Оптика волокно: Преимущества и недостатки оптических волокон

Преимущества и недостатки оптических волокон

  1. Главная

Оптическое волокно с каждым днем набирает все большую популярность как среда для передачи информации. Это обусловлено множеством преимуществ по сравнению с медными парами. Рассмотрим основные преимущества и недостатки оптических волокон.

Преимущества оптических волокон:

  1. Помехозащищенность.

Никакие виды электромагнитных  помех не влияют на качество передачи информации в оптическом волокне.  Благодаря этому, оптическое волокно может располагаться вблизи таких мощных источников электромагнитных помех как: радиоантенны, неоновая реклама, оборудование АТС (особенно декадно шаговых), станки на заводах и др. Кроме того, многие ЛЭП уже имеют в своем составе ВОЛС, вмонтированную в грозо трос.

  1. Вследствие того, что оптическое волокно не проводит электрический сигнал, то обеспечивается полная гальваническая развязка между  передатчиком и приемником. Это облегчает схема технику канало образующего оборудования.
  2. Электро магнитная совместимость и информационная безопасность

Оптическое волокно не только не чувствительно к внешним электро магнитным воздействиям, но и само не излучает никаких сигналов в окружающую среду. Последнее существенно усложняет перехват информации, которая передается по оптическому волокну. Для того, чтобы перехватить информацию, необходимо удалить слой за слоем оболочку оптического кабеля до самого оптического волокна. (см рисунок 1). Далее необходимо изогнуть оптическое волокно, после чего часть сигнала будет выходить за пределы волокна. Эта часть излучения и может быть перехвачена. Вместе с тем, этот изгиб (макро изгиб) оптического волокна легко зафиксировать при помощи оптического рефлектометра. В отличии от этого, подняв в неподходящий момент трубку домашнего аналогового (если у кого-то остался) телефона можно случайно «подслушать» соседа, или послушать радио.

Рисунок 1 – оптоволоконный кабель

Такой способ «врезки» в оптическое волокно активно используется связистами для организации служебного канала связи. В качестве устройства для ответвления трафика в этом случае используются ответвители-прищепки.

  1. Оптическое волокно имеет малое погонное затухание. Уровень затухания сигнала зависит от рабочей длины волны, но он имеет намного меньшие значения чем медный кабель. Вследствие этого, возможна организация протяженных высокоскоростных систем передачи. (Например, применение одного оптического усилителя позволяет передавать цифровую информацию со скоростью до 10 Гбит/с на расстояние до 250 км.)
  2. Оптические волокна имеют большую широкополосность и пропускную способность. Благодаря улучшенной очистке оптического волокна, удалось расширить количество окон прозрачности, что привело к появлению систем волнового уплотнения WDM (СWDM, DWDM. DWDM мультиплексирование  позволяет по одному оптическому волокну организовать до 160 независимых каналов передачи, в каждом из которого передавать информацию со скоростью до 40 а то и больше Гбит/с.
  3. Оптические кабели имеют меньшие габариты и вес, а зачастую и стоимость.

Недостатки оптических волокон

Основным недостатком оптических волокон являются повышенные требования к обслуживающему персоналу как на этапе монтажа оптического кабеля, так и в ходе обслуживания. Львиная доля повреждений в ВОЛС как раз и связана с недостатком знаний и навыков по работе с активными и пассивными компонентами ВОЛС. Среди основных проблем, которые допускаются по незнанию или халатности можно выделить грязные коннекторы и макро изгибы.

Рисунок 2 – грязный коннектор

Еще одним недостатком является появление микротрещин и повышение затухания оптического волокна за счет водородной коррозии. Распространенным заблуждением является утверждение, что оптическое волокно не боится попадания воды в оптическую муфту. Посмотрим на рисунок 3.

Рисунок 3 – зависимость погонного затухания в оптическом волокне от длины волны

На рисунке видно три “холма”, которые называются также водяными пиками. Эти повышения потерь обусловлены повышенным содержанием в сердцевине оптического волокна примесей SiOH. Если разобраться в химической формуле, то:

  • Si – кремний, его достаточно в оптическом волокне. (это основной элемент, из которого оно изготовлено)
  • О – кислород
  • Н – водород.

Если теперь обратить внимание на формулу воды Н2О, то видим, что в ней присутствует и кислород и водород. Конечно, сигнал передается только в сердцевине оптического волокна, поэтому требуется время чтобы под воздействием внешних факторов из воды и кремния получится SiOH, а после произошла диффузия этой примеси в сердцевину оптического волокна через его оболочку и буферный слой. В результате – вода негативно влияет на характеристики оптического волокна, однако, в отличие от медного кабеля, такое воздействие имеет отсрочку во времени и необратимо.

Вебинар “Теоретические основы передачи информации по оптическому волокну”

Стенограмма вебинара «Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в оптическом волокне»

0:0:01

В данном вебинаре будут рассмотрены теоретические основы передачи информации по оптическому кабелю. Рассмотрим как происходит распространение сигнала по оптическому волокну и что приводит к основным проблемам: отражениям и потерям. Поговорим также о том, какие эффекты приводят к возникновению потерь и отражений.

0:0:31

Начать хотелось бы с преимуществ оптического волокна, но, конечно же, по сравнению с медными парами.

  1. Никакие виды электромагнитных помех не влияют на качество передачи в оптическом волокне. Это и приводит к тому, что оптическое волокно сейчас очень часто встраивается в грозотрос, который используется в высоковольтных системах передачи электроэнергии. Также оно может быть размещено в любых местах, где есть очень большие импульсные или другие электромагнитные помехи. Например, на заводах, где есть станки с ЧПУ, пусковые эффекты приводят к выбросам электромагнитных помех при переходных процессах. Также неоновая реклама создаёт помехи, телефонная станция, особенно декадно шаговая, создаёт импульсные и другие помехи. Очень много примеров, где есть очень большие электромагнитные помехи. ​​​Оптическое волокно не принимает на себя этих помех, и передача информации абсолютно не зависит от того, есть ли эти помехи вокруг оптического волокна или нет.
  2. Обеспечивается полная гальваническая развязка между передатчиком и приёмником. Может быть, нам как пользователям, это не сильно важно, но разработчикам систем это крайне важно. Потому как сама собой решается задача не пропустить питающее напряжение одного устройства — передатчика в приёмник. Оптическое волокно не является в данном случае проводником электрических сигналов, поэтому эта проблема решается сама собой.

0:02:21

3. Хотелось бы сказать про информационную безопасность. Оптическое волокно не только не принимает на себя никаких помех, но и само не выдаёт в эфир ничего. Поэтому и затрудняется съём информации с оптического волокна. По сути, чтобы подслушать, что идёт в оптическом волокне, необходимо:

  • разделать оптический кабель
    • снять верхнюю оболочку кабеля
    • снять оболочку с модуля или тубу (как его ещё называют)
  • взять конкретное оптическое волокно и изогнуть его

В этом случае на изгибе свет из оптического волокна выходит или может выйти. Его можно перехватить или подслушать, если это разговор. Кстати, на изгибе можно как вывести сигнал из волокна, так и ввести его туда. Но факт в том, что такой изгиб оптического волокна уже является повреждением, так называемым — макроизгибом. Его легко обнаружить даже самыми простыми оптическими рефлектометрами примерно за 2000 долларов. Поэтому очень легко решается вопрос локализации места, где произошла такая ситуация в отличие от медных кабелей. Имеется ввиду, что чтобы снять информацию с медной пары, не надо даже прикасаться к ней. Поэтому очень сложно обнаружить такие устройства. На некоторых конференциях мне приходилось общаться с представителями компании, которая занимается информационной безопасностью, которая защищает информацию от подслушивания, съёма информации, оптических линий, помещения, компьютера и т. д. Для передачи информации они рекомендуют использовать только оптическое волокно.

0:04:19

Оптическое волокно также стало очень популярно из-за маленького затухания. Я рассказывал на прошлом вебинаре, и вы сами наверняка знаете, что потери в оптическом волокне намного меньше чем в медной паре. Соответственно, это ещё раз подталкивает использовать оптическое волокно. Если привести пример, то использование одного оптического усилителя позволяет передать информацию со скоростью до 10 Гбит в секунду на расстоянии до 250 км. Это достаточно много. Поэтому это тоже одно из достоинств.

0:05:05

Габариты и вес также достоинства, хотя сравнение, которое я привёл на слайде, несколько некорректно. Потому что очень сложно сравнивать оптическое волокно и медную пару. Даже без всякого сравнения, без всяких цифр, я думаю, всем понятно, что оптическое волокно намного легче, чем медный кабель.

0:05:26

Пытался я найти хоть какие-то недостатки оптических волокон. Вместе с тем, считаю, что у меня не сильно получилось это.  Если их перечислить, то оптические волокна боятся влияния радиации. Вместе с тем, когда я начал более глубоко изучать этот вопрос, оказалось, что хоть они и боятся радиации, но уровень радиации, которого они боятся, даже более страшен людям. Поэтому если уровень радиации будет таким, что волокна потемнеют, то передавать какую-то информацию уже не будет кому по ним. Поэтому это как недостаток, в общем, и не считается. Кроме того, появление микротрещин за счёт водородной коррозии приводит к увеличению затухания. На этом пункте стоит остановиться более подробно. Очень распространёно заблуждение, что оптическое волокно не боится воды. Я хочу вас предостеречь – заблуждение в том, что оно боится воды. Просто вода не так быстро влияет на качество передачи в оптическом волокне, как это происходит в медном кабеле. В медном кабеле если попала вода, то сразу пошли шумы и сразу качество ухудшилось. В оптическом волокне хочу объяснить ситуацию, которая происходит, и хочу обратить ваше внимание на этот график.

0:06:57

Это график распределения затухания сигнала по различным длинам волн в оптическом волокне. Здесь вы видите вот такие три пики.

0:07:09

Они называются водные пики или пики, обусловленные примесями CiOH. Эти примеси есть в волокне, они всегда есть. На этапе производства их стараются уменьшить. Но тем не менее чем меньше качество волокна, тем больше этих примесей. Что такое CiOH? Ci – это кремний, кремния в волокне предостаточно, потому как оно сделано в основном из кремния.  O – кислород, H – водород. Если вы помните, то формула воды звучит так –   h3O. Там тоже есть кислород и водород. Поэтому если вода попадает в оптическое волокно или окружает оптическое волокно, то, конечно, сразу оно не превратится в h3O или CiOH. Но с течением времени и каких-то факторов, я не могу сейчас сказать, каких именно, может, просто время, может, температура, может, ещё какие-то, но рано или поздно через несколько лет этот эффект происходит и в результате есть такое понятие – волокно мутнеет или темнеет. Что это значит? Это значит, что эти гидроксидные пики начинают расти и расширяться.

0:08:19

Сначала, конечно, на длинах волн 1400 нм, не помню, сколько там: 90 или 80, и 1270 нм, тут точно в частотах не помню. В каких-то местах они начинают расти и постоянно увеличиваться по амплитуде и расширяться в стороны. Таким образом, через какое-то время этот пик доходит и до 1310 нм и до 1550 нм. Но, конечно, проходит время. Может, пройти и пять лет. Но тем не менее нельзя говорить, что вода не влияет на оптическое волокно. Поэтому не зря в муфту кладут пакетик с силикагелем, который впитывает влагу и не зря муфты герметизируют.

Чтобы задать вопрос докладчику вебинара отправьте письмо на адрес: [email protected] ru

Смотрите также:


Подписаться на рассылку статей

Оптическое волокно и оптоволоконный интернет. Что это и как подключить?

Оптоволокно — наиболее быстрая на сегодняшний день технология передачи информации в сети интернет. Структура оптического кабеля отличается определёнными особенностями: такой провод состоит из маленьких очень тонких проводков, ограждённых специальным покрытием, которое отделяет один проводок от другого.

По каждому проводку передаётся свет, который передаёт данные. Оптический кабель способен передавать одновременно данные, кроме интернет-соединения, также телевидения и стационарного телефона.

Потому оптоволоконная сеть позволяет пользователю совмещать все 3 услуги одного провайдера, подключая роутер, ПК, телевизор и телефон к единому кабелю.

Другое название оптоволоконного подключения — фиброоптическая связь. Такая связь даёт возможность передавать данные при помощи лазерных лучей на расстояния, измеряемые сотнями километров.

Оптический кабель состоит из мельчайших волокон, диаметр которых составляет тысячные доли сантиметра. Эти волокна передают оптические лучи, которые переносят данные, проходя через сердечник каждого волокна, состоящий из кремния.

Оптические волокна дают возможность установить соединение не только между городами, но и между странами и континентами. Связь по интернету между разными материками поддерживается через оптоволоконные кабели, проложенные по океанскому дну.

