Jak działa światłowód? Fizyka całkowitego odbicia

Pamiętasz, jak kiedyś sygnały przekazywano światłem ognisk na wzgórzach, by ostrzec sąsiednie wsie? Dziś światłowód przenosi dane na setki kilometrów właśnie dzięki światłu, które podlega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy rdzenia i płaszcza. W tym artykule rozłożymy na części pierwsze fizykę tego procesu: od budowy światłowodu z rdzeniem o wyższym indeksie refrakcji i płaszczem o niższym, przez prawo Snelliusa opisujące załamanie światła, aż po minimalne tłumienie sygnału, które czyni tę technologię niezrównaną. Zrozumiesz, dlaczego światło w światłowodzie nie ucieka na boki, lecz mknie prosto do celu, niosąc gigabity informacji.

• Czym jest światłowód?
• Budowa światłowodu: rdzeń i płaszcz
• Prawo Snelliusa w światłowodzie
• Całkowite wewnętrzne odbicie światła
• Indeks refrakcji w fizyce światłowodu
• Tłumienie sygnału optycznego
• Pytania i odpowiedzi: Fizyka światłowodu

Czym jest światłowód?

Światłowód to cienki przewód z przezroczystego szkła lub plastiku, który przewodzi światło na duże odległości bez znaczącego tłumienia. W odróżnieniu od kabli miedzianych, gdzie elektrony niosą sygnał, tu impulsy świetlne kodują dane binarne. Dzięki temu światłowody oferują przepustowość rzędu terabitów na sekundę i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Fizyka ich działania opiera się na całkowitym wewnętrznym odbiciu światła wewnątrz struktury. To zjawisko pozwala na transmisję przez setki kilometrów bez repeaterów. Światłowody dominują w sieciach backbone, choć wkrótce dotrą do każdego domu.

Historia światłowodu sięga eksperymentów z XIX wieku, ale prawdziwy przełom nastąpił w latach 70. XX wieku dzięki precyzyjnemu wytwarzaniu włókien o średnicy ludzkiego włosa. Dziś produkuje się je metodą CVD, osadzając warstwy krzemionki w wysokiej temperaturze. Światło w światłowodzie podróżuje modami – falami o różnych ścieżkach – co wpływa na jakość sygnału. Multimodowe światłowody nadają się do krótkich dystansów, jednomodowe do transoceanicznych kabli. Ich przewaga nad miedzianymi przewodami jest miażdżąca pod względem prędkości i niezawodności.

Praktyczne zastosowanie światłowodów obejmuje nie tylko internet, ale też medycynę i czujniki. W endoskopach światło przenosi obraz z wnętrza ciała. W przemyśle monitorują temperaturę w reaktorach. Fizyka światłowodu sprawia, że sygnał pozostaje czysty nawet po tysiącach kilometrów. To technologia, która zmieniła globalną komunikację, zastępując powoli tradycyjne kable. Jej rozwój trwa, integrując się z sieciami 5G i 6G.

Zobacz także: Jak prawidłowo podłączyć światłowód do telewizora - Kompletny przewodnik

Budowa światłowodu: rdzeń i płaszcz

Rdzeń światłowodu to centralna część, wykonana zazwyczaj ze szkła krzemionkowego o średnicy od 8 do 50 mikrometrów w światłowodach jednomodowych. Otacza go płaszcz o niższym indeksie refrakcji, zapobiegający ucieczce światła. Zewnętrzna warstwa ochronna z polimeru chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi. Różnica indeksów między rdzeniem a płaszczem wynosi zwykle 1-2%, co wystarcza do przewodzenia. Światło wprowadza się pod odpowiednim kątem, by podlegać odbiciu wewnętrznemu. Ta prosta budowa umożliwia ekstremalną cienkość – poniżej 0,25 mm średnicy całkowitej.

Proces produkcji rdzenia polega na wytapianiu czystej krzemionki domieszkowanej germanem, co podnosi jego indeks refrakcji. Płaszcz składa się z krzemionki fluorowanej lub polimerów, jak pleksi w tańszych wersjach. W światłowodach plastikowych rdzeń z PMMA (pleksi) osiąga indeks ok. 1,49, płaszcz 1,40. Dla długich dystansów szkło jest niezbędne ze względu na niższe tłumienie. Warstwy nanosi się metodą osadzania z fazy gazowej, ciągnąc włókno z preformy. Taka konstrukcja zapewnia wytrzymałość na rozciąganie do 5% długości.

Tabela powyżej ilustruje typowe indeksy, pokazując, jak niewielka różnica umożliwia przewodzenie. W praktyce rdzeń i płaszcz projektuje się z gradientowym indeksem, gdzie wartość maleje radialnie. To redukuje dyspersję modową. Dla światłowodów step-indexowych granica jest ostra. Budowa ewoluuje ku fotonicznym kryształkom, ale klasyczna rdzeń-płaszcz dominuje. Dzięki temu światłowód działa jak tunel dla fotonów.

