Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że niemal wszystko w sieci jest dostępne natychmiast. Pliki, strony czy nawet filmy streamowane w rozdzielczości 4K otwierają się niemal w momencie, w którym klikamy na ich link. A pojedyncze łącze jest w stanie obsłużyć potrzeby sporej firmy i kilkadziesiąt czy kilkaset komputerów pracujących w sieci jednocześnie.
Sieć wysokiej prędkości jest jednak zjawiskiem bardzo nowym. W 1990 r., kiedy krakowski Instytut Fizyki Jądrowej PAN nawiązał pierwsze w Polsce połączenie z komputerami szwajcarskiego CERN, prędkość transmisji danych wynosiła 9600 bitów na sekundę. Dostępny zaledwie 30 lat później internet 5G jest ponad 100 tys. razy szybszy.
Najważniejszym czynnikiem, który pozwolił na tak ogromne przyspieszenie transmisji danych, była szybka budowa sieci światłowodowej, która od lat 90-tych wypiera łącza oparte na miedzianych przewodach. Dziś ponad 99 proc. danych przesyłanych w sieci podróżuje światłowodami. Nawet dane przesyłane za pomocą bezprzewodowych technologii takich jak 5G czy LTE po dotarciu do stacji bazowej najczęściej dalszą drogę pokonują właśnie włóknami optycznymi. Według danych Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej, tylko między 2014 a 2019 r. na całym świecie w rozbudowę sieci światłowodowej zainwestowano ponad 144 mld dol.
To światłowody stanowią kręgosłup światowego internetu, i coraz częściej stosowane są do przyłączania do sieci pojedynczych użytkowników. Czym jednak są i skąd bierze się ich ogromna przewaga nad tradycyjnymi, miedzianymi kablami wykorzystywanymi w sieciach telekomunikacyjnych przez ponad stulecie?
Światłowód – definicja
Co to jest światłowód? To elastyczne, przezroczyste włókno wykonane ze szkła lub sztucznego tworzywa, którego właściwości pozwalają przesyłać światło między dwoma końcami włókna, nawet jeśli położone są o setki kilometrów od siebie. W porównaniu z konwencjonalnymi, miedzianymi kablami, przewody światłowodowe pozwalają przesyłać sygnały z mniejszymi stratami, ponadto włókna są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, które stanowią poważny problem dla metalowych przewodów. Właściwości światłowodu, w tym ogromna ilość danych, którą można za jego pomocą przesyłać, sprawiają, że stanowi podstawowy składnik niemal wszystkich sieci telekomunikacyjnych na świecie. Światłowód ma także inne zastosowania, między innymi w medycynie, wojsku czy w kosmosie.
Wczesne formy światłowodów sięgają swoją historią jeszcze lat czterdziestych XIX w., kiedy fizycy Daniel Collodon i Jacques Babinet dowiedli, że światło może być prowadzone wewnątrz strumienia wody. W 1854 r. fizyk John Tyndall zademonstrował transmisję światła przez zakrzywiony strumień. Ich “światłowody” miały jednak głównie dekoracyjne zastosowanie – miały służyć np. do efektownego oświetlania fontann. Podobnie do oświetlania miały służyć pokryte odblaskowymi powłokami rury opracowane w 1880 r. przez Williama Waltera. Miały służyć do oświetlania domów z centralnej lampy łukowej.
Dopiero pół wieku później podjęto próby wykorzystania tak przewodzonego światła do przenoszenia informacji. Pierwsze próby analogowej transmisji danych przy pomocy promieni światłowodów miały miejsce w latach 1930 – wynalazcy tacy, jak John Logie Baird czy Clarence Hansell zademonstrowali to, że przezroczyste pręty mogą być wykorzystane do przesyłania obrazów telewizyjnych albo faksów.
Jednak dopiero wynalazek lasera w 1958 r. otworzył drogę do prawdziwej rewolucji. W 1961 r. Elias Snitzer opublikował metodę tworzenia przenoszących światło niezwykle cienkich włókien nazywanych dziś “jednomodowymi”. Pierwsze włókna nie nadawały się jednak do telekomunikacji, bo cierpiały z powodu szybkiej utraty mocy światła. Transmisja danych na większe możliwości byłaby przy ich wykorzystaniu niemożliwa, znalazły jednak zastosowanie w medycynie. Pierwsze użyteczne światłowody, powstałe z włókien oczyszczonych z zanieczyszczeń i wzbogaconych tytanem, powstały w 1970 r. Były stukrotnie mniej wydajne od dzisiejszych, ale wystarczyły do pierwszych zastosowań telekomunikacyjnych. Światłowody posłużyły m.in. do budowy sieci komunikacyjnej amerykańskiego dowództwa obrony przeciwlotniczej i przeciwrakietowej NORAD.
