Почти все об оптическом волокне: от увлекательных начинаний, безумных скоростей до экспериментов, которые можно проводить дома

1. Что общего между голландскими подводными лодками и светом из бутылки со сверхбыстрым интернетом, который...
2. От передачи света до отправки изображений
3. Как волокно стало новой коммуникационной средой для человечества
4. Небо это предел?

Что общего между голландскими подводными лодками и светом из бутылки со сверхбыстрым интернетом, который вы уже можете подключить к своему дому? Оказывается, много, потому что они сочетают нить с густыми человеческими волосами. Смотрите сами.

Во многих польских городах вы можете подключить свой дом или квартиру к оптоволоконному интернету со скоростью до 600 Мбит / с. Это означает, что содержимое диска Blu-Ray объемом 25 ГБ теоретически можно загрузить всего за 5,5 минут.

Оптическое волокно представляет собой чрезвычайно тонкое стекловолокно, изготовленное из диоксида кремния, которое окружено непрозрачным слоем, так называемым жакет. Его внешний диаметр обычно составляет около 125 мкм и - это немного больше чем человеческие волосы. В таком кабеле вместо движущихся электрических зарядов информация передается светом (особенно инфракрасным).

Это оптическое волокно, многомодовое волокно, то есть такое, в котором вы можете передавать несколько каналов данных одновременно. (Изображение: Hhedeshian , CC-BY-3.0 )

Я не знаю, понимаете ли вы, но первый «стеклянный кабель» был создан в Польше 38 лет назад. Это было достигнуто Лабораторией волоконно-оптических технологий в Университете Марии Кюри-Склодовской в ​​Люблине. как первый среди стран социалистического блока и пятого в Европе он построил 2,5-километровую волоконно-оптическую линию, соединяющую две телефонные станции. Однако только с октября 2015 года благодаря Orange Polska волоконная оптика стала доходить до польских домов.

Немного истории с экспериментом в ванной на заднем плане

Чтобы понять, как работает оптическое волокно, мы должны вернуться к 1840-м годам. Затем физики Даниэль Коллодон и Жак Бабине обнаружили явление полного внутреннего отражения . Если вы не помните или не знаете, что это такое, я предлагаю потянуть за транспортир из прозрачного пластика, линейку или ... стакан воды, окрашенный каплей молока и лазерной указкой (с фонариком будет сложнее ...). Если вы освещаете линейку или стекло под прямым углом, вы должны увидеть что-то вроде:

Полное внутреннее отражение в блоке из плексигласа (фото: Sai2020 )

Наш эксперимент с водой и каплей молока.

Как видите, явление преломления света происходит на границе двух центров с разными показателями преломления. В наших экспериментах это вода-воздух и пластик-воздух. Если свет падает на границу от среды с более высоким показателем преломления под углом, превышающим граничный угол, он полностью отражается. Это то, что говорит нам определение, и эксперимент с кусочком плексигласа показывает, что луч света «проходит» сквозь прозрачный материал, пока, наконец, не «уходит». Выглядит так же в волокно ,

Таким образом, мы подошли ко второму, важному для понимания принципу волоконной оптики, физике (и альпинисту) Джона Тиндалла. В 1854 году ученый продемонстрировал, что свет также может двигаться в искривленной среде, которая представляет собой поток воды.

Для этого Тиндалл использовал источник света, резервуар для воды и изогнутую трубку. Все, что вам нужно, - это поллитровая прозрачная белая бутылка с водой и фонарик. Сделайте хорошее, неотвержденное отверстие в основании бутылки, вылейте это в полную воду и поверните это или в отверстие или в сторону. Когда вода начнет вытекать, положите под ручку ручку или тарелку - вы должны увидеть свет, который попал туда через явление полного отражения.

Свет выходит вместе с потоком через отверстие в склеенной бутылке.

Все эти открытия задолго до изобретения оптического волокна были использованы американцем Уильямом Уилером. В 1880 году подал заявку на патент для устройства он назвал ... легкая труба. Принцип его работы основывался на эксперименте Тиндалла, предполагалось, что только свет должен «проходить», наполненный трубками от лампы до люстр, размещенных в доме (см. Фото в заявке на патент). Идея в этой заявке не была принята, и это потому, что Эдисон распустил лампочку. Однако его «следы» в оптоволоконном издании можно найти в декоративных лампах-волосах или эластичных фиброскопах.

От передачи света до отправки изображений

Посылка света через гнутую стеклянную трубку - это не то же самое, что использование ее для передачи голоса. В девятнадцатом веке никто не думал о цифровых телекоммуникациях, но Грэм Белл, хотя он изобрел телефон (1876), все еще искал новые идеи для удаленных разговоров. В 1880 году он запатентовал оптический вариант телефона - устройство под названием Photophone . Хотя идея Беллы не использовала ни одно из ранее описанных явлений, его «солнечный телефон» был первым в мире, который использовал луч света для голоса и ... кстати, он также создал первый беспроводной телефон. Голос должен был модулировать сфокусированный луч света, как в обычном аналоговом телефоне, он модулировал электрический сигнал, проходящий через медный кабель. Посмотрите на фильм:

Функциональное описание оптического волокна, хотя еще не названо, было независимо запатентовано американцем Кларенсом В. Ханселлом ( 1926 ) и англичанин Джон Логи Бэйрд ( 1928 ). Авторы изобретения описали идею использования пучка прозрачных стеклянных трубок для передачи телевизионных изображений. Практически эта идея использовалась, чтобы заглянуть в недоступные углубления человеческого тела немецкого врача Генриха Ламма. Хотя ему удалось увидеть изображение, переданное этим первичным оптическим волокном, оно было очень низкого качества. Проблема заключалась в том, чтобы избежать слишком большого количества света из «трубок» и в плохом качестве стекла, из которого они изготовлены.

Прорыв произошел только в 1952 году, когда голландское правительство начало искать ... перископы лучшего качества для своих подводных лодок. Голландский физик Авраам Ван Хеель вернулся к идее Ламмы, но столкнулся с проблемой «выхода» света из стеклянных волокон. Ван Хил пытался улучшить качество изображения, передаваемого стеклянными волокнами, покрывая их слоем материала с более низким показателем преломления, чем у стекла. В результате ему удалось отправить изображение через 400 стеклянных волокон на расстояние 50 сантиметров. Результаты его исследований появились в 1954 году в журнале Nature вместе с работами британского исследователя Гарольда Хопкинса, который также занимался аналогичной проблемой, но не получил идеи «покрытия» волокон другим материалом.

Позже дела шли довольно быстро. В 1956 году Лоуренс Кертисс, студент бакалавриата Университета Мичигана, работал вместе с гастрологом Бэзилом Хиршовицем и физиком Уилбуром Петерсом над дизайном эндоскопа, который исследовал бы внутреннюю часть желудка. Зная публикации Nature , он искал подходящее покрытие для стеклянного сердечника, которое бы контролировало свет. Ему удалось сделать это, вставив стеклянную трубку из стекла нового типа, произведенного Corning Glass (того же, которое сегодня делает стеклоустойчивое стекло на экранах смартфонов), в стеклянную сердцевину с более высоким показателем преломления. Как это могло бы выглядеть, посмотрите на видео, показывающее «вытягивание» волоконно-оптической нити:

Это был хит. Свет был виден даже на конце 12-метрового оптического волокна, и в 1957 году команда Хиршовица построила окончательный вариант эндоскопа.

Как волокно стало новой коммуникационной средой для человечества

К сожалению, то, что было превосходно для медицины, было совершенно непригодно для передачи света на большие расстояния, что телекоммуникации ожидают от новой среды.

До 1960 года стекловолокно имело затухание около одного децибела на метр, что означало потери в 1000 дБ на километр (если загадочные записи ничего вам не скажут, я столкнусь с современностью и напишу, что оптические волокна, используемые сегодня в телекоммуникациях, могут иметь потери 0, 2 дБ / км!).

Только экспериментальная работа, проведенная в 1966 году Чарльзом Као и Джорджем А. Хокамом из British Standard Telephones and Cables, доказала, что проблема такого гигантского подавления заключается не только в чистоте стекла, используемого для производства стеклянных волокон. Као обнаружил, что виновата технология производства, и он подробно описал новые правила. Он также объявил, что с помощью кремниевого оптического стекла можно создать оптическое волокно с демпфированием 20 дБ / км, что позволяет одновременно передавать 200 000 телефонных разговоров по одному волокну.

Это был большой прорыв. Настолько велик, что Чарльз Као получил Нобелевскую премию по физике в 2009 году за свое открытие.

В 1970 году Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц, работавшие в Corning Glass, создали оптическое волокно («Волоконно-оптические волокна», патент № 3711262) из ​​чистого кремнезема, легированного оксидом титана, с затуханием на уровне 17 дБ / км , Это означало, что такое оптическое волокно может передавать в 65 000 раз больше информации, чем медный кабель. Два года спустя команда ученых из Корнинга уменьшила ослабление до 4 дБ / км (на длине волны менее 1 мкм), заменив легированный материал на оксид германия. В 1979 году он составлял всего 0,2 дБ / км.

Первые оптоволоконные кабели были расположены в Дорсете, Англия (1975). Интересно, что ни одна телекоммуникационная компания не сделала этого, только полиция, чья старая система связи была повреждена ударом молнии.

С 1977 года в мире начали появляться первые телекоммуникационные установки. Он начинается с Лонг-Бич, Калифорния (6 Мбит / с) и центра Чикаго, где проложены кабели длиной от 1 до 2,4 км, состоящие из 24 волокон, каждое из которых позволило заменить 672 телефонных канала. Это привело к общей пропускной способности 45 Мбит / с.