Оптоволоконный интернет

Благодаря оптическому кабелю можно настраивать высокоскоростное интернет-соединение, которое играет огромную роль в сегодняшнем мире. Оптоволоконный провод является самой прогрессивной технологией передачи данных по сети.

Плюсы оптического кабеля:

  • Долговечность, высокая пропускная способность, способствующая быстрой передаче данных.
  • Безопасность передачи данных — оптоволокно даёт возможность программам моментально обнаруживать несанкционированный доступ к данным, поэтому доступ к ним для злоумышленников почти исключён.
  • Высокая защищённость от помех, хорошее подавление шума.
  • Особенности строения оптического кабеля делают скорость передачи данных через него в несколько раз выше, чем скорость передачи данных через коаксиальный кабель. Прежде всего это относится к видеофайлам и аудиофайлам.
  • При подключении оптоволокна можно организовать систему, реализующую некоторые дополнительные опции, например, видеонаблюдение.

Однако самым главным достоинством оптоволоконного кабеля является его способность установить соединение объектов, удалённых друг от друга на огромное расстояние. Это возможно благодаря тому, что у оптического кабеля отсутствуют ограничения по длине каналов.

Подключение интернета с помощью оптоволокна

Самый распространённый в РФ интернет, сеть которого функционирует на основе оптоволокна, предоставляется провайдером Ростелеком. Как подключить оптоволоконный интернет?

Сначала следует просто убедиться в том, что оптический кабель подведён к дому. Затем нужно заказать подключение к интернету у провайдера. Последний должен сообщить данные, обеспечивающие подключение. Потом нужно выполнить настройку оборудования.

Она осуществляется так:

  • После проведения оптоволокна и подключения оборудования, обеспечивающего работу в оптических пассивных сетях, сотрудниками фирмы-провайдера, вся последующая настройка выполняется самостоятельно.
  • Прежде всего устанавливаются жёлтый кабель и розетка так, как изображено на рисунке ниже.
  • Можно иметь собственный Wi-Fi роутер, не обязательно приобретать маршрутизатор от Ростелекома. К Wi-Fi подключают оптоволоконный кабель, оптический терминал и основной шнур, посредством которого происходит подключение роутера к оптической розетке.
  • Нужно выбрать для установки всего оборудования как можно более вентилируемое место. Монтажнику из компании-провайдера следует указать, где именно нужно установить элементы сети.

Терминал оборудован специальным гнездом, позволяющим соединяться с компьютером и соединять роутер с интернетом.

Кроме того, терминал имеет 2 дополнительных гнезда, позволяющих подключить к оптоволоконному соединению аналоговый домашний телефон, а также ещё несколько гнёзд предусмотрены для подключения телевидения.

Что такое оптоволокно, его отличие от витой пары, что лучше?

Представьте: вы переехали в новую квартиру и собираетесь подключить себе Интернет. Дом обслуживают 2 провайдера – «Медный всадник» и «Оптическая иллюзия». Преимущества первого – надежные, проверенные технологии на основе медной витой пары. Девиз второго: «Даешь оптоволокно в каждый дом», а это безграничная скорость, да и вообще модно и круто. Кому вы понесете деньги?

Положиться на опыт десятилетий или довериться инновациям? Если взвесить плюсы и минусы того и другого, то побеждает… Впрочем, давайте обо всем по порядку: что такое оптоволокно, в чем его принципиальные отличия от витой пары и что лучше для подключения домашнего Интернета.

Со скоростью света

Предполагаю, что многим читателям приходилось препарировать обычный сетевой кабель, и они знают, что он состоит из медных жил. Металл, в частности, медь передает информацию с устройства на устройство посредством электрических импульсов. Но электричество – лишь один из возможных переносчиков сигнала в компьютерных сетях, еще им бывают радиоволны и свет.

Для передачи светового импульса медь не годится, ему нужна прозрачная среда – светопроводящее волокно, которое и называют оптическим.

Оптоволокно или световод – это особая нитевидная структура из стеклянных или пластиковых материалов, которая проводит свет на большие расстояния. Скорость передачи по нему, в отличие от меди, практически безгранична!

Пучок таких волокон под одной оболочкой называют волоконно-оптическим кабелем, а сеть из них – волоконно-оптическими линиями связи или ВОЛС.

Оптоволокно: что оно собой представляет

Оптическое волокно состоит из прозрачного сердечника – среды передачи света, и оболочки (демпфера), которая препятствует затуханию импульса и обеспечивает его доставку до конечной точки.

Передающие среды, которые иначе называют ядрами оптических волокон, делают из кварцевого, халькогенидного и других видов стекол, а также из акриловых смол. Эти материалы характеризуются прочностью, гибкостью, высокой светопроницаемостью и низкой чувствительностью к перепадам температур и излучениям. Оболочки также состоят из стекла или пластика.

Толщина световодов, используемых в построении ВОЛС, составляет 125 мкм. При этом диаметр сердечника может быть разным – 7–62,5 мкм в зависимости от вида оптоволокна.

Виды и категории оптических волокон и кабелей. Одномод и многомод

По виду и назначению различают одномодовые и многомодовые оптические волокна (а также состоящие из них кабели).

  • Одномодовые оптоволоконные нити пропускают лишь 1 световой сигнал (одну моду). Диаметр их сердечника составляет 7-10 мкм (в коммуникационных системах – 9 мкм), а чем он уже, тем ниже дисперсия и меньше затухание луча. Пропускная способность одномодового кабеля ниже, чем многомодового, но он способен передавать данные на бОльшие расстояния.
  • Многомодовые волокна одновременно пропускают несколько сигналов. Их сердечники имеют в несколько раз большее сечение – 50-62,5 мкм, что создает условия для повышения уровня дисперсии и более быстрого затухания импульса. Кабели такого типа предназначены для относительно коротких расстояний.

Волоконно-оптические кабели, которые используют для построения компьютерных сетей, делятся на 7 классов:

  • OS1 – одномод с сердечником 9 мкм.
  • OS2 – широкополосный одномод с сердечником 9 мкм.
  • OM1 – многомод с сердечником 62,5 мкм.
  • OM2 – многомод с сердечником 50 мкм.
  • OM2 plus – могомод с сердечником 50 мкм для лазерных источников (улучшенный).
  • OM3 – высокоскоростной многомод с сердечником 50 мкм.
  • OM4 – оптимизированный многомод с сердечником 50 мкм.

Одномодовые кабели предназначены для межконтинентальных, межгосударственных, межгородских и внутригородских магистралей большой протяженности (обычно от 10 км), а также для связи удаленных узлов оборудования телекоммуникационных компаний и центров обработки данных. То есть их применяют там, где важна непрерывность (или минимальное количество соединений) и повышенная надежность линии.

Кабели такого типа стоят дешевле, чем многомодовые, но если учесть затраты на весь необходимый комплект оборудования, то системы на одномодовой передаче обходятся дороже.

Многомодовые кабели используют для подключения к сети рабочих станций и других конечных устройств внутри помещений, для связи между этажами и близко расположенными зданиями (до 550 м). Также ими оборудуют дополнительные линии связи в центрах обработки данных.

Для подключения к Интернету жителей многоэтажных домов чаще всего используют многомодовые кабели классов OM3 и OM4.

Волоконно-оптические кабели передают данные на расстояние до 40-100 км и поддерживают скорость до 100 Гбит/с. Но это лишь теоретически достижимые значения: на быстроту и качество связи влияет категория кабеля и оборудование, которое обрабатывает сигнал.

Так что же лучше – оптика или медь?

Нынче любой крупный и даже средний интернет-провайдер использует в ряде сегментов своих сетей оптоволокно. И наоборот: как бы провайдер не заманивал подключением к «самой быстрой системе нового поколения», отдельные участки его сетей – традиционный медный кабель. Просто правила им диктуют условия среды (где-то они больше подходят для меди, а где-то – для оптики) и экономическая целесообразность, а маркетинг – есть маркетинг.

К какому виду магистрали подключили ваш дом провайдеры «Медный всадник» и «Оптическая иллюзия», точно не скажет никто, поэтому будем считать, что их предложения различаются только способом подключения абонентов внутри квартир.

В таблице ниже сопоставлены свойства волоконной оптики и витой пары:

ОптоволокноМедная витая пара
Теоретически достижимая скорость связи

OS1 – 40 Гбит/с

OS2– 100 Гбит/с

OM3 и ОМ4 – 100 Гбит/с

До 10 Гбит/с для кабелей категории 6 и 7.
Максимальная длина неразрывной линии

OS1 – 100 км

OS2 – 40 км

ОМ3 – 300 м

ОМ4 – 125 м.

100 м
Физические свойства кабеляТонкий, хрупкийТолстый, гибкий
Подверженность внешним воздействиямЧрезмерные изгибы, давление, некоторые виды излученийЭлектромагнитные помехи, атмосферное электричество, агрессивные химические среды, огонь, несанкционированное подключение для считывания данных
Совместимость с клиентским оборудованиемТребует покупки специальных адаптеровСовместима с любыми устройствами, оснащенными гнездами RJ-45
ОбслуживаниеТребует спецоборудования и профессиональной подготовкиТребует минимальных навыков и знаний
СтоимостьВысокаяНизкая

Подведем итоги:

  • Оптоволоконная линия до 10-и раз быстрее и гораздо «дальнобойнее», чем витая пара, она не подвержена влиянию наводок электрического оборудования и силовых линий, долговечна и прочна, не горит, не теряет свойств от влаги, кислот и щелочей. Не допускает шпионских врезок и прослушивания путем индукционного подключения.
  • Волоконно-оптическую сеть легче замаскировать в интерьере, для нее не нужно монтировать широкие неэстетичные кабель-каналы.
  • Волоконная оптика – это хоть и гибкое, но стекло, а любое стекло может трескаться и крошиться. Поэтому монтаж и модернизация такой сети требует большой аккуратности. Если поврежденную витую пару можно разрезать и соединить простой скруткой, то для восстановления разорванной оптики нужен специальный сварочный аппарат и умение с ним обращаться. А иногда даже небольшое повреждение волоконно-оптической линии требует полной ее замены.
  • Главное преимущество витой пары – дешевизна и простота в обиходе. За подключение к Интернету посредством медного кабеля с вас, скорее всего, не возьмут никаких дополнительных денег, а за оптику придется заплатить, ведь она дорогая. Витую пару с универсальным коннектором можно сразу воткнуть в компьютер – и на нем появится Интернет. Для оптики снова придется раскошелиться на специальную розетку, модем (ONT-терминал или роутер), сетевые адаптеры. А это тоже недешево.

Чисто оптоволоконные сети внутри домов и квартир пока большая редкость, чаще всего их делают гибридными – частично оптическими, частично меднопроводными, частично беспроводными. Оптику обычно подводят только к модему, а конечные устройства – компьютеры, смартфоны, смарт ТВ и т. д. получают Интернет всё по той же витой паре или Wi-Fi, ведь они не оборудованием модулями декодирования светового сигнала. Значит, какие бы сверхскорости ни обещал вам провайдер, медленные сегменты сети сведут ее на нет.

Итак, ваш выбор «Медный всадник», если:

  • Вы не хотите переплачивать за то, чего, скорее всего, не получите. Если ваши устройства – потребители Интернет-трафика работают на устаревших протоколах Ethernet или Wi-Fi, то оптика не сделает их быстрее.
  • Вы часто переносите компьютер с места на место, у вас есть собака, которая любит жевать провода или маленькие дети, хватающие всё подряд. И в случае повреждения кабеля вам проще починить его своими руками, чем платить мастеру.

Вам лучше стать клиентом «Оптической иллюзии», если:

  • Вы за всё новое против всего старого. Волоконная оптика – это технология будущего, а значит, достойна инвестиций. И пусть она дружит не с каждым девайсом – скоро, надо ожидать, производители последних возьмутся за ум и оборудуют свои продукты поддержкой оптоволокна. Ведь потребители этого хотят и готовы вкладываться.
  • Финансы для вас – не проблема. У вас современная техника, которая поддерживает последние протоколы проводной и беспроводной связи, и вы готовы заставить ее «взять максимальную высоту».
  • Вам нужна скорость, и этим все сказано.
  • Безопасность сети в плане возможной утечки данных – ваше всё.

Какое оборудование купить для домашней оптоволоконной сети

Оборудование, через которое клиентские устройства получают доступ в Интернет по волоконно-оптической связи, обычно предоставляет провайдер. Но это, как правило, простейшие бюджетные девайсы с ограниченным набором возможностей. Если хотите что-нибудь быстрее, мощнее, функциональнее, приобретите его самостоятельно.

Для построения домашней сети из «разношерстных» устройств понадобится роутер (маршрутизатор) с портом подключения оптики SFP, SPF+, XPF, PON или GPON – так их обозначают на корпусе аппарата. В отличие от универсального RJ-45, оптоволоконные разъемы бывают нескольких типов (форм). Какой подойдет вам, лучше уточнить у провайдера, с которым вы планируете заключить договор. Самый распространенный называется SC/APC.

