Принцип работы оптоволоконного кабеля: Устройство и принцип работы оптического кабеля. | IT блоги — НПФ Техсервис — Техническое оборудование общепромышленного и нефтепромыслового назначения

Содержание

Устройство и принцип работы оптического кабеля. | IT блоги

Появление волоконно-оптических кабелей (ВОК) стало революционным событием, позволившим практически мгновенно передавать гигантские объемы информации на любые расстояния. Технология изготовления оптоволоконных кабелей постоянно совершенствуется, давая возможность достигать все больших скоростей передачи данных без значительного удорожания кабельной продукции.

Как устроен оптический кабель

Основой оптоволоконного кабеля являются оптические волокна (ОВ), по которым передается информационный поток. Количество волокон варьируется от одного до нескольких сотен, в зависимости от назначения кабеля. Оптоволокно изготавливается из различных видов стекла с добавками легирующих материалов, изменяющих коэффициент преломления светового луча.

;

Оптическое волокно разделяется на сердцевину и оболочку с разными показателями преломления. Диаметр сердцевины составляет 9 микрометров (одномодовое ОВ), 50 или 62,5 микрометра (многомодовое ОВ). Диаметр первичной оболочки — 125 микрометров. Поверх оболочки наносится тонкий слой специального лака, улучшающий эксплуатационные характеристики стекловолокна.

Волокна группируются в оптические модули, защищающие стеклянные нити от внешних воздействий. Каждый модуль — это пластиковая трубка с волокнами внутри. ВОК может состоять из одного или нескольких модулей, что зависит от общего количества волокон. Модульная группировка ОВ в сочетании с цветовой маркировкой значительно упрощает их идентификацию на концах оптического кабеля.

По центру волоконно-оптического кабеля часто размещается силовой элемент — стеклопластиковый стержень, демпфирующий нагрузки, возникающие при монтаже и в процессе эксплуатации ВОК. В некоторых типах кабеля оптические модули покрываются гидрофобным гелем для защиты от влаги. Поверх гелевого наполнителя укладывается слой тонкой пленки из полиэтилена.

Следующей буферной прослойкой служит полиэтиленовая оболочка, отделяющая оптические модули от армирующей брони. Броня используется в оптических кабелях, предназначенных для прокладки в подземных коммуникациях и грунте. Броневое покрытие может быть:

металлическим — из стальной проволоки или ленты;
диэлектрическим — из стеклопластиковых прутков или слоя кевларовых нитей.

Бронирование эффективно защищает от грызунов и воздействия опасных механических нагрузок, таких как растяжение и раздавливание.

Первым и наиболее важным рубежом защиты оптоволоконного кабеля является наружная оболочка, изготавливаемая из негорючего полиэтилена повышенной плотности. Надежность внешнего покрытия напрямую влияет на длительность беспроблемной службы ВОК. Поэтому, к качеству его изготовления предъявляются самые жесткие требования.

Как работает оптический кабель

Работа оптического кабеля основана на передаче модулированного светового потока. Преобразование полезного электрического сигнала в свет (и обратное) выполняется в оптическом трансивере, являющемся составной частью оборудования, работающего на оптоволоконных линиях связи. Световой луч, формируемый лазером или полупроводниковым светодиодом, может входить в оптоволокно двумя способами:

под углом 0° — одномодовое волокно, длина волны 1300 или 1500 нм;
под небольшим углом — многомодовое волокно, длина волны 950 нм.

Лучи света, вошедшие в волокно под разными углами, распространяются в нем по разным траекториям (модам) и на разные расстояния. Свет, входящий под нулевым углом, проходит по центру сердцевины ОВ, образуя только одну моду. Распространение луча, вошедшего под углом, отличается многократными отражениями от оболочки волокна с образованием нескольких мод, достигающих конца оптического кабеля за разное время.

;

ВОК с одномодовыми волокнами обеспечивает большую дальность передачи без усиления/регенерации сигнала, благодаря меньшему затуханию. Сравним:

одномодовое волокно — 10 км;
многомодовое волокно — 500 м.

Скорость передачи:

одномодовое волокно — предел еще не определен. Достигнута максимальная скорость 200 Тбит/сек;
многомодовое волокно — до 10 Гбит/сек.

Таким образом, очевидна выгода использования одномодовых волоконно-оптических кабелей на магистральных линиях связи с большими расстояниями между пунктами восстановления полезного сигнала. Многомодовые ВОК можно применять при решении задач по созданию кабельных сетей на ограниченной территории.

