukiwarce takiej jak Google, która obsługuje ogólnoświatową sieć gigantycznych centrów danych połączonych kablami światłowodowymi o dużej przepustowości. Co pozwoliło na takie przyspieszenie prędkości transmisji danych? Zbudowanie sieci światłowodowej, która z sukcesem wypiera od lat 90. miedziane przewody. Ponad 99% danych przepływa obecnie przez światłowody. Wysoką prędkość należy jednak uznać za nowość, bo internet rozwijał się tak naprawdę dopiero od lat 90. Dziś mamy już sieć 5G, która jest ponad 100 tys. razy szybsza niż kilkadziesiąt lat temu.

Światłowody to technologia wykorzystywana do przesyłania informacji w postaci impulsów świetlnych przez włókna szklane lub plastikowe na duże odległości. Światłowody mają mniej więcej średnicę kosmyka ludzkiego włosa, a po związaniu w kabel światłowodowy są w stanie przesyłać więcej danych na większe odległości i szybciej niż inne media. To właśnie ta technologia zapewnia domom i firmom światłowodowe usługi internetowe, telefoniczne i telewizyjne.

Czym jest światłowód, jak działa i skąd ta przewaga nad miedzianymi przewodami, które przecież były wykorzystywane wcześniej przez ponad 100 lat?

Czym jest światłowód?

Światłowód to technologia, która przesyła informacje w postaci impulsów świetlnych wzdłuż włókna szklanego lub plastikowego. Światłowód jest elastycznym, przezroczystym przewodem wykonanym z włókna szklanego i tworzyw sztucznych. Kabel światłowodowy może zawierać różną liczbę takich włókien szklanych – od kilku do kilkuset.  Charakteryzuje się właściwościami umożliwiającymi przesłanie światła pomiędzy dwoma jego końcami i to nawet wtedy, gdy końce umieszczone są w odległości setek kilometrów od siebie. Włókna światłowodowe przesyłają sygnał z mniejszymi stratami niż konwencjonalne miedziane przewody. Kable światłowodowe są powszechnie stosowane ze względu na ich przewagę nad kablami miedzianymi. Niektóre z tych korzyści obejmują wyższą przepustowość i prędkość transmisji. Wykazują także dużą odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, które dla przewodów metalowych są dużym problemem. Dzięki swoim właściwościom światłowód może przesyłać ogromne ilości danych, co czyni go jednym ze szczytowych osiągnieć w branży telekomunikacyjnej.

Światłowody są używane w sieciach transmisji danych na duże odległości i o wysokiej wydajności. Jest również powszechnie stosowany w usługach telekomunikacyjnych, takich jak internet, telewizja i telefony.

Przywykłeś na pewno do idei „podróżowania informacji” na różne sposoby. Kiedy mowa o telefonie stacjonarnym, kabel druciany przenosi dźwięk Twojego głosu do gniazdka w ścianie, gdzie inny kabel przenosi je do lokalnej centrali telefonicznej. Telefony komórkowe działają w inny sposób: wysyłają i odbierają informacje za pomocą niewidzialnych fal radiowych – technologii zwanej bezprzewodową, ponieważ nie wykorzystuje kabli. Światłowód działa w trzeci sposób. Wysyła informacje zakodowane w wiązce światła. Został pierwotnie opracowany dla endoskopów w latach 50. XX wieku, aby pomóc lekarzom zajrzeć do wnętrza ludzkiego ciała bez konieczności jego wcześniejszego rozcinania. W latach 60. inżynierowie znaleźli sposób na wykorzystanie tej samej technologii do przesyłania rozmów telefonicznych z prędkością światła.

Kto wynalazł światłowody?

