Jak działa światłowód? Światło zamknięte w szkle grubości włosa

Miedź przesyła elektrony, światłowód przesyła światło. To jedno zdanie tłumaczy, dlaczego włókno o średnicy ludzkiego włosa potrafi przenieść terabity danych przez ocean, a skrętka poddaje się po stu metrach. Cała reszta to szczegóły — ale to właśnie w nich siedzi odpowiedź na pytanie, dlaczego jeden patchcord kosztuje 15 złotych, a drugi 150.

//Fizyka w jednym zdaniu: całkowite wewnętrzne odbicie

Światłowód to rura ze światła, tylko zbudowana odwrotnie, niż podpowiada intuicja. W środku jest rdzeń ze szkła kwarcowego o wyższym współczynniku załamania (ok. 1,468), a wokół niego płaszcz ze szkła o współczynniku nieco niższym (ok. 1,463). Różnica wynosi ułamki procenta i to wystarcza.

Gdy promień światła pada na granicę obu ośrodków pod kątem większym niż tak zwany kąt graniczny, nie przechodzi do płaszcza, tylko odbija się w całości z powrotem do rdzenia. To zjawisko nazywa się całkowitym wewnętrznym odbiciem i opisuje je prawo Snella — to samo, które tłumaczy, dlaczego pod wodą widać lustrzane odbicie powierzchni. Światło wpada do włókna, odbija się dziesiątki tysięcy razy na kilometrze i wychodzi na drugim końcu, nawet jeśli kabel po drodze skręcał, zakopano go pod ziemią albo przeciągnięto przez studzienkę.

To dlatego światłowodu nie da się podsłuchać indukcyjnie, nie łapie zakłóceń od falownika i nie przenosi przepięć między budynkami. W szkle nie płynie prąd.

//Co jest w środku kabla

Włókno to więcej niż dwa rodzaje szkła:

• Rdzeń — 9 µm w jednomodzie, 50 lub 62,5 µm w wielomodzie. Tutaj biegnie światło.
• Płaszcz — zawsze 125 µm średnicy, niezależnie od rodzaju włókna. To on wymusza odbicie.
• Pokrycie akrylowe — 250 µm, chroni szkło przed mikropęknięciami. Zdejmuje się je strippererm przed spawaniem.
• Bufor, żel, włókna aramidowe i powłoka zewnętrzna — mechanika kabla, od tuby luźnej w kablach ziemnych po konstrukcję easy-strip w patchcordach.

Szkło samo w sobie jest zaskakująco wytrzymałe na rozciąganie, ale nie znosi zginania poniżej dopuszczalnego promienia. Przy zbyt ciasnym łuku światło po prostu ucieka przez płaszcz, a tłumienie rośnie skokowo.

//Jednomod kontra wielomod

To najważniejszy podział w całej technologii i jednocześnie najczęstsze źródło pomyłek przy zamówieniu.

Jednomodowy (SM, żółta koszulka)

Rdzeń ma około 9 µm, więc światło ma do dyspozycji praktycznie jedną drogę — jeden mod. Nie ma rozmycia impulsu wynikającego z tego, że część promieni leci dłuższą trasą. Źródłem jest laser pracujący na 1310 lub 1550 nm.

Najpopularniejsze włókno świata to ITU-T G.652.D: tłumienie do 0,35 dB/km przy 1310 nm i do 0,20 dB/km przy 1550 nm. Do mieszkań i instalacji z ciasnymi łukami stosuje się G.657.A1 i A2 — te same parametry transmisyjne, ale promień gięcia zejdzie do 7,5 mm bez dramatycznych strat.

Zasięg: dziesiątki, a z odpowiednimi nadajnikami setki kilometrów.

Wielomodowy (MM, aqua lub fioletowa koszulka)

Rdzeń 50 µm przepuszcza wiele modów jednocześnie, każdy inną drogą. Impuls rozmywa się w czasie (dyspersja modowa) i to ona, a nie tłumienie, wyznacza limit dystansu. Nadajnikiem jest tani VCSEL na 850 nm.

• OM3 — 10 Gb/s do 300 m
• OM4 — 10 Gb/s do 400 m, 100 Gb/s do 100 m
• OM5 — to co OM4 plus transmisja wielofalowa SWDM na czterech długościach fali

Wielomod ma sens wewnątrz budynku i w centrum danych, gdzie liczy się koszt optyki, a nie dystans. Powyżej dwóch kilometrów nie ma dyskusji: jednomod.