Удешевление изготовления оптоволоконной кабельной продукции позволило использовать волоконно-оптические кабели на проектах любого масштаба, начиная от организации небольшой внутриобъектовой сети и «последней мили» до межгородских и международных коммуникационных магистралей. Новым шагом стало распространение технологии оптического мультиплексирования WDM, способной обеспечить работу нескольких десятков дуплексных каналов по одной паре волокон.

Join @AdmNtsRu on Telegram

Смотрите также:

Как это работает. Оптоволокно

В современном мире оптоволоконные кабели – одно из самых популярных средств передачи данных. Еще несколько десятилетий назад путешествие терабайтов информации по таким «стеклянным световодам» казалось бы настоящей магией. Современный человек сталкивается с данной технологией ежедневно. Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь – все это стало возможным благодаря оптоволоконному кабелю.

Оптическое волокно продолжает активно использоваться в самых высокотехнологичных областях. К примеру, недавно специалисты холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех представили инновационное кварцевое оптоволокно, на основе которого можно создавать системы связи нового поколения для промышленности и транспорта. Про новинку «Швабе», а также об устройстве и принципе действия оптоволоконного кабеля – в нашем материале.

Первые «световоды»: история появления оптической связи

Использовать свет для передачи информации научились достаточно давно. Можно вспомнить оптический телеграф, который появился во Франции еще в XVIII веке. Тогда он был способен удивить своей невероятной скоростью – передать информацию на 200 км всего за пятнадцать минут. Кстати, известный русский изобретатель Иван Кулибин доработал данную технологию и буквально через год представил свою «дальнеизвещающую машину».

В 1824 году в России начала свою работу первая линия оптического телеграфа, а немного позже открылась линия связи Петербург-Варшава длиной 1200 км, по тем временам это мировой рекорд по протяженности. Отправку «оптической» телеграммы можно сравнить с современным Интернетом, за исключением скорости – около 20 минут занимала передача 45 условных сигналов из Петербурга в Варшаву.

Оптическая связь в современном понимании возникла в 1950-х годах, когда научились изготавливать тонкие двухслойные волокна из специальных прозрачных материалов. Изобретение лазеров в 1970-х сделало возможным построение волоконно-оптических линий передач. У нас в стране первая оптическая линия связи была запущена в 1977 году в Зеленограде. Кстати, советские технологии в этой области не отставали от лучших мировых аналогов. На первой европейской конференции по волоконно-оптической связи в 1976 году лидерами в отрасли были признаны СССР и Япония.

Проводник для света: принцип работы оптоволокна

Итак, свет можно использовать для передачи информации, и люди поняли это столетия назад. Вначале примитивный способ работал только на расстоянии прямой видимости, а потом оптоволокно позволило передать свет на много тысяч километров, и далеко не по прямой траектории. Но как это возможно? Ключевое слово в объяснении данного явления – преломление. Это и есть основа принципа действия оптоволокна – в нем свет многократно преломляется, оставаясь внутри. По аналогии с электричеством, текущем по металлическому проводу, оптическое волокно иногда называют «светопроводом».

Источником света в кабеле становится лазер. На другом конце кабеля свет ожидает приемное устройство, которое его обратно перекодирует в электрический сигнал.

Происходит это очень быстро – лазер включается и выключается несколько миллиардов раз в секунду, передавая миллиарды бит данных. Для сравнения, самый популярный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из четырех скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду, а оптоволоконный кабель по одной жиле – в три раза больше. Бесспорно, скорость – одно из главных преимуществ оптоволокна. И неудивительно, ведь свет – самое быстрое, что известно во Вселенной.

Само оптическое волокно представляет собой неполую прозрачную трубку, изготовленную из особого материала, обладающего свойствами стекла. Для этой цели ученые стали использовать кварцевое стекло. Несмотря на кажущуюся хрупкость стекла, оптическое волокно обладает особой гибкостью. Его можно даже скрутить в кольцо – на характеристиках кабеля это никак не отразится, и свет без проблем продолжит «бежать» по нему.

