Принцип действия оптоволокна – Своими Руками

Что такое и как работает оптоволокно

Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь возможны благодаря тонким стеклянным нитям, тянущимся по морскому дну между континентами. Если бы не оптоволокно, вы бы вряд ли читали эти строки.

Принципиальные основы этой технологии описаны еще в середине XIX века. Тогда в роли проводника сигнала пытались использовать воду – безуспешно. Подходящие для реализации смелой идеи материалы были разработаны только через сто с лишним лет.

Проводник для света

В обычном проводе сигнал передается по медной жиле. Информацию переносит поток электронов – электрический ток. Данные передаются зашифрованными в двоичном коде. Если импульс проходит – это обозначает единицу, не проходит – ноль.

В оптоволоконной линии связи принцип кодировки тот же, но информацию переносят фотоны или световые волны, точнее, и то, и другое одновременно. Ученые так долго спорили о природе света, что в конце концов объединили несовместимые теории. Но не нужно понимать квантово-волновой дуализм, чтобы разобраться, как свет используют для передачи информации в телекоммуникационных сетях.

Достаточно понять, как заставить свет течь по проводам на протяжении километров.

Первое, что приходит в голову, – зеркала. Сделайте металлическую трубку и покройте изнутри гладким слоем, например, из серебра.

Свет, попав внутрь с одной стороны, будет отражаться от стенок, пока не достигнет выхода с другой стороны. Неплохая идея, но она не будет работать.

Во-первых, изготовление такой трубки нужной длины – чрезвычайно сложная, а значит и дорогая задача.

Во-вторых, коэффициент отражения серебра – 99%, то есть попавший в трубку свет будет терять энергию и уже через 100 отражений совершенно погаснет.

Гораздо лучше обойтись и без зеркал. Как это сделать, подскажут основы геометрической оптики, заложенные в XIX веке.

Основную идею легко продемонстрировать на примере аквариума. Луч света от источника под водой проходит через границу воды и воздуха – двух сред с разными оптическими свойствами – и частично меняет направление движения, а частично отражается от границы двух сред как от зеркала.

Если угол падения луча уменьшать, в определенный момент свет перестанет выходить из воды вовсе и будет отражаться полностью, на 100%. Граница двух сред работает лучше всякого зеркала.

Как выяснилось, чтобы создать такую границу, вода не нужна. Подойдут любые два материала, по-разному пропускающие свет – имеющие разные коэффициенты преломления. Даже разницы в 1% достаточно для создания световода.

Стеклянные провода

В светильниках и игрушках световоды делают из пластмасс, но, чтобы получить пригодное для связи оптоволокно, необходимы более дорогие и более прозрачные материалы.

Ученые приспособили для этой цели кварцевое стекло. Сердцевину заготовки для оптоволокна чаще всего делают из чистого диоксида кремния. Внешний слой также создают из кварца, но с примесью бора или германия для снижения коэффициента преломления.

Раньше, чтобы получить такую заготовку, просто вставляли две стеклянные трубки друг в друга, но сегодня чаще поступают иначе. Полые трубки из чистого кварца наполняют смесью газов с высоким содержанием германия и медленно нагревают до тех пор, пока германий не осядет равномерным слоем на внутреннюю поверхность.

После того как на кварцевом стекле нарастет достаточно толстый слой оксида германия, трубу нагревают до размягчения и вытягивают до тех пор, пока полость внутри не схлопывается.

Так получается стержень диаметром от 1 до 10 сантиметров и длиной приблизительно 1 метр, уже содержащий в сердцевине кварц с добавкой германия, имеющий повышенный показатель преломления и оболочку из чистого кварца вокруг.

Такую заготовку доставляют на вершину башни высотой до нескольких десятков метров. Там нижнюю часть заготовки вновь нагревают до полутора тысяч градусов — почти что до точки плавления, и вытягивают из нее тончайшую нить. По пути вниз стекло остывает и окунается в ванну с полимером, который формирует на поверхности кварца защитный слой. Таким методом из одной заготовки получается до 100 км стекловолокна. У основания башни остывшее волокно наматывается на бобину.

Да, именно наматывается: как ни странно, кварцевое волокно легко гнется.

Получившиеся волокна собираются в пучки по несколько штук и запаиваются в полиэтилен. Затем из этих пучков сплетаются кабели.

