Wyjaśnienie światłowodów: Jak długości fal umożliwiają transmisję światła

Wyobraź sobie, że kable światłowodowe mogą przenosić informacje za pomocą różnych kolorów, jak tęcza, gdzie każdy odcień reprezentuje oddzielny kanał danych. W komunikacji światłowodowej długości fal służą jako te "kolory", określając charakterystykę i wydajność transmisji sygnałów świetlnych. Chociaż "długość fali" może brzmieć dla wielu osób jak ezoteryczny termin, w rzeczywistości jest kluczem do zrozumienia technologii światłowodowej. Ten artykuł demistyfikuje koncepcję długości fal światłowodowych, ich podstawowe zasady i ich kluczową rolę w praktycznych zastosowaniach.

Światło wykracza daleko poza to, co nasze oczy postrzegają jako światło widzialne. Stanowi część szerszego widma elektromagnetycznego, które obejmuje różne rodzaje promieniowania - od wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich i ultrafioletowych po znane fale radiowe i mikrofale, a na końcu do światła podczerwonego używanego w komunikacji światłowodowej. Wszystkie te rodzaje promieniowania są zasadniczo promieniowaniem elektromagnetycznym, różniącym się przede wszystkim długościami fal. Widmo elektromagnetyczne można wizualizować jako rozległą paletę barw, gdzie różne długości fal odpowiadają różnym "kolorom". Komunikacja światłowodowa strategicznie wybiera określone "kolory" z tej palety do transmisji informacji.

Promieniowanie elektromagnetyczne jest zwykle opisywane za pomocą długości fali lub częstotliwości. Długość fali odnosi się do odległości między kolejnymi szczytami lub dolinami fali podczas jej propagacji w przestrzeni, zwykle mierzonej w nanometrach (nm, jedna miliardowa metra) lub mikrometrach (µm, jedna milionowa metra). Częstotliwość oznacza, ile razy fala oscyluje na sekundę, mierzoną w hercach (Hz). Długość fali i częstotliwość mają odwrotną zależność: krótsze długości fal odpowiadają wyższym częstotliwościom, podczas gdy dłuższe długości fal wskazują niższe częstotliwości. Dla krótszych długości fal, takich jak światło, ultrafiolet i promienie rentgenowskie, preferowanym opisem jest długość fali. Dla dłuższych długości fal, takich jak fale radiowe, sygnały telewizyjne i mikrofale, częściej używana jest częstotliwość.

Najbardziej znaną formą światła jest oczywiście światło widzialne. Ludzkie oko może wykrywać długości fal w zakresie od około 400 nm (światło niebiesko/fioletowe) do 700 nm (światło czerwone). Ten zakres pokrywa się z najsilniejszymi pasmami promieniowania ze słońca, co sugeruje, że nasz system wzrokowy ewoluował, aby odbierać najintensywniejsze długości fal światła słonecznego - elegancki przykład adaptacji biologicznej.

Komunikacja światłowodowa opiera się nie na świetle widzialnym, ale na świetle podczerwonym, które ma dłuższe długości fal - zwykle około 850 nm, 1300 nm i 1550 nm. Wybór światła podczerwonego wynika z jego mniejszego tłumienia w światłowodach. Tłumienie w światłowodach wynika z dwóch głównych czynników: absorpcji i rozpraszania.

• Absorpcja: Śladowe ilości wody w kablach światłowodowych pochłaniają światło o określonych długościach fal, tworząc "piki absorpcji wody". Systemy światłowodowe muszą unikać tych pików, aby zachować integralność sygnału.
• Rozpraszanie: Gdy światło przemieszcza się przez światłowód, zderza się z atomami lub cząsteczkami w szkle, powodując rozpraszanie. Intensywność rozpraszania jest odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali, co oznacza, że dłuższe długości fal rozpraszają się mniej. Ta zasada wyjaśnia również, dlaczego niebo wydaje się niebieskie: krótsze niebieskie długości fal rozpraszają się łatwiej w atmosferze.

