В то время, когда вы читаете этот текст, терабайты информации циркулируют по планете через стеклянные нити, натянутые в любом случае. Это больше похоже на магию, но на самом деле это одна из важнейших технологий, придуманных человечеством.
Оно появилось благодаря натуралистам XIX века, которые в теории предполагали возможность управления светом. Сама идея ожила после дальнейшего изучения оптических свойств различных материалов. Что такое оптоволокно, как оно работает, характеристики и производство кабелей – все это темы нашей статьи.
Передача света
Через медную витую пару проходит большое количество электронов. Ток проходит по проводнику, передавая закодированную последовательность импульсов: данные. Сам код состоит из нулей и единиц (двоичный). Оптическое волокно посылает сигналы аналогичным образом, хотя с физической точки зрения это сложнее.
Лучше пропустить теорию и понять, что, как и электроны, световые волны также могут передавать данные. Например, при пропадании радиосвязи на аэродромах используется резерв — сигналы подаются через прожекторы. Однако этот метод можно использовать только в условиях прямой видимости, а оптоволокно пропускает свет на тысячи километров и не всегда по прямой.
Изначально ученые пытались передавать свет на большие расстояния с помощью зеркал. Итак, металлические трубки внутри были покрыты слоем зеркала и на них был направлен луч света. Но цена таких световодов оказывалась слишком высокой, и рано или поздно свет терял свои свойства и угасал.
Позже было найдено решение: блокировать свет можно, если для его передачи использовать две среды с разными оптическими свойствами. В этом случае будет достаточно даже небольшой разницы.
Световоды по новой технологии
Что такое клетчатка, вы узнаете, посмотрев следующее видео:
Уже понятно, что выбор материалов не так важен для простой передачи света. Для физических опытов в школе достаточно иметь под рукой воду и пластиковую трубку. Однако для передачи сигналов на тысячи километров требуются чистейшие материалы с почти идеальными оптическими свойствами и минимальным количеством примесей.
Диоксид кремния (кварцевое стекло) оказался наиболее подходящим материалом. Используется хитрость, чтобы получить в нем разные показатели преломления света. Так, его центр оставили чистым, а внешние слои пропитали германием, что позволяет изменять свойства стекла.
Производство световолокна
Заготовка (которая в дальнейшем станет проволокой) спекается из двух подготовленных трубочек, вставляемых одна в одну. Есть еще вариант, когда сердечник пропитан германием.
Однако лучше заполнить трубы изнутри газом. Тогда достаточно дождаться, пока германий сам осядет на стекле с минимальным напылением. После этого остается нагреть трубку и растянуть ее до метра. Также внутренняя полость закроется сама собой.
Готовый стержень будет иметь сердцевину и оболочку с разными оптическими свойствами.
Именно он подходит для будущего оптоволоконного кабеля. Хотя заготовка диаметром в несколько десятков сантиметров выглядит не очень похоже, кварцевое стекло отлично растягивается.
Таким образом, готовую белилу поднимают в башню высотой 10 метров, укрепляют и равномерно нагревают так, что ее консистенция начинает напоминать нугу. С определенного момента из заготовки под вашим весом начнет тянуться тонкая нить. Опустившись вниз, он затвердеет и станет достаточно гибким. Это удивительно, однако ультратонкие очки хорошо складываются.
Подготовленное оптическое волокно, постоянно опускаясь, опускается в емкость, наполненную жидким пластиком. Это позволяет нанести защиту на поверхность кварца, после чего наматывается нить. Процесс продолжается до тех пор, пока пустое пространство не превратится в единую нить длиной от 100 до 200 километров.
Уже из этой нити плетут кабели, которые могут содержать от двухсот до двухсот стеклянных волокон. Кроме того, кабель снабжен вставками для упрочнения, экранирующими слоями и защитным рукавом.
Передача информации со скоростью света
Чтобы запустить производство оптического волокна, необходимо построить специализированные заводы, особенно обучить персонал, не забывая о крупных инвестициях. В любом случае, инвестиции того стоят.
Скорость света — это максимальный предел, при котором возможен обмен информацией. Медные кабели не могут достичь этого предела.
Единственным конкурентом волоконной оптики можно назвать прямую оптическую линейную связь.
В постсоветских странах интернет дома осуществляется в основном через двухжильный кабель, где толщина жил от одного до двух миллиметров. Максимальная скорость передачи данных составляет 100 Мбит/с, этого достаточно для нескольких компьютеров, однако, если у вас есть Smart TV, NAS-сервер и другие умные устройства, даже восьмижильного кабеля будет недостаточно. В то же время оптическое волокно толщиной 9 мкм имеет в 30 раз большую пропускную способность, а сам оптический кабель работает на нескольких жилах.
Еще одним преимуществом использования оптоволоконного кабеля является его меньший вес и габариты по сравнению с медными кабелями. Это удобно при прокладке магистральных линий.
Благодаря оптическим кабелям можно было соединить даже целые континенты. Например, в России первая линия была проложена в Москве. Подводный кабель первым соединил Санкт-Петербург и Аберслунд (Дания).
После этого оптоволокно стали использовать для связи между предприятиями, банками и государственными учреждениями. Что касается интернета для населения, то в городах применяется практика, когда провайдеры подключают многоквартирные дома такими линиями, и уже интернет доходит до квартир по традиционной витой паре. Однако некоторые пользователи уже начали переходить на оптику, хотя этот вариант доступен не всем.
Предлагаю посмотреть познавательный документальный фильм о оптоволокне:
Сложность технологии и ограничения
Оптическое волокно не только дорого и сложно производить. Львиную долю затрат составляет его содержание. Здесь невозможно обойтись стандартной изолентой. При монтаже кабелей кварц необходимо сращивать по специальной технологии, а линии комплектовать дополнительным оборудованием.
Благодаря разным показателям преломления света теоретически возможно получить световод в оболочке и сердцевине. Однако свет, проходящий через кварц, постепенно угасает, поскольку примеси в стекле делают свое дело. В то же время полностью устранить этот недостаток практически невозможно. Да и нескольких молекул H2O на километр кабеля достаточно, чтобы вызвать ошибки в сигнале и сократить максимальное расстояние передачи.
Подобная проблема еще возникала у электриков при изготовлении медных и других кабелей. Позже был введен новый термин «расстояние регенерации»: максимальное расстояние, на которое сигнал передается без проблем.
Волоконно-оптическая сердцевина способна удерживать свет до двухсот-трехсот километров. Однако рано или поздно потребуется дополнительное усиление и восстановление сигнала.
Для стандартных линий связи достаточно установить недорогие усилители. Волоконная оптика требует установки сложного оборудования, что требует использования редкоземельных металлов и запуска инфракрасных лазеров.
Поэтому в линию связи необходимо встроить отрезок специального стекловолокна, насыщенного эрбием. Его атомы из-за накачки света будут находиться в возбужденном состоянии. Для поддержания этого состояния необходим специальный лазер. При прохождении сигнала через эту область его мощность почти удваивается, так как эрбий излучает свет, подобный сигналу, волнами. Следовательно, зашифрованная информация также сохраняется. Кроме того, свет может пройти еще 100 километров, где необходимо снова повторить усиление.
Обслуживание этой системы требует обслуживающего персонала и постоянного контроля. Поэтому экономический эффект от размещения оптики для абонентов почти во всех странах мира пока под большим вопросом. Однако оптоволокно для передачи данных является универсальным вариантом.
Именно на этой технологии основан современный Интернет, который позволяет передавать видео высокой четкости, осуществлять потоковое видео, обслуживать серверы онлайн-игр практически без задержек, обеспечивать мгновенную связь между любым городом мира, а также обеспечивать мобильную связь передача данных. Ведь станции мобильных операторов тоже соединены между собой стекловолокном.
Хотя специалисты работают над созданием новых средств связи, самая мощная техника появится в быту еще нескоро. Да, некоторые решения позволяют увеличить добычу примерно в два раза, и между континентами прокладываются более мощные кварцевые жилы.
Обойти фундаментальный предел, связанный с максимальной скоростью света через кварц, скорее всего, не удастся. Можно отказаться от кварца и обеспечить передачу лазерного сигнала. Однако сделать это можно только по прямой. Поэтому передатчики придется устанавливать только в космосе или хотя бы над земной орбитой.
