10 rzeczy, które warto wiedzieć o światłowodach, a o które boisz się zapytać

Jako że nie potrafimy produkować idealnych materiałów, poruszające się w światłowodzie światło ulega zaburzeniom. Jeden z ich rodzajów to tłumienie. To nic innego jak utrata mocy optycznej wskutek niedoskonałości światłowodu. Niedoskonałości te mogą powstać na etapie produkcji (pojawiają się mankamenty w strukturze szkła, różnice w jego gęstości i średnicy). Mogą też zostać wprowadzone w czasie manipulowania już wyprodukowanym światłowodem, podczas jego układania. By temu zaradzić i zapewnić możliwość przesłania sygnału świetlnego, stosuje się w światłowodowych łączach wzmacniacze optyczne. Dzięki nim maksymalny zasięg komunikacji światłowodowej to tysiące kilometrów, podczas gdy bez takich wzmacniaczy można byłoby liczyć na 50-100 km.

Historia wynalezienia i wyprodukowania światłowodów jest dobrze znana, znacznie trudniej jest ustalić, gdzie zostały one po raz pierwszy wykorzystane w celach telekomunikacyjnych. Prawdopodobnie było to w latach 70. zeszłego stulecia, na krążowniku USS Little Rock, okręcie flagowym Szóstej Floty USA. Tam zainstalowano pierwszy w historii światłowód telekomunikacyjny.

Kontradmirał Roger Simon, który w latach 1973-1975 był oficerem odpowiedzialnym za systemy łączności na USS Little Rock, wspomina, że w marcu 1973 roku na okręcie instalowano najnowocześniejszy system komunikacji satelitarnej. Był to pierwszy taki system w US Navy. Nie ma jednak pewności, czy w centralach użyto wówczas światłowodów.

Nie ma takich wątpliwości wobec drugiego znanego przypadku. Policja z hrabstwa Dorset (Wielka Brytania) we wrześniu 1975 roku otrzymała łącze światłowodowe po tym, jak burza uszkodziła ich instalację telefoniczną. Mniej więcej w tym samym czasie ze światłowodów prawdopodobnie korzystała już US Navy, a niedługo potem nowe kable trafiły do amerykańskiego lotnictwa wojskowego oraz do zastosowań cywilnych. W 1977 roku światłowody zostały wykorzystane w sieciach telefonicznych w Chicago, Long Beach oraz brytyjskim Martlesham Heath.

Do lat 70. ubiegłego kable miedziane nie miały konkurencji. Zmieniło się to w latach 1970-1975. Wyprodukowano szkło kwarcowe, które w minimalnym stopniu tłumiło światło, stworzono pierwszą półprzewodnikową diodę zdolną do ciągłej pracy w temperaturze pokojowej, a w Bell Laboratories zmodyfikowano technologię osadzania z fazy gazowej tak, by możliwa była masowa produkcja światłowodów. Gdy w 1981 roku General Electric stworzyła sztaby szkła krzemionkowego pozwalające na wyciąganie z nich włókien o długości 40 kilometrów, a dwa lata później Corning opracował technologię umożliwiającą produkcję światłowodów w tempie 50 metrów na sekundę, infrastruktura ze światłowodów stała się tańsza od odpowiadającej jej infrastruktury z kabli miedzianych.

Światłowody wydają się mieć same zalety w porównaniu z kablami miedzianymi. Są cieńsze i lżejsze, zużywają mniej energii, trudniej podsłuchać biegnący w nich sygnał osobom niepowołanym, nie ulegają też tak szybkiej degradacji przez czynniki atmosferyczne jak kable miedziane. Sieć światłowodowa potrzebuje mniejszej liczby urządzeń dbających o jakość sygnału, co z kolei przekłada się na niższe koszty jej budowy. Także koszty używania i konserwacji sieci są niższe.

Historia każdego światłowodu zaczyna się od długich szklanych rur. Najpierw są one zanurzane w kwasie fluorowodorowym, który usuwa tłuszcz. Następnie końce dwóch rur umieszcza się w specjalnym urządzeniu, które zbliża je do siebie. Obracające się ciągle rury są ogrzewane do białości – a wtedy końce rur są łączone. Taka rura przesuwana jest do kolejnego obracającego ją urządzenia. Do rury zostaje wpuszczona mieszanina gazów zawierająca m.in. krzem i german. Całość jest ciągle ogrzewana.

