Historia światłowodu sięga XIX wieku. Początki niewiele przypominały dzisiejszą transmisję, jednak próby przeniesienia sygnału za pomocą światła wykorzystywały te same prawa fizyki. Protoplaści tej technologii mieli spory udział w tym, czego używamy obecnie.
Pierwsze próby opierały się na użyciu luster. W 1880 roku Alexander Graham Bell przesłał dźwięk za pomocą fototelefonu, zmieniając strumień światła drgającym pod wpływem dźwięku lustrem. Koszty i efektywność tego wynalazku plasowały go jedynie na pozycji testowej. Kolejne próby z fotonami dążyły coraz bardziej do skupienia wiązki światła w celu zmniejszenia strat przy nieco większych odległościach. W 1895 roku Henry Saint-Rene zbudował system powyginanych rurek, które — pokryte odpowiednią powłoką — pozwoliły przenieść obraz w całym budynku.
Do wnętrza pacjenta
Pierwszym, który w praktyce wykorzystał wiązkę szklanych rurek, był Heinrich Lamm — obiecujący student z Monachium. W 1930 roku zaglądał przy pomocy swojego wynalazku do wnętrza pacjenta. Jakość uzyskiwanego obrazu była bardzo niska, jednak taka wędrówka po ludzkim ciele bez ingerencji skalpela natchnęła wielu uczonych do prowadzenia poważniejszych prac.
Rys. 1 Przekrój światłowodu
W latach powojennych rozpoczęły się masowe próby wykorzystania wiązki światłowodów do transmisji. Większość naukowców borykała się z problemem jakości i czystości medium, co ograniczało przesył do niewielkich odległości i powodowało ogromne straty. Problem czystości został przełamany dopiero w 1970 roku przez zespół badaczy (Robert Maurer, Donald Keck i Peter Schulz), którzy użyli krzemionki jako struktury do przenoszenia światła, tworząc jednomodowy światłowód ze stratą na poziomie 17 dB/km. Rozpoczęła się rewolucja w transmisji. Tak wielkie możliwości przesyłu w porównaniu z kablami miedzianymi skłoniły wiele firm do prac nad wdrażaniem i poprawą technologii w medycynie, telekomunikacji, informatyce i przemyśle.
Jedno- i wielomodowe
Po wielu latach technologia światłowodowa opiera się na tym samym zjawisku, czyli całkowitego wewnętrznego odbicia fali świetlnej na granicy dwóch ośrodków o różnym współczynniku załamania. Do kabla światłowodowego składającego się z włókien szklanych wprowadzana jest przekształcona z sygnału elektrycznego modulowana wiązka światła, generowana przez laser lub diodę LED, po czym — w odbiorniku — przetwarzana jest z powrotem na sygnał elektryczny.
Sam światłowód telekomunikacyjny składa się z trzech głównych części: rdzenia, płaszcza i pokrycia ochronnego. Rdzeń prowadzi wiązkę światła i wykonany jest najczęściej ze szkła kamionkowego. Z tego samego materiału wykonany jest również płaszcz, który uniemożliwia ucieczkę światła z rdzenia poprzez odbicie. Pokrycie z tworzywa sztucznego ma za zadanie chronić ułożoną w ziemi lub zawieszoną wiązkę przed zgubnym wpływem wszelkich czynników zewnętrznych.
Rys. 2 Światłowód wielomodowy
Ze względu na parametry transmisji, światłowody przede wszystkim różnią się strukturą modową (budową), rozmiarem oraz materiałem. Pod względem różnic w strukturze oraz wielkości włókien dostępne są światłowody jednomodowe (Single Mode Fiber) i wielodomowe (Multi Mode Fiber): gradientowe i skokowe. Światłowody jednomodowe nadające się do transmisji nawet na odległość do 100 km bez potrzeby wzmocnienia sygnału są cieńsze i mają od 5 do 10 mikrometrów grubości. Fala wytworzona przez laser półprzewodnikowy o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra dociera po jednym modzie prawie równolegle do osi światłowodu.