Однако тип разъема – не единственное различие между такими роутерами. Оптоволоконные порты имеют разную пропускную способность, и она должна быть указана в характеристиках аппарата.

Внутри маршрутизатора оптический сигнал преобразуется в электрический и радио, которые понимают подключаемые устройства – ПК, телефоны и прочее. Они получают сигнал через интерфейсы LAN (Ethernet) и Wi-Fi. От пропускной способности последних тоже зависит скорость работы сети.

Для максимального раскрытия потенциала оптоволоконной связи все сетевые интерфейсы маршрутизатора должны поддерживать современные скоростные стандарты. А именно:

  • SFP/ SPF+/XPF – не меньше, чем скорость провайдера согласно тарифному плану. Одни производители указывают здесь 2 значения – скорости приема и отдачи сигнала, другие – только наибольший.
  • LAN (Ethernet) – 1 Гбит/с.
  • Wi-Fi – 802.11b/g/n/ac. При поддержке этого стандарта теоретически достижимая скорость соединения для роутеров с 8-ю антеннами составляет 6,77 Гбит/с.

Ниже небольшой список моделей маршрутизаторов с поддержкой подключения к оптоволоконным линиям. Они различаются характеристиками и ценой.

  • TP-Link TX-VG1530
  • D-Link DPN-R5402C
  • ZyXEL PSG1282NV
  • D-Link DVG-N5402GF
  • ZyXEL PSG1282V
  • Keenetic Giga

Какой из них лучше? Тот, что больше отвечает вашим задачам и максимально приближен к параметрам вашей сети. Впрочем, при сходстве основных данных на первый план выходят дополнительные функции, а они здесь очень разные. Выбирайте и пользуйтесь.

Удачного подключения!

кварцевые и не только / Блог компании ЭФО / Хабр

Время от времени на Хабре появляются различные статьи на тему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что неудивительно, поскольку оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации. Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.

Мы уверены, что каждый уважающий себя IT-специалист должен иметь хотя бы общее представление о ВОЛС, независимо от того, чем конкретно он занимается. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена разновидностям и классификации оптических волокон. Конечно, сейчас можно легко найти очень много разной информации на эту тему. Но, как вы увидите дальше, и нам есть что рассказать. Тем более что на Хабре пока тема оптического волокна освещена, как нам кажется, в недостаточной степени.

Компания «ЭФО» занимается поставками импортных электронных компонентов на российский рынок с 1991 года. Последние 15 лет (с 2001 г.) наша программа поставок включает волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты. Исторически сложилось, что основными нашими клиентами являются представители разных отраслей промышленности.

«ЭФО» имеет несколько специализированных сайтов под разные группы продукции. Оптической связи посвящен сайт infiber.ru, которым занимаются сотрудники Отдела волоконно-оптических компонентов. Сайт содержит каталог волоконно-оптической продукции, которую мы поставляем. Также здесь публикуются новости производителей и статьи, написанные сотрудниками отдела. Наш сайт создан недавно, но активно развивается.

Как уже упоминалось, в этой статье мы хотели рассказать не столько о самом оптическом волокне, сколько о его разновидностях и классификации. Большинство читателей, скорее всего, знает разницу между одномодом и многомодом, но мы хотим дать более детальную информацию, чтобы Вы могли легко ориентироваться в многообразии современных волокон и их свойствах и не испытывали затруднений с вопросами, которые возникают в практической работе, например:

  • Что означает OM4 в спецификации к оптическому волокну и чем оно отличается от OM1, OM2 и OM3?
  • Какие материалы используются при производстве волокон и кабелей? Что такое пластиковое оптическое волокно?
  • Где следует использовать волокно со смещенной дисперсией и в каких случаях дисперсия должна быть нулевой?
  • Что означают аббревиатуры POF и HCS (PCS)?

Опыт общения с заказчиками показывает, что эти и другие вещи, связанные с классификацией волокон, известны далеко не всем (напомним, наши клиенты в основном работают в промышленности и чаще всего являются специалистами каждый в своей области). Поэтому считаем, что подобная информация будет крайне полезной. Очень надеемся, что одной статьей наше совместное обсуждение темы ВОЛС на Хабре не закончится.

Немного забегая вперед, отметим, что одной из главных особенностей этой статьи мы считаем знакомство читателей с волокнами POF и HCS, поскольку 1) эти волокна набирают все большую популярность в промышленности и других сферах и 2) в отличие от традиционных кварцевых волокон они не так хорошо освещены в русскоязычном интернете.

И последнее. Недавно мы разместили на нашем сайте пять статей, в которых более подробно рассказывается об оптическом волокне и его основных типах. Кому информации, изложенной ниже, окажется недостаточно, добро пожаловать к нам на сайт!

Исходя из поставленной задачи (представить классификацию оптических волокон), мы не хотели бы сильно углубляться в теоретические основы волоконно-оптической связи. Но для того чтобы информация была понятна широкому кругу читателей, начнем все-таки с того, что представляет собой оптическое волокно, каким образом по нему передается сигнал и каковы его некоторые основные характеристики.

Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется волоконно-оптическим кабелем.

Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения (вспомните школьный курс геометрической оптики), свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления (показатель преломления сердцевины больше). Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.

Помимо разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки важную роль играет профиль показателя преломления сердцевины, то есть зависимость величины показателя преломления от радиуса поперечного сечения оптоволокна. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым, если плавно уменьшается от центральной оси к оболочке, – градиентным. Встречаются и более сложные профили. Профиль показателя преломления оказывает большое влияние на характеристики оптического волокна как среды передачи информации.

Среди большого числа характеристик и параметров, описывающих оптическое волокно как среду передачи данных, отметим наиболее важные – затухание (потери) и дисперсию.

Затухание – это постепенное ослабление мощности оптического сигнала по мере распространения по оптоволокну, вызванное разными физическими процессами. Величина затухания имеет сложную зависимость от длины волны излучения и измеряется в дБ/км. Затухание служит одним из главных факторов, ограничивающих дальность передачи сигнала по оптическому волокну (без ретрансляции).

Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации.

Рассказав (или напомнив) читателю об этих базовых понятиях, перейдем к тому, ради чего все это излагалось, – к классификации оптических волокон. Существует огромное количество различных оптических волокон, поэтому сразу сделаем оговорку, что мы не будем касаться так называемых специальных волокон, используемых в научных исследованиях и разных специфических применениях, а также волокон, которые пока являются скорее технологиями будущего. Мы сосредоточимся на тех типах оптических волокон, которые уже сегодня широко используются в телекоммуникациях. А таких типа четыре.

Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:

  • Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
  • Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.

Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон (ссылки ведут к соответствующим статьям на infiber.ru):

  1. Кварцевое многомодовое волокно.
  2. Кварцевое одномодовое волокно.
  3. Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
  4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).

На рисунке ниже изображены поперечные сечения этих четырех типов волокон (соотношение размеров сохранено).

Поговорим подробнее о каждом из этих типов.

1. Кварцевое многомодовое волокно

Кварцевые волокна являются самым известным и распространенным типом оптических волокон. Поскольку многомодовые и одномодовые кварцевые волокна сильно отличаются по своим характеристикам и применению, удобнее рассмотреть их по отдельности.

Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.

Рабочими для многомодового волокна обычно являются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичное затухание на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.

Классификация. Кварцевое многомодовое волокно было первым типом волокна, которое стало широко применяться на практике. Распространение получили два стандартных размера многомодовых волокон (диаметр сердцевины/оболочки): 62,5/125 мкм и 50/125 мкм.

Общепринятая классификация многомодовых кварцевых волокон приводится в стандарте ISO/IEC 11801. Этот стандарт выделяет четыре класса многомодовых волокон (OM – Optical Multimode), отличающиеся шириной полосы пропускания (параметр, характеризующий межмодовую дисперсию и определяющий скорость передачи информации):

  • OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
  • OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
  • OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
  • OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.

Фраза «оптимизированное для работы с лазером» напоминает о том, что изначальна для передачи сигнала по многомодовому волокну использовались светодиоды (LED). С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатываться волокна более совершенной структуры, названные оптимизированными для работы с лазерами.

Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.

2. Кварцевое одномодовое волокно

В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).

Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).

Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.

В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.








Тип волокнаОписаниеПрименение
G. 652. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсиейНаиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм).Стандартные области применения.
G.653. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсиейТочка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм.Передача на длине волны 1550 нм.
G.654. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечкиДлина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм.Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели.
G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсиейЭто волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн).Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM).
G.656. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачиНенулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм.Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM).
G.657. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибеВолокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов.Для прокладывания в ограниченном пространстве.

Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.

3. Пластиковое оптическое волокно (POF)

О кварцевом оптическом волокне знают практически все. Но помимо него существует еще два типа оптических волокон, заслуживающие внимания. Прежде всего, речь идет о пластиковом, или полимерном, оптическом волокне (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Это многомодовое волокно большого диаметра со ступенчатым показателем преломления, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов, прежде всего, из полиметилметакрилата (по-простому, оргстекла). Чаще всего можно встретить POF с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.

В сравнении с кварцевым волокном POF имеет очень большие потери (100-200 дБ/км). С другой стороны, минимум потерь находится в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм). Это, а также очень большой размер поперечного сечения, позволяет использовать в качестве источников излучения дешевые светодиоды. Большой диаметр также значительно упрощает процесс работы с пластиковым волокном. Процесс изготовления патч-корда (оптического шнура) требует меньших навыков и времени, а все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость. На рисунке ниже представлены пластиковые патч-корды с коннекторами семейства Versatile Link (VL) от компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).

Таким образом, главные преимущества пластикового волокна – это низкая стоимость компонентов и простота работы с ним. При этом POF присущи все те особенности оптического волокна, которые дают ему преимущества перед другими видами связи. В их числе невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.

Классификация. Хотя выпускаемые пластиковые волокна отличаются по размеру, используемым полимерам, профилю показателя преломления и другим параметрам, подавляющую часть всех пластиковых волокон составляет POF 980/1000 мкм из полиметилметакрилата.

Применение. Область применения POF – короткие низкоскоростные линии связи (до 200 Мбит/с на несколько десятков метров). Преимущества POF проявляются в тех случаях, когда простота эксплуатации и низкая стоимость линии связи важнее, чем характеристики самой передачи. POF часто используется в промышленных линиях связи, автомобильной электронике, медицине и разного рода датчиках. Кроме того, пластиковое волокно может с успехов применяться и в различных специальных/корпоративных сетях передачи данных, например, для связи в пределах квартиры или офиса (к слову, эта область применения в России пока только начинает развиваться).

4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)

И, наконец, последний тип оптического волокна, с которым мы бы хотели познакомить читателей, представляет собой нечто среднее (во всех отношениях) между кварцевым и пластиковым волокном. У этого типа волокна много названий, но мы привыкли называть его кварцевым волокном с полимерной (жесткой) оболочкой и обозначать HCS (Hard Clad Silica). Также распространена аббревиатура PCS (Polymer Clad Silica).

HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с бо́льшим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).

По своим оптическим характеристикам HCS-волокно также занимает промежуточное положение между кварцевым оптоволокном и POF. Минимум затухания стандартного HCS-волокна приходится на длину волны 850 нм и составляет единицы-десятки дБ/км. Для работы с HCS-волокном часто можно использовать те же активные компоненты, что и для POF (с длиной волны 650 нм) или для многомодового кварцевого волокна (светодиоды с длиной волны 850 нм).

Достаточно большой размер HCS-волокна, как и в случае POF, упрощает и удешевляет процесс работы с ним.

Классификация. Как уже упоминалось, в телекоммуникациях в основном используется HCS-волокно 200/230 мкм.

Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).

Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод. Ассортимент оптических волокон достаточно разнообразен, и в зависимости от ситуации наилучшим решением может оказаться использование того или иного типа волокна из тех, что были описаны в данной статье.

Напоследок благодарим всех читателей за внимание. Надеемся, что статья оказалась не только познавательной, но и полезной (или окажется таковой в будущем). С нетерпением ждем комментариев и вопросов.

Оптический кабель 2, 4, 24, 32, 64, 72, 144 волокна и оптический кабель 8, 12, 16, 48, 96 волокон

Сколько волокон может иметь оптоволоконный кабель?

Оптические кабели применяются в Российской Федерации, в соответствии с «Правилами применения оптических кабелей связи, пассивных оптических устройств и устройств для сварки оптических волокон», утвержденных Приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации от «19» апреля 2006 г. № 47.

Типы кабелей по количеству волокон

На наших заводах производится выпуск продукции следующих видов:

Оптический кабель 2 волокна – в основном применяется как распределительный оптический кабель для внутренней прокладки. Внешняя оболочка выполнена из полимера не распространяющего горение с низким дымо- и газовыделением.