Zobacz także: Polski Światłowód Otwarty (PŚO) Cennik 2025

Prawo Snelliusa w światłowodzie

Prawo Snelliusa, znane też jako prawo załamania światła, stanowi fundament fizyki światłowodu. Głosi ono, że n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2), gdzie n to indeksy refrakcji, a θ kąty padania i załamania. Na granicy rdzenia i płaszcza, gdy światło przechodzi z medium o wyższym n do niższego, kąt załamania rośnie. Jeśli kąt padania przekroczy krytyczny, następuje całkowite odbicie. To prawo wyjaśnia, dlaczego światło zakrzywia się na styku ośrodków. W światłowodzie wykorzystuje się je do definiowania kąta akceptacji.

W praktyce, dla rdzenia n1=1,46 i płaszcza n2=1,44, kąt graniczny θg = arcsin(n2/n1) ≈ 80°. Światło padające pod mniejszym kątem załamuje się do płaszcza i uchodzi. Powyżej – odbija się całkowicie. Prawo Snelliusa pozwala obliczyć numeryczną aperturę NA = sin(θa) = √(n1² - n2²), decydującą o zdolności zbierania światła. Wyższa NA oznacza szerszy snop wejściowy, ale większą dyspersję. W jednomodowych światłowodach NA jest minimalna, ok. 0,1.

• Kąt padania θ1 mierzony od normalnej do granicy.
• Przy θ1 > θg światło nie przechodzi do płaszcza.
• Różnica n1 > n2 jest kluczowa dla załamania.
• W multimodowych światłowodach wiele promieni podlega prawu Snelliusa niezależnie.

Te zależności matematyczne czynią światłowód precyzyjnym narzędziem optycznym. Bez prawa Snelliusa nie byłoby całkowitego odbicia. Zjawisko obserwujemy codziennie, np. w kałużach, gdzie światło odbija się od wody. W światłowodzie to kontrolowany proces na mikrometrach. Dzięki temu transmisja jest efektywna energetycznie.

Całkowite wewnętrzne odbicie światła

Całkowite wewnętrzne odbicie (TIR) zachodzi, gdy światło z gęstszego medium pada na rzadsze pod kątem większym od krytycznego, nie przechodząc dalej. W światłowodzie promień w rdzeniu odbija się wielokrotnie od płaszcza, tworząc zygzakowatą ścieżkę. Współczynnik odbić wynosi 100%, bez strat na granicy. To zjawisko, odkryte przez Fizyka w 1840 r., umożliwia przewodzenie bez ucieczki fotonów. Kluczowa jest faza graniczna, gdzie pole elektryczne światła zanika wykładniczo w płaszczu. TIR definiuje fizykę światłowodu.

Kąt krytyczny θc = arcsin(n2/n1), dla typowych wartości ok. 80°. Promień padający równolegle do osi światłowodu musi być w stożku akceptacji. Wewnątrz rdzenia światło propaguje modami – trybami falowymi. W jednomodowym tylko fundamentalny mod, minimalizujący dyspersję. TIR występuje nawet przy minimalnych różnicach n, dzięki precyzji produkcji. To pozwala na zakręty światłowodu o promieniu do 10 cm bez strat.

Wizualizując, wyobraź strumień światła uderzający w ścianę rdzenia: wraca idealnie, jak piłka od ściany. Wielokrotne odbicia sumują się do linii prostej. Jeśli kąt padania spadnie poniżej θc, światło wycieka, powodując tłumienie. Dlatego końcówki światłowodów poleruje się pod kątem 8°, by maksymalizować TIR. Zjawisko to stosuje się też w pryzmatach i lusterkach optycznych.

Warunki TIR: n1 > n2, θ1 > θc, polaryzacja nieistotna dla szkła. W praktyce dodaje się powłokę antyrefleksyjną na końcach. To najczystsza forma przewodzenia optycznego, przewyższająca falowodniki metalowe.

Indeks refrakcji w fizyce światłowodu

Indeks refrakcji n = c/v, gdzie c to prędkość światła w próżni, v w medium, mierzy spowolnienie fali. W rdzeniu szkła n≈1,46, światło zwalnia do 2/3 c. Różnica Δn = (n1 - n2)/n1 ≈0,01 zapewnia TIR. Wyższy n rdzenia wynika z domieszek jak GeO2. Zależność od długości fali: dyspersja materiałowa zmienia n o 0,01 w paśmie IR. To kluczowy parametr projektowy światłowodu.

Wielkość n wpływa na kąt krytyczny i aperturę. Dla powietrza n=1, θc≈43° w szkle, stąd światłowody działają w wodzie czy oleju tylko z odpowiednim płaszczem. Tabela wcześniej pokazała typy; pleksi ma wyższe n, ale silniejszą dyspersję. Precyzyjne pomiary n laserem interferencyjnym gwarantują jakość. W przyszłości metamateriały o ujemnym n zrewolucjonizują przewodzenie.

• Szkło krzemionkowe: n=1,458 przy 633 nm.
• Domieszka germanu: wzrost n o 0,02 na 1% Ge.
• Fluor: obniża n płaszcza o 0,015.
• Pleksi PMMA: n=1,492, ale tłumienie 100 dB/km.