Światłowody wielomodowe zaś charakteryzują się tym, że jedna fala rozchodzi się wieloma drogami wewnątrz włókna. Średnica rdzenia wynosi 50 lub 62,5 mikrometra. Są więc grubsze od jednomodów, a źródłem światła jest dioda LED. Prędkość ruchu modów we włóknie jest najczęściej różna z powodu różnych kątów odbicia, co skutkuje zniekształceniami sygnału przy odbiorze. W przypadku takiej dyspersji wielomodowej fale wysłane jednocześnie nie docierają do odbiornika w tym samym czasie. Ze względu na możliwości wprowadzenia większej mocy optycznej oraz niższe koszty budowy, ekonomiczniej jest stosować te włókna, jednak mają one spore ograniczenie co do odległości transmisji.
Warstwowa budowa światłowodu wielomodowego cechuje tzw. włókna gradientowe. Warstwy są odmienne od siebie, co powoduje, że współczynnik załamania światła zmienia się w sposób płynny. Inne są światłowody wielomodowe skokowe, gdzie następuje stała skokowa zmiana współczynnika załamania. Ze względu na gorsze parametry stosowane są one jednak sporadycznie.
Od pewnego czasu światłowód stał się podstawą w budowie sieci teletransmisyjnych. Bez niego nie byłaby możliwa między innymi praca na komputerze z włączoną na stałe przeglądarką internetową, czyli masowy dostęp do informacji w niesamowicie szybkim tempie. Na światłowodach oparte zostało wiele systemów w produkcji, medycynie, muzyce. Zastosowanie mają wszędzie tam, gdzie niezbędna jest transmisja bezpieczna i wysokiej jakości.
Dzięki zaletom technologii światłowodowej wszystkie usługi szerokopasmowego dostępu do Internetu czy dostępu do pomieszczeń kolokacyjnych są niezawodne i bardzo szybkie. Swobodnie powiększana jest także przepustowość łączy szkieletowych oraz lokalnych. Niestety, oprócz wielu zalet, pozostają dwie spore wady tej technologii. Przede wszystkim mała odporność na zgięcia oraz na wilgoć, co wpływa na większą tłumienność, a nawet doprowadza do zniszczenia światłowodu. Żywotność światłowodu określana jest na około 25 lat, zależy ona jednak od warunków, w jakich znajduje się kabel.
Porażające prędkości
Cechy transmisji za pomocą fotonów w porównaniu z kablami miedzianymi (takie jak odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, bezpieczeństwo przesyłu, mała tłumienność, duża trwałość, duża prędkość transmisji) będą na pewno motorem do dalszego rozwoju światłowodów. Ciągle trwają badania nad zwiększeniem prędkości. Dotychczas było to światło mknące z porażającą prędkością 299 790 km/s. Za kilka lat zapewne będziemy mile zaskoczeni zupełnie innymi prędkościami, jakie w tej chwili są niewyobrażalne. Niedawno naukowcy z Uniwersytetu Genewskiego odkryli, że dwa splątane fotony przekazują między sobą informację o wiele szybciej niż prędkość światła, co mogłoby być podstawą do korzystania z jeszcze szybszej transmisji.
Obecnie pojedyncze fotony są najszybszym środkiem do transportu naszych informacji. Z pewnością poprawa jakości materiałów w celu zmniejszenia tłumienności oraz zastosowanie jeszcze cieńszych włókien w celu zmniejszenia odbicia wewnątrz włókna mogą doprowadzić do zwielokrotnienia możliwości przesyłu w sieciach LAN i WAN. Odmienne podejście do przesyłu danych w samych urządzeniach komputerowych może przyśpieszyć je wielokrotnie, przy równoczesnym zmniejszeniu poboru mocy. Świetlana przyszłość jest także przed transmisjami międzykontynentalnymi, gdzie dla usług oferowanych nie tylko przez naszą firmę znacznie zwiększą się możliwości przesyłowe, polepszając komunikację na całym świecie.
Autor: Maciej Kulesza, ATM