Со скоростью света: от метро до космоса

Недавно было представлено новое отечественное кварцевое оптоволокно с улучшенными характеристиками. Новинка – результат кооперации экспертов «Сколкова», холдинга «Швабе» и Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Этот продукт обладает всеми достоинствами традиционного оптоволокна. Помимо малого веса, удобства монтажа и скорости, это еще и невосприимчивость к электромагнитным помехам – световой сигнал невозможно перехватить. У новинки «Швабе» есть и явное преимущество перед существующими аналогами – увеличенный до 100 мкм диаметр сердцевины, вместо типовых 50 мкм и 62,5 мкм, и специальный градиентный профиль показателя преломления. Это повышает надежность сети передачи данных без потери пропускной способности.

Инновационное оптоволокно в первую очередь рассчитано на кабельные системы, работающие в агрессивных условиях окружающей среды. Например, разработка будет применяться в составе бортовых кабельных систем – от поезда метро до самолетов, и даже космических кораблей.

Оптоволоконные кабели, виды и характеристики

Оптоволоконный кабель (он же волоконно-оптический) — это принципиально иной тип кабеля по сравнению с другими типами электрических или медных кабелей. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент — это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае мы имеем дело с режимом так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель

обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал принципиально не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля. Теоретически воз¬можная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что несравнимо выше, чем у любых электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Однако в данном случае необходимо применение специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет около 5 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах.

Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, он просто не имеет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Самый главный из них — высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.

Хотя оптоволоконные кабели и допускают разветвление сигналов (для этого выпускаются специальные разветвители на 2-8 каналов), как правило, их используют для передачи. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети.

Оптоволоконный кабель менее прочен, чем электрический, и менее гибкий (типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10-20 см). Чувствителен он и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Чувствителен он также к резким перепадам температуры, в результате которых стекловолокно может треснуть. В настоящее времы выпускаются оптические кабели из радиационно стойкого стекла (стоят они, естественно, дороже).

Оптоволоконные кабели чувствительны также к механическим воздействиям (удары, ультразвук) — так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения используют мягкие звукопоглощающие оболочки.

Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией «звезда» и «кольцо». Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели всех типов или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.

Существуют два различных типа оптоволоконных кабелей:

Многомодовый, или мультимодовый, кабель, более дешевый, но менее качественный;
Одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие ха¬рактеристики.

Основные различия между этими типами связаны с разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень не¬значительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не слишком долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным благодаря своим прекрасным характеристикам.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки — 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км. В настоящее время многомодовый кабель — основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее. Задержка распространения сигнала в оптоволоконном кабеле не сильно отличается от задержки в электрических кабелях. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4-5 нс/м.

Что такое оптоволоконная технология и как она работает?

Хотя многие из нас слышали термин «волоконная оптика» или «оптоволоконная технология» для описания типа кабеля или технологии, использующей свет, мало кто из нас действительно понимает, что это такое. Здесь мы расскажем об основах оптоволоконной технологии, о том, как с ней работать, а также о ее назначении, особенностях, преимуществах и о том, для чего сегодня используется оптоволокно. Мы рассмотрим ответы на вопросы: Как работает оптоволокно? Как работают оптические волокна? И как работает оптоволокно?

Узнайте больше о кабельных сборках NAI Group для оптоволокна

Что такое технология оптоволокна (волоконная оптика)?

Волоконная оптика или оптические волокна представляют собой длинные тонкие нити тщательно вытянутого стекла диаметром примерно с человеческий волос. Эти жилы собраны в жгуты, называемые оптоволоконными кабелями. Мы полагаемся на них для передачи световых сигналов на большие расстояния.

В передающем источнике световые сигналы кодируются данными… теми же данными, которые вы видите на экране компьютера. Таким образом, волокно передает «данные» с помощью света на приемный конец, где световой сигнал декодируется как данные. Следовательно, оптоволокно фактически является средой передачи — «трубой» для передачи сигналов на большие расстояния на очень высоких скоростях.

Для чего используется оптоволокно?

Волоконно-оптические кабели были первоначально разработаны в 1950-х годах для эндоскопов. Цель состояла в том, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь пациента без серьезной операции. В 1960-х годах инженеры-телефонисты нашли способ использовать одну и ту же технологию для передачи и приема телефонных звонков со «скоростью света». Это около 186 000 миль в секунду в вакууме, но скорость в кабеле снижается примерно до двух третей этой скорости. Итак, для чего используется оптоволокно? В двух словах, для передачи сигналов, связи и зрения (видео).

Как работает оптоволоконный кабель?

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю, неоднократно отражаясь от стенок кабеля. Каждая световая частица (фотон) отскакивает по трубе с продолжающимся внутренним зеркальным отражением.

