Оптоволокно: как работает и другие секреты стеклянных нитей

Во время чтения этого текста терабайты информации проходят через всю планету через стеклянные нити, натянутые всеми возможными способами. Это больше похоже на магию, но на самом деле это одна из важнейших технологий, изобретенных человеком.

он появился благодаря натуралистам XIX века, которые теоретически предположили возможность управления светом. Сама идея была реализована после более детального изучения оптических свойств различных материалов. Что такое волокно, как оно работает, характеристики и производство кабелей — все это тема нашей статьи.

Передача света

Как работает волокно: все подробности простым языком

Через витую медную пару проходит огромное количество электронов. Ток течет по проводнику, передавая закодированную последовательность импульсов — данных. Сам код состоит из нулей и единиц (двоичный). Оптическое волокно передает сигналы аналогичным, хотя и более сложным способом.

Лучше отказаться от теории и понять, что световые волны, как и электроны, также могут передавать данные. Например, при сбое радиосвязи в аэропортах используется резервный вариант: сигналы передаются через проекторы. Однако этот метод можно использовать только в зоне прямой видимости, и оптическое волокно пропускает свет на тысячи километров и не всегда по прямой.

Сначала ученые пытались передавать свет на большие расстояния с помощью зеркал. Затем металлические трубы внутри покрывались слоем зеркала, и в них направлялся луч света. Но цена на такие световоды оказалась завышенной, и свет рано или поздно потерял свои свойства и погас.

Затем было найдено решение: свет может быть захвачен, если для его передачи используются две среды с разными оптическими свойствами. В этом случае будет достаточно даже небольшой разницы.

Как работает волокно: все подробности простым языком

Световоды по новой технологии

Что такое клетчатка, вы узнаете, посмотрев следующее видео:

уже понятно, что выбор материалов не так важен для простой передачи света. Для физических экспериментов в школе достаточно иметь под рукой воду и пластиковую трубку. Однако для передачи сигналов на тысячи километров требуются чистейшие материалы с практически идеальными оптическими свойствами и минимальным количеством примесей.

Читайте также:  Как подключиться к Wi-Fi STUDY в школе: инструкция для учеников

Наиболее подходящим материалом оказался диоксид кремния (кварцевое стекло). Чтобы получить в нем разные показатели преломления света, используется хитрость. Затем его центр оставляли чистым, а внешние слои пропитывали германием, что позволяло изменять свойства стекла.

Как работает волокно: все подробности простым языком

Производство световолокна

Заготовка (которая в будущем превратится в проволоку) спекается из двух подготовленных трубок, вставляемых одна в одну. Есть еще вариант, когда сердечник пропитан германием.

Однако лучше заполнять трубы газом изнутри. Так что достаточно дождаться, пока германий осядет на самом стекле минимальным слоем. После этого остается нагреть трубу и растянуть ее на один метр. К тому же внутренняя полость закроется сама собой.

Готовый стержень будет иметь сердцевину и покрытие с разными оптическими свойствами.

Как работает волокно: все подробности простым языком

именно он подходит для будущего оптоволоконного кабеля. Хотя кусок диаметром в несколько десятков сантиметров не слишком на него похож, кварцевое стекло прекрасно растягивается.

Поэтому готовую заготовку поднимают на башню высотой 10 метров, укрепляют и равномерно нагревают, чтобы ее консистенция начинала напоминать нугу. С определенного момента тонкая нить начнет вытягиваться из пустого пространства под своим весом. Опустившись, он затвердевает и становится достаточно гибким. Это удивительно, но ультратонкие очки складываются хорошо.

Подготовленное оптическое волокно, постоянно опускаясь вниз, опускается в емкость, заполненную жидким пластиком. Это позволяет нанести защиту на поверхность кварца, после чего наматывается проволока. Процесс продолжается до тех пор, пока пустое пространство не превратится в единый поток длиной 100-200 километров.

Из такой нити уже сплетены кабели, которые могут содержать от двух до двухсот стекловолокон. Кроме того, кабель снабжен армирующими вставками, экранирующими слоями и защитной оболочкой.

Как работает волокно: все подробности простым языком

Передача информации со скоростью света

Чтобы начать производство оптического волокна, необходимо построить специализированные заводы, специально обучить персонал, не забывая при этом об огромных инвестициях. В любом случае инвестиции окупаются.

Скорость света — это максимальный предел, позволяющий обмениваться информацией. Медные провода не могут достичь этого предела.

Единственный конкурент Fiber — это прямой оптический канал.