В каждом кабеле может быть от двух-трех и до нескольких сотен световодов. Снаружи они для прочности оплетаются полимерной нитью и получают еще одну защитную оболочку из полиэтилена.

Преимущества и недостатки оптоволокна

Все эти сложности оправданы потому, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной.

Благодаря этому свойству света оптоволокно обладает непревзойденной информационной емкостью. Витая пара, подобная телефонной линии, или коаксиальный кабель, проводник с экраном, пропускают 100 мегабит в секунду.

Самый распространенный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из 4 скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду. Оптоволокно по одной жиле — в три раза больше, до 3000 мегабит в секунду, а при помощи различных экспериментальных ухищрений можно преодолеть и этот порог.

К тому же оптоволокно значительно легче меди. При толщине 9 микрон – тоньше человеческого волоса – нить из кварца длиной 100 км весит около 15 г.

Практически все современные магистральные линии передачи данных проложены из оптоволоконных кабелей. Они связывают континенты, страны и дата-центры.

В крупных городах «оптика» используется и при подключении многоквартирных домов к мировой сети, но волокно прокладывается между провайдером и домом, а по квартирам разводится обычная витая пара.

При такой схеме подключения максимальная скорость доступа к сети для абонента по-прежнему не превышает 100 Мбит/с. Для сравнения, проведя оптический кабель прямо в квартиру, можно получить канал в 1 Гбит/с, и все же потребитель редко сталкивается с оптоволоконным Интернетом.

Дело не только в том, что оптоволокно дорого в производстве. Проложить кабель – это лишь начало. Сигналы, идущие по линии связи, с расстоянием накапливают ошибки и в конце концов вовсе затухают. У витой пары это происходит через 1 км, у коаксиального кабеля примерно через 5 км. После сигнал приходится восстанавливать и усиливать – регенерировать.

У оптоволокна дистанция регенерации в разы больше, но, каким бы чистым ни было кварцевое стекло, в нем остаются примеси, например, миллионные доли процентов воды.

Длина волокна может составлять сотни тысяч километров, но через 100–200 км затухание оптического сигнала все же себя проявляет.

Поэтому на линиях оптоволоконной связи устанавливаются промежуточные усилители, которые восстанавливают амплитуду оптического сигнала, и регенераторы, удаляющие помехи. Такое оборудование значительно более дорогое, чем усилители на традиционных линиях связи, и требует квалифицированного обслуживания.

Но главное, на данный момент гигабитные каналы связи мало востребованы обычными людьми. Возможно, с появлением умных домов, носимых компьютеров, распространением стриминга видео в сверхвысоком разрешении потребность в них возрастет, но пока скорости, предоставляемой витой парой, среднему потребителю вполне достаточно.

Даже не соприкасаясь с этой технологией напрямую, каждый из нас пользуется ее преимуществами. Стабильность подключения, малая задержка прохождения сигнала до самых удаленных серверов и высокая скорость получения ответа от них, возможность снять деньги в любом банкомате и совершить звонок в любую страну мира – все это заслуга оптоволокна, и конкурентов у него нет и в проекте.

Как работает оптоволокно: все подробности простым языком

В момент чтения этого текста терабайты информации проходят по всей планете через стеклянные нити, протянутые всевозможными способами. Это больше напоминает волшебство, но на самом деле это одна из важнейших технологий, изобретенных человечеством.

Она появилась благодаря естествоиспытателям XIX века, которые в теории предположили возможность управления светом. Сама идея была воплощена в жизнь после более детального изучения оптических свойств разных материалов. Что такое оптоволокно, как работает, особенности и производство кабеля – все это темы нашей статьи.

Передача света

Через медную витую пару проходит огромное количество электронов. Ток переходит по проводнику, передавая закодированную последовательность импульсов – данные. Сам код состоит из нулей и единиц (двоичный). Оптоволокно отправляет сигналы по аналогичному принципу, хотя в плане физики здесь сложнее.

Лучше обойтись без теории и просто понимать, что аналогично электронам, световые волны также умеют передавать данные. К примеру, когда на аэродромах отказывает связь по радио, используется запасной вариант – сигналы отправляются по прожекторам. Однако, такой способ можно использовать лишь в прямой видимости, а оптоволокно передает свет на тысячи километров и не всегда по прямой.

Изначально ученые пытались передавать свет на долгие расстояния с помощью зеркал. Так, металлические трубы внутри покрывались зеркальным слоем и в них направлялся световой луч. Но цена таких световодов оказалась слишком высокой, а свет рано или поздно терял свои свойства и угасал.

Позже решение было найдено – свет можно запереть, если использовать для его передачи две среды с разными оптическими свойствами. При этом будет достаточно даже небольшого различия.

Световоды по новой технологии

Что такое оптоволокно, вы узнаете, посмотрев следующее видео:

Уже понятно, что для простой передачи света не столь важен выбор материалов. Для физических опытов в школе достаточно иметь под рукой воду и трубку из пластмассы. Тем не менее, для трансляции сигналов на тысячи километров необходимы максимально чистые материалы с практически идеальными оптическими свойствами и с минимальными примесями.

Наиболее подходящим материалом оказался диоксид кремния (кварцевое стекло). Для получения в нем разных коэффициентов преломления света используется хитрость. Так, его центр оставили чистым, а внешние слои насытили германием, позволяющим изменить свойства стекла.

Производство световолокна

Болванка (которая в будущем превратится в провод) спекается из двух подготовленных трубок, вставляемых одна в одну. Существует и другой вариант, когда сердцевина насыщается германием.

Однако, лучше наполнить трубки изнутри газом. Затем достаточно подождать, чтобы германий сам осел на стекло с минимальным слоем. После этого останется разогреть трубку и растянуть на метр. Вдобавок, полость внутри закроется самостоятельно.

У готового стержня будет сердцевина и оболочка с различными оптическими свойствами.

Именно он подходит для будущего оптоволоконного провода. Хотя заготовка с диаметром несколько десятков сантиметров не слишком его напоминает, зато стекло из кварца отлично можно растянуть.

Поэтому готовую болванку поднимают на башню с высотой 10 метров, укрепляют ее и начинают равномерно подогревать, чтобы ее консистенция начала напоминать нугу. Начиная с определенного момента, из болванки под ее весом начнет тянуться тонкая нить. Опускаясь вниз, она застынет и станет достаточно гибкой. Это вызывает удивление, однако, сверхтонкие стекла хорошо сгибаются.

Приготовленное оптоволокно, постоянно опускающееся вниз, спускают в наполненную жидким пластиком емкость. Это позволяет нанести защиту на кварцевую поверхность, затем нить сматывают. Процесс идет до того момента, пока болванка не превратится в одну нить, длиной 100-200 километров.

Уже с такой нити плетутся кабели, которые могут содержать от двух до двухсот стекловолокон. Далее кабель оснащают вставками для упрочнения, экранирующими слоями и оболочкой для защиты.

Передача информации со скоростью света

Для запуска в производство оптоволокна необходимо строить специализированные заводы, специально обучать персонал, не забывая при этом об огромных вложениях. В любом случае, вложения стоят полученной выгоды.

Скорость света – это максимальный предел, позволяющий обмениваться информацией. Медные провода такого предела достигнуть не могут.

Единственным конкурентом оптоволокна можно назвать линию прямого оптического соединения.

В постсоветских странах в основном домашний интернет проводят посредством двужильного кабеля, где толщина жил составляет от одного до двух миллиметров. Максимальная скорость передачи данных составляет 100 Мбит/сек. Ее вполне хватит для нескольких компьютеров, однако, при наличии Smart TV, NAS сервера и других смарт-устройств, будет недостаточно кабеля даже с восемью жилами. При этом у оптоволокна с толщиной 9 микрон пропускная способность в 30 раз выше, а сам оптоволоконный кабель работает на нескольких жилах.

Еще одно преимущество применения оптоволоконного кабеля – его меньший вес, по сравнению с медными проводами, и габариты. Это удобно при прокладывании магистральных линий.

Благодаря оптическим кабелям, появилась возможность соединить даже целые континенты. Например, в России первая линия была проложена в Москве. Подводным кабелем первым соединили Санкт-Петербург и Аберслунд (Дания).

После этого оптоволокно стали использовать для связи между предприятиями, банками и госучреждениями. Что касается интернета для населения, в городах применяется практика, когда такими линиями провайдеры подключают многоквартирные дома, а уже в квартиры интернет поступает при помощи традиционной витой пары. Тем не менее, некоторые пользователи уже начали переходить на оптику, хотя такая возможность доступна не всем.

