Światłowód – jak działa i jakie ma zalety?

Światłowód przesyła dane za pomocą impulsów świetlnych, a nie prądu elektrycznego. Światło biegnie przez cienki szklany rdzeń dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, co zapewnia wysoką przepustowość, stabilność i odporność na zakłócenia.

Czym jest światłowód i jak działa?

Światłowód to medium transmisyjne wykonane najczęściej ze szkła, choć w niektórych zastosowaniach wykorzystuje się także tworzywa sztuczne. W odróżnieniu od kabla miedzianego nie przesyła informacji jako impulsów elektrycznych. Urządzenie nadawcze zamienia dane na serię impulsów światła, które przechodzą przez włókno do odbiornika. Ten z kolei przekształca je z powrotem w sygnał używany przez komputer, router, telewizor lub inne urządzenie.

Można wyobrazić sobie światłowód jako bardzo długi, cienki tunel, w którym światło wielokrotnie odbija się od ścian i dociera do wyjścia. To tylko analogia, ponieważ wewnątrz włókna nie ma lustrzanych powierzchni. Światło pozostaje w rdzeniu dzięki właściwościom optycznym dwóch warstw szkła.

Źródłem sygnału jest zwykle dioda LED albo laser półprzewodnikowy. Zmiany w nadawanym świetle kodują cyfrową informację. Włókno nie przewodzi prądu, dlatego sama transmisja optyczna nie jest podatna na zakłócenia elektromagnetyczne w taki sposób jak przewody miedziane.

Prędkość światła w szkle wynosi około 200 000 km/s, czyli mniej więcej dwie trzecie prędkości światła w próżni. Rzeczywista szybkość internetu zależy jednak także od urządzeń, standardu sieci i przepustowości wykupionego łącza.

Dlaczego światło nie ucieka z kabla?

Włókno światłowodowe składa się z dwóch najważniejszych części: centralnego rdzenia oraz otaczającego go płaszcza. Rdzeń ma wyższy współczynnik załamania światła niż płaszcz. Ta różnica sprawia, że światło wprowadzone do rdzenia pod właściwym kątem nie przechodzi na zewnątrz, lecz odbija się od granicy obu warstw.

Zjawisko to nosi nazwę całkowitego wewnętrznego odbicia. Opisuje je między innymi prawo Snella, które określa, jak światło zachowuje się na granicy ośrodków o różnych właściwościach optycznych. Gdy kąt padania przekroczy określoną wartość graniczną, światło nie załamuje się do płaszcza. Cała fala zostaje odbita z powrotem do rdzenia.

Właśnie dlatego sygnał może przemieszczać się wzdłuż włókna, także gdy kabel zmienia kierunek. Nie oznacza to jednak, że światło dociera bez żadnych strat. Niedoskonałości szkła, mikrozgięcia i uszkodzenia mechaniczne powodują tłumienie, czyli stopniowe zmniejszanie mocy sygnału. Na bardzo długich trasach stosuje się więc elementy wzmacniające lub regenerujące sygnał.

Światłowód a kable miedziane

Najważniejsza różnica polega na rodzaju przesyłanego sygnału. W światłowodzie jest to fala świetlna, a w kablu miedzianym – sygnał elektryczny. Przekłada się to na odporność na zakłócenia, możliwy zasięg i ilość danych, które można przesłać w jednostce czasu.

Światłowód nie jest całkowicie wolny od ograniczeń. Na jakość połączenia wpływają między innymi tłumienie, jakość zakończeń, urządzenia aktywne oraz sposób wykonania całej sieci. Mimo to sama transmisja optyczna zapewnia duży zapas przepustowości i dobre warunki do przesyłania danych na znaczne odległości.

Jakie są rodzaje światłowodów?

Podstawowy podział uwzględnia liczbę modów, czyli możliwych sposobów rozchodzenia się światła wewnątrz rdzenia. Najczęściej wyróżnia się dwa rodzaje:

• Światłowód jednomodowy, SMF – ma bardzo cienki rdzeń i prowadzi pojedynczy mod światła. Stosuje się go w telekomunikacji oraz sieciach, które muszą pokonywać duże odległości przy wysokiej przepustowości.
• Światłowód wielomodowy, MMF – ma szerszy rdzeń, w którym światło może rozchodzić się wieloma drogami. Sprawdza się głównie na krótszych dystansach, na przykład w sieciach lokalnych i centrach danych.

Włókna jednomodowe są typowym rozwiązaniem dla sieci operatorów doprowadzających internet do budynków i domów. Wielomodowe mogą być korzystniejsze tam, gdzie odcinki są krótkie, a koszt infrastruktury ma duże znaczenie.

Jakie zalety światłowód daje użytkownikowi?

Parametry światłowodu mają bezpośrednie przełożenie na codzienne korzystanie z internetu. Korzyści są szczególnie widoczne wtedy, gdy z jednego łącza korzysta jednocześnie kilka osób i wiele urządzeń:

• Wysoka przepustowość pozwala szybko pobierać duże pliki, korzystać ze streamingu w wysokiej rozdzielczości i obsługiwać wiele urządzeń bez szybkiego wyczerpania dostępnego pasma.
• Niskie opóźnienia poprawiają komfort grania online, wideokonferencji i pracy z aplikacjami działającymi w chmurze. Na wartość pingu wpływają też trasa do serwera oraz urządzenia po obu stronach połączenia.
• Symetryczne łącze może oferować zbliżone prędkości pobierania i wysyłania. Ma to znaczenie przy kopiach zapasowych, wysyłaniu dużych plików, transmisjach na żywo i pracy zdalnej.
• Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne sprawia, że urządzenia elektryczne nie wpływają na sygnał tak jak w przypadku przewodów miedzianych.
• Stabilność w trudnych warunkach wynika z tego, że samo włókno nie przewodzi prądu i nie koroduje. Pogoda może uszkodzić fizyczną infrastrukturę, ale nie zakłóca bezpośrednio transmisji światła w prawidłowo zabezpieczonym kablu.
• Mniejsze spadki jakości przy dużym obciążeniu są możliwe dzięki wysokiej przepustowości sieci, choć końcowa wydajność zależy również od routera, Wi-Fi i infrastruktury operatora.

W przypadku internetu doprowadzonego światłowodem bezpośrednio do domu stosuje się określenie FTTH, czyli Fiber To The Home. Oznacza ono, że odcinek światłowodowy dociera do lokalu użytkownika, a nie kończy się wcześniej w infrastrukturze operatora.

Światłowód działa więc dzięki połączeniu dwóch elementów: zamiany danych na impulsy świetlne oraz prowadzenia tych impulsów przez rdzeń z wykorzystaniem całkowitego wewnętrznego odbicia. To właśnie ta konstrukcja pozwala przesyłać dużo danych na duże odległości, z małym opóźnieniem i wysoką odpornością na zakłócenia.