Światłowód

Idea komunikacji z wykorzystaniem promienia świetlnego ma swoje początki w XIX w., kiedy to ok… 1880 r. wynalazca telefonu Aleksander Graham Bell przeprowadził pierwsze udane próby transmisji informacji za pomocą modulatora optycznego własnego pomysłu, zwanego fotofonem. Za jego pośrednictwem światło słoneczne, odbite od polerowanych luster i modulowane informacją wejściową, można było odbierać w zasięgu wzroku, do ok. 200 m od urządzenia modyfikującego strumień światła.

Historie optyki światłowodowejotwiera doświadczenie przeprowadzone przez irlandzkiego fizyka Johna Tyndalla, który jako pierwszy zademonstrował (1870 r.) przed British Royal Society uwięzienie światła w strumieniu wodu wytrysającym z napełnionego naczynia.

Komunikacja optyczna za pomocą zwykłego niespójnego światła widzialnego o długości falowej od 380 do 780 nm znana więc była od dawna, lecz dopiero badania podstawowe nad korpuskularno-falową naturą światła (prowadzone w latach 60. XX w.) umożliwiły modulację światła laserowego sygnałem cyfrowym i uzyskanie pierwszych przekazów informacji za pomocą przezroczystego medium, co stało się podstawą rozwoju transmisji światłowodowej.

W latach 70. ubiegłego wieku rozpoczęła się pierwsza generacja światłowodowa, zapoczątkowana przez dwa znaczące osiągnięcia technologii optycznej. Pierwszym było opanowanie technologii produkcji włókna kwarcowego czystego w takim stopniu, by jego tłumienność nie przekraczała 4 dB/km w zakresie długości fali świetlnej poniżej 1 mm, a drugim – nie mniej ważnym – konstrukcja lasera półprzewodnikowego, pracującego w krysztale arsenku galu (GaAs), działającego w temperaturze pokojowej, bez potrzeby chłodzenia urządzenia. Niedługo potem przebadano i ustalono trzy (ostatnio już pięć) okna o dobrej przewodności w światłowodach kwarcowych, wszystkie z zakresu częstotliwości bliskiej podczerwieni, o długości fali od 850 nm do 1550 nm, oraz opracowano źródła światła odpowiednie do stosowania w transmisjach optycznych.

Rdzeń światłowodu ,a największy współczynnik załamania światła blisko osi włókna, a zgodnie z prawami optyki pormień świetlny xsgina sie w kierunku ośrodka o największym współcznynniku załamania. W rezultacie promień światła prowadzonego w światłowodzie ma tendencję do utrzymywania się wewnątrz rdzenia włókna, a nawet blisko osi geometrycznej włókna światłowodowego.

Od pierwszych eksperymentalnych przekazów świetlnych minęło więc prawie 100 lat, zanim praktycznie rozwinęła się właściwa komunikacja optyczna z zastosowaniem przewodzącego światło włókna krzemowego. Uzyskanie w latach 70. XX w. tłumienności jednostkowej 1–4 dB/km w pierwszym oknie transmisyjnym (długość fali l=0,85 mm) oraz około 0,4 dB w drugim (l=1,3 mm) i poniżej 0,2 dB w trzecim (l=1,55 mm) stało się przełomowym momentem dla szybkiego rozwoju zastosowań transmisji optoelektronicznej w telekomunikacji. Częstotliwości promieni świetlnych odpowiadające tym długościom fal sięgają 200 THz (2x1014 Hz), co przynajmniej teoretycznie umożliwia modulację z szybkością tetaherców (THz) i uzyskiwanie w przyszłości olbrzymich przepływności binarnych, rzędu pojedynczych Tb/s w jednym kanale optycznym.