Indeks determinuje prędkość grupową sygnału, wpływając na jitter. W gradientowych światłowodach n maleje parabolycznie, synchronizując mody.

Źródła światła w światłowodzie

Źródła światła w światłowodzie to głównie lasery i diody LED, generujące spójne lub koherentne impulsy. Laser DFB emituje wąską linię spektralną przy 1550 nm, idealną dla niskiego tłumienia. LED fosforowe dają szersze pasmo, tańsze do lokalnych sieci. Moc wyjściowa lasera sięga -3 dBm, kodując dane modulacją amplitudy lub fazy. Wprowadzanie światła przez soczewkę dopasowuje modę do rdzenia. Wybór źródła zależy od dystansu i przepustowości.

Diody VCSEL popularne w datacenterach, emitując pionowo pod kątem akceptacji. Lasery Fabry-Perota tańsze, ale z modami osiowymi powodującymi szum. W systemach DWDM lasery tunable skanują kanały co 0,8 nm. Żywotność przekracza 10 lat przy 25°C. Temperatura wpływa na długość fali o 0,1 nm/°C, stabilizowana termoelektrycznie. Te źródła czynią światłowód medium dla 400G+.

Modulacja: NRZ dla 10G, PAM4 dla 100G, zwiększając gęstość bitów. W parze nadajnik-odbiornik światło konwertuje się na prąd fotodiodą PIN lub APD. Efektywność kwantowa lasera >50%. Przyszłość to kropki kwantowe dla szerszego pasma.

Tłumienie sygnału optycznego

Tłumienie w światłowodzie mierzy się w dB/km i wynosi 0,2 dB/km przy 1550 nm w oknach C-band. Wynika z rozpraszania Rayleigha, absorpcji OH i nieidealności rdzenia. Minimum tłumienia w krzemionce to 0,15 dB/km dzięki czystości >99,9999%. Dla 1310 nm ok. 0,35 dB/km, tańsze lasery. Na 100 km strata 20 dB wymaga EDFA wzmacniaczy. To tysiąckrotnie mniej niż w miedzi (20 dB/km).

Wykres porównuje tłumienie, podkreślając przewagę światłowodu na dużych dystansach. Czynniki wzrostu: mikrozgięcia, zabrudzenia, promieniowanie. W plastikowych światłowodach tłumienie 100 dB/km ogranicza do 100 m. Optymalizacja spektralna minimalizuje straty. Dzięki niskiemu tłumieniu transmisyjne sieci backbone osiągają 10 000 km z kaskadowymi wzmacniaczami.

Absorpcja wodna podnosi tłumienie przy 1380 nm, stąd okna transmisyjne. Rozpraszanie proporcjonalne do 1/λ⁴ maleje w IR. Nowe włókna hollow-core redukują tłumienie do 0,1 dB/km, eliminując nieliniowości. Fizyka tłumienia ewoluuje, przedłużając zasięg internetu światłowodowego.

Pytania i odpowiedzi: Fizyka światłowodu

• Co to jest całkowite wewnętrzne odbicie i jak działa w światłowodzie?

  Całkowite wewnętrzne odbicie to kluczowe zjawisko fizyczne, w którym światło padające z medium o wyższym indeksie refrakcji (rdzeń światłowodu) na granicę z medium o niższym indeksie (płaszcz) pod kątem większym od kąta granicznego odbija się całkowicie z powrotem do rdzenia, nie wychodząc na zewnątrz. Dzięki temu światło pozostaje uwięzione w rdzeniu i może być transmitowane na duże odległości bez strat.

• Czym różni się rdzeń od płaszcza w światłowodzie?

  Rdzeń to centralna część światłowodu wykonana ze szkła lub plastiku o wyższym indeksie refrakcji (np. n≈1,46), przez którą propaguje się światło. Płaszcz otaczający rdzeń ma niższy indeks refrakcji (np. n≈1,44), co tworzy gradient refrakcji umożliwiający całkowite wewnętrzne odbicie światła na ich granicy.

• Jaki jest indeks refrakcji i dlaczego jest ważny w fizyce światłowodu?

  Indeks refrakcji (n) określa, jak bardzo medium spowalnia światło w porównaniu do próżni. Różnica indeksów między rdzeniem a płaszczem (n_rdzenia > n_płaszcza) jest kluczowa, ponieważ zapewnia warunki do całkowitego wewnętrznego odbicia, uniemożliwiając ucieczkę światła i umożliwiając efektywną transmisję sygnału.

• Jakie źródło światła stosuje się w światłowodach i dlaczego tłumienie jest niskie?

  W światłowodach używa się laserów lub diod LED generujących impulsy światła kodujące dane binarne. Tłumienie sygnału jest minimalne (ok. 0,2 dB/km przy długości fali 1550 nm), co wynika z czystości materiałów i zjawiska całkowitego odbicia, pozwalając na transmisję na setki kilometrów bez repeaterów.