Podgrzewane gazy tworzą biały osad. Jako że źródło ciepła się przesuwa, osad ma możliwość wystygnięcia i zamienienia się w szkło wzbogacone dostarczonymi w gazie pierwiastkami. Proces powtarzany jest wielokrotnie, by doprowadzić do powstania wielowarstwowej struktury o pożądanych właściwościach. W końcu całość jest podgrzewana do tego stopnia, że tuba z nowymi warstwami szkła zapada się, tworząc szklany pręt, którego rdzeniem jest szkło wytworzone metodą osadzania z warstwy gazowej. Powstaje preforma.

Z preformy można wyciągnąć kilkanaście kilometrów światłowodów. Zadanie to wykonuje wyciągarka światłowodowa. Preforma montowana jest w niej pionowo. Jeden z końców preformy jest podgrzewany do 2000 stopni Celsjusza, a grawitacja robi resztę. Wreszcie światłowód jest nawijany na bęben, ciągle też monitorowane są siła naciągu oraz grubość światłowodu.

„Po co komu w domu 600 megabitów?”. „Mam 50 Mb i wystarczy mi na najbliższych kilka lat”. Takie i podobne komentarze często pojawiają się pod informacjami o superszybkim światłowodowym internecie oferowanym np. przez Orange. Kilkudziesięciomegabitowe łącze wystarcza do wielu zastosowań. Jednak światłowód w domu to krok w przyszłość.

Warto uświadomić sobie, że w sieci znajduje się coraz więcej treści o coraz wyższej jakości. A jej przesłanie wymaga coraz większych przepustowości łączy. Jeszcze niedawno większość z nas byłaby szczęśliwa, gdyby miała w domu łącze 4 Mb/s. Obecnie ponad 60 proc. polskich użytkowników internetu korzysta z łączy o prędkości większej niż 10 Mb/s.

Warto zatem przyjrzeć się różnicom w czasie pobierania danych przez typowe łącza miedziane z tym, czego możemy oczekiwać po światłowodzie, przy założeniu korzystania z tego samego serwera.

Producenci kabli światłowodowych informują, że zostały one zaprojektowane tak, by pracować przez około 40 lat. Jednak są w swoich szacunkach bardzo ostrożni. Samo włókno szklane może doskonale przewodzić światło przez tysiące lat – pod warunkiem, że otaczające je warstwy ochronne pozostaną szczelne. Wszelkie uszkodzenia plastikowych osłon kabla powodują, że do środka może dostać się woda, powietrze i różnego typu zanieczyszczenia, które negatywnie wpłyną na żywotność rdzenia.

Żywotność sieci światłowodowej jest ograniczona nie tylko żywotnością samych kabli, ale wszelkich urządzeń i połączeń występujących w sieci. Szczęśliwie są one dobrze zabezpieczone i nie wpływają negatywnie na trwałość sieci. Największym zagrożeniem dla światłowodów jest ich przypadkowe uszkodzenie podczas prac ziemnych. Czasami też dochodzi do uszkodzeń celowych. Dlatego szacuje się bezawaryjny czas pracy światłowodu zakopanego w ziemi na co najmniej 20-25 lat. Warto też podkreślić, że światłowody nie budzą takiego zainteresowania złodziei, jak kable miedziane – ich wartość odsprzedażowa jest żadna.

Nikt nie potrafi odpowiedzieć na powyższe pytanie. A gnębi ono specjalistów od dziesięcioleci. W lipcu 1987 roku The New York Times donosił: „Jak informują przedstawiciele firmy telekomunikacyjnej, rekiny wykazują niewytłumaczalne zamiłowanie do nowych kabli światłowodowych, które łączą Stany Zjednoczone, Europę i Japonię”. Z artykułu dowiadujemy się, że na samym tylko Atlantyku rekiny uszkodziły światłowód w czterech miejscach. Naprawa pojedynczego uszkodzenia kosztowała wówczas około 250 tys. dolarów.

Pierwszy dowód na zamiłowanie tych zwierząt do światłowodów zdobyto w 1985 roku, gdy w eksperymentalnym kablu położonym u wybrzeży Wysp Kanaryjskich znaleziono wbity ząb rekina.

