Jak działa światłowód? Zasada przesyłu danych

Światłowód przesyła dane za pomocą modulowanej fali świetlnej, prowadzonej przez cienki rdzeń dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Taka transmisja zapewnia wysoką przepustowość, niski PING i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne oraz pogodowe. Sprawdź, jak zbudowane jest włókno, czym różnią się technologie FTTx i jak wygląda instalacja w domu.

Czym jest światłowód i jak przesyła dane?

Światłowód to przewód wykonany ze szkła krzemionkowego, tworzywa sztucznego albo kilku materiałów połączonych w wielowarstwową konstrukcję. Informacje nie płyną w nim jako impulsy elektryczne, jak w kablu miedzianym. Ich nośnikiem jest światło wytwarzane przez laser półprzewodnikowy lub diodę LED.

Włókno składa się z rdzenia, płaszcza oraz warstw ochronnych. Średnica rdzenia wynosi około 8–62,5 mikrometra, więc jest zbliżona do grubości ludzkiego włosa. Zewnętrzna osłona chroni delikatne szkło przed wilgocią, rozciąganiem i przypadkowymi uszkodzeniami.

Całkowite wewnętrzne odbicie

Rdzeń ma wyższy współczynnik załamania światła niż otaczający go płaszcz. Gdy fala dociera do granicy obu ośrodków pod właściwym kątem, nie wydostaje się na zewnątrz, lecz odbija się wewnątrz włókna. To zjawisko nosi nazwę całkowitego wewnętrznego odbicia.

Światło może wielokrotnie odbijać się od granicy rdzenia i płaszcza, a fala nadal zachowuje informację zakodowaną w jej modulacji.

W praktyce sygnał nie pozostaje całkowicie bez strat. Występuje tłumienie, czyli stopniowa utrata mocy optycznej. Dla fali o długości 1,5 mikrometra jego wartość wynosi około 0,20 dB/km, choć rzeczywisty wynik zależy także od jakości spawów, złączy i przebiegu kabla.

Jakie są rodzaje włókien światłowodowych?

Podział zależy między innymi od średnicy rdzenia, liczby propagowanych modów, rozkładu współczynnika załamania i materiału wykonania. W telekomunikacji najczęściej spotyka się włókna jednomodowe, natomiast wielomodowe stosuje się na krótszych odcinkach, między innymi w sieciach lokalnych.

Światłowód jednomodowy i wielomodowy

Włókno jednomodowe prowadzi jeden mod światła, dzięki czemu ogranicza dyspersję międzymodową. Sygnał może przebyć nawet ponad 100 kilometrów bez regeneracji, a źródłem światła jest zwykle laser pracujący przy długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra.

W odmianie wielomodowej fala biegnie wieloma drogami. Poszczególne mody pokonują różne odległości i docierają do odbiornika w nieco innych chwilach. Impuls ulega wtedy rozmyciu, dlatego ten wariant sprawdza się na krótszych trasach.

Światłowód skokowy i gradientowy

W konstrukcji skokowej współczynnik załamania zmienia się gwałtownie na granicy rdzenia i płaszcza. W gradientowej maleje stopniowo od osi rdzenia do jego krawędzi. Mody poruszające się dalej od środka przemieszczają się w ośrodku o mniejszym współczynniku załamania, więc mogą częściowo wyrównać czas dotarcia do odbiornika.

Na jakość transmisji wpływa również dyspersja. Fale o różnych długościach poruszają się z odmiennymi prędkościami, przez co impuls wydłuża się wraz z długością trasy. Zjawisko ogranicza maksymalną przepustowość i zasięg kabla.

FTTH, FTTB i FTTC – gdzie kończy się światłowód?

Rodzina technologii FTTx opisuje miejsce zakończenia włókna w sieci dostępowej. Im bliżej mieszkania znajduje się światłowód, tym mniejszy odcinek sygnał pokonuje po przewodzie miedzianym.

FTTH (Fiber To The Home) uznaje się za najwydajniejszą architekturę dla gospodarstw domowych, ponieważ światłowód dociera bezpośrednio do lokalu. W technologii FTTB włókno kończy się w budynku, a mieszkania korzystają z wewnętrznej instalacji. FTTC i FTTN wykorzystują miedziany odcinek od punktu dystrybucyjnego do użytkownika, co może ograniczać prędkość.

Jak przebiega instalacja światłowodu?

Sieć FTTH tworzą trzy części: dosyłowa, pionowa i pozioma. Pierwsza prowadzi sygnał z centrali do punktu dystrybucyjnego, druga łączy kondygnacje, a trzecia doprowadza kabel do konkretnego mieszkania lub domu.

Przewody układa się pod ziemią, w kanalizacji teletechnicznej, szachtach budynków albo napowietrznie. W punkcie dystrybucyjnym sygnał może zostać podzielony przez splitter optyczny. To bierne urządzenie rozdziela moc z jednego włókna wejściowego na kilka włókien wyjściowych. Stosuje się między innymi splittery typu FBT i PLC.

Połączenia wykonuje się za pomocą spawów, złączy i adapterów. Trwały spaw powstaje przez stopienie końców włókien łukiem elektrycznym. W domu instalację kończy gniazdo optyczne, odbiornik ONT albo urządzenie zintegrowane z routerem. Przeciągnięcie przewodu często wymaga tylko niewielkiego otworu w ścianie.

Router i test połączenia

Router powinien mieć złącze WAN RJ-45 oraz obsługiwać przepustowość wykupionego łącza. Przydatne są porty LAN Gigabit Ethernet, szeroki zasięg i dwa pasma Wi-Fi: 2,4 oraz 5 GHz. Sam przewód nie zapewni pełnej prędkości, jeśli urządzenie sieciowe albo karta bezprzewodowa ma niższe parametry.

Po uruchomieniu warto wykonać test prędkości. Pomiar pokazuje pobieranie, wysyłanie i opóźnienie. W dobrze działającym łączu światłowodowym PING może wynosić poniżej 20 ms, choć wynik zależy też od serwera testowego, routera i sposobu połączenia z urządzeniem.

Dlaczego światłowód jest szybki i stabilny?

Włókno nie przewodzi prądu i nie emituje zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Dzięki temu urządzenia elektryczne, silny wiatr, ulewa czy śnieżyca nie wpływają bezpośrednio na transmisję. To różni tę technologię od łączy radiowych i wielu instalacji miedzianych.

Wysoka przepustowość pozwala kilku osobom jednocześnie oglądać materiały 4K, prowadzić wideokonferencję, pobierać duże pliki i grać online. W typowych ofertach spotyka się wartości od kilkuset megabitów do 1 Gb/s, a sieci operatorskie mogą obsługiwać jeszcze większe przepływności.

Światłowód nie jest jednak całkowicie odporny na uszkodzenia. Zbyt mały promień zgięcia, mikrozgięcia, zabrudzenie czoła złącza lub prace ziemne mogą zwiększyć tłumienie. Kable projektuje się na około 40 lat pracy, natomiast podziemna infrastruktura bywa eksploatowana bezawaryjnie przez 20–25 lat, zależnie od osłon i warunków montażu.

Największą wydajność domowego łącza FTTH uzyskasz wtedy, gdy światłowód, odbiornik optyczny, router i urządzenia użytkownika obsługują porównywalne parametry transmisji.