Луч света проходит по жиле кабеля. Сердцевина — это середина кабеля и стеклянная конструкция. Оболочка представляет собой еще один слой стекла, обернутый вокруг ядра. Оболочка предназначена для удержания световых сигналов внутри ядра.

Типы волоконно-оптических кабелей

Различные типы волоконно-оптических кабелей

Существует много типов волоконно-оптических кабелей, которые часто заканчиваются сборками волоконно-оптических кабелей для выполнения их функций.

Одномодовое и многомодовое волокно

Волоконно-оптические кабели передают световые сигналы в режимах. Мода — это путь, по которому следует световой луч при движении по волокну. Различают одномодовые и многомодовые оптоволоконные кабели.

Однорежимный 9Волокно 0007 имеет самую простую структуру. Он содержит очень тонкое ядро, и все сигналы проходят прямо по середине, не отражаясь от краев. Одномодовые оптоволоконные кабели обычно используются для кабельного телевидения, Интернета и телефонных приложений, где сигналы передаются по одномодовым волокнам, свернутым в пучок.

Многомодовые оптоволоконные кабели используются в качестве коммутационных шнуров или «перемычек» для соединения информационного оборудования.

Многомодовые оптоволоконные кабели — другой тип оптоволоконных кабелей. Он примерно в 10 раз больше, чем одномодовый кабель. Лучи света могут проходить через ядро, следуя различным путям или в нескольких различных режимах. Эти типы кабелей могут передавать данные только на короткие расстояния. Поэтому они используются, среди прочего, для соединения компьютерных сетей.

Существует четыре типа многомодовых волоконно-оптических кабелей, обозначаемых буквой «OM» (оптический многомодовый). Отраслевая ассоциация обозначила их как OM1, OM2, OM3 и OM4. Они описаны в ISO/IEC 11801. Стандарт OM4 был одобрен TIA/EIA 492AAAD. Каждая OM имеет минимальную модальную пропускную способность.

Пленум

Кроме того, оптоволоконные кабели могут быть изготовлены в соответствии с отраслевыми стандартами для установки в вентиляционных камерах. Они используются внутри зданий со специальными материалами и составами для облицовки. Называемые «пленум-кабелями», они соответствуют требованиям по воспламенению и токсичности в случае пожара.

Симплексное и дуплексное оптическое волокно

Симплексное Волоконно-оптические кабели содержат одну нить из стекла. Чаще всего симплексное волокно используется там, где требуется только одна линия передачи и/или приема между устройствами или когда используется мультиплексный сигнал данных (двунаправленная связь по одному волокну).

Дуплексный оптоволоконный кабель состоит из двух жил из стекла или пластика

Волоконно-оптический кабель на барабане в ящике, с предварительно заделанными концами

волокно. Этот кабель, обычно встречающийся в формате «зипкорд», чаще всего используется для дуплексной связи между устройствами, где требуется отдельная передача и прием.

Другие области применения волоконно-оптической технологии

Помимо конструкций камерных кабелей производители волоконно-оптических кабельных сборок создают:

«Сиамские» конструкции (два кабеля рядом, каждый со своей оболочкой)
гибридные кабели (с медными кабелями)
жгуты и составные кабельные конструкции, включающие другие оптоволоконные, медные кабели или иногда силовые кабели

Более короткие соединительные кабели или оптоволоконные перемычки используются для соединения различных элементов электронного оборудования в серверной, телекоммуникационном шкафу или центре обработки данных.

Использование оптического волокна в нашей повседневной жизни

Для чего используются оптические волокна? Возможно, вы видели пластиковые волокна, несущие цветные огни в декоративных целях. Чего вы, возможно, не видели, так это настоящих оптоволоконных кабелей, которые сейчас 9.0005 основа наших коммуникационных и компьютерных сетей. Многие тысячи миль проложенного оптоволоконного кабеля передают множество типов информации под землей, в туннелях, стенах зданий, потолках и других местах, которые вы не видите. Примеры использования оптического волокна в нашей повседневной жизни включают такие приложения, как:

компьютерные сети
вещание
медицинское сканирование
военная техника

В последние годы появились другие области применения оптоволокна. Волоконно-оптические кабели стали основой для сетей MAN, WAN и LAN. Наметилась тенденция к использованию приложений «FTTX» или «Fiber to the XXXX». То есть, например, Fiber to the:

Домашний (FTTH)
Бордюр (FTTC)
Помещение (FTTP)
Корпус (FTTB)
Узел (FTTN)

Первоначально оптоволокно использовалось в основном как магистральные кабельные линии, предназначенные для передачи сигналов в более крупные населенные пункты. Со временем эти кабели расширили свою досягаемость до дома, здания и т. Д., Что привело к тенденции FTTX.