Przyczyn tych ataków do dzisiaj jednak nie znamy. Niewykluczone, że ryby (nie tylko rekiny) są po prostu zainteresowane nieznanym obiektem. Inna hipoteza mówi, że przyciąga je pole elektromagnetyczne generowane przez kable zawieszone w poruszającej się wodzie. Jednak eksperymenty przeprowadzone zarówno w laboratorium, jak i na płytkich wodach oceanicznych nie dowiodły żadnego związku pomiędzy atakami, polem elektromagnetycznym i sposobem umieszczenia kabla w wodzie. Badania prowadzono jednak na gatunkach występujących w płytkich wodach. Być może rekiny pływające głębiej zachowują się inaczej. Ryby nie przejmują się jednak naszymi hipotezami i nadal gryzą kable z sobie tylko znanych powodów.

Polski internet ma się całkiem nieźle. Nie mamy się czego wstydzić ani pod względem możliwości dostępu do internetu, ani pod względem przepustowości łączy. A jakby tego było mało, za łącza płacimy mniej niż mieszkańcy Europy Zachodniej.

Generalnie, cena kablowego internetu zależy od przepustowości naszych łączy. Im szybciej, tym drożej. Na szczęście jednak nie jest to wzrost proporcjonalny. Postęp techniczny w technice światłowodowej pozwolił na wzrost przepustowości łączy internetowych o rzędy wielkości, bez znaczącego podnoszenia cen. Według raportu UKE za rok 2015 niemal 11 proc. polskich internautów korzystało z łączy 100 Mb/s i szybszych. Te 11 proc. to ponad 1,5 miliona osób, a to oznacza, że już wtedy mieliśmy naprawdę spory rynek superszybkiego Internetu. Teraz może on tylko rosnąć, wraz z rosnącą popularnością wideo 4K, usług streamingu gier czy coraz większej liczby urządzeń Internetu Rzeczy.

Zapotrzebowanie na światłowody ciągle rośnie. W roku 2012 sprzedano 230 milionów kilometrów światłowodów, a analitycy szacują, że w roku 2018 światowy popyt wyniesie 325 milionów km. Sieć światłowodowa potrzebna jest do przesyłania coraz większej ilości danych. Konieczne jest ułożenie kabli, które cały ten ruch obsłużą. A najpotężniejsze muszą trafić tam, gdzie ruch i odległości są największe, pomiędzy kontynentami.

Dziś Ziemia opleciona jest siecią około 370 kabli podmorskich o łącznej długości niemal 900 tys. km. Jedynym niepodłączonym kontynentem jest Antarktyda. Pomimo tego, że kabli jest tak wiele, ciągle układane są nowe. Dziś trwają prace nad ułożeniem rekordzistów przepustowości na Pacyfiku i Atlantyku.

Kabel Pacific Light Cable Network (PLCN) kładą Google i Facebook we współpracy z firmami TE SubCom i Pacific Light Data Communication. Połączy on Hongkong z Los Angeles i będzie miał długość 12,8 tys. km. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, to już w 2018 roku będzie nim można przesyłać dane z prędkością 120 Tb/s. Jeszcze szybszy będzie Marea. To kolejny kabel, który przez Atlantyk połączy USA i Europę. Będzie on biegł na trasie 6600 kilometrów pomiędzy Virginia Beach a Bilbao. Łącze, będące wspólnym dziełem Microsoftu, Facebooka i Telefoniki, będzie miało przepustowość 160 Tb/s.

Światłowody używane są nie tylko w telekomunikacji. Prawdę mówiąc, zostały w niej użyte dość późno. Wcześniej wykorzystywała je np. medycyna. Dzięki temu, że są cienkie i przewodzą światło, pozwalały na oświetlenie trudno dostępnych elementów organizmu i przekazywanie ich obrazu. Nie przeszkadzała w tym niedoskonałość techniki światłowodowej, gdyż w medycynie wykorzystuje się krótkie kable, więc tłumienie jest niewielkie.

Obecnie światłowody wykorzystuje się też w czujnikach do pomiaru naprężeń, ciśnienia czy temperatury np. wewnątrz silników odrzutowych czy transformatorów. Używa się je w systemach bezpieczeństwa czy do zasilania tam, gdzie nie można wykorzystać metalowych kabli, np. w pobliżu maszyn do rezonansu magnetycznego. Są też używane w celach rozrywkowych i dekoracyjnych tam, gdzie chcemy ozdobić otoczenie światłem.