Przeszkodą w uzyskaniu dalekiego zasięgu łącza optycznego jest dyspersja, powodująca rozmywanie (rozszczepienie) impulsów w miarę zwiększania się odległości sygnału od jego źródła. Zjawisko to, istotnie ograniczające zasięg transmisji światłowodowej, zwiększyło zainteresowanie producentów materiałami optycznymi o minimalnym współczynniku dyspersji w zakresie częstotliwości transmitowanych sygnałów optycznych. W pierwszym etapie rozwoju komunikacji optycznej wykorzystywano więc naturalną (zerową lub bliską zeru) dyspersję szkła kwarcowego SiO2, uzyskiwaną dla fali o częstotliwości 1310 nm, czyli w drugim oknie optycznym światłowodu. Takie rozwiązanie zapewniło transmisję informacji przez włókno optyczne na dystansie 80–100 km i stało się początkiem drugiej generacji techniki światłowodowej.

Ostatnie 20-lecie ubiegłego wieku stanowiło przełom w rozwoju użytkowej komunikacji optycznej. W 1980 r. w Bell Labs po raz pierwszy zainstalowano i oddano do użytku światłowodowy trakt optyczny na dystansie ok… 1000 km (611 mil), a wkrótce po tym wiele innych konsorcjów telekomunikacyjnych rozpoczęło instalacje kablowych łączy światłowodowych, opasujących kontynenty i przecinających oceany, łączy optycznych sięgających nawet kilku tysięcy km długości, opartych na kablach zawierających setki włókien.

Istotnym krokiem naprzód w tej dziedzinie komunikacji było opracowanie i wdrożenie seryjnej produkcji światłowodów z zerową lub niewielką dyspersją, przesuniętą do trzeciego okna optycznego 1550 nm, o obniżonej tłumienności jednostkowej. Dzięki czemu maksymalny zasięg transmisji zwiększył się prawie dwukrotnie, prawie do 200 km, bez stosowania regeneratorów sygnału. Z kolei zastąpienie regeneratorów elektronicznych przez wzmacniacze światłowodowe domieszkowane erbem (EDFA, działające w trzecim oknie o obniżonej tłumienności) pozwoliło na uniknięcie kłopotliwej konwersji sygnałów optycznych do postaci elektrycznej oraz na wielokrotne wydłużenie łącza. Przez zastosowanie wzmacniaczy EDFA (później Ramana) stała się możliwa jednoczesna i równoległa transmisja przez kilkudziesiąt, a nawet kilkaset optycznych kanałów transmisyjnych, ulokowanych w jednym włóknie światłowodu, lecz o różnych długościach fal mieszczących się w trzecim oknie optycznym – z wykorzystaniem zjawiska zwielokrotnienia falowego, nazwanego WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Światłowodowe systemy transmisyjne z pierwszej połowy lat 90. XX w. charakteryzowały się przepływnością 2,5 Gb/s i odległościami między kolejnymi układami regeneracji 150–200 km. Istotnym ograniczeniem tych systemów była konieczność instalowania w torach transmisyjnych regeneratorów elektronicznych do kompensacji strat mocy optycznej w światłowodzie oraz układów redukujących efekty spowodowane dyspersją światłowodu. Istnieją dwie możliwości zwiększenia tej przepływności: powielenie liczby kabli optycznych (nadal o przepływności 2,5 Gb/s), dla których technologia przekazu została sprawdzona i jest komercyjnie dostępna, bądź zwiększenie szybkości w poszczególnych włóknach światłowodowych do 10 Gb/s lub większej, stosując zwielokrotnienie z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing). Najbardziej efektywnym sposobem stało się jednak wdrożenie technologii zwielokrotnienia falowego WDM, bez dalszego zwiększania szybkości sygnałów w dostępnym medium transmisyjnym.

Stosowane obecnie technologie światłowodowe standardowo pozwalają na transmisję informacji w jednym kanale włókna optycznego z przepływnością 10, 20 lub 40 Gb/s. Są one realizowane w tradycyjnej technice zwielokrotnienia z podziałem czasowym TDM, co odpowiada jednoczesnej transmisji prawie 150 tys. (do 600 tys.) jednokierunkowych przekazów głosowych. Dzięki temu jeden standardowy kabel światłowodowy, zawierający 200 włókien optycznych, umożliwia przekaz od 15 do 60 mln rozmów telefonicznych w tradycyjnej technice zwielokrotnienia czasowego TDM, znacznie przewyższając wyniki dotychczas osiągane w podobny sposób w grubych, wieloparowych kablach miedzianych (ok. 500 rozmów), kablach współosiowych (10 tys. rozmów) czy łączach satelitarnych (2 tys. połączeń głosowych).