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 16 марта 2022 г.

Римляне, должно быть, особенно довольны собой, когда около 2000 лет назад изобрели свинцовые трубы. Наконец, они у них был простой способ переносить воду из одного места в другое. Представьте, что бы они сделали из современных волоконно-оптических кабелей — «труб», которые может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за одну седьмую долю секунды. второй!

Фото: Световод: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким нитям из пластика или стекла, заставляя их неоднократно отражаться от стен. Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию, волоконная оптика пишется как «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, это всегда стоит поискать оба варианта написания.

Содержание

Что такое оптоволокно?
Как работает оптоволокно
Типы волоконно-оптических кабелей
Попробуйте этот оптоволоконный эксперимент!
Использование для оптоволокна
Кто изобрел оптоволокно?
Узнать больше

Что такое оптоволокно?

Мы привыкли к тому, что информация распространяется по-разному. Когда мы говорим по стационарному телефону, проволочный кабель несет звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель берет его на местную телефонную станцию. Мобильные телефоны работают по-другому образом: они отправляют и получают информацию с помощью невидимых радиоволны — это Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче света по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан для эндоскопов в 1950-х, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости сначала разрежьте его. В 1960-х годах инженеры нашли способ использовать та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света (обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме, но замедляется примерно до двух третей этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптические технологии

Волоконно-оптический кабель состоит из невероятно тонких нитей из стекла или пластика, известного как оптическое волокно; один кабель может иметь всего два нитей или до нескольких сотен. Каждая нить меньше в десять раз толще человеческого волоса и может принять около 25 000 телефонных звонков, таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передавать несколько миллионов вызовов. Текущий рекорд для «одномодового» волокна (это объяснено ниже) составляет 178 терабит (триллионов бит) в секунду — достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom (по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотите отправить информацию с вашего компьютера на дом друга по улице с помощью оптоволокна. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который будет преобразовывать электрическую информацию из компьютера в серию световые импульсы. Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю. Пройдя вниз по кабелю, световые лучи появятся в другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (детектор света). компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет как действительно изящная, высокотехнологичная версия телефона, который вы можете сделать из двух банок из-под печеных бобов и веревки!

Фото: Участок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая нить изготовлена из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Фото Тех. сержант Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено ВВС США.

Принцип работы оптоволокна

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по неоднократно отскакивая от стен. Каждая крошечная фотона (частица света) прыгает по трубе, как бобслей по ледовой дорожке. Теперь ваша очередь можно ожидать луч света, путешествуя по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто вытекать из краев. Но если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он снова отражается, как если бы стекло было на самом деле зеркалом. Этот явление называется полным внутренним отражением. Это одна из вещей, которая удерживает свет внутри трубы.

Фото: Волоконно-оптические кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было сгибать, пропуская световые сигналы внутрь по изогнутым путям. Изображение предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC) и Интернет-архив.

Другая вещь, которая удерживает свет в трубе, это структура кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть кабель — посередине — называется сердечником , и это немного свет проходит сквозь. Обернутый снаружи ядра другой слой стекла под названием облицовка . Задача облицовки – сохранить световые сигналы внутри ядра. Он может сделать это, потому что он сделан из различный тип стекла к ядру. (С технической точки зрения, облицовка имеет более низкий показатель преломления.)

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи, отражающиеся внутри оптоволоконного кабеля.

