Kanał światłowodowy stanowi na dzień dzisiejszy najdoskonalsze medium do przenoszenia informacji. Ludzka technika nie jest w stanie zaproponować niczego o choćby porównywalnych parametrach transmisji sygnału. Światłowody mają kilka istotnych zalet, które przesądziły o ich szerokim zastosowaniu we współczesnym świecie. W różnorakich strukturach przemysłowych, na porządku dziennym stoi problem pola elektromagnetycznego które w bardzo łatwy sposób zakłóca transmisję w zwykłych kablach. Światło samo będąc falą elektromagnetyczną jest niewrażliwe na te zakłócenia. Dlatego też światłowody stosuje się powszechnie w systemach telekomunikacyjnych używanych w elektrowniach. Można nawet dołączyć światłowód do jednego z kabli, które przewodzą prąd alby wykonać kabel energetyczny zawierający w swym wnętrzu kabel światłowodowy. Również szerokie pasmo ma wielki wpływ na tak powszechne wykorzystanie światłowodu. Możemy bowiem jednocześnie nadawać całe multum kanałów czy to danych komputerowych, czy też sygnałów telewizji cyfrowej, nie przejmując się problemem ograniczonego pasma. Światłowód jest medium optycznym, gdzie do transmisji sygnału wykorzystuje się wiązkę światła zmodulowaną wcześniej. Przepływność jaką oferuje kanał światłowodowy kształtuje się na poziomie nawet 3 Tb/s. Znakomitą właściwością jest również znikome tłumienie sygnału, przy przesyłaniu nawet na setki czy tysiące kilometrów.

W pierwszym systemie światłowodowym kable światłowodowe zostały użyte do połączenia trzech central telefonicznych w USA, a dokładniej w Chicago. Centrale te były oddalone o 1km i o 2,4 km od siebie. Każdy kabel składał się z 24 włókien optycznych, a każde z tych włókien, podczas pracy w standardzie T3 miało możliwość przenoszenia 672 kanałów telefonicznych. Po tym sukcesie zaczęto realizować długie międzymiastowe linie światłowodowe, zbudowano działające łącze światłowodowe o długości 100 km, pracujące bez wzmacniaczy. Na dzień dzisiejszy istnieje możliwość zbudowania podmorskich linii światłowodowych ułożonych na dnach oceanów. Obliczono że budowa łącza światłowodowego pomiędzy Londynem a Nowym Jorkiem wymagałaby zastosowania jedynie 200 wzmacniaczy równo rozstawionych na odcinku 6500km.

Analizując budowę światłowodu, zauważamy następujące części:

  • Rdzeń (czasami składający się z kilku włókien)
  • Płaszcz
  • Warstwa ochronna

Podstawowy budulec światłowodu stanowi szkło kwarcowe, które oznacza się odpowiednim współczynnikiem załamania światła. Istotę działania światłowodu stanowi użycie pary substancji o różnych współczynnikach załamania światła. Płaszcz posiada niższy współczynnik załamania niż rdzeń, dzięki czemu światło porusza się w rdzeniu. Dzieje się tak za sprawą całkowitego odbicia promienia świetlnego od płaszczyzny płaszcza. Dodatkowo stosowana izolacja ochronna oplata płaszcz.

Najczęściej źródłem wiązki światła jest dioda LED lub laser. Wiązka światła jest transmitowana po światłowodzie aż padnie na fotodiodę, fototranzystor lub inny światłoczuły element. W celu zapobiegania przekłamaniom w transmisji, odpowiednio moduluje się wiązkę światła.

Światłowody możemy podzielić na dwie podstawowe grupy:

  • Światłowody jednomodowe
  • Światłowody wielomodowe

Te ostatnie można podzielić jeszcze dodatkowo na następujące kategorie:

  • Światłowody o współczynniku skokowym (skokowa zmiana współczynnika załamania)
  • Światłowody o współczynniku gradientowym (ciągła zmiana współczynnika załamania)

Światłowód jednomodowy.

Jak sama nazwa wskazuje, w kanale światłowodowym transmitowany jest jeden mod. W związku z tym powierzchnia płaszcza odbija promienie pod stałym kątem. Nie zachodzi więc zjawisko dyspersji. Najczęściej źródło światła w tym wypadku stanowi laser. Światłowody tego typu zapewniają najlepsze właściwości ( 3Tb/s przepływności, praktycznie bezstratna transmisja na odległości powyżej 100 km. Grubość rdzenia typowego kabla jednomodowego wynosi około 5-10 mikrometrów. Porównując to z długością fali przenoszonego światła równą około 1,3 mikrometra, można dojść do wniosku, że jest możliwa transmisja tylko jednego modu. Jednomodowość jest tak szeroko stosowana głównie z powodu znakomitych właściwości częstotliwościowych, które umożliwiają transmisje z prędkościami opisanymi wyżej. Największą przeszkodą w powszechnym stosowaniu tego typu światłowodów jest wysoka cena elementów przyłączeniowych, które muszą być możliwie mało stratne i bardzo dokładne, właśnie z powodu bardzo małej średnicy rdzenia.