//Tłumienie, czyli budżet mocy

Każda instalacja światłowodowa to prosta księgowość w decybelach. Nadajnik ma określoną moc, odbiornik określoną czułość, a między nimi wszystko zabiera trochę sygnału:

• Włókno — 0,2 do 0,35 dB na kilometr
• Spaw termiczny — 0,02 do 0,1 dB, w dobrej spawarce praktycznie niewidoczny
• Złącze rozłączalne — 0,2 do 0,3 dB na parę
• Splitter 1:32 w sieci GPON — około 17 dB, i to jest zwykle największa pozycja na liście

Klasa optyki B+ w GPON daje budżet 28 dB, klasa C+ około 32 dB. Jeśli po instalacji reflektometr OTDR pokaże wartość bliską granicy, winowajcą jest najczęściej brudna ferrula albo kabel zgięty na ostrej krawędzi, a nie wadliwe włókno.

//Złącza: dlaczego zielony wtyk jest zielony

W światłowodzie liczy się nie tylko to, ile światła przejdzie dalej, ale też ile wróci. Odbicie od czoła złącza potrafi zdestabilizować laser.

• UPC (niebieski wtyk) — czoło ferruli polerowane na płasko z lekkim wypukleniem, reflektancja około -50 dB
• APC (zielony wtyk) — czoło ścięte pod kątem 8 stopni, przez co odbita wiązka ucieka w płaszcz; reflektancja poniżej -60 dB

APC jest standardem w sieciach FTTH i wszędzie tam, gdzie po tym samym włóknie biegnie telewizja RF. Zielonego z niebieskim nie łączy się ze sobą — geometria czoła się nie zgadza, strata rośnie, a ferrule można uszkodzić. Formaty obudowy to osobna sprawa: SC, LC, E2000 i inne to tylko mechanika, sedno siedzi w szlifie.

//Co naprawdę przychodzi do mieszkania

Sieć FTTH jest pasywna — między centralą a abonentem nie ma ani jednego urządzenia wymagającego zasilania, stąd nazwa PON (Passive Optical Network). Jedno włókno z centrali trafia do splittera, który dzieli je optycznie na 32 lub 64 mieszkania. Transmisja w obie strony idzie po tym samym szkle, na różnych długościach fali.

• GPON (ITU-T G.984) — 2,488 Gb/s w dół i 1,244 Gb/s w górę, dzielone między abonentów splittera
• XGS-PON (ITU-T G.9807.1) — symetryczne 10 Gb/s w obie strony, to na nie przechodzą dziś polscy operatorzy

Urządzenie w mieszkaniu to ONT — zamienia światło na Ethernet. Jeśli widzisz na nim zielony wtyk SC/APC, już wiesz, dlaczego jest zielony.

//Ile w to w ogóle wejdzie

Pojedyncze włókno nie przesyła jednego strumienia. Technika DWDM upycha w paśmie C (1530–1565 nm) kilkadziesiąt kanałów oddalonych o 50 GHz, każdy z własną prędkością 100, 400 lub 800 Gb/s. Wzmacniacze erbowe EDFA podbijają je wszystkie naraz, bez zamiany na elektryczność.

Laboratoria idą dalej. W 2024 roku japoński instytut NICT uzyskał 402 Tb/s w standardowym, komercyjnie dostępnym włóknie jednomodowym, wykorzystując jednocześnie sześć pasm transmisyjnych. To ta sama fizyka, która zasila twoje łącze w domu, tylko wyciśnięta do ostatniej kropli.

//Siedem rzeczy, które warto zapamiętać

• Światło w szkle leci wolniej niż w próżni — około 200 000 km/s, czyli 5 mikrosekund na kilometr. Kabel transatlantycki dokłada około 30 ms pingu i nic tego nie zmieni.
• Włókno jednomodowe i wielomodowe mają ten sam płaszcz 125 µm, więc wtyki pasują do siebie mechanicznie. Transmisja i tak nie zadziała.
• Nie patrz w czoło włókna. Laser 1310 i 1550 nm jest niewidoczny dla oka, a siatkówka tego nie wybacza.
• Brudna ferrula to najczęstsza przyczyna awarii w całej branży. Czyścik typu click-cleaner kosztuje mniej niż jedna wizyta serwisu.
• Zaślepki na wtykach nie są ozdobą, tylko ochroną przed kurzem.
• Spaw jest trwalszy i lepszy optycznie niż złącze mechaniczne. Jeśli instalacja ma zostać na lata, warto za niego zapłacić.
• Do nowej instalacji w domu wybieraj G.657.A2. Kosztuje tyle co zwykły jednomod, a wybacza ciasne łuki w listwie przypodłogowej.