Это поперечное сечение современного многоядерного волокна. (Изображение: Srleffler , GFDL )

Другим важным событием стало слияние в 1988 году волоконно-оптических кабелей из США и Европы. Трансатлантический кабель TAT-8 позволял одновременно передавать 40000 вызовов (280 Мбит / с). Это было в 1000 раз больше, чем емкость медного кабеля ТАТ-7, установленного десятью годами ранее. Так началась эра оптического волокна, которой не было бы без изобретения полупроводникового лазера, работающего при комнатной температуре на основе кристалла арсенида галлия ... но это тема другой истории.

Кстати, я только напишу, что последний международный волоконно-оптический кабель TAT-14, разработанный в 2001 году, передает данные со скоростью 3,15 Тбит / с и был разработан для передачи 9,38 Тбит / с. Много? Да, но коммерческий AEConnect, организованный в 2016 году, имеет пропускную способность 4 x 10 Тбит / с!

Небо это предел?

Я начал свою историю с того, что в 1979 году в Польше у нас было первое 2,5 км оптическое волокно. Сегодня, если вы посчитаете каждый оптоволоконный кабель, так как он работает только в самой сети Orange Polska, вы можете говорить о более или менее 3 500 000 км «Стеклянный кабель», окружающий нашу страну.

Это означает, что оптоволокно есть везде, и в 54 городах Польши каждый, кто хочет, благодаря технологии Fibre To The Home (FTTH), может иметь сверхбыстрое подключение к Интернету в своем собственном доме (полная карта расположения находится здесь ).

Установлен разъем FTTH, к которому будут подключаться устройства, установленные в нашей квартире. (фото: Orange Polska)

В Польше ссылки, доступные для Kowalski на данный момент, работают на трех скоростях: 100 Мбит / с, 300 Мбит / с и 600 Мбит / с. Но, как утверждает Orange, оптическое волокно, используемое компанией в инфраструктуре FTTH, практически не имеет физических ограничений при передаче данных. Единственными ограничениями являются устройства, установленные на его концах.

Системы GPON (Gigabit Passive Optical Network), установленные в настоящее время компанией Orange Polska, позволяют получать до 1 Гбит / с в сетях FTTH. Во время испытаний в коммерческой сети (т.е. не в лаборатории) эти значения уже были повышены до 10 Гбит / с, и на следующем этапе будут скорости порядка 40 Гбит / с. В планах установить целевую пропускную способность в 100 Гбит / с, хотя она также не исчерпывает потенциал установленной в настоящее время оптоволоконной линии.

Orange, как первая компания в мире, Передача 1,5 Тбит / с в одном волокне оптического волокна, с возможностями этой технологии на уровне 24 Тбит / с! Самое главное: испытания проводились не в лабораторных условиях, а на использованном звене общей протяженностью 870 км.

Подготовка волоконно-оптических кабелей к сварке в муфту в канализационную систему (фото: Orange Polska)

Конечно, я писал здесь о базовой сети, но используемое там оптоволоконное волокно очень похоже на то, которое может достигать нашего дома. Как видите, это уже быстро и может быть даже быстрее. Исследователи из Технического университета Дании в 2014 году смогли достичь 43 Тб / с в одном стекловолокне в лабораторных условиях. В свою очередь, исследователи из английского университета Саутгемптона стекло в оптическом волокне заменено ... воздухом , Это позволило увеличить скорость движения лазерного луча в этой новой среде до значения 99,7% от скорости света, что примерно на 31% быстрее, чем у стеклянного оптического волокна. Это дало самую высокую скорость передачи данных, которая составила 73,7 Тбит / с.

Как ни парадоксально, на таких скоростях единственные компьютеры, которые не могут получать такие объемы данных, становятся барьерами - их процессоры, сетевые карты и жесткие диски не позволяют этого. Эта гонка, однако, не нацелена на скачивание одного фильма в мгновение ока. Например, вся битва заключается в том, что весь комплекс одновременно может смотреть различные фильмы в разрешении 8K или плавно исследовать требовательные, не менее крупные виртуальные миры многопользовательских игр.

Одно можно сказать наверняка: оптическое волокно, которое вы можете подключить к вашему дому сегодня, не будет быстро стареть. Вскоре вам потребуется заменить маршрутизатор Wi-Fi или компьютер.

Открытие фото: Groman123 , CC BY-SA 2.0

Текст является элементом сотрудничества с Orange Polska. Партнер не имел никакого влияния на содержание или мнения, которые мы выражаем.

Почти все об оптическом волокне: от увлекательных начинаний, безумных скоростей до экспериментов, которые можно проводить дома

5 (100%) 8 голосов

Что вы искали?

Похожие

Комментарии