Pierwsze sieci telekomunikacyjne wykorzystujące światłowody na wielką skalę zaczęły rozwijać się w latach 80. Oferowały prędkości od 565 Mb/s do 2,5 GB/s i pozwalały przesyłać sygnały na odległość 100 km. Dzięki stałemu rozwojowi technologii, w latach 80. zasięg światłowodu pozwalał już na transmisje na odległość 1000 km z prędkościami sięgającymi 10Gbps. Pierwszy międzykontynentalny kabel światłowodowy został przerzucony przez Pacyfik w 1996 r. otwierając drogę do współczesnego Internetu.
Jak działa światłowód
Zasada działania światłowodu jest prosta. Źródło sygnału, na przykład wkładka optyczna, przekłada dane komputerowe na ciąg świetlnych sygnałów. Impulsy świetlne, generowane przez małe lasery lub diody elektroluminescencyjne, są “wpuszczane” do światłowodu. Wewnątrz, promień odbija się od okładziny światłowodu i pokonuje jego długość, docierając do odbiornika. Dzięki temu, że kąt padania promienia jest stały, promień odbija się bez utraty energii – nie dochodzi do rozproszenia wiązki światła. Na końcu drogi sygnału, jest od dekodowany przez odbiornik i ponownie przekładany na normalne dane komputerowe.
Dzięki swoim właściwościom, światłowody charakteryzują się bardzo niskimi stratami transmisji, czyli można nimi przesyłać dane na ogromne odległości. Współczesne światłowody mają współczynnik strat wynoszący mniej, niż 0,2 dB/km. Dla porównania, sygnały radiowe tracą ok. 1 dB/km, a miedziany kabel 10 dB/km. Oferują także ogromną przepustowość. Standardowe kable światłowodowe mają przepustowość 10Gb/s, 40Gb/s, 100Gb/s i większą. W przeciwieństwie do miedzianych kabli, nie wymagają też ekranowania przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.
Budowa światłowodu
Pojedyncze włókno światłowodowe ma mniej więcej średnicę ludzkiego włosa. Włókna najczęściej łączone są w grubsze przewody, które mogą zawierać dziesiątki czy setki biegnących równolegle światłowodów we wspólnej, plastikowej obudowie.
Włókna optyczne składają się zazwyczaj z dwóch warstw szkła: rdzenia i płaszcza. Obie warstwy mają nieco inne właściwości optyczne: płaszcz ma niższy współczynnik załamania światła niż rdzeń, co powoduje, że promień światła ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. To właśnie to zjawisko pozwala włóknom “transportować” światło na duże odległości: pełne odbicia światła do wewnątrz pozwala uniknąć osłabienia sygnału i pozwala światłu pokonywać zagięcia kabla. Włókna wielomodowe (więcej o nich za chwilę) mają zazwyczaj rdzenie o większej średnicy, pozwalającą na przesyłanie większej mocy na krótsze odległości.
Wiele włókien działa w parach dupleksowych: jedno włókno służy do transmisji, a drugie do odbioru. Ale możliwe jest przesłanie obu sygnałów jedną nitką. Technologia WDM umożliwia łączenie (multipleksowanie) i późniejsze rozdzielanie (demultipleksowanie) światła o wielu różnych długościach fal, skutecznie przesyłając wiele strumieni komunikacyjnych za pomocą pojedynczego impulsu świetlnego.
Trudnością w budowie sieci światłowodowych jest fakt, że łączenie światłowodów jest trudniejsze, niż łączenie metalowych przewodów. Wymaga zazwyczaj ostrożnego przycięcia i wyrównania rdzeni światłowodowych, a następnie zespojenie ich za pomocą łuku elektrycznego lub mechaniczne połączenie. Sieć światłowodowa ma jednak wiele przewag nad tradycyjną, wykraczających daleko poza samą prędkość i przepustowość. Niemetalowe przewody nie są wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne (np. wywołane warunkami pogodowymi), są też bezpieczniejsze, bo nie przenoszą prądu, w związku z czym nie tworzą ryzyka iskrzenia i potencjalnego pożaru.
Rodzaje światłowodów
Istnieje wiele rodzajów kabli światłowodowych, zazwyczaj przybierających formę wiązek wielu połączonych indywidualnych włókien.
Podstawowy podział światłowodów wynika ze sposobu, w jaki transmitują one wiązki światła. Światłowody przenoszą sygnały świetlne w tak zwanych modach. Mod to ścieżka, po której podąża wiązka światła podczas przemieszczania się w dół światłowodu. Istnieją kable światłowodowe jednomodowe i wielomodowe.
