Fibra optică: cum transportă lumina datele

Fibra optică transportă datele sub formă de impulsuri de lumină printr-un fir de sticlă foarte pur, mai subțire decât un fir de păr. Lumina intră la un capăt, rămâne prinsă în interiorul firului datorită unui fenomen fizic numit reflexie totală internă și iese la celălalt capăt, uneori după zeci de kilometri, aproape la fel de puternică. Un laser aprinde și stinge lumina de miliarde de ori pe secundă, iar fiecare variație codifică biți de informație.

Fibra este coloana vertebrală a internetului: leagă orașe, țări și continente, alimentează antenele rețelelor mobile și ajunge tot mai des direct în apartamente. În rândurile de mai jos vezi cum este construită, de ce lumina nu scapă din ea, ce diferențe există între tipurile de fibră și cum ajunge, concret, până la routerul tău.

Ce este fibra optică

Fibra optică este un fir cilindric de sticlă sau, mai rar, de plastic, construit astfel încât să ghideze lumina pe toată lungimea lui. Are trei straturi concentrice, fiecare cu un rol precis.

Pentru comparație, un fir de păr are în jur de 50–100 µm (micrometri, adică miimi de milimetru). Fibra propriu-zisă este apoi învelită în tuburi, fire de rezistență și manta exterioară, iar un cablu poate conține de la una până la sute sau chiar mii de fibre.

De ce sticlă atât de pură

Sticla de geam obișnuită absoarbe destulă lumină încât, la o grosime de câțiva metri, ar părea opacă. Sticla pentru fibre este un dioxid de siliciu de puritate foarte mare, în care impuritățile sunt reduse la urme. Asta permite luminii să străbată kilometri întregi cu pierderi mici.

Reflexia totală internă: de ce lumina nu iese din fibră

Lumina rămâne în miez pentru că se reflectă complet de fiecare dată când atinge granița cu învelișul, la un unghi suficient de mic față de axa fibrei. Fenomenul se numește reflexie totală internă și îl poți observa și acasă: privește în sus de sub apă, într-o piscină, și vei vedea că suprafața apei, la unghiuri înclinate, se comportă ca o oglindă.

Explicația ține de indicele de refracție, un număr care arată cât de mult încetinește lumina într-un material. Când lumina trece dintr-un material cu indice mai mare (miezul) spre unul cu indice mai mic (învelișul), se frânge. Dacă unghiul de incidență depășește o valoare numită unghi critic, lumina nu mai trece deloc în înveliș, ci se întoarce integral în miez. Fibra este proiectată astfel încât lumina introdusă corect să lovească mereu granița peste acest unghi.

Ce se întâmplă când îndoi fibra

Dacă fibra este îndoită prea strâns, unghiul de lovire se schimbă, o parte din lumină trece de unghiul critic și scapă din miez. Semnalul slăbește sau dispare. De aceea cablurile de fibră au o rază minimă de curbură, specificată de producător, care nu trebuie depășită la instalare.

Cum devin datele lumină

La capătul de emisie, un laser sau o diodă transformă semnalul electric în impulsuri de lumină, iar la capătul de recepție un fotodetector face transformarea inversă. Cel mai simplu mod de codare este pornit–oprit: lumină înseamnă 1, întuneric înseamnă 0. Legăturile moderne de mare capacitate folosesc tehnici mai sofisticate, variind și faza sau intensitatea luminii, astfel încât un singur impuls poartă mai mulți biți.

De ce lumină infraroșie

Fibrele de comunicații folosesc lumină infraroșie, invizibilă ochiului, în special în jurul lungimilor de undă de 1310 nm și 1550 nm. La aceste valori, sticla absoarbe cel mai puțin. În jurul valorii de 1550 nm, pierderea tipică a unei fibre monomod moderne este de ordinul a 0,2 dB pe kilometru, ceea ce înseamnă că, după 15 km, ajunge la capăt încă aproximativ jumătate din puterea luminii.

Atenție: Nu privi niciodată direct în capătul unei fibre sau al unui conector optic, nici chiar dacă nu vezi nicio lumină. Lumina infraroșie a laserelor este invizibilă, dar poate afecta ochiul. Lucrările la rețeaua de fibră se fac de tehnicienii furnizorului.

Fibra monomod și fibra multimod

Există două familii principale de fibră, diferite prin diametrul miezului și, de aici, prin distanța pe care o pot acoperi. Într-un miez mai gros, lumina poate urma mai multe trasee (moduri) ușor diferite, care ajung la capăt la momente puțin diferite și „întind” impulsurile. Într-un miez foarte subțire, lumina are practic un singur traseu.

Fibra care ajunge în locuința ta este aproape întotdeauna monomod, la fel ca fibrele care leagă orașele sau continentele. Fibra multimod se folosește mai ales pe distanțe scurte, de exemplu între dulapurile de echipamente dintr-un centru de date, despre care citești în Centrele de date: cum funcționează și ce resurse consumă.

Mai multe culori pe aceeași fibră

O singură fibră poate transporta simultan zeci de semnale independente, fiecare pe altă lungime de undă, adică pe altă „culoare” de lumină infraroșie. Tehnica se numește multiplexare prin diviziunea lungimii de undă (WDM, Wavelength Division Multiplexing). La un capăt, un multiplexor combină culorile într-o singură fibră; la celălalt capăt, un demultiplexor le separă din nou, ca o prismă care desface lumina albă în curcubeu.

Prin WDM, capacitatea unei singure perechi de fibre ajunge la valori de ordinul terabiților pe secundă, iar operatorii pot crește capacitatea unei rute fără să sape din nou, doar schimbând echipamentele de la capete. Este și motivul pentru care cablurile submarine, cu doar câteva zeci de fibre, transportă cea mai mare parte din traficul dintre continente, cum explicăm în articolul despre cablurile submarine.

Amplificatoarele optice

Pe distanțe foarte lungi, lumina trebuie reîmprospătată. Pe rutele terestre și submarine se folosesc amplificatoare optice, de obicei cu fibră dopată cu erbiu, care întăresc direct semnalul luminos, toate culorile deodată, fără să-l transforme în semnal electric. Ele sunt montate la distanțe de ordinul zecilor de kilometri, uneori în jur de 80–100 km.

Avantajele fibrei față de cablurile de cupru

Fibra transmite mult mai multe date, pe distanțe mult mai mari și fără să fie afectată de interferențele electrice care deranjează cuprul. Principalele avantaje:

• Capacitate foarte mare, cu posibilitatea de creștere prin înlocuirea echipamentelor de la capete.
• Pierderi mici, deci distanțe lungi fără echipamente intermediare.
• Imunitate la interferențe electromagnetice: motoarele, liniile electrice sau fulgerele nu perturbă semnalul luminos.
• Fără curent electric pe fir, deci fără risc de scurtcircuit și fără probleme de împământare între clădiri.
• Greutate și volum mic: un cablu cu sute de fibre ocupă mai puțin loc decât un mănunchi de cabluri de cupru cu capacitate mult mai mică.
• Interceptare dificilă: pentru a extrage semnalul trebuie umblat fizic la fibră, iar intervenția produce pierderi detectabile.

Limitele și punctele slabe

Fibra este mai sensibilă la îndoire și la strivire decât cuprul, iar îmbinarea a două fibre cere aparatură specială. Conectorii trebuie păstrați curați, pentru că un fir de praf pe un miez de 9 µm blochează o parte importantă din lumină. Cea mai frecventă cauză a întreruperilor rămâne însă banală: cabluri tăiate accidental la săpături.

Cum ajunge fibra până la tine

Fibra ajunge în locuințe prin două arhitecturi principale, iar tipul pe care îl ai influențează viteza maximă și stabilitatea conexiunii.

Fibra până în locuință (FTTH)

În varianta FTTH (Fiber to the Home), fibra intră efectiv în apartament sau în casă și se termină într-un echipament numit terminal optic (ONT, Optical Network Terminal), adesea integrat chiar în router. Multe rețele FTTH folosesc o arhitectură pasivă (PON, Passive Optical Network): o singură fibră pleacă de la echipamentul furnizorului și este împărțită, prin splittere optice fără alimentare electrică, între mai mulți abonați, de exemplu 32 sau 64. Capacitatea fibrei comune este împărțită între ei, dar este suficient de mare încât, în condiții normale, fiecare să primească viteza din abonament.

Fibra până în clădire (FTTB)

În varianta FTTB (Fiber to the Building), fibra se oprește la un echipament instalat în bloc, de obicei la subsol, în pod sau pe casa scării. De acolo, fiecare apartament primește un cablu de rețea din cupru. Este o soluție foarte răspândită în blocurile din orașele românești, unde a permis conectarea rapidă a multor apartamente. Pe distanțele scurte din interiorul unui bloc, cablul de cupru de calitate face față bine, deși unele echipamente și cabluri mai vechi pot limita viteza maximă.

Un avantaj specific fibrei este că permite ușor viteze simetrice, adică la fel de mari la trimitere ca la primire, ceea ce contează pentru apeluri video, încărcarea fișierelor în cloud sau lucrul de acasă. Ce înseamnă concret aceste viteze și de ce nu sunt singurul factor al unei conexiuni bune afli din ghidul despre latență și lățime de bandă. Datele încărcate ajung de cele mai multe ori pe servere aflate tot în centre de date, cum explicăm în Stocarea în cloud: unde stau de fapt fișierele tale.

Sfat: Cablul subțire de fibră care leagă priza optică de terminal nu trebuie îndoit în unghi ascuțit, strivit sub mobilă sau prins cu capse. Dacă internetul cade brusc după o mutare a mobilei, verifică întâi acest cablu și indicatorul de semnal optic al terminalului, apoi sună la furnizor.

Fibra din spatele rețelelor mobile

Și internetul mobil depinde de fibră. Antenele 4G și 5G sunt legate la rețeaua operatorului, în majoritatea cazurilor, prin fibră optică, numită în acest rol backhaul. Cu cât crește capacitatea radio a antenelor, cum se întâmplă la noua generație descrisă în Rețelele 5G: ce aduc diferit față de rețelele 4G, cu atât devine mai importantă legătura prin fibră din spatele lor.

Cum se instalează și se repară fibra

Fibrele se îmbină prin sudură prin fuziune: capetele sunt tăiate perfect drept, aliniate la microscop și topite împreună cu un arc electric, într-un aparat specializat. O sudură bine făcută aproape că nu se simte în pierderile semnalului. Pentru conexiunile care trebuie desfăcute, se folosesc conectori optici de precizie.

Defectele se localizează cu un instrument numit reflectometru optic (OTDR), care trimite impulsuri de lumină în fibră și măsoară ecoul întors de fiecare punct. Din timpul în care se întoarce ecoul, tehnicianul calculează distanța până la ruptură sau până la o îmbinare defectă, cu o precizie de ordinul metrilor.

Fibra optică pe scurt

Fibra optică ghidează lumina printr-un miez de sticlă extrem de pură, prins într-un înveliș cu indice de refracție mai mic, iar reflexia totală internă împiedică lumina să scape. Laserele transformă biții în impulsuri de lumină infraroșie, care pierd foarte puțină putere pe kilometru, iar multiplexarea pe culori permite zeci de canale pe aceeași fibră. De la cablurile submarine la blocul tău, fibra este infrastructura pe care se sprijină restul internetului, așa cum arată și ghidul despre cum funcționează internetul.

De reținut:

• lumina rămâne în fibră prin reflexie totală internă, cât timp fibra nu e îndoită prea strâns;
• se folosește lumină infraroșie, în jurul a 1310 nm și 1550 nm, unde sticla absoarbe cel mai puțin;
• fibra monomod acoperă zeci de kilometri, cea multimod sute de metri;
• WDM pune mai multe culori de lumină, deci mai multe canale, pe aceeași fibră;
• FTTH aduce fibra în locuință, FTTB o oprește în bloc și continuă pe cupru.