  • Lata czterdzieste XIX wieku: szwajcarski fizyk Daniel Colladon (wewnętrzne odbicie światła w strumieniach wody)
  • Lata 30. XX wieku: Heinrich Lamm i Walter Gerlach, dwaj niemieccy studenci, próbowali użyć światłowodów do wykonania gastroskopu.
  • Lata 50.: W Anglii, fizyk Narinder Kapany i fizyk Harold Hopkins zdołali przesłać prosty obraz do światłowodu wykonanego z tysięcy włókien szklanych. Po opublikowaniu wielu prac naukowych Kapany zyskał miano „ojca światłowodów”.
  • 1957: Trzej amerykańscy naukowcy z University of Michigan, z powodzeniem wykorzystali technologię światłowodową do stworzenia pierwszego na świecie gastroskopu.
  • 1960: fizyk Charles Kao i George Hockham dokonali przełomowego odkrycia. Kao zasugerował, że kabel światłowodowy wykonany z czystego szkła byłby w stanie przenosić sygnały telefoniczne na znacznie większe odległości i otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki 2009.
  • 1960: Naukowcy z Corning Glass Company stworzyli pierwszy kabel światłowodowy zdolny do przenoszenia sygnałów telefonicznych.
  • ~1970: Donald Keck i koledzy z Corning znaleźli sposoby na wysyłanie sygnałów znacznie dalej (z mniejszymi stratami), co skłoniło do opracowania pierwszych światłowodów.
  • 1988: Pierwszy transatlantycki światłowodowy kabel telefoniczny, TAT8, został ułożony między Stanami Zjednoczonymi, Francją i Wielką Brytanią.

Na wielką skalę zaczęto wykorzystywać światłowody w latach 80. Umożliwiały przesyłanie danych na odległość 100 km. Stały rozwój technologii spowodował powstanie zasięgu do 1000 km z prędkością 10 GB/s.

Światłowody a kable miedziane

Kable z drutu miedzianego były przed lata jednym z głównych wyborów w branży telekomunikacji, sieci i połączeń kablowych. Z czasem jednak światłowody stały się powszechną alternatywą. Większość linii dalekosiężnych firm telefonicznych jest obecnie wykonywana z kabli światłowodowych.

Światłowód przenosi więcej informacji niż konwencjonalny drut miedziany, ze względu na większą przepustowość i większe prędkości. Ponieważ szkło nie przewodzi prądu, światłowód nie podlega różnego typu zakłóceniom elektromagnetycznych, a straty sygnału są zminimalizowane.

Zalety światłowodów.

  • Obsługują większe przepustowości.
  • Światło może podróżować dalej bez potrzeby wzmacniania sygnału.
  • Są mniej podatne na zakłócenia, takie jak zakłócenia elektromagnetyczne.
  • Można je zanurzać w wodzie.
  • Kable światłowodowe są mocniejsze, cieńsze i lżejsze niż kable z drutu miedzianego.
  • Nie jest wymagana konserwacja ani wymiana.

Na czym polega działanie światłowodu?

Sieć światłowodową nie bez powodu porównuje się do sieci drogowej. Samo włókno jest małe, ma mniej więcej taką samą średnicę jak kosmyk ludzkiego włosa – a ruch ma postać światła.  Światłowody przesyłają dane w postaci cząstek światła lub fotonów, które transportowane są przez kabel światłowodowy. Rdzeń z włókna szklanego i płaszcz mają różne współczynniki załamania, które zaginają padające światło pod pewnym kątem. Gdy sygnały świetlne są przesyłane przez kabel światłowodowy, odbijają się one od rdzenia i płaszcza w serii zygzakowatych odbić w wyniku procesu zwanego całkowitym odbiciem wewnętrznym. Sygnały świetlne nie poruszają się z prędkością światła ze względu na gęstsze warstwy szkła, zamiast tego przemieszczają się o około 30% wolniej niż prędkość światła.

Dla ludzkiego oka światło wydaje się białe, ale w rzeczywistości składa się z wielu kolorów. Światłowód jest zwykle wykonany z czystej krzemionki (szkła) ze względu na jego właściwości zapewniające całkowite wewnętrzne załamanie, efekt, stanowi podstawę komunikacji światłowodowej.