Оптический кабель 4 волокна – часто используется в локальных компьютерных оптических сетях, для прокладки внутри серверных и ЦОДов для соединения стоек и шкафов. Имеет негорючую оболочку.

Оптический кабель 8 волокон в основном используется для прокладки внутри помещений и серверных ЦОДов. Обладает изоляцией с пониженной горючестью.

Оптический кабель 12 волокон – применяется для создания локальных компьютерных сетей. В зависимости от типа изоляции, может использоваться для соединения рабочих мест и ЦОДов расположенных как в одном здании, так и разнесенных на расстояние.

Оптический кабель 16 волокон – в основном используется внутри серверных комнат для соединения стоек серверов. При соответствующей изоляции может применяться для организации сетей вне зданий.

Оптический кабель 24 волокна – используется для стационарной прокладки магистральных кабельных подсистем, а также для создания локальных сетей внутри помещений. Поддерживает передачу данных на короткие и средние расстояния.

Оптический кабель 32 волокна — предназначен для прокладки магистралей внутри зданий, в помещениях общего назначения, а так же применяется в горизонтальных подсистемах.

Оптический кабель 48 волокон – используется для организации магисталей передачи данных. В зависимости от типа оболочки может использоваться как внутри зданий, так и в канализационных каналах.

Оптический кабель 64 волокна – благодаря различным типам изоляции возмозно его применение в разных видах среды: в кабельной канализации, в подвесном или самонесущем варианте.

Оптический кабель 72 волокна — изготавливаемый по ТУ 3587-001-92193892-2011, может использоваться для расширения единой сети электросвязи России для подвеса на опорах линий связи, между зданиями и сооружениями.

Оптический кабель 96 волокон – используется для организации магисталей и пригоден для прокладки в грунтах, при пересечении рек и водных преград, в кабельной канализации, по мостам и эстакадам, а также в туннелях, коллекторах, зданиях.

Оптический кабель 144 волокна – применяется внутри и вне помещений. Используется для магистралей средней длины (mid-span) и распределения оптических сигналов (split out) в сетях центров обработки данных, компьютерных сетях и сетях FTTx в рамках технологии «оптика до абонента».

Особенности выпуска ОК

При выборе ОК, проектировщикам нужно учитывать, что большая часть производителей сейчас выпускает кабели с количеством волокон кратным 6 или 12. Не существует общих стандартов, определяющих, сколько волокон должно быть в кабеле, поэтому в каждом отдельном случае, покупателю приходится решать этот вопрос самостоятельно.

Обычно количество волокон определяется количеством принимающих и передающих узлов активного оборудования, а также схемой сети. Для простого приема и передачи сигналов на линиях связи может даже использоваться оптоволоконный кабель на 2 волокна. Большее количество волокон в кабеле позволит добиться передачи более больших объемов информации без ущерба пропускной способности. Подбирая правильный ОК, нужно также учитывать и определенный запас волокон для последующего развития сети. Специалисты вообще советуют умножать количество необходимых волокон на два – к примеру, имея необходимость в 32 волокна, лучше брать оптический кабель на 64 волокна.

Наиболее удобный вариант — это купить оптический кабель непосредственно у производителя, т.к. в таком случае можно заказать кабель с практически любым количеством волокон, при этом кабель на 96 волокон не будет стоить вдвое дороже, чем на 48 волокон – его стоимость увеличится примерно на 30 – 40%. Самое оптимальное соотношение цены и качества оптоволоконного кабеля предлагает компания «Интегра-Кабель», реализующая ОК собственного производства с 2002 года.

День рождения оптоволокна

На сегодняшний день остается неразрешенным вопрос: «Какую дату по праву можно считать днем рождения оптоволокна?». Быть может день, когда был сформулирован Закон Снеллиуса, описывающий преломление света на границе двух сред (984 г.)? Или день, когда немецкий математик, астроном и оптик Иоганн Кеплер впервые описал закон полного внутреннего отражения (1600 г.)? Или, когда швейцарский физик Даниэль Колладон и французский физик Жак Бабине впервые продемонстрировали отражение светового луча в струе воды, показав, таким образом, возможность передачи светового луча в заданном направлении (1840 г. )? Или может, когда Норманн Р. Френч изобрел оптическую телефонную систему, в которой речевые сигналы могли передаваться через сеть оптических линий, изготавливаемых из стержней чистого стекла (1934 г.)?

Хотя закон назван в честь голландского астронома Виллеброрда Снеллиуса (1580-1626), он был впервые точно описан ученым Ибн Сахль в 984 г.

Напомним, что Кеплер также является первооткрывателем законов движения планет Солнечной системы.

Рис. 1 Оптическая телефонная система Норманна Френча

Несомненно, каждое из этих открытий является важным событием для волоконной оптики, однако, наверное, все-таки самые значимые исследования в этой области произвел Чарльз Као Куэн  – ученый родом из Китая. Сегодня он позиционируется уже как китайский, британский и американский ученый, автор ключевых исследований в области разработки и практического применения волоконно-оптических технологий, значительно повлиявших на развитие индустрии телекоммуникаций. Вообще Као скромно называют «Отцом оптоволоконной связи». В 2009 году ему присудили половину Нобелевской премии по физике за «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи». Стоит отметить, что другая половина премии досталась Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту, которые изобрели ПЗС-матрицы.

В 1966 г. Као представил результаты своего исследования в IEE (не путайте с международной ассоциацией IEEE, IEE – это Британская организация Institution of Electrical Engineers). Основная идея отчета научной работы Као состояла в возможности организации оптической связи с помощью стеклянного волокна (новизна идеи, в первую очередь, заключалась в представленных конструктивных особенностях волокна и его материалов). Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи по праву можно считать  основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Таким образом, если считать данную работу Као началом становления и развития современной эпохи волоконно-оптической связи, то у оптоволокна в этом году юбилей – ему исполнилось 50 лет!

Однако, впервые термин fiber optic (оптическое волокно) было использовано Американской компанией NS Kapany в 1956 г. Если это событие считать днем рождения волокна, то получается другая круглая дата – волокну 60 лет!

То, что сегодня мы считаем само собой разумеющимся, в том числе высокоскоростной Интернет, межконтинентальная связь и даже мобильные сети – все, так или иначе, связано с оптоволоконными линиями связи. В этом нет ничего удивительного, ведь оптическое волокно сегодня по праву можно считать самым совершенным видом линий связи. ВОЛС обеспечивают более высокую пропускную способность при значительно меньшей стоимости на более большие расстояния, в сравнении со всеми другими линиями, будь то коаксиальный кабель, радиорелейные или спутниковые линии связи.

Интересные факты из истории волоконной оптики

Стоит отдать дань уважения всем исследователям, повлиявшим на развитие сферы волоконной оптики – в какой-то степени благодаря им сегодня мы имеем развитый высокоскоростной Интернет и можем общаться на данном форуме. Сейчас мы не ставим перед собой цель освятить всю историю становления волоконно-оптической связи, а рассмотрим лишь наиболее интересные с нашей точки зрения моменты.

Эксперимент с отражением светового луча в струе воды немного позднее Колладона и Бабине проводил английский физик Джон Тиндалл. Он досконально изучил данное явление, и вот что он записал в своей книге: «Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27″, для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42».

Рис. 2 Экспериментальная установка Джона Тиндалла

Рис. 3 Современные интерпретации опытов Джона Тиндалла

Можете сами провести этот эксперимент в домашних условиях и позабавить, таким образом, например, своих детей. Берем лазерную указку и светим под разными углами в ванной на струю воды из под крана. Подобрав нужный угол, можно добиться полного внутреннего отражения светового луча в потоке воды. Этот опыт будет еще более эффектным, если струя воды будет падать не строго вертикально, а под некоторым углом.

Рис. 4 Современные интерпретации опытов Джона Тиндалла

Если у вас нет лазерной указки, подобный эксперимент можно также провести и с обычным фонариком, однако в этом случае лучше всего взять прозрачную пластиковую бутылку (объемом 1-2 литра), и сбоку около ее дна сделать отверстие диаметром примерно пол сантиметра. Наливаем в бутылку воду, через проделанное отверстие начинается литься вода, с противоположной стороны бутылки светим фонариком. Если под струю воды подставить ладонь, то на ней можно будет наблюдать яркое световое пятно.

  
Рис. 5 Интерпретация опыта домашних условиях с помощью фонарика

Рассмотрим далее примечательные факты из более поздней истории волоконной оптики. Активные разговоры о волоконных световодах начались еще в начале 50-х годов прошлого века, именно к этому моменту научились их делать из различных прозрачных материалов. Но световоды того времени были недостаточно прозрачны, и при длине 5-10 метров свет в них полностью поглощался.

Стоит отметить, что в то время в сфере волоконной оптики СССР ничуть не отставал от западных стран, и даже наоборот, отечественные разработки во многом опережали иностранные. На первой общеевропейской конференции по волоконно-оптической связи в 1976 году лидерами в этой области были названы СССР и Япония.

У нас в стране первая оптическая линия связи была запущена в эксплуатацию в 1977 году в Зеленограде, соединив администрацию города с научным центром и предприятиями Северной промзоны. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.

В мае 1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС. Оно поставило перед предприятиями заинтересованных министерств задачи по созданию (оптических волокон) ОВ и кабеля, оптоэлектронной элементной базы, контрольно-измерительной аппаратуры, специального технологического оборудования оптических соединителей и других компонентов.

В 1958 г. советские ученые В.В. Варган и Т.И. Вейнберг доказали, что «…светопоглощение стекол обуславливается примесями красящих металлов, вносимыми шихтой, и продуктами разъедания oгнеупоров; экспериментально показано, что светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измерительных приборов».

Этот факт также четко осознал Чарльз Куэн Као совместно с Джорджем Хокхэмом в 1966 г. в лондонской лаборатории ITT Corporation. В 1960-е годы волокно имело затухание 1000 дБ/км и более. Для возможности передачи информационного сигнала внутри волоконно-оптических каналов Као пытался достичь порогового значения величины затухания сигнала, по крайней мере в 20 дБ/км. Но даже с таким затуханием дальность оптической линии была крайне мала. Данное обстоятельство подстегнуло исследователей к поиску материалов, которые лучше всего соответствовали бы установленным критериям. Специально для этих целей Као собрал коллектив из четырёх человек, в который, включая его самого, вошли Т. Дэвис, М. Джоунс, С. Райт. Тестируя разные материалы, группа приходит к выводу, что наиболее подходящим кандидатом для осуществления волоконно-оптической связи является кварцевое стекло (SiO2), в котором наблюдался наименьший уровень затухания сигнала.

Kao также утверждал, что основная причина затуханий в стекловолокне состоит не в фундаментальных физических эффектах, например, рассеивание, как думали в то время многие физики, а в примесях стеклянного материала, которые можно удалить. Это привело к глобальному исследованию и производству сверхчистых стекловолокон. Когда Kao предложил, что такое стекловолокно можно использовать для передачи информации на дальние расстояния, и что оно может заменить медные провода, составляющие основу телекоммуникаций того времени, большинство его идеи не восприняли всерьез. Отметим, что на ранней стадии разработки оптических волокон Kao уже строго предпочел одномодовый режим для дальней оптической связи, вместо того, чтобы использовать многомодовые системы.

В 1969 г. Kao совместно с В. М. Джонсоном получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км, что явилось первым доказательством возможности получения сверхпрозрачного стекла. Только с этого момента компания Bell Labs начала серьезно рассматривать волоконную оптику как перспективную телекоммуникационную систему.

В 1970 г. фирма Corning Glass Works (позднее переименованная в Corning Incorporated) произвела оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 км.

В середине 1970-х он сделал оригинальное исследование по пределу усталости стекловолокна. Позднее Kao запустил программу «Терабитная технология», посвященную ограничениям в возможностях обработки высокочастотных сигналов, поэтому Као также известен как «отец концепции терабитной технологий». Као опубликовал более 100 статей и получил более 30 патентов, в том числе на разработку водостойких высокопрочных волокон.

Приведем далее некоторые примеры использования волокон в современных отраслях промышленности и техники.

Области применение оптоволокна, помимо сферы телекоммуникаций

На сегодняшний день область применения оптического волокна не ограничивается лишь телекоммуникационными сетями. Оно используется в самых различных сферах человеческой деятельности. В области медицины ОВ используется в рентгеновских аппаратах. В них оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием, изолируя, таким образом, пациентов и персонал от высоковольтной части аппаратуры. В распределительных устройствах электрических подстанций ОВ используется в системах защиты как датчик, регистрирующий возникновение дуги. Такой датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна с прозрачным покрытием, регистрирует всей своей поверхностью излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании.

Датчики на основе оптических волокон применяются в различных измерительных системах, где вследствие экстремальных условий (повышенная радиация, температура или электромагнитное поле) невозможно применение традиционных электрических приборов. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.