Aby zminimalizować straty sygnału, systemy światłowodowe działają w widmie podczerwonym, unikając pików absorpcji wody i decydując się na trzy standardowe długości fal: 850 nm, 1300 nm i 1550 nm. Na szczęście diody laserowe (lub diody LED) i fotodetektory mogą być zaprojektowane tak, aby działały wydajnie przy tych określonych długościach fal.

Jeśli dłuższe długości fal doświadczają mniejszego tłumienia, dlaczego ich nie używać? Odpowiedź tkwi w bliskości długości fal podczerwonych do promieniowania cieplnego. Tak jak możemy zobaczyć słaby czerwony blask kuchenki elektrycznej i poczuć jej ciepło, dłuższe długości fal stają się podatne na szumy termiczne otoczenia, które mogą zakłócać transmisję sygnału. Dodatkowo, w zakresie podczerwieni istnieją inne piki absorpcji wody.

W przeciwieństwie do włókien szklanych, włókna optyczne z tworzywa sztucznego (POF) wykazują mniejszą absorpcję przy krótszych długościach fal. W związku z tym POF zwykle używa światła czerwonego o długości 650 nm, chociaż 850 nm pozostaje opcją dla zastosowań krótkiego zasięgu z nadajnikami z włókna szklanego.

W sieciach światłowodowych długości fal są krytyczne nie tylko dla transmisji, ale także dla testowania. Tłumienie kabla musi być mierzone przy tej samej długości fali, która jest używana do transmisji sygnału. Podobnie, mierniki mocy optycznej wymagają kalibracji przy tych określonych długościach fal, aby dokładnie ocenić wydajność sieci.

Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) świadczy usługi kalibracji mierników mocy optycznej przy trzech głównych długościach fal światłowodowych: 850 nm, 1300 nm i 1550 nm. Włókna wielomodowe są zwykle przeznaczone dla 850 nm i 1300 nm, podczas gdy włókna jednomodowe są zoptymalizowane dla 1310 nm i 1550 nm. Niewielka rozbieżność między 1300 nm a 1310 nm wynika z historycznych konwencji terminologicznych ustanowionych przez AT&T, gdzie włókna jednomodowe używały laserów 1310 nm, a włókna wielomodowe wykorzystywały diody LED 1300 nm.

Nowoczesne systemy telekomunikacyjne szeroko wykorzystują techniki multipleksowania z podziałem długości fal (WDM), w tym gęste WDM (DWDM) i szerokie WDM (CWDM). WDM umożliwia jednemu włóknu przenoszenie wielu "kolorów" światła jednocześnie, przy czym każdy kolor reprezentuje niezależny kanał danych. W systemach WDM lasery są precyzyjnie dostrojone do odrębnych długości fal, rozmieszczonych wystarczająco blisko, aby zmaksymalizować pojemność, ale wystarczająco daleko, aby zapobiec zakłóceniom. Jest to analogiczne do nadawania radiowego FM, gdzie stacje działają na różnych częstotliwościach. WDM wykorzystuje cały zakres długości fal od 1260 nm do 1670 nm, podzielony na określone pasma.

Krytycznym, ale często pomijanym aspektem światłowodów jest bezpieczeństwo. Ponieważ większość systemów światłowodowych działa poza widzialnym spektrum, transmitowane światło jest zwykle niewidoczne dla ludzkiego oka. Nigdy nie patrz bezpośrednio w koniec włókna, aby sprawdzić sygnały - niektóre systemy dużej mocy, takie jak CATV i DWDM, mogą emitować niebezpieczne promieniowanie. Zawsze sprawdzaj poziomy mocy optycznej za pomocą skalibrowanego miernika przed obsługą połączeń światłowodowych.

Zrozumienie długości fal światłowodowych jest podstawą do opanowania technologii komunikacji optycznej. Rozwikłując "kod kolorów" światłowodów, specjaliści mogą zoptymalizować projekt sieci, skutecznie rozwiązywać problemy i przesuwać granice możliwości transmisji danych.