Jak działa światłowód? Wyjaśniamy

Światłowód to specyficzny rodzaj falowodu, czyli medium transmisyjnego fali elektromagnetycznej. Pozwala on na transmisję fali widzialnej, czyli światła. Dlatego też często światłowód nazywa się falowodem optycznym. Najpopularniejszą odmianą tego medium transmisyjnego jest światłowód włóknisty, którego budowa i zasada działania przedstawiona jest w dalszej części wpisu.

Światłowód to obecnie najlepszy rodzaj połączenia kablowego urządzeń cyfrowych. Pozwala na bezstratną transmisję danych na bardzo duże odległości z prędkością transmisji sięgającą nawet 5 Tb/s w przypadku linii międzykontynentalnych. Przykładem może być połączenie dnem oceanu Ameryki Północnej z Azją światłowodem o długości 38 tys. kilometrów.

Światłowód włóknisty zbudowany jest z dwóch zasadniczych warstw współosiowych. To rdzeń i otaczający go płaszcz. Medium transmisyjnym jest rdzeń, w którym porusza się światło. Najczęściej wykonany jest ze szkła kwarcowego lub tworzywa sztucznego o podobnych parametrach. Jego średnica to ok. 8 mikronów dla światłowodu jednomodowego oraz max. 1000 mikronów dla wielomodowego światłowodu o rdzeniu z tworzywa sztucznego. Liczba modów dla rdzenia określa liczbę wiązek światła jednocześnie mogących poruszać się w jego wnętrzu. Płaszcz natomiast wykonany jest z polimeru o współczynniku załamania mniejszym niż współczynnik rdzenia (płaszcz zamyka światło wewnątrz rdzenia). Całość otoczona jest zewnętrzną warstwą ochronną (lub kilkoma, zależy od wykonania i przeznaczenia).

Światłowód jednomodowy charakteryzuje się tym, że średnica rdzenia jest bardzo mała. Parametry materiału warunkują skokową zmianę współczynnika załamania światła. To oznacza, że sygnał wpuszczony w postaci jednej wiązki lasera przemierza całą długość przewodu w postaci rzadko odbijającej się, pojedynczej wiązki światła. Pozwala to na transmisję sygnałów bez wzmacniania na odległości nawet 100 km.

W światłowodzie wielomodowym fala wejściowa rozdziela się na wiele promieni o takich samych długościach falowych, ale o różnych drogach propagacji. Pojawia się zjawisko zniekształcenia impulsu, co jednocześnie zmniejsza prędkość transmisji. Ze względu na zniekształcenie wiązki światłowody wielomodowe dzieli się na gradientowe i skokowe.

Cała zasada działania opiera na jednym prostym prawie fizycznym – całkowitego wewnętrznego odbicia. Promień świetlny wędrujący w rdzeniu co jakiś czas napotyka naturalną granicę ośrodka – powierzchnię styku rdzenia i płaszcza. Dla pewnego granicznego kąta (tzw. stożek akceptacji), przy konkretnych współczynnikach załamania obu materiałów zachodzi zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Co za tym idzie, fala światła odbitego ma te same parametry co fala padająca. Dzięki temu informacja niesiona w światłowodzie nie zmienia się. Nie jest ważne, ile razy wiązka odbije się od granicy, ponieważ cały czas będzie miała te same parametry.

Światłowody mają szereg różnych zastosowań, dlatego są bardzo zróżnicowane pod względem budowy i charakterystyki. Zasadniczym minusem i ograniczeniem w stosowaniu jest mały promień gięcia, poniżej którego światłowód się niszczy. Wynika to z właściwości materiału budującego rdzeń oraz z ograniczeń nałożonych na warunki całkowitego wewnętrznego odbicia. Należy zaznaczyć, że ciągle trwają prace nad udoskonalaniem materiałów, z których światłowody są budowane. Obecnie skoncentrowano się głównie na poszukiwaniu polimerów o lepszych własnościach, które będą mogły być budulcem rdzeni. Pozwoli to na szersze wykorzystanie tego medium w warunkach domowych.