Światłowód jednomodowy jest najprostszy. Zawiera bardzo cienki rdzeń, a wszystkie sygnały wędrują przez środek bez odbijania się od krawędzi. Są w stanie przenosić dane na większe odległości, dlatego są najczęściej stosowane w sieciach telefonicznych, internetowych czy w telewizji kablowej. Światłowód wielomodowy jest nawet 10-krotnie grubszy. Wiązki światła mogą przechodzić przez niego podążając wieloma różnymi ścieżkami, albo w wielu “modach”. Mogą one być jednak stosowane jedynie na niewielkich odległościach, dlatego są wykorzystywane np. do łączenia sieci komputerowych.
Istnieje także kilka różnych sposobów tworzenia sieci światłowodowych. Wszystkie opierają się na światłowodowym przewodzie doprowadzającym dane do użytkownika, różnią się jednak tym, co dzieje się z danymi na ostatnim odcinku pokonywanej przez nie drogi. W najszybszych sieciach, znanych jako Fibre to the Home (FTTH) lub Fibre to the Premises (FTTP), światłowód jest prowadzony bezpośrednio do odbiorcy, dając największe możliwe prędkości – cała komunikacja ze światem zewnętrznym odbywa się za pomocą włókien optycznych. Sieci FTTC (światłowód do węzła) polega na doprowadzeniu światłowodu do węzła znajdującego się w pobliżu końcowych użytkowników, którzy z takim węzłem łączą się za pomocą konwencjonalnych, miedzianych kabli.
Zastosowania światłowodów
Najbardziej powszechnym zastosowaniem światłowodów jest, oczywiście telekomunikacja. Jak już wspominaliśmy, ponad 99 proc. wszystkich przesyłanych na Ziemi danych podróżuje przez łącze światłowodowe, a grube kable światłowodowe są podstawowym sposobem przekazywania danych między wszystkimi kontynentami z wyjątkiem Antarktydy. Sieć światłowodowa ma wiele przewag nad tradycyjnymi, miedzianymi kablami – przede wszystkim są w stanie przekazać o wiele więcej danych przy pomocy kabla o tej samej grubości. Także tradycyjnych rozmów telefonicznych: kabel światłowodowy jest w stanie obsłużyć tysiące połączeń jednocześnie.
To jednak niejedyne ich zastosowanie. Jeszcze zanim znalazła zastosowanie w telekomunikacji, technologia światłowodowa była wykorzystywana w medycynie i w kosmosie.
Medyczne zastosowania światłowodów są bardzo urozmaicone. Światłowody są kluczowym elementem wszystkich medycznych laserów, na przykład tych wykorzystywanych do operacji wzroku. Elastyczność i bardzo mała średnica światłowodu pozwoliły także na wykorzystanie ich do budowy urządzeń pozwalających lekarzom zaglądać w głąb naszych ciał – do płuc, naczyń krwionośnych i innych narządów.
Już w dwa lata po opatentowaniu pierwszych nowoczesnych włókien światłowodowych, pierwsze światłowody znalazły się na Księżycu. Włókna światłowodowe stanowiły podstawowy element kamer telewizyjnych wykorzystywanych od 1968 r. przez realizowany przez NASA program Apollo. Były uważane za technologię tak rewolucyjną, że ich zastosowanie utrzymywano w tajemnicy: kamery mogli obsługiwać wyłącznie pracownicy mający dostęp do informacji niejawnych.
Zastosowania wojskowe są zresztą spotykane do dziś. Światłowody służą między innymi do wykrywania wrogich okrętów w ramach systemów sonarowych. Na technologii światłowodowej oparte są także nowoczesne sejsmografy. Można je też spotkać w dużo bardziej przyziemnych zastosowaniach: światłowody służą czasem do tworzenia efektownych, nowoczesnych instalacji świetlnych.
Czy w mojej okolicy jest światłowód?
Dzięki szybkiemu rozwojowi sieci światłowodowej, cena połączenia internetu światłowodowego, kiedyś bardzo wysoka, dziś jest w zasięgu indywidualnych użytkowników czy nawet najmniejszych firm. Mapa sieci światłowodowej coraz bardziej się zagęszcza, zwiększa się także dostępność światłowodu. S-Net oferuje światłowodowe łącza dla firm, oferujące nielimitowane, skalowalne, szybkie połączenia o najwyższej jakości gwarantowanej umową SLA firmom działającym w największych polskich miastach: Krakowie, Warszawie, Wrocławiu, Katowicach, Poznaniu, Łodzi i Gdańsku. Nasze węzły są połączone z ogólnopolską siecią dedykowanymi, zduplikowanymi łączami, a w skład naszej sieci szkieletowej wchodzi także własne, 112-kilometrowe łącze między Krakowem a Katowicami.
Komentarze
