Узнайте, как работают оптоволоконные кабели

Но сначала позвольте мне показать вам, как работают оптоволоконные кабели.

 

У меня есть ведро, которое я модифицировал, сделав спереди окно, а с другой стороны я заткнул вот это отверстие пробкой. У меня есть бутылка пропиленгликоля с небольшим количеством сливок. Подставка для кольца и, конечно же, лазерная указка. Теперь следите за этой пробкой, когда я выключаю свет.

 

Замечательно. Свет следует за потоком жидкости вплоть до ведра. Удивительно. Это происходит благодаря полному внутреннему отражению. Когда свет попадает в поток, он отражается, как только достигает границы раздела между этим местом и жидкостью.

 

Здесь вы видите первое отражение, затем второе и третье. Это происходит из-за разницы в показателях преломления материала волновода (в данном случае пропиленгликоля) и наружного воздуха. Напомним, что всякий раз, когда свет падает на поверхность, он может либо поглощаться материалом, либо отражаться от него, либо проходить сквозь него. Последнее мы называем «преломлением».

 

Это легче увидеть сверху. Отражение и преломление могут происходить одновременно. Но если луч света падает на поверхность под углом, превышающим критический, он полностью отразится, а не преломится.

 

В этой системе из пропиленгликоля и воздуха, если луч падает на поверхность под углом более 44,35 градуса относительно нормали, он будет распространяться по потоку за счёт полного внутреннего отражения. Чтобы создать тот же эффект в оптическом волокне, инженеры создают сердцевину из стекла, обычно из чистого диоксида кремния, и внешний слой, называемый «оболочкой», который также обычно изготавливается из диоксида кремния, но с добавлением частиц бора или германия для уменьшения показателя преломления.

 

Разница в один процент достаточна для того, чтобы оптоволоконные кабели заработали. Чтобы изготовить такой длинный и тонкий кусок стекла, инженеры нагревают большую стеклянную заготовку. В её центре находится чистое стекло, а снаружи — оболочка. Затем они вытягивают волокно, наматывая расплав на барабан со скоростью до 1600 метров в секунду. Обычно эти вытяжные башни имеют высоту в несколько этажей. Такая высота позволяет волокну остыть перед намоткой на барабан.

 

Одним из величайших инженерных достижений стал первый оптоволоконный кабель, проложенный через океан, под названием TAT-8. Он протянулся от Такертона, штат Нью-Джерси, по дну океана на расстояние более 3500 миль до Уайдмута, Англия, и Пенмарша, Франция.

 

Инженеры тщательно спроектировали кабель, чтобы он выдерживал даже океанское дно. В его центре находится сердечник. Диаметром менее одной десятой дюйма (0,15 см) он состоит из шести оптических волокон, обвитых вокруг центрального стального провода. Они поместили его в эластомер для амортизации волокон, окружили стальными жилами и затем запечатали в медном цилиндре для защиты от воды. Диаметр готового кабеля составлял менее дюйма (0,25 см), но он мог выдержать около 40 000 одновременных телефонных звонков.

 

Суть передачи информации по оптоволоконному кабелю очень проста. Я мог бы заранее договориться с кем-то на другом конце. Возможно, мы будем использовать азбуку Морзе, а я просто заблокирую лазер, чтобы человек на другом конце увидел вспышки, передающие сообщение.

 

Для передачи аналогового сигнала, например, голоса во время телефонного разговора, по кабелю инженеры используют импульсно-кодовую модуляцию. Мы берём аналоговый сигнал, разбиваем его на фрагменты и затем максимально точно аппроксимируем громкость или амплитуду волны.

 

Мы хотим сделать это цифровым сигналом, то есть дискретными значениями громкости, а не просто произвольными. Например, я буду использовать четыре бита, что означает 16 возможных значений громкости. Таким образом, первые четыре фрагмента сигнала можно аппроксимировать примерно 10, 12, 14 и 15.

 

Затем мы берём каждый участок и преобразуем его амплитуду в последовательность единиц и нулей. Первый столбец со значением 10 при кодировании превращается в единицу, ноль, один, ноль. Это можно сделать для каждого участка кривой.

 

Теперь, вместо того чтобы смотреть на зелёную волну или даже на синие полосы, мы можем представить себе сигнал как последовательность единиц и нулей, организованную по времени. Именно эту последовательность мы передаём по оптоволоконному кабелю, где вспышка — единица, а ноль — ничего. Конечно, точный метод кодирования известен принимающей стороне. Поэтому расшифровать сообщение — задача тривиальная.

 

Теперь вы, возможно, задаетесь вопросом, как лазерный импульс может преодолеть почти 6400 километров через океан. Без посторонней помощи это невозможно, поскольку свет выходит за пределы волокон. Взгляните ещё раз на наш поток пропилена.

 

Вот как свет ослабевает по мере своего распространения. Здесь вы видите узкий луч в ведре, который немного расширяется при входе в поток, а затем после первого отражения луч выходит ещё шире, чем входил. Это связано с тем, что поверхность раздела с воздухом неровная, и лучи, составляющие луч, падают под немного разными углами.

 

При втором отражении этот луч расходится ещё сильнее. К моменту третьего отражения многие лучи уже не находятся под критическим углом и могут выйти с боков потока. Здесь это происходит за несколько дюймов, но в оптоволоконных кабелях, таких как TAT-8, сигнал проходит целых 50 километров, прежде чем его потребуется усилить. Просто невероятно!