Światło wędruje w dół rdzenia, który jest chroniony przez powłokę, która zapobiega ucieczce światła. Ze względu na właściwości krzemionki światło odbija się wewnątrz rdzenia zamiast uciekać, jakby odbijało się od lustra. Można to zrobić nawet pod górę, wytwarzając impulsy świetlne, które umożliwiają transmisję danych wewnątrz kabla światłowodowego. Powłoka jest używana w celu ochrony przed uszkodzeniami i wilgocią.

Kable światłowodowe mogą teraz obsługiwać sygnały do ​​10 Gb/s. Zazwyczaj wraz ze wzrostem przepustowości kabla światłowodowego jest on droższy.

Jak zbudowany jest światłowód?

Najbardziej podstawowy światłowód składa się z:

  • Wewnętrzny element o wysokim współczynniku załamania, zwany rdzeniem;
  • Środkowy element o niższym współczynniku załamania, zwany płaszczem;
  • Zewnętrzna ochronna warstwa polimerowa (poliuretan lub PVC) zwana pokryciem ochronnym.

W przypadku światłowodów szklanych średnica rdzenia waha się między 10-600 mikronów, grubość płaszcza między 125-630 mikronów. Dla POF wszystkie średnice mieszczą się w zakresie 750-2000 mikronów. Jak widać, jedną z głównych różnic między światłowodami szklanymi i plastikowymi jest ich średnica. To sprawia, że POF jest łatwiejszy w obsłudze.

Materiał stosowany do obecnie dostępnych na rynku materiałów obejmuje czyste szkło, plastik lub ich kombinację. Użycie jednego lub drugiego materiału będzie zdeterminowane takimi czynnikami jak jakość i ekonomia.

Światłowody plastikowe (POF) mają tę zaletę, że są wykonane z tańszych materiałów niż szkło i działają w widzialnym zakresie widma. Wykazują jednak duże straty, przez co ich zastosowania ograniczają się do transmisji na niewielkie odległości. Mimo to POF jest szeroko stosowany w narzędziach medycznych i przemysłowych, a obecnie prowadzone są badania nad wykorzystaniem POF jako zamiennika przewodów miedzianych do transmisji danych w samochodach.

Rodzaje światłowodów

Rodzajów światłowodów, czyli kabli, które mają formę wiązek wielu połączonych ze sobą włókien, jest naprawdę bardzo wiele. Podstawowe rodzaje wyróżnia sposób transmitowania wiązek światła. Sygnały świetlne w światłowodzie są przenoszone w  modach. Mod jest ścieżką, po której podąża strumień światła podczas przemieszczania się w dół światłowodu. Pod tym względem światłowody dzielimy na jednomodowe oraz wielomodowe.

  • Światłowód jednomodowy – najbardziej rozpowszechniony w światowych sieciach telekomunikacyjnych – jest przeznaczony do przenoszenia energii świetlnej jedną ścieżką na duże odległości. Jego rdzeń jest mały– wynosi zaledwie 8 mikronów średnicy. Jest najczęściej używany w sieciach dalekiego zasięgu. Ponieważ obsługuje tylko jedną ścieżkę światła, prawdopodobieństwo nakładania się sygnałów i zniekształceń jest mniejsze. Najczęściej jest stosowany w sieciach telefonicznych, internetowych, a także w telewizji kablowej.
  • Z drugiej strony światłowód wielomodowy ma większy rdzeń o średnicy do 62,5 mikronów. Jest przeznaczony do sygnałów świetlnych, które muszą podróżować jednocześnie wieloma różnymi ścieżkami. Są wykorzystywane między innymi do łączenia sieci komputerowych, ponieważ mogą one obsługiwać bardzo duże ilości danych w sposób oszczędny pod względem przestrzeni.

Warto też wiedzieć, że istnieją różne sposoby tworzenia sieci światłowodowych. Najszybsze sieci to FTTH (Fibre to the Home) i FTTP (Fibre to the Premisses). Tutaj światłowód prowadzony jest bezpośrednio do odbiorcy i daje największe możliwe do uzyskania prędkości. Cała komunikacja z zewnętrznym światem opiera się na włóknach optycznych. Sieć FTTC, czyli światłowód do węzła polega na tym, że światłowód jest doprowadzany do węzła znajdującego się w okolicy użytkowników, którzy z kolei łączą się z takim węzłem przy udziale tradycyjnych kabli miedzianych.