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых модах . Это звучит технически, но это просто означает разные способы передвижения: мода — это просто путь, по которому световой луч следует по волокну. Один режим идти прямо по середине волокна. Другой — отскакивают от волокна под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Произведения искусства: Вверху: Свет распространяется по-разному в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: Внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкий сердечник окружен оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из прочного материала, такого как кевлар®, с защитной внешней оболочкой снаружи.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовый . У него очень тонкое ядро толщиной около 5-10 микрон (миллионных долей метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят прямо по середине, не отскакивая от краев (желтая линия в схему). Кабельное ТВ, Интернет и телефонные сигналы обычно передаются одномодовым волокна, свернутые вместе в огромный пучок. Такие кабели могут передавать информация на расстоянии более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля называется многомодовый . Каждое оптическое волокно в многомодовый кабель примерно 10 раз больше, чем в одномодовом кабеле. Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя Разновидность разными путями (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в несколько разных режимов. Многомодовые кабели могут передавать информацию только на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для связывать компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте под названием гастроскоп (разновидность эндоскопа), какие врачи протыкают кому-то горло для обнаружения болезней внутри их желудок. Гастроскоп представляет собой толстый оптоволоконный кабель, состоящий из многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа имеется окуляр и фонарь. Лампа освещает одну часть кабеля в желудок пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается стенки желудка в линзу в нижней части кабеля. Затем он возвращается в другую часть кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же. способ и может быть использован для осмотра различных частей тела. Существует также промышленная версия инструмента, называемая фиброскопом, которую можно использовать исследовать такие вещи, как недоступные части машин в самолете двигатели.

Использование для волоконной оптики

Стрелять светом по трубе кажется аккуратным научным трюк на вечеринке, и вы, возможно, не думаете, что найдется много практического применения для что-то такое. Но так же, как электричество может питать многие типы машин, лучи света могут нести много типов информацию, поэтому они могут помочь нам во многих отношениях. Мы просто не замечаем насколько обычным явлением стали оптоволоконные кабели, потому что лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко под офисными полами и улицами города. Технологии, которые используют это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и военная техника (назовем только четыре) — сделать это совершенно незаметно.

Фото: Работа с оптоволоконным кабелем. Фотография Натанаэля Каллона, любезно предоставлена ВВС США.

Компьютерные сети

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

Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация распространяется примерно в 10 раз дальше, прежде чем потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети проще и дешевле в эксплуатации и обслуживании.
Нет 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 сейчас читаете эти слова благодаря Интернет. Вы, вероятно, случайно попали на эту страницу с поисковой системой как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных соединенных оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается развернуть быстрое оптоволоконное соединение для всех нас). Нажав на ссылка поисковой системы, вы загрузили эту веб-страницу с моего веб-сайта сервер, и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный широкополосные оптоволоконные кабели выполняют почти всю работу каждый время, когда вы выходите в Интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только последняя часть пути информации (так называемая «последняя миля» от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома или квартира) предполагает использование устаревших проводов. Это оптоволоконные кабели, не медные провода, по которым теперь «лайки» и «твиты» под наши улицы, через все большее число сельских районов, и даже глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представляете себе Интернет (и Всемирная паутина, которая опирается на него) как глобальная паутина, нити, скрепляющие ее, представляют собой волоконно-оптические кабели; по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают старше 99 процентов от общего пробега в Интернете, и несут более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди смогут получить доступ к Интернету, тем больше они могут — и будут — делать в Интернете. Прибытие из широкополосный Интернет сделал возможным явление облачных вычислений (где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн услуги вместо домашнего или рабочего ПК в собственном помещении). В почти таким же образом, неуклонное развертывание оптоволоконной широкополосной связи (обычно В 5–10 раз быстрее, чем обычная широкополосная связь DSL, которая использует обычные телефонные линии) сделает его гораздо более распространенным для люди делают такие вещи, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, вместо того, чтобы смотреть транслировать телевидение или арендовать DVD. С большей емкостью волокна и быстрее связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты нашу жизнь онлайн с помощью так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные течет по оптоволоконным линиям. Когда-то компьютеры были соединены через на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по медным проводам Кабели Ethernet, но все чаще предпочтение отдается оптоволоконным кабелям. метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны, надежны и имеют гораздо большую мощность. Вместо того, чтобы связать его офисы через общедоступный Интернет, это вполне возможно для компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить) или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные компьютерные сети работают на так называемых темное волокно , которое звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость на другом сети (оптические волокна ждут включения).

Интернет был искусно разработан для пересылки любых вид информации для любого вида использования; это не ограничивается ношением компьютерные данные. Если раньше по телефонным линиям шел Интернет, то теперь вместо этого по оптоволоконному Интернету можно звонить по телефону (и по Skype). Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеялу медные кабели и микроволновая связь между городами, наиболее дальние звонки теперь направляются по оптоволоконным линиям. Огромное количество волокна было проложено с 1980-е годы и далее; оценки сильно различаются, но считается, что общая мировая протяженность составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз). В середине 2000-х было подсчитано, что до 98 процентов этого количества составляло неиспользованное «темное волокно»; сегодня, хотя используется гораздо больше оптоволокна, по-прежнему считается, что большинство сетей содержат где-то от трети до половины темного волокна.