Предлагаю к просмотру познавательный документальный фильм про оптоволокно:

Сложность технологии и ограничения

Оптоволокно не только дорого и сложно производить. Львиную долю затрат занимает его обслуживание. Здесь невозможно обойтись стандартной изолентой. Во время монтажа кабелей кварц нужно сращивать с применением специальной технологии, а линии необходимо доукомплектовывать дополнительным оборудованием.

Благодаря разным коэффициентам преломления света, в оболочке и сердцевине теоретически можно получить световод. Однако, пущенный через кварц свет будет постепенно затухать, поскольку свое дело делают примеси в стекле. При этом устранить этот недостаток полностью почти невозможно. Да и нескольких молекул H20 на целый километр провода хватит для появления ошибок в сигнале и понижения максимального расстояния его передачи.

Аналогичная проблема еще появлялась у электриков во время изготовления медных и других проводов. Позже был введен новый термин «дистанция регенерации» – максимальное расстояние, по которому без проблем передается сигнал.

Одна оптоволоконная жила в состоянии держать свет до двух-трех сотен километров. Однако, рано или поздно потребуется дополнительно усиливать и восстанавливать сигнал.

Для стандартных линий связи достаточно установить недорогие усилители. Для оптоволокна необходим монтаж сложного оборудования, для работы которого необходимо использовать редкоземельные металлы и запускать инфракрасные лазеры.

Так, в линию связи нужно врезать участок специального стекловолокна, насыщенного эрбием. Его атомы, благодаря накачиванию светом, будут находиться в возбужденном состоянии. Для поддержания такого состояния и нужен специальный лазер. Когда сигнал проходит через эту область, его мощность увеличивается почти вдвое, так как эрбий излучает свет, аналогичной сигналу, волны. Следовательно, зашифрованная информация сохраняется также. Далее свет может пройти еще 100 километров, где нужно еще раз повторить усиление.

Для поддержания этой системы нужен обслуживающий персонал и беспрерывный присмотр. Поэтому экономический эффект от прокладки оптики для абонентов почти во всех странах мира остается под большим вопросом. Тем не менее, оптоволокно для передачи данных – универсальный вариант.

Именно на данной технологии основан интернет современного уровня, позволяющий передавать видео в высоком разрешении, вести видеостриминг, поддерживать серверы онлайн-игр практически без задержек, предоставлять моментальную связь между любыми городами мира, а также обеспечивать мобильную передачу данных. Ведь станции мобильных операторов соединены между собой тоже стекловолокнами.

Хотя специалисты работают над созданием новых средств коммуникации, более мощная технология появится в обиходе еще нескоро. Да, некоторые решения позволяют увеличить пропускную способность примерно в два раза, а между континентами прокладываются все более толстые жилы из кварца.

Обойти принципиальный предел, связанный с максимальной скоростью света, через кварц, скорее всего, не получится. Можно отказаться от кварца и обеспечить передачу сигнала лазерами. Однако, это можно делать только по прямой линии. Поэтому передатчики потребуется устанавливать только в космосе или хотя бы над орбитой земли.

Как работает оптоволокно

Запертый свет

По медной витой паре (как в вашем интернет-кабеле) во множестве движутся электроны. Ток предается по проводнику и несет с собой закодированную в последовательности импульсов — информацию. Нули и единицы — двоичный код, о котором слышали, пожалуй, все. Оптический проводник сигнала работает по тому же принципу, но с точки зрения физики, с ним все гораздо сложнее. Тут могла бы быть получасовая лекция о квантовой механике, и о том, как множество именитых физиков пришли в тупик, пытаясь понять природу света, но постараемся обойтись без пространных рассуждений.

Достаточно держать в уме то, что подобно электронам, фотоны или световые волны (на самом деле в нашем контексте это одно и то же), могут переносить закодированную информацию. Так, например, на аэродромах, в случаях отказа радиосвязи, передают сигналы самолетам при помощи направленных прожекторов. Но то примитивный метод, да и работает он лишь на расстоянии прямой видимости. В то же время, по оптоволокну свет передается на километры и далеко не по прямой траектории.

Чтобы добиться такого эффекта, можно было бы использовать зеркала. Собственно, с этого инженеры-испытатели и начали свои эксперименты. Они покрывали металлические трубы изнутри зеркальным слоем и направляли внутрь луч света. Но мало того, что подобные световоды стоили непомерно дорого. Свет многократно отражался от их стенок и постепенно затухал, терял силу и совершенно сходил на нет.

Зеркала не годились. Иначе и быть не могло. Даже самое дорогое зеркало не идеально. Его коэффициент отражения меньше 100% и после каждого падения на зеркальную поверхность световой луч теряет часть энергии, а в замкнутом объеме световода таких преломлений происходит неисчислимое множество.

Тут-то и пришло время вспомнить о пруде и тех давних исследованиях, что основывались на наблюдении за поведением света в воде. Представьте, как луч закатного солнца падает на поверхность воды, преодолевает границу и направляется вниз, к дну пруда.

Те из читателей, кто помнит школьный курс физики, наверняка уже догадываются, что свет изменит направление своего движения. Часть света пройдет под воду, чуть изменив угол своего движения, а другая незначительная часть света отразится обратно в небо, потому, как «угол падения равен углу отражения». Если долгое время наблюдать за этим явлением, однажды, можно заметить, что свет, отраженный от зеркала под водой, под определенным углом так и не сумеет вырваться наружу — отразится от границы воды и воздуха полностью, лучше, чем от всякого зеркала. Дело не в воде как таковой, а в сочетании двух сред с различными оптическими свойствами — неодинаковыми коэффициентами преломления. Для создания световой ловушки достаточно минимального их различия.

Гибкие световоды

Связь со скоростью света

Домашний интернет на постсоветском пространстве, зачастую, проводят по двужильной витой паре с проводниками толщиной в один — два миллиметра. Максимумом для нее, оказывается показатель в 100 мегабит в секунду. Этого достаточно для пары компьютеров, но, когда в квартире оказываются умный телевизор, NAS, раздающий торренты, домашний сервер, несколько смартфонов и умных девайсов из мира интернета вещей, не хватит и восьмижильного провода. Ограничения канала связи становятся очевидны. Как правило, в виде артефактов и заикающихся киногероев на экране телевизора, или лагов в онлайн-играх. Оптоволокно толщиной 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, не говоря уже о том, что таких жил в проводе может быть несколько.

При этом оно компактнее и весит значительно меньше обычных проводов, что оказывается решающим преимуществом, при прокладке магистральных линий связи и планировании городских коммуникаций.

Оптическое волокно не только дорогое и сложное в производстве. Еще дороже оказывается его квалифицированное обслуживание. Тут не обойтись без синей изоленты. При монтаже волокна кварца необходимо специальным образом сращивать, а линии оптоволоконной связи комплектовать дополнительным оборудованием.

Несмотря на то, что разность коэффициентов преломления в сердцевине и оболочке волокна в теории создает идеальный световод, запущенный по кварцевому проводу свет все равно затухает из-за примесей, содержащихся в стекле. Увы, избавиться от них полностью практически невозможно. Десятка молекул воды на километр оптического волокна уже достаточно, чтобы внести в сигнал ошибки и снизить расстояние, на которое его можно передать.

С подобной проблемой сталкиваются инженеры-электрики и в случае с обычными проводами. Расстояние, на которое можно без проблем отправить сигнал по проводу они называют дистанцией регенерации.

Для стандартного телефонного кабеля она равняется километру, у экранированного кабеля — пяти. Оптоволоконная жила удерживает свет на расстоянии до нескольких сотен километров, но, в конце концов, сигнал все равно приходится усиливать, регенерировать. На классических линиях связи устанавливаются сравнительно дешевые и простые усилители. Для оптоволоконных – требуются сложные и высокотехничные агрегаты в которых используются редкоземельные металлы и инфракрасные лазеры.

В линию связи врезают небольшой участок специально подготовленного стекловолокна. Оно дополнительно насыщенно атомами эрбия, редкоземельного элемента используемого, помимо прочего, в атомной промышленности. Атомы эрбия в этом участке волокна находятся в возбужденном состоянии из-за дополнительной накачки светом. Проще говоря, их подсвечивают специально настроенным лазером. Сигнал, проходящий такую область кабеля, усиливается примерно в два раза, поскольку атомы эрбия в ответ на воздействие излучают свет той же волны, что и входящий сигнал, а значит, сохраняют закодированную в нем информацию. После усилителя оптический сигнал может пройти еще около ста километров, прежде чем процедуру потребуется повторить.

Источники:

http://blog.onlime.ru/2018/01/17/chto_takoye_i_kak_rabotayet_optovolokno/
http://wifigid.ru/poleznoe-i-interesnoe/optovolokno-kak-rabotaet
http://trashbox.ru/link/optic-fiber-how-it-works