Tip:
Highlight text to annotate it
X
Optické vlákna
Ako fungujú a ako ich technici používajú na posielanie signálov
Tretia séria videí engineerguy
Tento objekt ma fascinuje: Je to optické vlákno pre reproduktor.
Ak zasvietim týmto laserovým ukazovateľom do káblu, bude viesť svetlo von z druhého konca.
Tieto káble sú dnes používané na spájanie nášho sveta
a sú schopné posielať informácie naprieč krajinami a oceánmi,
no najprv mi dovoľte ukázať vám, ako to funguje.
Mám upravené vedro s oknom na prednej strane.
A na druhej strane som do tejto diery dal zátku.
Mám fľašu propylénglykolu s malým množstvom smotany.
Stojan s kruhom.
A, samozrejme, laserový ukazovateľ.
Pozerajte sa teraz na túto zátku, keď vypnem svetlá.
To je úžasné.
Svetlo sleduje tečenie kvapaliny až do vedra.
Úžasné.
Deje sa to z dôvodu úplného vnútorného odrazu.
Keď svetlo vstupuje do prúdu, je odrazené hneď,
ako narazí na rozhranie medzi vzduchom a kvapalinou.
Tu môžete vidieť prvý odraz a potom druhý a tretí.
Toto sa deje, pretože existuje rozdiel medzi indexom lomu vodiaceho materiálu,
tu propylénglykolu,
a vonakjšieho,
v tomto prípade vzduchu.
Spomeňte si, že kedykoľvek svetlo zasiahne povrch, môže byť buď
pohltené materiálom,
odrazené od neho
alebo ním môže prejsť
(to posledné voláme lom).
Je to jednoduchšie vidieť pri pohľade zhora.
Odraz a lom môžu nastávať naraz,
no ak svetlo dopadá na povrch pod väčším uhlom, ako je medzný uhol,
bude úplne odrazené a nebude sa lámať.
Pre túto sústavu propylénglykolu a vzduchu, kým
lúč dopadá na povrch pod uhlom väčším ako 44.35 stupňa,
merané od kolmice, bude sa šíriť
po prúde prostredníctvom úplného vnútorného odrazu.
Na vytvorenie tohto efektu v optických vláknach technici vyrábajú jadro zo skla, zvyčajne čistého oxidu kremičitého,
a vonkajšiu vrstvu nazývanú \"opláštenie\",
ktorú zvyčajne tiež vyrábajú z oxidu kremičitého,
no s prímesami bóru alebo germánia, aby znížili jej index lomu.
Rozdiel jedného percenta je dostatočný na to, aby optické vlákno fungovalo.
Aby vyrobili taký dlhý, tenký kus skla, technici zohrievajú veľkú sklenú tvárnicu.
Jej stred je jadro z čistého skla a vonkajšok je opláštenie.
Potom ťahajú vlákno natáčaním taveniny na koleso
rýchlosťami až do 1600 metrov za minútu.
Zvyčajne sú tieto natáčacie veže vysoké niekoľko poschodí.
Výška tak dovoľuje vláknu ochladiť sa, kým je natočené na bubon.
Jedným z najväčších technických úspechov bol
prvý kábel z optického vlákna, ktorý preklenul oceán.
Bol nazvaný TAT-8 a tiahol sa z Tuckertonu v New Jersey,
nasledujúc oceánske dno viac ako 3500 míľ, kým vyšiel
vo Widemouth v Anglicku a v Penmarch vo Francúzsku.
Inžinieri navrhli kábel opatrne, aby prežil na oceánskom dne.
V jeho strede leží jadro.
Bolo tenšie ako desatina palca a obsahovalo šesť optických vláken
natočených okoloch stredového oceľového drôtu.
Toto vložili do elastoméra, ktorý vlákna odpružil,
obklopili oceľovými vláknami a potom zapečatili
do medeného valca pre ochranu od vody.
Konečný kábel mal v priemere menej ako palec,
no zvládol približne 40000 simultánnych telefonických hovorov.
Základ toho, ako sa posielajú informácie prostredníctvom kábla z optických vláken, je veľmi jednoduchý.
Mohol by som mať s niekým na druhom konci vopred dohodnutý kód,
použijeme napríklad Morzeovu abecedu,
a ja budem jednoducho blokovať laser, takže osoba na druhom konci vidí
bliknutia, ktoré posielajú správu.
Na prenos ***ógového signálu, ako je hlas telefonického hovoru, po kábli inžinieri používajú pulznú moduláciu kódu.
Zoberieme ***ógový signál a rozdelíme ho na časti
a potom aproximujeme hlasitosť alebo amplitúdu vlny najlepšie, ako dokážeme.
Cheme z toho urobiť digitálny signál,
čo znamená presné hodnoty hlasitosti a nie jednoducho hocijaké hodnoty.
Použijem napríklad štyri bity,
čo znamená, že mám šestnásť možných hodnôt hlasitosti.
Takže prvé štyri časti signálu môžu byť aproximované
približne 10, 12, 14 a 15.
Potom vezmeme každú časť a premeníme jej amplitúdu na sériu jednotiek a núl.
Prvý stĺpec s hodnotou desať sa kódovaním zmení na 1010.
Toto môžeme urobiť s každou časťou krivky.
Teraz, namiesto pozerania sa na zelenú vlnu
alebo modré stĺpce,
môžeme premýšľať o signále ako o sérii
jednotiek a núl zoradených v čase.
A túto sekvenciu posielame prostredníctvom káblov z optických vláken.
Bliknutie pre jednotku a nič pre nulu.
Samozrejme, druhému koncu je známa presná metóda kódovania,
takže rozlúštiť správu je triviálna vec.
Možno premýšľate, ako môžu laserové pulzy precestovať takmer 4000 míľ
naprieč oceán.
Nedokážu to bez istej pomoci, pretože svetlo bude zo strán vláken unikať.
Pozrime sa znova na náš prúd propylénu.
Takto sa svetlo po ceste zoslabuje.
Tu vidíte tenký paprsok vo vedre,
ktorý sa trochu rozširuje, keď vstupuje do prúdu.
A potom po prvom odraze paprsok odchádza ešte širší, ako vstupoval.
To sa deje preto, že rozhranie so vzduchom je nerovnaké
a lúče, ktoré tvoria paprsok, vstupujú pod mierne odlišnými uhlami.
Keď sa tento paprsok odrazí druhýkrát, tieto osobitné lúče sa rozchádzajú ešte viac,
až kým pri treťom odraze mnohé z lúčov už nie sú
pod medzným uhlom a môžu opustiť prúd cez jeho strany.
Tu sa to deje po niekoľkých palcoch,
no v kábli, ako je TAT-8, signál prejde pôsobivých
50 kilometrov, kým potrebuje byť zosilnený.
Úplne úžasné.
Som Bill Hammack, inžiniersky chlapík.Translated by/Preklad: Kristián Leško