Światłowód wielomodowy (współczynnik skokowy)

W przeciwieństwie do światłowodu jednomodowego, w kanale światłowodowym transmitowane jest wiele modów. Zachodzi więc zjawisko dyspersji (krawędzie transmitowanego sygnału ulegają rozmyciu), na skutek odbijania wiązek światła pod różnymi kątami od powierzchni płaszcza. W wyniku tej wady przebieg impulsowy wysłany kanałem światłowodowym, na wyjściu odbierany jest z pewnym zniekształceniem. W celu minimalizacji zjawiska dyspersji światłowody tego typu stosuje się na mniejsze odległości i wykorzystuje się mniejsze prędkości transmisji. Dioda LED stanowi najczęściej stosowane źródło światła w tego typu światłowodach.

Światłowód wielomodowy (współczynnik gradientowy)

Kabel światłowodowy z współczynnikiem gradientowym, stanowi medium pośrednie pomiędzy drogim i najlepszej jakości światłowodem jednomodowy, a tanim i kiepskiej jakości światłowodem wielomodowym ze skokową zmianą współczynnika odbicia. Analizując wartość współczynnika załamania w rdzeniu, można zauważyć że zmniejsza się on w sposób ciągły od środka do zewnątrz. Jeżeli promień świetlny próbuje zmienić swoją drogę jest on stopniowo odchylany aż do momentu w którym zacznie biegnąć środkiem kabla. Wielodomowość tego typu światłowodu jest spowodowana dosyć duża grubością kabla, a co za tym idzie możliwością przenoszenia większej ilości modów. Średnica kabla wielomodowego wynosi 50 mikrometrów, co przy długości fali światła rzędu 1,3 mikrometra powoduje możliwość przenoszenia wielu modów - składowych wiązki świetlnej.

Czynniki ograniczające długość światłowodu:

  • Dyspersja - na skutek tego zjawiska poszczególne mody światła przebiegają przez światłowód w różnych chwilach czasu. W wyniku tej wady wiązka światła podana na wejście ulega rozmyciu na wyjściu światłowodu. Ogranicza to w dużym stopniu częstotliwość transmitowanych impulsów świetlnych, a co za tym idzie, prędkość transmisji również zostaje zmniejszona. Wrażliwość na zmniejszenie pasma przenoszenia uwydatnia się w przypadku światłowodów wielomodowych, gdzie poszczególne mody charakteryzują się odmiennymi czasami transmisji. Można również zaobserwować dyspersję naturalną szkła kwarcowego, niezależnie od użytego rodzaju światłowodu. Dyspersja ta jest tym większa im większe są zanieczyszczenia szkła kwarcowego, zależy również od długości fali świetlnej.
  • Tłumienie - jest to nieodzowna cecha jakiejkolwiek transmisji. Jak zostało wcześniej napisane transmisja kanałem światłowodowym charakteryzuje się praktycznie znikomym tłumieniem nawet na bardzo duże odległości. Kiedy w 1970 roku powstały pierwsze włókna światłowodowe, ich tłumienie wynosiło 20dB/km. Wraz z upływem lat wyłożono duże nakłady pieniędzy na zoptymalizowane transmisji światłowodowej, co zaowocowało powstaniem pierwszych światłowodów do powszechnego użytku. Pracowały one przy długości fali 0.85 mikrometra. W kablach drugiej generacji zastosowano przy transmisji wiązki świetlne o długości 1,3 mikrometra, a to za sprawą najmniejszej dyspersji jaka przy takiej długości fali występuje. Obecna trzecia już generacja kabli światłowodowych pracuje w głębokiej podczerwieni, to jest około 1,55 mikrometra długości fali świetlnej. Takie parametry zostały wprowadzone z powodu badań, które wykazały najmniejszą podatność na tłumienie właśnie przy tej długości fali. Wynosi ono zaledwie 0,16 dB/km.

Osobnym problemem techniki światłowodowej, który należałoby dokładniej omówić jest łączenie dwóch światłowodów ze sobą. Jest to szczególnie kłopotliwe przy światłowodach jednomodowych. Cienkie rdzenie o grubości tylko 5 mikrometrów należy możliwie najbardziej idealnie połączyć ze sobą. W przeciwnym wypadku, na skutek odbić Fresnela na zestykach, zachodzi wysokie tłumienie, które w najlepszym wypadku wynosi około 4%. Przekłada się to na tłumienie najczęściej w granicach 0,2 - 2dB, zależnie od rodzaju złącza i dokładności wykonania.

Z powodu małej grubości rdzenia, do światłowodów jednomodowych można wprowadzać jedynie jedną wiązkę światła. Sygnał otrzymany na wyjściu jest niemal dokładną kopią sygnału wejściowego. W światłowodzie wielomodowym możemy przesyłać wiele modów - wiązek świetlnych, jednak na skutek zjawiska dyspersji, otrzymany sygnał wyjściowy jest rozmyty względem tego wysyłanego. Wraz ze zwiększaniem długości takiego światłowodu i prędkości przesyłania danych rozmycie staje się coraz większe. Właśnie dzięki zastosowaniu światłowodów z ciągłym współczynnikiem załamania jesteśmy w stanie przesyłać na dosyć duże dystanse wiele wiązek świetlnych.

Kable spotykane najczęściej ze względu na swoje zastosowanie możemy podzielić na dwie grupy:

  • Kabel zewnętrzny - w którym poszczególne włókna światłowodowe znajdują się w luźnych tubach wypełnionych żelem. Włókna te oplatają położony centralnie izolator, który pełni funkcję wzmacniającą. Kabel taki jest bardzo odporny na niekorzystne warunki zewnętrzne. Dzieje się tak ponieważ rdzeń jest otoczony odpowiednim oplotem oraz posiada niewrażliwą na wilgoć i promieniowanie słoneczne specjalną zewnętrzną koszulkę, wykonaną z polietylenu.
  • Kabel wewnętrzny - jest specjalnie przystosowany do stosowania wewnątrz budynków. Posiada cienką warstwę ochronną, przy czym nie jest tak odporny jak kable zewnętrzne, na pracę w niekorzystnych warunkach.

Gdyby można było nadawać jedynie jeden sygnał kanałem światłowodowym, cała technologia nie byłaby zbytnio użyteczna. Można nadawać wiele sygnałów o podobnych, ale odpowiednio zmodyfikowanych długościach fali świetlnej. Taki proces nosi nazwę multipleksowania długości fali, w skrócie WDM (Wavelength Division Multiplexing). Nie ma żadnego ograniczenia w czasie transmisji poszczególnych pakietów danych na odpowiednich długościach fali. Dzieje się tak dlatego iż wiązki świetlne nie są ze sobą w żaden sposób skorelowane. Istnieje również drugi sposób przesyłania wielu wiązek danych kanałem, polega on na multipleksowaniu czasu transmisji poszczególnych danych. Angielski skrót od tego typu zwielokrotniania to Time Division Multiplexing (TDM).

Rozważając transmisję danych kablem światłowodowym do wielu użytkowników, napotykamy problem przekierowania wiązki światła tak, aby trafiła ona do właściwego odbiorcy. Przekierowania realizują urządzenia zwane przełącznikami. Przykładowym przełącznikiem jest produkt firmy Lecent Technologies: Wavestar Lambda Router. Na urządzenie składa się wiele miniaturowych luster, każde o średnicy 5 mm. Wszystkie lustra są ruchome, dzięki osadzeniu ich na wiązadłach półprzewodnikowych, których elastyczność i kształt przywodzi na myśl porównanie do sprężynek. Pole magnetyczne steruje zespół zwierciadeł, odpowiednio kontrolując położenie każdego z nich, a więc wpływa na promień światła, który odbijając się od lusterka pada w odpowiednie miejsce. Z powodu mechanicznej konstrukcji przełącznika nie da się uniknąć pewnych opóźnień w sterowaniu lustrami. Aby zapobiec przekłamaniom, czy utratom informacji, należy odpowiednie bufory, które będą magazynowały dane odebrane przez urządzenie już w czasie przełączania.

Linie światłowodowe współpracują ze zwykłymi systemami łączności. Zachodzi więc potrzeba odpowiedniej konwersji sygnału pod postacią optyczną na elektryczną i na odwrót. Urządzenia realizujące te funkcje nazywamy switchami optoelektrycznymi. W przypadku każdej konwersji mamy zazwyczaj do czynienia z pewnymi opóźnieniami czasowymi. Nie inaczej jest w przypadku światłowodów. Każda konwersja odbija się na zmniejszeniu przepływności całej sieci.W przypadku łączenia światłowodów z kartami sieciowymi używa się złącz typu fiber connection.

Podsumowując boom na rynku telekomunikacyjnym spowodował właśnie rozwój i doskonalenie techniki światłowodowej. Już teraz nie sposób sobie wyobrazić funkcjonowania wielkich sieci o terabajtowych przepływnościach bez użycia kabli światłowodowych. Światłowody zapewniają niemal idealną transmisję na ogromne odległości. Na dzień dzisiejszy stosuje się je zarówno w ogromnych sieciach metropolitarnych i dużej wielkości sieciach lokalnych. Zwłaszcza w przypadku konieczności połączenia dwóch daleko oddalonych od siebie miejsc, w przypadku konieczności transmisji którą zakłócają fale elektromagnetyczne oraz oczywiście w przypadku zapewniania bardzo dużej prędkości transmisji. Ze względu na dosyć duże koszty związaniem ze złączami, nie są one póki co stosowane w małych sieciach lokalnych.

Światłowody znajdują obecnie zastosowanie w wielu dziedzinach życia, na przykład w:

  • Łączach telefonicznych
  • Telekomunikacyjnych sieciach kolejowych
  • Łączności terenowej
  • Sieciach telekomunikacyjnych w elektrowniach
  • Usługach abonenckich
  • Liniach telekomunikacyjnych prowadzonych razem z liniami energetycznymi
  • Telewizji, głównie przy transmisji obrazu z wielu kamer
  • Telewizji kablowej
  • Systemach zdalnej kontroli i ostrzegania
  • Komputerach
  • Lokalnych sieciach komputerowych
  • Okablowaniach samolotów i statków (małe ryzyko pożaru)