В постсоветских странах интернет в основном из дома осуществляется по двухжильному кабелю, у которого толщина жил составляет от одного до двух миллиметров. Максимальная скорость передачи данных составляет 100 Мбит / с, этого достаточно для нескольких компьютеров, однако, если у вас есть Smart TV, NAS-сервер и другие интеллектуальные устройства, даже восьмижильного кабеля будет недостаточно. В то же время оптическое волокно толщиной 9 микрон имеет в 30 раз большую пропускную способность, а сам оптоволоконный кабель работает на нескольких жилах.

Читайте также:  Настройка Wi-Fi на Raspberry Pi: все версии, консоль и GUI, видео

Еще одним преимуществом использования оптоволоконного кабеля является его меньший вес по сравнению с медными проводами и размер. Это полезно при прокладке соединительных линий.

Как работает волокно: все подробности простым языком

Благодаря оптическим кабелям можно было соединить целые континенты. Например, в России первая линия была проложена в Москве. Первый подводный кабель соединил Санкт-Петербург и Аберлунд (Дания).

Позже оптическое волокно стало использоваться для связи между предприятиями, банками и государственными учреждениями. Что касается Интернета для населения, то в городах применяется практика, когда провайдеры подключают многоквартирные дома такими линиями, и уже Интернет доходит до квартир с помощью традиционной витой пары. Однако некоторые пользователи уже начали переходить на оптику, хотя этот вариант доступен далеко не всем.

Предлагаю посмотреть познавательный документальный фильм о оптоволокне:

Сложность технологии и ограничения

Волокно не только дорогое, но и сложное в производстве. Его обслуживание составляет львиную долю затрат. Сделать это стандартной изолентой здесь невозможно. При прокладке кабелей кварц необходимо сращивать по специальной технологии, а линии нужно дополнять дополнительным оборудованием.

Как работает волокно: все подробности простым языком

Из-за разных показателей преломления света теоретически возможно получить волокно в оболочке и сердцевине. Однако свет, проходящий через кварц, будет постепенно исчезать, поскольку примеси в стекле делают свою работу. При этом полностью избавиться от этого недостатка практически невозможно. А нескольких молекул H2O на целый километр провода достаточно для ошибки в сигнале и уменьшения максимальной дальности его передачи.

Аналогичная проблема по-прежнему существовала у электриков при производстве медных и других проводов. Впоследствии был введен новый термин «расстояние регенерации»: максимальное расстояние, на которое сигнал передается без проблем.

Волоконно-оптическая сердцевина способна удерживать свет на расстоянии от двух до трехсот километров. Однако рано или поздно потребуется дальнейшее усиление и восстановление сигнала.

Читайте также:  Как посмотреть трафик интернета на компьютере: 3 способа

Для стандартных линий связи достаточно установить недорогие усилители. Оптоволокно требует установки сложного оборудования, для работы которого необходимо использовать редкоземельные металлы и запускать инфракрасные лазеры.

Затем в линию связи необходимо заделать участок специального стекловолокна, пропитанного эрбием. Его атомы из-за накачки света будут в возбужденном состоянии. Для поддержания этого состояния нужен специальный лазер. Когда сигнал проходит через эту область, его сила почти удваивается, поскольку эрбий излучает световые волны, подобные сигналу. Следовательно, зашифрованная информация также сохраняется. Кроме того, свет может пройти еще 100 километров, где необходимо повторить усиление снова.

Для обслуживания этой системы требуется постоянный обслуживающий и контролирующий персонал. Поэтому экономический эффект прокладки оптики для абонентов практически в каждой стране мира остается под большим вопросом. Однако оптическое волокно для передачи данных — универсальный вариант.

именно на этой технологии основан современный Интернет, который позволяет транслировать видео высокой четкости, проводить видеопотоки, поддерживать серверы онлайн-игр практически без задержек, обеспечивать мгновенную связь между любыми городами мира, а также предоставлять мобильные данные коробка передач. В конце концов, станции мобильных операторов также соединены между собой стекловолокном.

Хотя специалисты работают над созданием новых средств связи, более мощные технологии не появятся в ближайшем будущем. Да, некоторые решения позволяют увеличить мощность вдвое, и между континентами прокладываются более толстые кварцевые жилы.

очень вероятно, что обойти фундаментальный предел, связанный с максимальной скоростью света через кварц, не удастся. Можно отказаться от кварца и передавать сигнал с помощью лазеров. Однако сделать это можно только по прямой линии. Поэтому передатчики придется устанавливать только в космосе или хотя бы над орбитой Земли.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: