Оптическое волокно

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких нитей из стекла или пластика, известных как оптические волокна; один кабель может иметь всего две жилы или несколько сотен. Каждая прядь имеет толщину менее чем на одну десятую толщины человеческого волоса и может выдержать примерно 25 000 телефонных звонков, поэтому весь оптоволоконный кабель может легко переносить несколько миллионов вызовов.

Что такое оптическое волокно?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному. Когда мы говорим по стационарному телефону, проводной кабель передает звуки нашего голоса в розетку на стене, где другой кабель доставляет его на местную телефонную станцию. Мобильные телефоны работают по-другому: они отправляют и получают информацию, используя невидимые радиоволны — технологию, называемую беспроводной, потому что она не использует кабели. Оптическое волокно работает третьим способом. Оно передает информацию, закодированную в луче света по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально оно был разработано для эндоскопов в 1950-х годах, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости вскрывать его. В 1960-х годах инженеры нашли способ использовать ту же технологию для передачи телефонных звонков со скоростью света (обычно это 300 000 км в секунду в вакууме, но при использовании оптоволоконного кабеля эта скорость снижается примерно до двух третей).

Технология оптоволокна

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя точками с использованием полностью оптической (на основе света) технологии. Предположим, вы хотите отправить информацию со своего компьютера в дом друга по улице, используя волоконную оптику. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который преобразует электрическую информацию от компьютера в серию световых импульсов. Тогда вы будете стрелять лазером по оптоволоконному кабелю. Проехав по кабелю, лучи света появятся на другом конце. Вашему другу понадобится фотоэлемент (детектор света), чтобы превратить импульсы света в электрическую информацию, которую может понять его компьютер. Таким образом, весь аппарат будет похож на действительно аккуратную, высокотехнологичную версию телефона, который вы можете сделать из двух банок и длинного шнура!

Как работает оптоволокно

Как работает оптоволокно Свет распространяется по оптоволоконному кабелю, многократно отражаясь от стен. Каждый крошечный фотон (частица света) отскакивает от стенок, как бобслей, спускаясь по ледяной трассе. Теперь вы можете ожидать, что луч света, идущий в прозрачной стеклянной трубе, просто просочится через края. Но если свет попадает на стекло под очень небольшим углом (менее 42 градусов), он снова отражается, как будто бы стекло было зеркалом. Это явление называется полным внутренним отражением . Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Другая вещь, которая сохраняет свет в трубе — это структура кабеля, которая состоит из двух отдельных частей. Основная часть кабеля — посередине — называется сердечником, и именно через него проходит свет. Вокруг сердечника находится еще один слой стекла, который называется оболочкой. Работа облицовки заключается в том, чтобы поддерживать световые сигналы внутри ядра. Это работает, потому что он сделан из стекла другого типа (техническим языком: оболочка имеет более низкий показатель преломления).

Типы волоконно-оптических кабелей

Типы волоконно-оптических кабелей Оптические волокна передают световые сигналы по так называемым модам. Это звучит технически, но это просто означает разные способы передвижения: мод — это просто путь, по которому луч света проходит по волокну. Один из режимов — идти прямо по середине волокна. Другим является отскок вниз под небольшим углом. Другие режимы включают в себя отскакивание под другими углами, более или менее крутыми.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовым . Он имеет очень тонкое ядро диаметром около 5-10 микрон (миллионных долей метра). В одномодовом волокне все сигналы распространяются прямо по центру, не отражаясь от краев (желтая линия на диаграмме). Кабельное телевидение, Интернет и телефонные сигналы, как правило, передаются по одномодовым волокнам, объединенным в огромный пакет. Такие кабели могут передавать информацию на расстояние более 100 км.

Другой тип волоконно-оптического кабеля называется многомодовым . Каждое оптическое волокно в многомодовом кабеле примерно в 10 раз больше, чем в одномодовом кабеле. Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя различным путям (желтые, оранжевые, синие и голубые линии), другими словами, в нескольких различных режимах. Многорежимные кабели могут передавать информацию только на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для объединения компьютерных сетей.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте, называемом гастроскоп (тип эндоскопа), который врачи помещают кому-то в горло для выявления болезней в желудке. Гастроскоп — это толстый волоконно-оптический кабель, состоящий из множества оптических волокон. На верхнем торце гастроскопа есть окуляр и лампа. Лампа направляет свет на одну часть кабеля в желудок пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается от стенок желудка в линзу на дне кабеля. Затем он перемещается обратно вверх по другой части кабеля в окуляр доктора. Другие типы эндоскопов работают одинаково и могут использоваться для осмотра различных частей тела. Существует также промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать для проверки таких вещей, как недоступные части машин в самолетных двигателях.

Попробуйте этот оптоволоконный эксперимент!

Этот маленький эксперимент представляет собой современное воссоздание знаменитой научной демонстрации, проведенной ирландским физиком Джоном Тиндалом в 1870 году.

