Optyka Włókiennicowa: Jak Światło Przenosi Internet

Całkowite wewnętrzne odbicie

Kiedy światło przechodzi z ośrodka o większej gęstości do ośrodka o mniejszej gęstości, zgodnie z prawem Snella rządzi refrakcja: n₁·sin(θ₁) = n₂·sin(θ₂). Wraz ze wzrostem kąta padania θ₁ powyżej kąta krytycznego θ_c = arcsin(n₂/n₁), promienie uowanych nie przechodzą do interfejsu, a po tym kącie w ogóle nie występuje żadne promieniowanie - każdy foton odbija się z powrotem. W standardowym włóknie krzemowym, rdzeń (n₁ = 1,4682) ma nieco wyższy współczynnik załamania niż osłona (n₂ = 1,4629), co daje kąt krytyczny około 85,6°. Światło wpadające do włókna poza tym kątem z osi odbija się od granicy rdzenia i osłony wielokrotnie bez utraty energii, prowadzone wzdłuż długości włókna jak elastyczny rurka dla światła.

Współźrenie i struktura włókna

Standardowe włókno charakteryzuje się trzema warstwami: rdzeniem z domieszką germanu, utlenionego szkła (średnica 8-62,5 µm) oraz zewnętrzną powłokę ze czystego szkła (125 µm) o niższej wartości współczynnika załamania, tworząc granicę całkowitego wewnętrznego odbicia. Współźrenie, NA = √(n₁² − n₂²), określa kąt akceptacji, czyli zakres kątów, w których włókno faktycznie kieruje światło – dla standardowego włókna SMF-28, NA ≈ 0,14 daje kąt akceptacji połowy około 8°. Światło wprowadzane poza ten kąt rozszczepia się na powłokę i jest tracone w ciągu kilku centymetrów, dlatego złącza włókiennicze muszą dopasować rdzenie w zakresie około 1 µm, aby zminimalizować straty wpadku.

Wybór między trybem jednokierunkowym a wielokierunkowym

S żyłowa włókna światłowodowego pojedynczego trybu ma średnio zaledwie około 8 µm szerokości – tak wąskie, że mogą propagować się jedynie tryb fundamentalny, całkowicie eliminując dyspersję modalną i umożliwiając przepustowość powyżej 100 THz. Jest to standard dla długodystansowych sieci telekomunikacyjnych, kabli podwodnych oraz sieci FTTH. Włókno wielokierunkowe ma większą średnicę rdzenia wynoszącą 50-62,5 µm, pozwalając na podróż kilku trybów pod różnymi kątami jednocześnie; w wyniku tego dyspersja modalna ogranicza produkt przepustowości-dystansu do około 500 MHz·km, co ogranicza jego zastosowanie do krótkodystansowych połączeń poniżej 550 m – zwykle sieci danych centrum i kampusowe, gdzie liczy się koszt i łatwość podłączenia, a nie zasięg.

sin(θ_c) = n₂ / n₁
Silica fiber: n₁ = 1.4682 (core), n₂ = 1.4629 (cladding)
θ_c = arcsin(1.4629/1.4682) ≈ 85.6°

Wzmacniacze, WDM i kabele podsea

Straty sygnału są nieuniknione – okno minimalnej atencji dla krzemu wynosi około 0,2 dB/km w 1550 nm, dlatego systemy na dalekie dystanse wykorzystują pasmo C. Wzmacniacze światłowodowe z domieszką erbium (EDFA), po raz pierwszy zademonstrowane w 1987 roku, wzmacniają sygnały optyczne bezpośrednio bez konwersji ich na energię elektryczną, podnosząc wydajność całego systemu DWDM o 80+ kanałów naraz i umożliwiając tworzenie połączeń transoceanicznych bez elektronicznych wzmaczników co kilka kilometrów. Wymiesztanie długości fali (WDM) pozwala jeszcze bardziej wykorzystać każdy włóknu szkła: pakowanie około 80 kanałów o przepustowości 400 Gbit/s na pasmie C daje około 32 Tbit/s z pary włókien. Ponad 99% ruchu internetowego transglobalnego odbywa się tą samą strukturą przez około 570 systemów kabli podsea, liczących ponad 1,4 miliona kilometrów, każdy kabel zasilany jest energią elektryczną o napięciu do 15 kV DC biegnącym równolegle do włókna światłowodowego w celu zasilania wzmacniaczy co 40-100 km.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.