Сегодня разработаны волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), работающие на основе эффекта Саньяка. Данный гироскоп не имеет никаких подвижных частей, что делает его весьма надежным устройством. Конечно, в современных навигационных системах используется целый ряд различных датчиков, позволяющих определить положение подвижного объекта: спутниковая навигация (GPS, GLONASS), гироскопы, акселерометры и т.д. Однако независимую навигационную систему можно создать только на основе инерциальных датчиков, таких как гироскопы. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки оптического гироскопа примерно 0,001°/ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы стали применяться в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.

Рис. 6 Пример реализации волоконно-оптического гироскопа

Рис. 7 Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор

Также оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах. Когда злоумышленник проникает в запретную зону, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.

Оптические волокна используются в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки (что сейчас перед Новым годом довольно актуально).

Рис. 8

Периодически создаются новые типы оптических волокон. Например, были разработаны фотонно-кристаллические световоды, в которых распространение света основано на принципах, отличных от полного внутреннего отражения. Такие волокна могут использоваться в качестве газовых, жидкостных или химических датчиков, для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях, для создания новых типов источников излучения на основе нелинейных явлений (при условии заполнения сердцевины газом) и т.д.

Появляются волоконные лазеры, выходная мощность непрерывного излучения которых достигает нескольких десятков киловатт. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5.5 кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Самый мощный многомодовый волоконный лазер — установка для резки металлов того же производителя достигает 100 кВт. Волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона.

Разрабатываются также ОВ, которые обеспечивают возможность передачи энергии лазерного излучения высокой мощности (нескольких киловатт). Теоретически установлено, что возможна передача излучения мощностью 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм. Главным физическим явлением, которое ограничивает передаваемую мощность, является вынужденное рамановское рассеяние.

Рис. 9 Фотонно-кристаллическое волокно

Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.

В 50 лет волокно ищет досрочный выход на пенсию? Отнюдь нет! Как видно, инновации в сфере волоконной оптики появляются постоянно, и отрасль телекоммуникаций не является единственной заинтересованной отраслью в развитии оптических волокон ­­– область применения ОВ крайне широка. В будущем мы планируем представить материал о современных достижениях в области волоконно-оптической связи.

что это такое? – Коммерсантъ Нижний Новгород

Как обеспечить доступ в интернет в самых отдаленных уголках планеты? Илон Маск отправляет в космос 4425 спутников, Google хочет использовать для передачи сигнала воздушные шары, а в Facebook считают, что с этой задачей справятся дроны-беспилотники. Пока компании-гиганты соревнуются в покорении планеты, главным проводником в мир скоростного интернета в мегаполисах остается оптоволокно. О том, из чего состоит оптоволоконный кабель, почему пластик проигрывает стеклу и как оптика помогает следить за дельфинами и нефтью, мы поговорили с экспертом Дом.ru, руководителем службы эксплуатации сети Николаем Джулаем.

Половина абонентов «Дом.ru» имеет дома три и более устройства, а каждый пользователь в среднем потребляет в месяц 50 Гб на скорости до 100 мб/с. Они смотрят видео в HD, играют в «танки», ведут онлайн-трансляции и выходят в сеть с разных гаджетов. Обеспечивать людей интернетом на максимальной скорости позволяют оптоволоконные кабели. Первые оптические интернет-сети в России начала строить компания «ЭР-Телеком» ещё в начале 2000-х. Благодаря этой технологии мы стали самым быстрым интернет-провайдером страны по версии Speedtest в 2017 году.

Как устроен оптоволоконный кабель

Оптоволокно — это тонкие нити из кварцевого стекла, в которых информация передаётся с помощью света. Толщина каждой нити составляет всего 125 микрон, это чуть больше человеческого волоса. В кабеле находится до 96 таких нитей, каждая из которых «плавает» в жидкости — гидрофобном геле. Чтобы обеспечить сохранность, их покрывают полиэтиленовой и пластиковой оболочкой, стальной проволокой или металлической броней.

Оптику закапывают в землю, прокладывают в канализации и даже на дне моря. Кабель, который используется под землей или водой, способен выдержать нагрузку до 8 тонн. Для сравнения, слон весит 5-6 тонн. Стекло, из которого сделана оптика, не проводит электрический ток. Даже если рядом с кабелем ударит молния, сигнал не прервется и скорость интернета не упадет. При этом такая сеть не производит никакого излучения и безопасна для человека.

Тем не менее, оптика уязвима. Её могут повредить частые изгибы, из-за которых образуются трещины. При их появлении свет вырывается наружу и происходит разрыв интернет-соединения.

Ремонт с хирургической точностью

В июне прошлого года по Омску прошел смерч. Ветер срывал крыши домов, валил деревья, обрывал линии электропередач. Пострадали и оптоволоконные сети — появились провисы и обрывы кабелей.

— Аварии устраняют бригады техников, работа которых напоминает хирургическую. У них есть свои скальпели, держатели, кусачки и обезжиривающие составы — все, чтобы добраться до тонких нитей оптоволокна через оборванные защитные оболочки, — рассказывает Николай Джулай. — Кабель сваривают как металлический прут, нагревая до 2000°C. Кварц начинает течь, а на месте разорванного участка образуется небольшой шов.

Чаще всего причиной повреждений становится вандализм: ввернутый в кабель саморез, забитые гвозди или обычная иголка. Чтобы обнаружить проблемное место, используется специальное оборудование — рефлектометр. По оптоволокну «стреляют» из лазера. Световой поток летит по стеклянным нитям и в том месте, где есть повреждение, отражается и возвращается обратно. Так техники определяют место неполадки с точностью до 5 метров.

Дельфины и нефть: где еще применяют оптоволокно

Оптоволоконные технологии используют не только в интернет-коммуникациях. Одно из ключевых предназначений оптики — акустические наблюдения. Например, кабели прокладывают вдоль нефте— и газопроводов. Так специалисты улавливают звуковые вибрации, появление которых говорит о вероятности аварии или несанкционированного вмешательства в работу нефтепровода.

Биологи работают с оптоволокном, чтобы исследовать поведение дельфинов, китов и касаток. Датчики выступают в качестве сонаров и улавливают звуковые сигналы, с помощью которых общаются животные. В медицине «оптику» используют как источник света. Тонкость и гибкость кабеля помогает видеть, что происходит внутри человеческого организма и корректировать лечение.

— В будущем можно ожидать прорыва в развитии оптики, — считает Николай Джулай. — Многие компании уже сейчас пытаются удешевить производство оптоволокна, используя пластик и полимерные материалы для изготовления нитей. Но пока разработки проигрывают сетям из стекла, у них ниже скоростные показатели и отражающая способность внутри кабеля. Ближайшие два десятилетия оптические сети в городах останутся главным инструментом для доступа к скоростному интернету.


АО «ЭР-Телеком Холдинг» — один из ведущих операторов связи в России, работает с 2001 года. Услуги для частных пользователей предоставляются под брендом «Дом.ru», для корпоративных клиентов — под брендом «Дом.ru Бизнес». Поставщик услуг: широкополосный доступ (ШПД) в интернет, цифровое ТВ, телефонная связь, а также видеонаблюдение и Wi-Fi (для корпоративных клиентов). Услуги предоставляются на базе собственных телекоммуникационных сетей, построенных с нуля и по единым стандартам по технологии «оптика до здания». По собственным оценкам, на долю компании приходится 11% российского рынка ШПД и 12% рынка платного ТВ, по количеству обслуживаемых клиентов занимает 2-е место среди интернет-провайдеров и среди операторов кабельного ТВ России. Лауреат многих национальных премий, включая премию «Большая цифра», «ТехУспех» (2016 год).

Что такое волоконная оптика (оптическое волокно) и как она работает?

Волоконная оптика, или оптическое волокно, относится к среде и технологии, связанной с передачей информации в виде световых импульсов по стеклянной или пластиковой нити или волокна. Волоконная оптика используется для высокопроизводительных сетей передачи данных на большие расстояния.

Волоконная оптика также широко используется в телекоммуникационных услугах, таких как Интернет, телевидение и телефон. Например, Verizon и Google используют оптоволокно в своих сервисах Verizon FIOS и Google Fiber соответственно, обеспечивая пользователям гигабитную скорость интернета.

Используются оптоволоконные кабели

, поскольку они обладают рядом преимуществ по сравнению с медными кабелями, например, более высокой пропускной способностью и скоростью передачи.

Оптоволоконный кабель может содержать различное количество этих стеклянных волокон — от нескольких до пары сотен. Сердцевину из стекловолокна окружает еще один стеклянный слой, называемый оболочкой. Слой, известный как буферная трубка, защищает оболочку, а слой оболочки действует как последний защитный слой для отдельной пряди.

Как работает оптоволокно

Волоконная оптика передает данные в виде световых частиц или фотонов, которые пульсируют по оптоволоконному кабелю.Сердцевина из стекловолокна и оболочка имеют разные показатели преломления, которые изгибают падающий свет под определенным углом. Когда световые сигналы передаются по оптоволоконному кабелю, они отражаются от сердечника и оболочки в виде серии зигзагообразных отскоков, придерживаясь процесса, называемого полным внутренним отражением. Световые сигналы не движутся со скоростью света из-за более плотных слоев стекла, вместо этого они движутся примерно на 30% медленнее, чем скорость света. Для обновления или усиления сигнала на протяжении всего пути передачи по оптоволоконной сети иногда требуются ретрансляторы с удаленными интервалами для регенерации оптического сигнала путем преобразования его в электрический сигнал, обработки этого электрического сигнала и ретрансляции оптического сигнала.

Волоконно-оптические кабели переходят на поддержку сигналов до 10 Гбит / с. Обычно по мере увеличения пропускной способности оптоволоконного кабеля он становится дороже.

Типы оптоволоконных кабелей

Многомодовое волокно и одномодовое волокно — это два основных типа оптоволоконных кабелей. Одномодовое волокно используется на больших расстояниях из-за меньшего диаметра сердцевины из стекловолокна, что снижает возможность затухания — снижение мощности сигнала.Меньшее отверстие изолирует свет в единый луч, что обеспечивает более прямой путь и позволяет сигналу проходить на большее расстояние. Одномодовое волокно также имеет значительно более высокую полосу пропускания, чем многомодовое волокно. Источником света, используемым для одномодового волокна, обычно является лазер. Одномодовое волокно обычно дороже, поскольку требует точных расчетов для получения лазерного света в меньшем отверстии.

Волоконно-оптический кабель

Многомодовое волокно используется для меньших расстояний, потому что большее отверстие в сердечнике позволяет световым сигналам отражаться и отражаться в большей степени.Больший диаметр позволяет передавать по кабелю одновременно несколько световых импульсов, что приводит к большему объему передачи данных. Однако это также означает, что существует большая вероятность потери, уменьшения сигнала или помех. В многомодовой волоконной оптике обычно используется светодиод для создания светового импульса.

В то время как медные кабели были традиционным выбором для телекоммуникаций, сетей и кабельных соединений в течение многих лет, оптоволокно стало обычной альтернативой. Большинство междугородных линий телефонных компаний в настоящее время состоят из оптоволоконных кабелей.Оптическое волокно передает больше информации, чем обычный медный провод, благодаря более высокой пропускной способности и более высокой скорости. Поскольку стекло не проводит электричество, волоконная оптика не подвержена электромагнитным помехам, а потери сигнала сводятся к минимуму.

Двунаправленный DWDM

Преимущества и недостатки

Оптоволоконные кабели используются в основном из-за их преимуществ перед медными кабелями. Преимущества включают:

  • Поддержка более высокой пропускной способности.
  • Свет может распространяться дальше, не нуждаясь в усилении сигнала.
  • Они менее восприимчивы к помехам, например к электромагнитным помехам.
  • Их можно погружать в воду — оптоволоконные кабели используются в более опасных средах, таких как подводные кабели.
  • Волоконно-оптические кабели прочнее, тоньше и легче кабелей с медной проволокой.
  • Их не нужно так часто обслуживать или заменять.

Однако важно отметить, что у волоконной оптики есть недостатки, о которых пользователи должны знать.К этим недостаткам можно отнести:

  • Медный провод зачастую дешевле волоконной оптики.
  • Стекловолокно требует большей защиты внутри внешнего кабеля, чем медь.
  • Установка новой кабельной разводки — трудозатратная процедура.
  • Оптоволоконные кабели зачастую более хрупкие. Например, волокна могут быть повреждены или сигнал может быть потерян, если кабель изогнут или изогнут вокруг радиуса в несколько сантиметров.

Используется волоконная оптика

Компьютерные сети — это распространенный вариант использования волоконной оптики из-за способности оптического волокна передавать данные и обеспечивать широкую полосу пропускания.Точно так же волоконная оптика часто используется в радиовещании и электронике для обеспечения лучшего соединения и производительности. Интернет и кабельное телевидение — два наиболее распространенных вида использования волоконной оптики. Волоконная оптика может быть установлена ​​для поддержки удаленных соединений между компьютерными сетями в разных местах.