Jeszcze większe możliwości transmisyjne zapewniają najnowsze rozwiązania ze zwielokrotnieniem falowym WDM (DWDM, UWDM), dzięki którym w jednym włóknie optycznym można ulokować nawet kilkaset kanałów optycznych – każdy o przepływności 10/20/40 Gb/s, ale o innej długości fali. Rekordowe wyniki, sięgające przepływności ponad 10 Tb/s (1013 Gb/s), uzyskano laboratoryjnie w firmie NEC na początku 2001 r. – przesyłając informację tylko przez jedno wielokanałowe włókno optyczne. Dla porównania: dobre łącza satelitarne (fale radiowe) działają na częstotliwościach najwyżej kilkudziesięciu GHz, zwykle z dwukrotnie mniejszą szybkością modulacji sygnałów wejściowych. W tym kontekście zastosowanie światłowodów do transmisji nie tylko długodystansowej daje rzeczywiście bardzo szerokie pasmo transmisyjne, a ponadto można je dowolnie powiększać bez jakiejkolwiek szkodliwej interferencji – uruchamiając kolejne włókno światłowodowe lub instalując następny, pełny kabel światłowodowy o setkach włókien optycznych, co daje niewyobrażalne przepływności, sięgające powyżej petabitów na sekundę (Pb/s).

Rewolucja w przekazach optycznych wydaje się nie mieć końca, a transmisje zajmują coraz szerszy zakres częstotliwości sygnałów prowadzonych we włóknach światłowodów kwarcowych. Teoretyczna szerokość pasma w trzecim oknie – najbardziej dogodnym do transmisji długodystansowych – sięga 15 THz i stopniowo się wypełnia transmitowanymi sygnałami użytkowymi. Coraz większe nadzieje wiąże się obecnie z kolejnym, czwartym oknem światłowodu, znajdującym się w pasmie L (1625 nm), którego eksploatacja dopiero się zaczyna.

Tłumienności jednostkowe produkowanych obecnie włókien sięgają już wartości teoretycznych 0,15 dB/km – co maksymalnie wydłuża zasięg transmisji bez stosowania wzmacniaczy optycznych, a stosowanie regeneratorów elektronicznych praktycznie zostało już wyeliminowane przez wprowadzenie wzmacniaczy EDFA i terabitowych przezroczystych przełączników optycznych MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Daje to faktyczną możliwość tworzenia sieci światłowodowych bez ograniczania zasięgu i o gigantycznych przepływnościach, które prawdopodobnie nie będą w pełni nigdy wykorzystane.

Koszt produkcji szklanego włókna krzemowego, zawierającego głównie krzemionkę SiO2 (podstawowe składniki produkcyjne SiCl4, GeCl4, BiCl3, O2), staje się coraz mniejszy – porównywalny obecnie z wytwarzaniem tradycyjnego przewodu miedzianego – natomiast oferuje przepływności zupełnie nieporównywalne z kablem miedzianym. Włókna światłowodowe stają się dzisiaj podstawowym medium transportowym sieci rozległych i miejskich (MAN) oraz – coraz częściej – również sieci LAN z nowoczesnym okablowaniem abonenckim. Przęsła telekomunikacyjne o megabitowych szybkościach transmisji i strukturze hierarchicznej, używane w systemach synchronicznych SDH (Synchronous Digital Hierarchy) o przepływnościach: 155 Mb/s, 622 Mb/s lub 2,5 Gb/s, a obecnie łączy gigabitowych 10 i 40 Gb/s, są obecnie podstawą tworzenia sieci szerokopasmowych. Stanowi ona istotę światłowodowej infrastruktury nie tylko europejskiej (European Broadband Infrastructure), która ma zapewnić w przyszłości każdemu użytkownikowi przezroczystość połączenia nawet na najniższym poziomie komunikacji.