Jak światłowód przenosi dane za pomocą światła

Kabel światłowodowy przesyła dane w postaci impulsów światła, a nie sygnałów elektrycznych w miedzianym przewodniku. Laser lub dioda LED emituje światło w postaci szybkich błysków (albo je moduluje), reprezentując jedynki i zera danych cyfrowych, a detektor na drugim końcu odczytuje te błyski i zamienia je z powrotem na dane. Ponieważ światło przechodzi przez szkło z bardzo małymi stratami, światłowód zapewnia znacznie większe prędkości i zasięgi niż miedź.

Włókno światłowodowe ma warstwową budowę:

• Rdzeń — niezwykle cienka, szklana część środkowa, która przenosi światło.
• Płaszcz — szkło otaczające rdzeń, odbijające światło z powrotem do jego wnętrza.
• Powłoka ochronna i płaszcz zewnętrzny — warstwy zabezpieczające znajdujące się na zewnątrz.

Rdzeń i płaszcz są wykonane ze szkła o nieco innych właściwościach. To właśnie ta różnica sprawia, że światło odbija się wzdłuż rdzenia.

Światłowód działa dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia. Szkło rdzenia załamuje światło silniej niż szkło płaszcza, dlatego gdy światło pada na granicę pod małym kątem, odbija się w całości z powrotem do rdzenia, zamiast się wydostać. Impuls świetlny odbija się wzdłuż włókna, podążając nawet po łagodnych łukach. To uwięzienie światła jest podstawą przesyłania danych na odległość wielu kilometrów bez utraty sygnału.

Światło traci energię w szkle znacznie wolniej niż sygnały elektryczne w miedzi. Oznacza to, że światłowód obsługuje większą przepustowość i umożliwia przesyłanie danych na znacznie większe odległości — na przykład na kilometry zamiast w granicach 100 metrów dla miedzi — zanim będzie potrzebne wzmocnienie sygnału. Światłowód przenosi również ogromne ilości danych, ponieważ światło można przełączać niezwykle szybko. Dzięki tym właściwościom światłowód stanowi szkielet Internetu i centrów danych.

Ogromną zaletą światłowodu jest jego odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Ponieważ przenosi światło, a nie energię elektryczną, znajdujące się w pobliżu silniki, linie energetyczne i zakłócenia radiowe nie mogą zniekształcić sygnału. Dzięki temu światłowód idealnie sprawdza się w zakłóconych elektrycznie zakładach przemysłowych oraz na połączeniach między budynkami, gdzie wyładowania atmosferyczne lub różnice potencjałów uziemienia mogłyby uszkodzić miedziane przewody. Światłowód nie emituje również sygnału, więc trudniej go podsłuchać.

Urządzenia komunikują się za pomocą elektrycznego Ethernetu, dlatego łącza światłowodowe wymagają transceivera — modułu, który podczas wysyłania przekształca sygnały elektryczne w światło, a podczas odbierania zamienia je z powrotem na sygnały elektryczne. Popularne transceivery wtykane to SFP (Small Form-factor Pluggable) oraz SFP+ przeznaczone do większych prędkości. Wsuwa się je do portów przełączników, co pozwala dobrać odpowiedni typ światłowodu i zasięg do każdego łącza.

Światłowód ma duże możliwości, ale nie jest pozbawiony wad:

• Zalety — duża prędkość, duży zasięg, odporność na EMI, bezpieczeństwo.
• Wady — droższe kable i transceivery, kruche szkło, trudniejsze łączenie i zakańczanie.

Szklany rdzeń może pęknąć po zbyt mocnym zgięciu, a łączenie włókien wymaga precyzyjnych narzędzi, dlatego instalacja wymaga większych umiejętności niż w przypadku miedzi.

Światłowód wymaga ostrożnego obchodzenia się. Nigdy nie należy zginać go bardziej, niż pozwala na to minimalny promień gięcia, ponieważ światło może zacząć wyciekać, a szkło może pęknąć. Końcówki złączy należy utrzymywać w czystości — nawet drobina kurzu może zablokować wystarczającą ilość światła, aby zakłócić działanie łącza. Nigdy nie należy patrzeć bezpośrednio w aktywne włókno ani transceiver, ponieważ niewidoczne światło lasera podczerwonego może uszkodzić wzrok. Te zasady bezpieczeństwa pojawiają się na egzaminie.

Światłowód dominuje wszędzie tam, gdzie najważniejsze są prędkość i zasięg:

• Szkielety Internetu łączące miasta i kontynenty.
• Rdzenie centrów danych łączące szybkie przełączniki.
• Połączenia między budynkami na terenie kampusu.
• Światłowód doprowadzony do domu zapewniający szybki Internet szerokopasmowy.

Na stanowisku użytkownika miedź nadal często wygrywa ceną, ale to światłowód przenosi duży ruch w tle.

Ponieważ pojedyncze włókno światłowodowe zwykle przenosi światło w jednym kierunku, łącza często wykorzystują dwa włókna — jedno do nadawania i jedno do odbierania — aby zapewnić pełną komunikację w trybie dupleks. Dlatego kable krosowe światłowodowe często występują jako para połączona ze sobą klipsem. Niektóre zaawansowane systemy jednowłóknowe wysyłają i odbierają dane na różnych długościach fali w jednym włóknie, ale najczęściej stosuje się osobne włókno nadawcze i odbiorcze.

Wyobraźcie sobie długi tunel wyłożony lustrami, przez który ktoś wysyła latarką wiadomość alfabetem Morse’a. Ściany odbijają światło, dzięki czemu dociera ono daleko bez przygasania, a wiadomość dociera w całości na drugi koniec. Światłowód jest takim tunelem wykonanym ze szkła, a błyski są Waszymi danymi. Przez tunel nie płynie prąd, więc zewnętrzne zakłócenia elektryczne nie mogą zakłócić wiadomości.

Sprawdź swoje rozumienie działania światłowodu.

Dowiedzieli się Państwo, że światłowód przesyła dane w postaci impulsów światła przez szklany rdzeń otoczony płaszczem, wykorzystując całkowite wewnętrzne odbicie do uwięzienia światła. Zapewnia to dużą przepustowość, duży zasięg i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Transceivery, takie jak moduły SFP, przekształcają sygnały elektryczne i świetlne. Światłowód jest droższy i kruchy, a jego użycie wymaga czystych złączy, przestrzegania minimalnego promienia gięcia oraz dbałości o bezpieczeństwo wzroku. Zasila szkielety Internetu, centra danych i połączenia kampusowe.