Военная и космическая промышленность также использует оптическое волокно в качестве средства связи и передачи сигналов в дополнение к его способности обеспечивать измерение температуры.Оптоволоконные кабели могут быть полезны из-за их меньшего веса и меньшего размера.

Волоконная оптика часто используется в различных медицинских инструментах для обеспечения точного освещения. Он также все чаще позволяет использовать биомедицинские датчики, которые помогают в минимально инвазивных медицинских процедурах. Поскольку оптическое волокно не подвержено электромагнитным помехам, оно идеально подходит для различных тестов, таких как сканирование МРТ. Другие медицинские применения волоконной оптики включают рентгеновскую визуализацию, эндоскопию, световую терапию и хирургическую микроскопию.

Что такое оптоволоконная технология и как она работает?

06 Oct Что такое оптоволоконная технология и как она работает?

Хотя многие из нас слышали термин «волоконная оптика» или «оптоволоконная технология» для описания типа кабеля или технологии, использующей свет, немногие из нас действительно понимают, что это такое. Здесь мы описываем основы оптоволоконной технологии, ее назначение, особенности, преимущества и где мы ее используем сегодня.

Узнайте больше о кабельных сборках NAI Group для волоконной оптики

Что такое оптоволоконная технология?

Волоконно-оптические волокна или оптические волокна представляют собой длинные тонкие пряди тщательно вытянутого стекла диаметром с человеческий волос.Эти жилы скомпонованы в жгуты, называемые оптическими кабелями. Мы полагаемся на них для передачи световых сигналов на большие расстояния.

В передающем источнике световые сигналы кодируются данными… теми же данными, которые вы видите на экране компьютера. Таким образом, оптическое волокно передает «данные» светом на приемный конец, где световой сигнал декодируется как данные. Следовательно, волоконная оптика на самом деле является средой передачи — «трубой» для передачи сигналов на большие расстояния с очень высокой скоростью.

Волоконно-оптические кабели были первоначально разработаны в 1950-х годах для эндоскопов.Цель заключалась в том, чтобы помочь врачам осмотреть пациента изнутри без серьезного хирургического вмешательства. В 1960-х инженеры-телефонисты нашли способ использовать ту же технологию для передачи и приема телефонных звонков со «скоростью света». Это примерно 186 000 миль в секунду в вакууме, но в кабеле скорость снижается примерно до двух третей от этой скорости.

Как работает волоконная оптика?

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю, многократно отражаясь от стенок кабеля. Каждая легкая частица (фотон) отражается по трубе с постоянным внутренним зеркальным отражением.

Световой луч проходит по сердцевине кабеля. Жила — это середина кабеля и стеклянной конструкции. Оболочка — это еще один слой стекла, обернутый вокруг сердечника. Оболочка предназначена для удержания световых сигналов внутри сердечника.

Типы оптоволоконных кабелей

Оптоволоконные кабели различных типов

Существует много типов оптоволоконных кабелей, которые для выполнения своей функции часто заканчиваются в сборках оптоволоконных кабелей.

Одно- и многомодовое оптоволокно

Волоконно-оптические кабели передают световые сигналы в режимах. Режим — это путь, по которому световой луч следует по оптоволокну. Есть одномодовые и многомодовые оптоволоконные кабели.

Одномодовое волокно является самой простой структурой. Он содержит очень тонкую сердцевину, и все сигналы проходят прямо посередине, не отскакивая от краев. Одномодовые оптоволоконные кабели обычно используются для кабельного телевидения, Интернета и телефонной связи, где сигналы передаются по одномодовым волокнам, свернутым в жгут.

Многомодовые оптоволоконные кабели используются в качестве патч-кордов или «перемычек» для соединения оборудования передачи данных

Многомодовое волокно — это другой тип оптоволоконного кабеля. Это примерно в 10 раз больше, чем у одномодового кабеля. Световые лучи могут проходить через ядро, следуя множеством разных путей или в нескольких разных режимах. Эти типы кабелей могут передавать данные только на короткие расстояния. Поэтому они используются, среди других приложений, для соединения компьютерных сетей.

Существует четыре типа многомодовых оптоволоконных кабелей, обозначенных буквой «OM» (оптический многомодовый). Промышленная ассоциация обозначила их как OM1, OM2, OM3 и OM4. Они описаны в ISO / IEC 11801. Стандарт OM4 был одобрен TIA / EIA 492AAAD. Каждый OM имеет минимальные требования к модальной полосе пропускания.

Пленум

Кроме того, оптоволоконные кабели могут изготавливаться в соответствии с требованиями отраслевых стандартов для установки в вентиляционных камерах. Они используются внутри зданий со специальными материалами и составами для обшивки.Эти кабели, называемые «напорным кабелем», соответствуют требованиям к пламени и токсичности в случае пожара.

Одностороннее и дуплексное оптоволокно

Конструкции волоконно-оптических кабелей Simplex содержат одну жилу из стекла. Чаще всего симплексное волокно используется там, где требуется только одна линия передачи и / или приема между устройствами или когда используется мультиплексный сигнал данных (двунаправленная связь по одному волокну).

Дуплексный оптоволоконный кабель состоит из двух жил из стекла или пластика

Волоконно-оптический кабель на барабане ящика с заделанными концами

волокна.Этот кабель, обычно имеющий конструкцию «zipcord», чаще всего используется для дуплексной связи между устройствами, где требуется раздельная передача и прием.

Другие применения оптоволоконных технологий

Помимо конструкций пленумов, производители волоконно-оптических кабелей создают:

  • «Сиамские» конструкции (два кабеля рядом, каждый со своей оболочкой)
  • гибридные кабели (с медными кабелями)
  • Связанные и композитные кабельные конструкции, которые включают другие оптоволоконные, медные кабели или иногда кабели для пар питания

Более короткие «коммутационные кабели» или «оптоволоконные перемычки» используются для соединения различного электронного оборудования в серверной, телекоммуникационной или дата-центре.

Использование оптического волокна в повседневной жизни

Возможно, вы видели пластиковые волокна, несущие цветные огни в декоративных целях. То, что вы, возможно, не видели, так это настоящие стекловолоконные кабели, которые сейчас составляют основу наших коммуникационных и компьютерных сетей. Многие тысячи миль проложенного оптоволоконного кабеля несут множество типов информации под землей, в туннелях, стенах зданий, потолках и других местах, которых вы не видите. Примеры использования оптического волокна в нашей повседневной жизни включают такие приложения, как:

В последние годы появились и другие применения волоконной оптики.Волоконно-оптические кабели стали основой для MAN, WAN и LAN. Наблюдалась тенденция к приложениям «FTTX» или «Fiber to the XXXX». Это, например, Fiber до:

  • Дом (FTTH)
  • Бордюр (FTTC)
  • Помещение (FTTP)
  • Здание (FTTB)
  • Узел (FTTN)

Первоначально оптоволокно использовалось в основном в магистральных кабельных линиях, предназначенных для передачи сигналов в более крупные населенные районы. Со временем эти кабели распространились по домам, зданиям и т. Д., что привело к появлению тенденции FTTX.

волоконная оптика | Определение, изобретатели и факты

Волоконная оптика , также обозначается как волоконная оптика , наука о передаче данных, голоса и изображений путем прохождения света через тонкие прозрачные волокна. В телекоммуникациях волоконно-оптическая технология фактически заменила медный провод в междугородных телефонных линиях и используется для соединения компьютеров в локальных сетях. Волоконная оптика также является основой фиброскопов, используемых при обследовании внутренних частей тела (эндоскопия) или обследовании внутренней части производимых конструкционных изделий.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.

Основная среда волоконной оптики — это тонкое волокно, которое иногда делают из пластика, но чаще всего из стекла.Типичное стеклянное оптическое волокно имеет диаметр 125 микрометров (мкм) или 0,125 мм (0,005 дюйма). Фактически это диаметр оболочки или внешнего отражающего слоя. Сердечник или внутренний передающий цилиндр может иметь диаметр всего 10 мкм. Благодаря процессу, известному как полное внутреннее отражение, световые лучи, излучаемые в волокно, могут распространяться внутри сердцевины на большие расстояния с очень небольшим затуханием или уменьшением интенсивности. Степень ослабления на расстоянии варьируется в зависимости от длины волны света и состава волокна.

оптическое волокно

Световой луч, проходящий через оптическое волокно.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Когда в начале 1950-х годов были представлены стеклянные волокна конструкции сердцевина / оболочка, присутствие примесей ограничило их использование короткими длинами, достаточными для эндоскопии. В 1966 году инженеры-электрики Чарльз Као и Джордж Хокхэм, работавшие в Англии, предложили использовать волокна для телекоммуникаций, и в течение двух десятилетий волокна из кварцевого стекла были произведены с достаточной чистотой, чтобы инфракрасные световые сигналы могли проходить через них на 100 км (60 миль) или больше без повторителей.В 2009 году Као был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы. Пластиковые волокна, обычно сделанные из полиметилметакрилата, полистирола или поликарбоната, дешевле в производстве и более гибкие, чем стеклянные волокна, но их большее ослабление света ограничивает их использование гораздо более короткими звеньями в зданиях или автомобилях.

Волокна толщиной с волос, используемые в волоконной оптике.

© Kitch Bain / Shutterstock.com

Оптическая связь обычно осуществляется с помощью инфракрасного света в диапазоне длин волн 0.8–0,9 мкм или 1,3–1,6 мкм — длины волн, которые эффективно генерируются светоизлучающими диодами или полупроводниковыми лазерами и которые имеют наименьшее затухание в стеклянных волокнах. Осмотр фиброскопом в эндоскопии или в промышленности проводится в видимом диапазоне длин волн, при этом один пучок волокон используется для освещения исследуемой области светом, а другой пучок служит удлиненной линзой для передачи изображения в человеческий глаз или видеокамеру.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишись сейчас

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 января 2021 г.

Римляне, должно быть, были особенно
Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад. Наконец они
у них был простой способ переносить воду из одного места в другое.
Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые
может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть
второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен.Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию,
Волоконная оптика пишется «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, она всегда
стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному.
Когда мы говорим по стационарному телефону,
проводной кабель несет
звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель
берет на местную телефонную станцию.Мобильные телефоны работают иначе
способ: они отправляют и получают информацию, используя невидимые
радиоволны — а
Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика
работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче
света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан
для эндоскопов в
1950-х годов, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости
сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать
та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света
(обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме,
но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая технология

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено
ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил.
из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь всего два
прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше
в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков,
Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.Текущий рекорд для «одномодового» волокна (поясняется ниже):
178 терабит (триллионов бит) в секунду — этого достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom.
(по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя
полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотели отправить
информация с вашего компьютера на
дом друга по улице
с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который
преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию
световые импульсы.Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю.
После прохождения по кабелю световые лучи выходили на
другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный
компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию
его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет
как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который вы можете
Сделайте из двух банок для запеченных бобов и отрезка веревки!

Как работает оптоволокно

На фото: волоконно-оптические кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА.
(НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по
многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света)
прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь
может ожидать луч света,
путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но
если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он
снова отражается внутрь — как если бы стекло на самом деле было зеркалом. Этот
явление называется полным внутренним отражением.
Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура
кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть
кабель — в середине — называется сердечником , и это бит
свет проходит сквозь.На внешней стороне ядра обернут еще один
слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить
световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из
различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка
имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах .
Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать:
мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим
чтобы пройти прямо посередине волокна. Другой —
отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание
вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Иллюстрации: Вверху: свет по-разному распространяется в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как кевлар®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовым .
Он имеет очень тонкую сердцевину около 5-10 микрон (миллионных долей).
метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят
прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в
диаграмму). Кабельное ТВ,
Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым
волокна, свернутые в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять
информация на расстояние более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля
называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в
многомодовый кабель о
10 раз
больше одного в одномодовом кабеле.
Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя
Разновидность
разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в
несколько разных режимов.
Многорежимные кабели могут отправлять только информацию
на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для
соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте под названием гастроскоп
(разновидность эндоскопа),
врачи протыкают кому-то горло, чтобы обнаружить внутри него болезни
их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из
многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть
окуляр и
напольная лампа. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в
живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается
стенки желудка в линзу
внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть
кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же
способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть
промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать
исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете
двигатели.

Применение для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной
партийный трюк, и вы можете не подумать, что у этого есть много практических применений
что-то такое. Но так же, как электричество может дать энергию
типы машин, лучи света могут нести многие типы
информация — так что они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем
насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что
лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко
под офисными этажами и улицами города. Технологии, использующие
это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и
военная техника (чтобы назвать всего четыре) — делаю это совершенно незаметно.