Фото: Волоконно-оптические сети дорого строить (в основном потому, что раскопки улиц обходятся очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы намеренно прокладывают намного больше кабеля, чем им нужно в настоящее время. Фотография Криса Уиллиса предоставлена ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и Телевещание родилось из относительно простой идеи: технически довольно просто стрелять электромагнитными волнами по воздуху от одного передатчика (на радиовещательной станции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, пока радио все еще вещает в эфире, мы с такой же вероятностью получим ТВ по оптоволоконному кабелю.

Компании кабельного телевидения первыми перешли от с 1950-х годов, первоначально использовав коаксиальные кабели (медные кабели с оболочкой из металлического экрана, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь несколько аналоговых телевизионных сигналов. По мере того, как все больше и больше людей подключались к кабелю и сетям, они начали предлагать больший выбор каналов и программ, кабельные операторы обнаружили, что они необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптические волокна и с аналогового вещания в цифровое. К счастью, ученые уже выясняли, как это возможно; еще в 1966, Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) произвели расчеты, доказав, что один оптоволоконный кабель может нести достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен тысяч телефонных звонков). Это был лишь вопрос времени, прежде чем мир кабельного телевидения обратил на это внимание, и «новаторское достижение» Као было должным образом признано. когда он был удостоен Нобелевской премии по физике 2009 года.

Помимо большей емкости, оптические волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок и звук) качество; им нужно меньше усиления для усиления сигналов, поэтому они путешествуют на большие расстояния; а они вообще дороже эффективный. В будущем волоконно-оптическая широкополосная связь вполне может стать большинство из нас смотрит телевизор, возможно, через таких как IPTV (интернет-телевидение), в котором используется Стандартный в Интернете способ передачи данных («коммутация пакетов») обслуживать телепрограммы и фильмы по запросу. Пока медный телефон линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей, в будущем наша основная связь с миром будет широкополосным оптоволоконным кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам внутри наших тел, не разрезая их, были первыми правильными применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня, гастроскопы (как называются эти штуки) так же важны, как и когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы медицинское сканирование и диагностика.

Одна из последних разработок называется лабораторией по оптоволокно и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше, чем относительно массивные световоды, используемые в гастроскопах. Как они Работа? Через них проходит свет от лампы или лазера, через часть тела, которое доктор хочет изучить. Когда свет свистит сквозь волокна, организм больного меняет свои свойства в том или ином способом (очень незначительно изменяя интенсивность или длину волны света, возможно). Измеряя, как меняется свет (используя методы такие как интерферометрия), инструмент, прикрепленный к другому концу Волокно может измерять некоторые важные аспекты того, как тело пациента работает, например, их температура, кровяное давление, рН клеток, или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами, вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы ощущать или измерять его.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя. Эта усовершенствованная управляемая ракета с оптоволоконным управлением (EFOG-M) имеет инфракрасную оптоволоконную камеру, установленную в ее носовой части, так что наводчик, стреляющий из нее, может видеть, куда она движется, когда она движется. Изображение предоставлено Армия США.

Легко представить пользователей Интернета связанными вместе гигантскими паутинами волоконно-оптических кабелей; это гораздо менее очевидно что мировые высокотехнологичные вооруженные силы связаны таким же образом. Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, с большой пропускной способностью, устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные способы подключения военных баз и других объектов, таких как стартовые позиции ракет и радиолокационные станции слежения. Поскольку они не несут электрические сигналы, они не излучают электромагнитные излучение, которое противник может обнаружить, и они устойчивы к электромагнитные помехи (в т.ч. систематические «глушения» противника атаки). Еще одним преимуществом является относительно легкий вес волокна. кабелей по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих медный металл. Танки, военные самолеты и вертолеты есть все потихоньку переходят с металлических кабелей на волоконно-оптические. Частично это вопрос сокращения затрат и уменьшения веса (оптоволоконные кабели весят почти 90 процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей «витая пара»). Но это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты их от ударов молнии оптические волокна полностью невосприимчивы к такой проблеме.

Кто изобрел оптоволокно?

1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон (1802–1893) обнаружил, что может освещать водопроводную трубу. Вода несла свет внутреннее отражение.
1870: ирландский физик Джон Тиндалл. (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе. Он пролил свет на кувшин с водой. Когда он вылил немного воды из кувшина, свет изгибался по пути воды. Эта идея «изгиба свет» именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Колладон истинный дедушка оптоволокна, Тиндаль часто получает признание.
1930-е: Генрих Ламм и Вальтер Герлах , два Немецкие студенты пытались сделать из световодов гастроскоп. прибор для осмотра чьего-либо желудка.
1950-е: В Лондоне, Англия, индийский физик. Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик. Гарольд Хопкинс (1918–1994) удалось отправить простую картинку по световоду, сделанному из тысяч стеклянных волокон. Опубликовав множество научных работ, Капани заработал репутацию «отец оптоволокна».
1957: Три американских ученых в Мичиганском университете, 9 лет.0169 Лоуренс Кертис , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Питерс успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм поняли, что нечистое стекло не годится для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и получил награду. Нобелевская премия по физике 2009 года за это новаторское открытие.
1960-е: Исследователи из Corning Glass Company 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), что побудило разработка первых оптических волокон с малыми потерями.
1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
1988: Между США, Францией и Великобританией проложен первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель ТАТ8.
2022: По данным TeleGeography, в настоящее время существует около 436 волоконно-оптических подводных кабелей. (проведение коммуникаций под мировым океаном), протяженностью в общей сложности 1,3 миллиона км (0,8 миллиона миль). Это больше, чем в 2019 году — 378 кабельтовых, хотя общее пройденное расстояние примерно такое же.

Узнайте больше

На этом сайте

Вам могут понравиться и другие статьи на нашем сайте по смежным темам:

История общения
Интернет
Свет
Телефоны

Книги

Более научные и технические

Волоконно-оптические системы связи Говинд П. Агравал. John Wiley & Sons, 2021. Классический учебник, издаваемый почти три десятилетия.
Нелинейная волоконная оптика Говинд П. Агравал. Academic Press, 2019. Отдельный том посвящен Приложения нелинейной волоконной оптики.
Проектирование и реализация оптической сети, Вивек Алвейн. Cisco Press, 2009. Полное техническое руководство, охватывающее все аспекты оптоволоконных сетей.
Оптическое волокно Чарльза К. Као. П. Перегринус, 1988. Введение в физику и химию волоконной оптики одним из ее основных пионеров.
Волоконно-оптические системы: технология, дизайн и применение Чарльза К. Као. McGraw-Hill, 1982. Очень широкий обзор волоконной оптики. Хотя это несколько устаревшая книга, общий материал первых нескольких глав все же заслуживает внимания.

Для младших читателей

Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ника Дерингтона. Замковый камень, 2019 г.. Графический роман (в стиле комиксов) для детей от 8 до 14 лет.
Свет во вспышке автора Джорджия Амсон-Брэдшоу. Franklin Watts, 2017. Простые задания облегчают чтение для детей в возрасте 7–9 лет.
Путеводитель проекта по свету и Оптика Коллин Кесслер. Митчелл Лейн, 2012 г. Еще одно учебное пособие для детей 9–12 лет.
Научные пути: свет Криса Вудфорда. Rosen, 2012/Blackbirch, 2004. Одна из моих собственных книг, в которой показано, как ученые пытались понять свет с древних времен. до наших дней. Подходит для детей 9 лет–12.

Видео

Волоконно-оптические кабели: Как они работают: инженер Билл Хэммак проводит немного более сложную версию эксперимента выше.
Понимание лазеров и волоконной оптики: профессор Массачусетского технологического института Шауль Иезекииль дает нам гораздо более подробное введение в лазеры и волоконную оптику. Подходит для студентов старших курсов (и, возможно, старшеклассников).

Другие полезные веб-сайты

Оптика для детей: Образовательные мероприятия для детей от Оптического общества Америки.

Технические статьи

Поверхностные волноводы из диэлектрического волокна для оптических частот К. Чарльза Као и Джорджа Хокхэма. Труды IEE, июль 1966 г. Оригинальная статья Чарльза Као о волоконно-оптической связи. [PDF]
Волоконная оптика, Нариндер С. Капани, Scientific American, Vol. 203, № 5 (19 ноября60), стр. 72–81. Пионер волоконной оптики объясняет основы физики.