Лучше всего делать это в затемненной ванной или на кухне у раковины или умывальника. Вам понадобится прозрачная пластиковая бутылка, самый яркий фонарик, который вы можете найти, немного алюминиевой фольги и липкая лента.

Возьмите пластиковую бутылку и плотно оберните алюминиевую фольгу по бокам, оставив верх и низ бутылки непокрытым. Закрепите фольгу липкой лентой.
Наполните бутылку водой.
Включите фонарик и прижмите его к основанию бутылки, чтобы свет загорелся в воде. Лучше всего работать, если плотно прижать фонарик к бутылке. Чтобы попасть в бутылку, нужно как можно больше света, поэтому используйте самый яркий фонарик, какой только сможете найти.
Стоя у раковины, наклоните бутылку, чтобы вода начала выливаться. Держите фонарик плотно прижатым к бутылке. Если комната затемнена, вы должны увидеть, как струйка воды слегка подсвечивается. Обратите внимание, как вода несет свет, когда луч света изгибается по ходу движения! Если вы не видите света в струе воды, используйте более яркий фонарик.

Использование волоконной оптики

Использование волоконной оптики Стрельба светом в трубу кажется изящным научным трюком для вечеринки, и вы не могли бы подумать, что будет много практических применений для чего-то подобного. Но так же, как электричество может питать многие типы машин, лучи света могут нести много типов информации, поэтому они могут помочь нам разными способами. Мы не замечаем, насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко под офисными этажами и городскими улицами. Технологии, которые его используют — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и военное оборудование — делают это совершенно незаметно.

Компьютерные сети

Волоконно-оптические кабели в настоящее время являются основным способом передачи информации на большие расстояния, поскольку они имеют три очень больших преимущества по сравнению с медными кабелями старого стиля:

Меньшее затухание (потеря сигнала): Информация передается примерно в 10 раз дальше в отличии от медных проводов, прежде чем она будет нуждаться в усилении, что делает оптоволоконные сети проще и дешевле в эксплуатации и обслуживании.
Отсутствие помех: в отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет перекрестных помех (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
Более высокая пропускная способность. Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы читаете эти слова сейчас благодаря Интернету. Вы, вероятно, случайно наткнулись на эту страницу с помощью поисковой системы, такой как Яндекс или Google, которая управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных, соединенных оптоволоконными кабелями большой емкости (и теперь пытается внедрить быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас). Перейдя по ссылке поисковой системы, вы загрузили эту веб-страницу с веб-сервера. Действительно, оптоволоконные кабели выполняют почти всю работу каждый раз, когда вы выходите в интернет. При использовании большинства высокоскоростных широкополосных соединений только последняя часть информационного пути (так называемая «последняя миля» от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома или квартиры) связана со старомодными проводами. И даже эту часть можно заменить на оптоволокно используя оптические патч-корды, почитать про которые вы можете тут . Если вы представляете Интернет как глобальную паутину, нити, удерживающие его вместе, представляют собой волоконно-оптические кабели; по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают более 99 процентов общего пробега Интернета и переносят более 99 процентов всего трафика международной связи.

Кто изобрел волоконную оптику?

1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон (1802–1893) обнаружил, что может светить светом по водопроводу. Вода несла свет внутренним отражением.
1870: ирландский физик по имени Джон Тиндалл (1820–1893) продемонстрировал внутреннее отражение в лондонском Королевском обществе. Он пролил свет на кувшин с водой. Когда он вылил немного воды из кувшина, свет изогнулся вокруг пути воды. Эта идея «изгиба света» именно то, что происходит в волоконной оптике.
1930-е годы: Генрих Ламм и Вальтер Герлах, два немецких студента, пытались использовать световые трубки для создания гастроскопа.
1950-е годы: в Лондоне, в Англии, индийскому физику Нариндеру Капани (1927–1929 гг.) И британскому физику Гарольду Хопкинсу (1918–1994 гг.) Удалось послать простую картину по световой трубе, изготовленной из тысяч стеклянных волокон. После публикации многих научных работ, Капаны заработал репутацию «отца волоконной оптики».
1957 год. Три американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс, Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
1960-е годы: американский физик из Китая Чарльз Као (1933–2018 гг.) И его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики большой дальности. Као предположил, что оптоволоконный кабель, изготовленный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния и был удостоен Нобелевской премии по физике 2009 года за это новаторское открытие.
1960-е годы: исследователи из компании Corning Glass изготовили первый оптоволоконный кабель, способный передавать телефонные сигналы.
~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы намного дальше (с меньшими потерями), побуждая к разработке первых оптических волокон с низкими потерями.
1977: Первый волоконно-оптический телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, штат Калифорния.
1988: Первый трансатлантический волоконно-оптический телефонный кабель, TAT8, был проложен между Соединенными Штатами, Францией и Великобританией.
2018: По данным TeleGeography, в настоящее время существует около 450 волоконно-оптических подводных кабелей (несущих связь под океанами мира), общая протяженность которых составляет 1,2 миллиона километров.

РЕМОНТКА