Фото: Работа с волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено
ВВС США.

Компьютерные сети

Оптоволоконные кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, поскольку
у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

  • Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
  • Без помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
  • Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы сейчас читаете эти слова благодаря
Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой
как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных
соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается
развернуть быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас).Нажав на
ссылку на поисковую систему, вы загрузили эту веб-страницу из моей сети
сервер и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше
волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный
широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый
раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только
последний этап информационного пути (так называемый «последний
миля «от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома
или квартира) подразумевает старомодные провода.Это оптоволоконные кабели,
не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под
наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже
глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе
Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная
паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели;
по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают
более 99 процентов от общего пробега Интернета,
и переносят более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди получают доступ в Интернет, тем
больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из
широкополосный Интернет сделал возможным феномен облачных вычислений
(где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн
вместо домашнего или служебного ПК в собственном помещении). В
примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно
В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует
обычные телефонные линии) сделают это гораздо более обычным для
люди занимаются такими вещами, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, а не смотрят
транслировать ТВ или брать напрокат DVD.С большей пропускной способностью волокна и быстрее
связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты
наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные
течет по оптоволоконным линиям. Компьютеры когда-то были подключены к
на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по меди
Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели
метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны,
надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать
офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для
компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить)
или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные
компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое
звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого
сеть (оптические волокна ожидают включения).

Интернет был продуман так, чтобы
вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением
компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же
вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype).
Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеянию
медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние
теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х годов было уложено огромное количество волокна; оценки сильно разнятся, но считается, что общая мировая длина составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, хотя используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от трети до половины темного волокна.

Фото: Оптоволоконные сети дороги в строительстве (в основном потому, что рыть улицы стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают гораздо больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и
Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было
технически довольно просто стрелять электромагнитными волнами по воздуху
от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью
ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от
с 1950-х годов, первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.По мере того, как все больше и больше людей подключаются к кабелю и сетям,
больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли
необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптические волокна и с
аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые
уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году,
Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может
несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен
тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда
мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано
когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо гораздо большей емкости, оптический
волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок
и звук) качество; они нуждаются в меньшем усилении для усиления сигналов, поэтому
они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже
эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать
большинство из нас смотрят телевизор, возможно, через
такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), в которых используется
Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в
подавать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон
линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей,
в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель.
кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться
внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными
применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня,
гастроскопы (как их еще называют) так же важны, как и
когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы
медицинское сканирование и диагностика.

Одной из последних разработок называется лаборатория на
волокно
, и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с
встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон
аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше
относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они
работай? Через них проходит свет от лампы или лазера, через деталь.
тела, который доктор хочет изучить. Когда свет проникает сквозь
волокна, тело пациента изменяет свои свойства в определенных
способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света,
возможно).Измеряя изменение света (используя методы
например, интерферометрия),
инструмент, прикрепленный к другому концу
волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента
работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток,
или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами,
вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это
Тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы его воспринимать или измерять.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) есть инфракрасная оптоволоконная камера, установленная в носу, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено
Армия США.

Легко изобразить пользователей Интернета, связанных
вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно
что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом.
Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие,
устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные
способы подключения военных баз и других объектов, таких как
стартовые позиции ракет и радиолокационные станции.Поскольку они не
переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные
излучение, которое может обнаружить враг, и они устойчивы к
электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника
атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна.
кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих
медь металлическая. Танки, военные самолеты и
вертолеты есть все
постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично
речь идет о сокращении затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят почти 90
процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но
это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей
на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты
им против ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы
к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

  • 1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон
    (1802–1893) обнаружил, что может светить светом через водопроводную трубу. Вода несла свет
    внутреннее отражение.
  • 1870: Ирландский физик Джон Тиндалл.
    (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он посветил в
    кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина,
    свет изогнулся, следуя за водой. Эта идея «изгиба»
    свет »- это именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon
    Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
  • 1930-е годы: Heinrich Lamm и Walter Gerlach , два
    Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа —
    инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
  • 1950-е: в Лондоне, Англия, индийский физик.
    Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик
    Гарольд Хопкинс (1918–1994)
    удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон.
    После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию
    «отец волоконной оптики».
  • 1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
  • 1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был удостоен награды
    Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
  • 1960-е годы: исследователи из Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный нести
    телефонные сигналы.
  • ~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы намного дальше (с меньшими потерями), что побудило
    разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
  • 1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
  • 1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
  • 2020: Согласно TeleGeography, в настоящее время существует около 406 подводных волоконно-оптических кабелей.
    (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности
    1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль).
    Это больше, чем в 2019 году, когда было 378 кабелей, хотя общее пройденное расстояние, по-видимому, осталось прежним.

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 января 2021 г.

Римляне, должно быть, были особенно
Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад. Наконец они
у них был простой способ переносить воду из одного места в другое.
Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые
может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть
второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен.Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию,
Волоконная оптика пишется «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, она всегда
стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному.
Когда мы говорим по стационарному телефону,
проводной кабель несет
звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель
берет на местную телефонную станцию.Мобильные телефоны работают иначе
способ: они отправляют и получают информацию, используя невидимые
радиоволны — а
Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика
работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче
света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан
для эндоскопов в
1950-х годов, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости
сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать
та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света
(обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме,
но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая технология

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено
ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил.
из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь всего два
прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше
в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков,
Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.Текущий рекорд для «одномодового» волокна (поясняется ниже):
178 терабит (триллионов бит) в секунду — этого достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom.
(по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя
полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотели отправить
информация с вашего компьютера на
дом друга по улице
с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который
преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию
световые импульсы.Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю.
После прохождения по кабелю световые лучи выходили на
другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный
компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию
его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет
как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который вы можете
Сделайте из двух банок для запеченных бобов и отрезка веревки!

Как работает оптоволокно

На фото: волоконно-оптические кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА.
(НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по
многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света)
прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь
может ожидать луч света,
путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но
если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он
снова отражается внутрь — как если бы стекло на самом деле было зеркалом. Этот
явление называется полным внутренним отражением.
Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура
кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть
кабель — в середине — называется сердечником , и это бит
свет проходит сквозь.На внешней стороне ядра обернут еще один
слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить
световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из
различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка
имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах .
Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать:
мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим
чтобы пройти прямо посередине волокна. Другой —
отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание
вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Иллюстрации: Вверху: свет по-разному распространяется в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как кевлар®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовым .
Он имеет очень тонкую сердцевину около 5-10 микрон (миллионных долей).
метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят
прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в
диаграмму). Кабельное ТВ,
Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым
волокна, свернутые в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять
информация на расстояние более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля
называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в
многомодовый кабель о
10 раз
больше одного в одномодовом кабеле.
Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя
Разновидность
разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в
несколько разных режимов.
Многорежимные кабели могут отправлять только информацию
на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для
соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте под названием гастроскоп
(разновидность эндоскопа),
врачи протыкают кому-то горло, чтобы обнаружить внутри него болезни
их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из
многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть
окуляр и
напольная лампа. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в
живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается
стенки желудка в линзу
внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть
кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же
способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть
промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать
исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете
двигатели.

Применение для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной
партийный трюк, и вы можете не подумать, что у этого есть много практических применений
что-то такое. Но так же, как электричество может дать энергию
типы машин, лучи света могут нести многие типы
информация — так что они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем
насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что
лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко
под офисными этажами и улицами города. Технологии, использующие
это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и
военная техника (чтобы назвать всего четыре) — делаю это совершенно незаметно.

Фото: Работа с волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено
ВВС США.

Компьютерные сети

Оптоволоконные кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, поскольку
у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

  • Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
  • Без помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
  • Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы сейчас читаете эти слова благодаря
Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой
как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных
соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается
развернуть быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас).Нажав на
ссылку на поисковую систему, вы загрузили эту веб-страницу из моей сети
сервер и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше
волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный
широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый
раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только
последний этап информационного пути (так называемый «последний
миля «от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома
или квартира) подразумевает старомодные провода.Это оптоволоконные кабели,
не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под
наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже
глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе
Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная
паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели;
по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают
более 99 процентов от общего пробега Интернета,
и переносят более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди получают доступ в Интернет, тем
больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из
широкополосный Интернет сделал возможным феномен облачных вычислений
(где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн
вместо домашнего или служебного ПК в собственном помещении). В
примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно
В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует
обычные телефонные линии) сделают это гораздо более обычным для
люди занимаются такими вещами, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, а не смотрят
транслировать ТВ или брать напрокат DVD.С большей пропускной способностью волокна и быстрее
связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты
наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные
течет по оптоволоконным линиям. Компьютеры когда-то были подключены к
на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по меди
Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели
метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны,
надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать
офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для
компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить)
или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные
компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое
звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого
сеть (оптические волокна ожидают включения).

Интернет был продуман так, чтобы
вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением
компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же
вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype).
Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеянию
медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние
теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х годов было уложено огромное количество волокна; оценки сильно разнятся, но считается, что общая мировая длина составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, хотя используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от трети до половины темного волокна.

Фото: Оптоволоконные сети дороги в строительстве (в основном потому, что рыть улицы стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают гораздо больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и
Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было
технически довольно просто стрелять электромагнитными волнами по воздуху
от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью
ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от
с 1950-х годов, первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.По мере того, как все больше и больше людей подключаются к кабелю и сетям,
больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли
необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптические волокна и с
аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые
уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году,
Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может
несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен
тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда
мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано
когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо гораздо большей емкости, оптический
волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок
и звук) качество; они нуждаются в меньшем усилении для усиления сигналов, поэтому
они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже
эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать
большинство из нас смотрят телевизор, возможно, через
такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), в которых используется
Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в
подавать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон
линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей,
в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель.
кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться
внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными
применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня,
гастроскопы (как их еще называют) так же важны, как и
когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы
медицинское сканирование и диагностика.

Одной из последних разработок называется лаборатория на
волокно
, и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с
встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон
аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше
относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они
работай? Через них проходит свет от лампы или лазера, через деталь.
тела, который доктор хочет изучить. Когда свет проникает сквозь
волокна, тело пациента изменяет свои свойства в определенных
способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света,
возможно).Измеряя изменение света (используя методы
например, интерферометрия),
инструмент, прикрепленный к другому концу
волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента
работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток,
или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами,
вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это
Тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы его воспринимать или измерять.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) есть инфракрасная оптоволоконная камера, установленная в носу, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено
Армия США.

Легко изобразить пользователей Интернета, связанных
вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно
что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом.
Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие,
устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные
способы подключения военных баз и других объектов, таких как
стартовые позиции ракет и радиолокационные станции.Поскольку они не
переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные
излучение, которое может обнаружить враг, и они устойчивы к
электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника
атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна.
кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих
медь металлическая. Танки, военные самолеты и
вертолеты есть все
постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично
речь идет о сокращении затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят почти 90
процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но
это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей
на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты
им против ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы
к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

  • 1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон
    (1802–1893) обнаружил, что может светить светом через водопроводную трубу. Вода несла свет
    внутреннее отражение.
  • 1870: Ирландский физик Джон Тиндалл.
    (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он посветил в
    кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина,
    свет изогнулся, следуя за водой. Эта идея «изгиба»
    свет »- это именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon
    Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
  • 1930-е годы: Heinrich Lamm и Walter Gerlach , два
    Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа —
    инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
  • 1950-е: в Лондоне, Англия, индийский физик.
    Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик
    Гарольд Хопкинс (1918–1994)
    удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон.
    После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию
    «отец волоконной оптики».
  • 1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
  • 1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был удостоен награды
    Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
  • 1960-е годы: исследователи из Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный нести
    телефонные сигналы.
  • ~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы намного дальше (с меньшими потерями), что побудило
    разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
  • 1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
  • 1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
  • 2020: Согласно TeleGeography, в настоящее время существует около 406 подводных волоконно-оптических кабелей.
    (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности
    1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль).
    Это больше, чем в 2019 году, когда было 378 кабелей, хотя общее пройденное расстояние, по-видимому, осталось прежним.

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 января 2021 г.

