🌐 Оптика · Телекомунікації
📅 Березень 2026⏱ 9 хв читання🟢 Для початківців · Останнє оновлення: 28 травня 2026 р.

Волоконна оптика: як світло несе інтернет

Опорна мережа інтернету — це глобальна мережа скляних волокон, тонших за людську волосину, кожне з яких переносить десятки одночасних потоків даних, закодованих на різних довжинах хвиль інфрачервоного світла. Ці кабелі перетинають океани й передають мільярди пакетів даних щосекунди — живлячись лише фотонами та повним внутрішнім відбиттям.

1. Повне внутрішнє відбиття

Коли світло переходить із щільнішого середовища (високий показник заломлення n₁) у менш щільне (n₂ < n₁), заломлення описує закон Снелла:

n₁ · sin(θ₁) = n₂ · sin(θ₂)

Коли кут падіння θ₁ зростає понад критичний кут θ_c, заломлений промінь ковзає паралельно до межі (θ₂ = 90°), а за межею θ_c заломленого променя не існує — усе світло відбивається назад. Це і є повне внутрішнє відбиття:

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

Світло, що входить у волокно під кутами понад θ_c відносно осі волокна, багаторазово відбивається від межі осердя й оболонки без втрат — напрямляючись уздовж волокна. Скло переносить сигнал, наче гнучка труба для світла.

2. Будова волокна та числова апертура

Стандартне оптичне волокно складається з трьох циліндричних шарів:

Числова апертура (NA) визначає конус прийняття кутів світла, які волокно направлятиме:

NA = sin(θ_acceptance) = √(n₁² − n₂²) Typical SMF-28: NA ≈ 0.14 → acceptance half-angle ≈ 8°

Світло, що входить поза цим конусом, заломлюється в оболонку й втрачається протягом кількох сантиметрів. Волоконні з’єднувачі мають вирівнювати осердя з точністю ≤1 мкм для низьких втрат на введення.

3. Одномодове проти багатомодового

Одномодове волокно (SMF)

Діаметр осердя: ~8 мкм

Поширюється лише фундаментальна мода LP₀₁. Усуває модову дисперсію — усі фотони проходять однаковий шлях. Смуга пропускання перевищує 100 ТГц.

Застосування: магістральні телеком-лінії, підводні кабелі, мережі FTTH PON. Більшість магістрального волокна інтернету відповідає стандарту SMF-28.

Багатомодове волокно (MMF)

Діаметр осердя: 50–62,5 мкм

Багато мод поширюються одночасно під різними кутами. Модова дисперсія розширює імпульси — обмежує добуток смуги на відстань до ~500 МГц·км.

Застосування: з’єднання в межах дата-центрів на короткі відстані (<550 м), кампусні мережі, тестове обладнання. Градієнтне MMF дещо мінімізує дисперсію.

Одномодове осердя 8 мкм таке мале, бо одномодова умова вимагає, щоб діаметр осердя був < ~2,4 · λ / (π · NA) — на довжині хвилі 1310 нм це дає ~8,6 мкм для NA = 0,14.

4. Загасання та дисперсія

Сигнал деградує з відстанню через два основні ефекти:

Загасання (втрата потужності сигналу):

After 100 km at 0.2 dB/km: loss = 20 dB → power reduced by factor 100

Дисперсія (розширення імпульсу):

5. Оптичні підсилювачі EDFA

Волоконні підсилювачі, леговані ербієм (EDFA), підсилюють оптичні сигнали без перетворення в електричні. Короткий відрізок (~10 м) кварцового волокна легують іонами Er³⁺. При накачуванні лазерним діодом на 980 нм або 1480 нм іони ербію переходять у збуджений стан. Фотони сигналу на 1530–1565 нм (C-діапазон) стимулюють випромінювання — той самий механізм, що й підсилення в лазері, — безпосередньо підсилюючи фотони сигналу.

Ключова перевага: EDFA підсилюють усі довжини хвиль C-діапазону одночасно. Один EDFA підсилює понад 80 каналів DWDM водночас. Підсилення: 20–40 дБ. Шумовий показник: 3–6 дБ (межа квантового шуму). Уперше продемонстровано 1987 року Десюрвіром, Пейном і Таунсендом — винахід, який зробив трансокеанські волоконні лінії життєздатними без електронних повторювачів кожні кілька кілометрів.

6. Спектральне ущільнення каналів

Замість збільшувати бітову швидкість в одному каналі, спектральне ущільнення (WDM) передає багато незалежних потоків даних на різних довжинах хвиль одночасно через одне волокно. Щільне WDM (DWDM) використовує крок каналу <100 ГГц (сітка ITU, ~0,8 нм).

Рекордна ємність: NTT продемонструвала 22,9 Пбіт/с на 13 км 4-осердевого волокна у 2022 році. Комерційні трансокеанські системи зазвичай досягають сумарної ємності 100–200 Тбіт/с на кабель.

7. Підводні кабелі та глобальна мережа

Понад 99% міжконтинентального інтернет-трафіку проходить через підводні волоконні кабелі — станом на 2024 рік існує ~570 систем загальною протяжністю понад 1,4 мільйона км кабелю. Ці кабелі витримують величезні навантаження: