В настоящее время, когда вы читаете этот текст, терабайты информации проходят через стеклянные волоконные провода по всей планете, проложенные в различных направлениях. Этот процесс кажется почти волшебством, но на самом деле это одна из самых важных технологий, созданных человечеством.
Изобретение оптоволоконной технологии стало возможным благодаря исследованиям ученых XIX века, которые теоретически предположили возможность управления светом. Реализация этой идеи произошла после более глубокого изучения оптических свойств различных материалов. Оптоволокно, его принцип работы, особенности и производство кабеля – все эти темы мы рассмотрим в нашей статье.
Передача света
Через медную спираль проходит огромное количество электронов. Ток идет по проводу, передавая закодированную последовательность импульсов – данные. Сам код состоит из нулей и единиц (двоичной системы). Оптоволокно также отправляет сигналы по аналогичному принципу, хотя с физической точки зрения здесь сложнее.
Лучше просто понимать, что так же как и электроны, световые волны могут передавать данные. Например, когда связь по радио теряется на аэродроме, используется запасной вариант – сигналы отправляются с помощью прожекторов. Однако, такой метод можно использовать только при прямой видимости, в то время как оптоволокно передает свет на тысячи километров и не всегда по прямой линии.
Изначально ученые экспериментировали с передачей света на большие расстояния с использованием зеркал. Металлические трубы покрывались зеркальным покрытием, чтобы направить световой луч. Однако стоимость таких световодов оказалась слишком высокой, а свет с течением времени терял свои свойства и гас.
Позже было найдено решение — свет можно запереть, используя две среды с разными оптическими свойствами для его передачи. Даже небольшое различие в свойствах уже будет достаточным.
Световоды по новой технологии
Желаете узнать, что же такое оптоволокно? Тогда смотрите это увлекательное видео:
Ясно, что для передачи света не так важен выбор материалов, как для физических опытов. Например, можно использовать воду и пластиковую трубку. Однако для передачи сигналов на большие расстояния нужны материалы с идеальными оптическими свойствами и минимальным количеством примесей.
Идеальным материалом оказался диоксид кремния, также известный как кварцевое стекло. Для достижения различных коэффициентов преломления света в нем используют хитрость: центр оставляют чистым, а внешние слои насыщают германием, что позволяет изменить его свойства.
Производство световолокна
Готовый провод, изготовленный из стеклянной заготовки, обладает определенными оптическими свойствами благодаря наличию сердцевины и оболочки. Для его изготовления сначала подготавливаются две трубки, которые затем вставляются одна в другую. Также возможен вариант насыщения сердцевины германием.
Однако наиболее эффективным способом является наполнение трубок газом, после чего ожидается оседание германия на внутренней стороне стекла. После этого трубку разогревают и растягивают на метр, в результате чего полость внутри закрывается самостоятельно.
Таким образом, изготовленный стержень из стекла с различными оптическими свойствами подходит для создания оптоволоконного провода. Несмотря на то, что исходная заготовка имеет довольно большой диаметр, стекло из кварца прекрасно поддается растяжке.
Поэтому, чтобы получить оптоволоконный кабель, готовую болванку устанавливают на высотной башне, после чего ее укрепляют и начинают равномерно подогревать, чтобы придать ей свойства нуги. Тогда под ее весом начнет тянуться тонкая нить, которая затем станет гибкой и застынет. Хотя это может показаться удивительным, сверхтонкие стекла легко сгибаются.
Затем приготовленный оптоволоконный кабель опускают внутрь заполненной жидким пластиком емкости. Это позволяет нанести защитное покрытие на поверхность кварца, после чего нить сматывают. Процесс повторяется до тех пор, пока болванка не превратится в одну нить длиной от 100 до 200 километров.
Из таких нитей уже плетут кабели, включающие от двух до двухсот стекловолокон. Затем кабель укрепляют вставками, экранирующими слоями и оболочкой для защиты.
Передача информации со скоростью света
Для запуска производства оптоволокна требуется строительство специализированных заводов, обучение специалистов и огромные вложения. Однако вложения оправдываются полученной от этого выгодой.
Скорость света — это максимальная скорость передачи информации. Медные провода не способны достичь такой скорости.
Линию прямого оптического соединения можно назвать единственным конкурентом оптоволокна.