Światłowody nie tylko w telekomunikacji

Telekomunikacja jest oczywiście podstawowym zastosowaniem światłowodów. Ponad 99% danych na świecie już podróżuje światłowodami. Lecz to nie wszystko.

Po zaledwie dwóch latach od opatentowania pierwszych nowoczesnych światłowodów, wylądowały one na Księżycu (podstawowy element kamer telewizyjnych stosowanych przez NASA). Ich zastosowanie było wręcz utrzymywane w tajemnicy. Do obecnej chwili światłowód stosowany jest również w wojsku (lokalizacja wrogich okrętów w ramach systemów sonarowych). Na światłowodach oparte są również sejsmografy. Czasami jednak mają też przyziemne zastosowanie – np. do instalacji świetlnych. Więcej informacji na temat zastosowania znajdziesz poniżej.

Zastosowania światłowodów

Sieci komputerowe

Sieci komputerowe – ze względu na zdolność do przesyłania danych i zapewniania dużej przepustowości. Podobnie światłowody są często używane w elektronice, aby zapewnić lepsze połączenia i wydajność.

Internet i telewizja kablowa

Internet i telewizja kablowa to dwa z najczęściej spotykanych zastosowań światłowodów. W celu obsługi połączeń na duże odległości między sieciami komputerowymi w różnych lokalizacjach można zainstalować światłowody.

Obszary morskie

Światłowody są używane w bardziej nietypowym środowisku, takich jak kable podmorskie, ponieważ mogą być zanurzone w wodzie i nie wymagają częstej wymiany.

Wojsko i kosmos

Przemysł wojskowy i kosmiczny również wykorzystuje światłowód jako środek komunikacji i przesyłania sygnału, oprócz jego zdolności do wykrywania temperatury. Kable światłowodowe mogą być korzystne ze względu na ich mniejszą wagę i rozmiar.

Medyczny

Światłowody są często stosowane w różnych narzędziach medycznych w celu zapewnienia precyzyjnego oświetlenia. W coraz większym stopniu udostępnia się również czujniki biomedyczne, które pomagają w minimalnie inwazyjnych procedurach medycznych. Ponieważ światłowód nie podlega zakłóceniom elektromagnetycznym, jest idealny do różnych testów, takich jak skany MRI. Inne zastosowania medyczne światłowodów obejmują obrazowanie rentgenowskie, endoskopię, terapię światłem i mikroskopię chirurgiczną.

 

Czy u Ciebie jest światłowód? Poznaj ITH Net!

Nastąpił szybki rozwój sieci światłowodowej, dzięki czemu cena połączenia internetowego jest znacznie niższa niż kiedyś. Mapa sieci światłowodowej jest coraz gęstsza i coraz większa jest także dostępność światłowodu. Korzystać z niego mogą zarówno użytkownicy indywidualni, jak i firmy. Firma ITH Net świadczy usługi w zakresie łączy internetowych dla firm. Oferuje symetryczne łącza dla biznesu realizowane po sieci światłowodowej. Usługi są tym korzystniejsze, iż firma posiada je w ofercie antykryzysowej. Do 31 grudnia 2022 można korzystać z pełnej oferty za jedynie 1 złoty. Później można zdecydować, czy zakończyć, czy kontynuować współpracę z firmą. Warunek jest jeden – tarcza antykryzysowa ITH musi być dostępna w lokalizacji Twojej firmy. W ciągu 7 dni od podpisania umowy odbywa się instalacja usługi ITH Net. Do wyboru jest kilka atrakcyjnych pakietów usług. Infrastruktura ITH bazuje na sieci światłowodowej oraz rozproszonych węzłach dostępowych. Dla Krakowa i Warszawy posiadają po dwa węzły telekomunikacyjne, niezależne od siebie. W sieci firma używa sprzętów od takich producentów jak Huawei czy Juniper.