В странах бывшего Советского Союза основной способ подключения к домашнему интернету — использование медного двужильного кабеля, диаметр жил которого составляет от одного до двух миллиметров. Максимальная скорость передачи данных достигает 100 Мбит/сек. Этого вполне достаточно для нескольких компьютеров, но при наличии Smart TV, NAS сервера и других смарт-устройств, одного кабеля будет явно недостаточно. В свою очередь, оптоволокно с диаметром 9 микрон обладает в 30 раз большей пропускной способностью, и работает на нескольких жилах.
Дополнительное преимущество оптоволоконного кабеля заключается в его небольшом весе и габаритах по сравнению с медными проводами. Это делает его более удобным для прокладки магистральных линий.
Использование оптических кабелей открыло возможность соединять целые континенты. Например, в России первая линия была проложена в столице — Москве. Первым подводным кабелем были соединены Санкт-Петербург и Аберслунд (Дания).
Впоследствии оптоволокно стали применять для связи между предприятиями, банками и государственными учреждениями. Что касается интернета для населения, в городах провайдеры подключают многоквартирные дома при помощи таких линий, а в квартиры интернет поступает по обычной витой паре. Некоторые пользователи уже начали переходить на оптические линии, но такая возможность доступна далеко не всем.
Предлагаю вам посмотреть увлекательный документальный фильм о технологии оптоволокна:
Сложность технологии и ограничения
Производство оптоволокна — сложный и дорогостоящий процесс, требующий больших затрат на обслуживание. Нельзя просто использовать обычную изоленту для монтажа кабелей, так как необходимо специальное оборудование для сращивания кварца и дополнительное оборудование для комплектации линий.
Из-за различных коэффициентов преломления света в оболочке и сердцевине можно теоретически создать световод. Но свет, проходящий через кварц, будет постепенно ослабевать из-за примесей в стекле, что практически невозможно устранить. Даже несколько молекул H2O на километр провода могут вызвать сигнальные ошибки и уменьшить максимальное расстояние передачи.
Подобная проблема возникала у электриков при изготовлении медных и других проводов, в результате чего было введено понятие «дистанция регенерации» — максимальное расстояние, на которое без проблем передается сигнал.
Одна оптоволоконная жила способна сохранять свет на несколько сотен километров, однако со временем потребуется усиление и восстановление сигнала.
Для стандартных линий связи, все, что нужно сделать — установить простые усилители. Однако, если речь идет об оптоволокне, то тут уже требуется установка сложного оборудования, которое работает на редких металлах и использует инфракрасные лазеры.
В случае с оптоволокном, необходимо вставить специальный кусок стекловолокна, содержащий эрбий. Атомы этого элемента, подвергнутые воздействию света, оказываются в возбужденном состоянии. Для поддержания этого состояния требуется применение специального лазера. Когда сигнал проходит через этот участок, его мощность увеличивается, так как эрбий испускает световые волны, аналогичные самому сигналу. Таким образом, зашифрованная информация остается неизменной. Далее свет может пройти еще 100 километров, где процесс усиления повторяется.
Для поддержания работоспособности этой системы требуется обслуживающий персонал и постоянный надзор. Поэтому эффективность прокладки оптических кабелей для абонентов практически во всех странах мира вызывает серьезные сомнения. Однако оптоволокно для передачи данных является универсальным решением.
Эта технология лежит в основе современного интернета, позволяющего передавать видео в высоком качестве, осуществлять видеостриминг, обеспечивать работу серверов онлайн-игр практически без задержек, обеспечивать моментальную связь между городами мира и обеспечивать мобильную передачу данных. Ведь даже базовые станции мобильных операторов соединены между собой оптоволоконными кабелями.
Несмотря на усилия специалистов в разработке новых средств коммуникации, более мощная технология пока не скоро станет общедоступной. Некоторые решения могут увеличить скорость передачи данных примерно вдвое, а также прокладываются все более толстые оптоволоконные кабели между континентами.
Преодолеть принципиальное ограничение, связанное с максимальной скоростью света через оптоволокно, скорее всего, не удастся. Можно попытаться отказаться от оптоволокна и использовать для передачи сигнала лазеры. Однако это возможно только при прямой видимости. Поэтому передатчики придется размещать либо в космосе, либо на орбите Земли.