Римляне, должно быть, были особенно
Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад. Наконец они
у них был простой способ переносить воду из одного места в другое.
Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые
может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть
второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен.Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию,
Волоконная оптика пишется «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, она всегда
стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному.
Когда мы говорим по стационарному телефону,
проводной кабель несет
звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель
берет на местную телефонную станцию.Мобильные телефоны работают иначе
способ: они отправляют и получают информацию, используя невидимые
радиоволны — а
Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика
работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче
света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан
для эндоскопов в
1950-х годов, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости
сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать
та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света
(обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме,
но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая технология

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено
ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил.
из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь всего два
прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше
в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков,
Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.Текущий рекорд для «одномодового» волокна (поясняется ниже):
178 терабит (триллионов бит) в секунду — этого достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom.
(по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя
полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотели отправить
информация с вашего компьютера на
дом друга по улице
с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который
преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию
световые импульсы.Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю.
После прохождения по кабелю световые лучи выходили на
другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный
компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию
его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет
как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который вы можете
Сделайте из двух банок для запеченных бобов и отрезка веревки!

Как работает оптоволокно

На фото: волоконно-оптические кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА.
(НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по
многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света)
прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь
может ожидать луч света,
путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но
если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он
снова отражается внутрь — как если бы стекло на самом деле было зеркалом. Этот
явление называется полным внутренним отражением.
Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура
кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть
кабель — в середине — называется сердечником , и это бит
свет проходит сквозь.На внешней стороне ядра обернут еще один
слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить
световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из
различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка
имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах .
Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать:
мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим
чтобы пройти прямо посередине волокна. Другой —
отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание
вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Иллюстрации: Вверху: свет по-разному распространяется в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как кевлар®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовым .
Он имеет очень тонкую сердцевину около 5-10 микрон (миллионных долей).
метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят
прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в
диаграмму). Кабельное ТВ,
Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым
волокна, свернутые в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять
информация на расстояние более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля
называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в
многомодовый кабель о
10 раз
больше одного в одномодовом кабеле.
Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя
Разновидность
разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в
несколько разных режимов.
Многорежимные кабели могут отправлять только информацию
на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для
соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте под названием гастроскоп
(разновидность эндоскопа),
врачи протыкают кому-то горло, чтобы обнаружить внутри него болезни
их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из
многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть
окуляр и
напольная лампа. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в
живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается
стенки желудка в линзу
внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть
кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же
способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть
промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать
исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете
двигатели.

Применение для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной
партийный трюк, и вы можете не подумать, что у этого есть много практических применений
что-то такое. Но так же, как электричество может дать энергию
типы машин, лучи света могут нести многие типы
информация — так что они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем
насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что
лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко
под офисными этажами и улицами города. Технологии, использующие
это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и
военная техника (чтобы назвать всего четыре) — делаю это совершенно незаметно.

Фото: Работа с волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено
ВВС США.

Компьютерные сети

Оптоволоконные кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, поскольку
у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

  • Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
  • Без помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
  • Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы сейчас читаете эти слова благодаря
Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой
как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных
соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается
развернуть быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас).Нажав на
ссылку на поисковую систему, вы загрузили эту веб-страницу из моей сети
сервер и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше
волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный
широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый
раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только
последний этап информационного пути (так называемый «последний
миля «от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома
или квартира) подразумевает старомодные провода.Это оптоволоконные кабели,
не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под
наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже
глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе
Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная
паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели;
по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают
более 99 процентов от общего пробега Интернета,
и переносят более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди получают доступ в Интернет, тем
больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из
широкополосный Интернет сделал возможным феномен облачных вычислений
(где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн
вместо домашнего или служебного ПК в собственном помещении). В
примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно
В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует
обычные телефонные линии) сделают это гораздо более обычным для
люди занимаются такими вещами, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, а не смотрят
транслировать ТВ или брать напрокат DVD.С большей пропускной способностью волокна и быстрее
связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты
наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные
течет по оптоволоконным линиям. Компьютеры когда-то были подключены к
на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по меди
Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели
метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны,
надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать
офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для
компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить)
или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные
компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое
звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого
сеть (оптические волокна ожидают включения).

Интернет был продуман так, чтобы
вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением
компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же
вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype).
Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеянию
медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние
теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х годов было уложено огромное количество волокна; оценки сильно разнятся, но считается, что общая мировая длина составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, хотя используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от трети до половины темного волокна.

Фото: Оптоволоконные сети дороги в строительстве (в основном потому, что рыть улицы стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают гораздо больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и
Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было
технически довольно просто стрелять электромагнитными волнами по воздуху
от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью
ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от
с 1950-х годов, первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.По мере того, как все больше и больше людей подключаются к кабелю и сетям,
больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли
необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптические волокна и с
аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые
уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году,
Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может
несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен
тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда
мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано
когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо гораздо большей емкости, оптический
волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок
и звук) качество; они нуждаются в меньшем усилении для усиления сигналов, поэтому
они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже
эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать
большинство из нас смотрят телевизор, возможно, через
такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), в которых используется
Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в
подавать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон
линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей,
в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель.
кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться
внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными
применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня,
гастроскопы (как их еще называют) так же важны, как и
когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы
медицинское сканирование и диагностика.

Одной из последних разработок называется лаборатория на
волокно
, и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с
встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон
аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше
относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они
работай? Через них проходит свет от лампы или лазера, через деталь.
тела, который доктор хочет изучить. Когда свет проникает сквозь
волокна, тело пациента изменяет свои свойства в определенных
способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света,
возможно).Измеряя изменение света (используя методы
например, интерферометрия),
инструмент, прикрепленный к другому концу
волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента
работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток,
или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами,
вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это
Тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы его воспринимать или измерять.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) есть инфракрасная оптоволоконная камера, установленная в носу, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено
Армия США.

Легко изобразить пользователей Интернета, связанных
вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно
что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом.
Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие,
устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные
способы подключения военных баз и других объектов, таких как
стартовые позиции ракет и радиолокационные станции.Поскольку они не
переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные
излучение, которое может обнаружить враг, и они устойчивы к
электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника
атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна.
кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих
медь металлическая. Танки, военные самолеты и
вертолеты есть все
постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично
речь идет о сокращении затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят почти 90
процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но
это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей
на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты
им против ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы
к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

  • 1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон
    (1802–1893) обнаружил, что может светить светом через водопроводную трубу. Вода несла свет
    внутреннее отражение.
  • 1870: Ирландский физик Джон Тиндалл.
    (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он посветил в
    кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина,
    свет изогнулся, следуя за водой. Эта идея «изгиба»
    свет »- это именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon
    Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
  • 1930-е годы: Heinrich Lamm и Walter Gerlach , два
    Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа —
    инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
  • 1950-е: в Лондоне, Англия, индийский физик.
    Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик
    Гарольд Хопкинс (1918–1994)
    удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон.
    После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию
    «отец волоконной оптики».
  • 1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
  • 1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был удостоен награды
    Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
  • 1960-е годы: исследователи из Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный нести
    телефонные сигналы.
  • ~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы намного дальше (с меньшими потерями), что побудило
    разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
  • 1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
  • 1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
  • 2020: Согласно TeleGeography, в настоящее время существует около 406 подводных волоконно-оптических кабелей.
    (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности
    1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль).
    Это больше, чем в 2019 году, когда было 378 кабелей, хотя общее пройденное расстояние, по-видимому, осталось прежним.

Как работает оптоволокно?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 января 2021 г.

Римляне, должно быть, были особенно
Довольные собой в тот день, когда они изобрели свинцовые трубки около 2000 лет назад. Наконец они
у них был простой способ переносить воду из одного места в другое.
Представьте, что бы они сделали из современных оптоволоконных кабелей — «труб», которые
может передавать телефонные звонки и электронную почту по всему миру за седьмую часть
второй!

Фото: Световая труба: волоконная оптика означает направление световых лучей по тонким пластиковым или стеклянным нитям, заставляя их многократно отражаться от стен.Это смоделированное изображение. Обратите внимание, что в некоторых странах, включая Великобританию,
Волоконная оптика пишется «волоконная оптика». Если вы ищете информацию в Интернете, она всегда
стоит поискать оба варианта написания.

Что такое волоконная оптика?

Мы привыкли к тому, что информация путешествует по-разному.
Когда мы говорим по стационарному телефону,
проводной кабель несет
звуки нашего голоса в розетку в стене, где другой кабель
берет на местную телефонную станцию.Мобильные телефоны работают иначе
способ: они отправляют и получают информацию, используя невидимые
радиоволны — а
Технология называется беспроводной, потому что в ней не используются кабели. Волоконная оптика
работает третий способ. Он отправляет информацию, закодированную в луче
света вниз по стеклянной или пластиковой трубе. Первоначально он был разработан
для эндоскопов в
1950-х годов, чтобы помочь врачам заглянуть внутрь человеческого тела без необходимости
сначала разрежьте его. В 1960-х инженеры нашли способ использовать
та же технология для передачи телефонных звонков со скоростью света
(обычно это 186 000 миль или 300 000 км в секунду в вакууме,
но замедляется примерно до двух третей от этой скорости в оптоволоконном кабеле).

Оптическая технология

Фото: Отрезок 144-жильного оптоволоконного кабеля. Каждая прядь сделана из оптически чистого стекла и тоньше человеческого волоса. Изображение Тех. Сержант Брайан Дэвидсон, любезно предоставлено
ВВС США.

Оптоволоконный кабель состоит из невероятно тонких жил.
из стекла или пластика, известного как оптические волокна; один кабель может иметь всего два
прядей или целых несколько сотен. Каждая прядь меньше
в десять раз толщиной с человеческий волос и может принимать около 25000 телефонных звонков,
Таким образом, весь оптоволоконный кабель может легко передать несколько миллионов вызовов.Текущий рекорд для «одномодового» волокна (поясняется ниже):
178 терабит (триллионов бит) в секунду — этого достаточно для 100 миллионов сеансов Zoom.
(по словам эксперта по волокнам Джеффа Хехта)!

Волоконно-оптические кабели передают информацию между двумя местами, используя
полностью оптическая (световая) технология. Предположим, вы хотели отправить
информация с вашего компьютера на
дом друга по улице
с помощью волоконной оптики. Вы можете подключить свой компьютер к лазеру, который
преобразовал бы электрическую информацию из компьютера в серию
световые импульсы.Затем вы запускаете лазер по оптоволоконному кабелю.
После прохождения по кабелю световые лучи выходили на
другой конец. Вашему другу понадобится фотоэлемент (светочувствительный
компонент), чтобы превратить импульсы света обратно в электрическую информацию
его или ее компьютер мог понять. Так что весь аппарат будет
как действительно изящная высокотехнологичная версия телефона, который вы можете
Сделайте из двух банок для запеченных бобов и отрезка веревки!

Как работает оптоволокно

На фото: волоконно-оптические кабели достаточно тонкие, чтобы их можно было изгибать, поэтому световые сигналы проходят внутрь по изогнутым путям.Фотография любезно предоставлена ​​Исследовательским центром Гленна НАСА.
(НАСА-GRC).

Изображение: Полное внутреннее отражение удерживает световые лучи от внутренней части оптоволоконного кабеля.

Свет распространяется по оптоволоконному кабелю по
многократно отскакивая от стен. Каждый крошечный фотон (частица света)
прыгает по трубе, как бобслей, спускающийся по ледяной трассе. Теперь ваша очередь
может ожидать луч света,
путешествовать по прозрачной стеклянной трубе, чтобы просто просочиться через края.Но
если свет падает на стекло под очень малым углом (менее 42 градусов), он
снова отражается внутрь — как если бы стекло на самом деле было зеркалом. Этот
явление называется полным внутренним отражением.
Это одна из вещей, которая сохраняет свет внутри трубы.

Еще одна вещь, которая удерживает свет в трубе, — это структура
кабель, состоящий из двух отдельных частей. Основная часть
кабель — в середине — называется сердечником , и это бит
свет проходит сквозь.На внешней стороне ядра обернут еще один
слой стекла называется облицовкой . Работа облицовки — сохранить
световые сигналы внутри активной зоны. Он может это сделать, потому что он сделан из
различный вид стекла в сердцевине. (Технически облицовка
имеет более низкий показатель преломления.)

Типы волоконно-оптических кабелей

Оптические волокна передают по ним световые сигналы в так называемых режимах .
Звучит технически, но это просто означает разные способы путешествовать:
мода — это просто путь, по которому световой луч следует вниз по волокну.Один режим
чтобы пройти прямо посередине волокна. Другой —
отразите волокно под небольшим углом. Другие режимы включают подпрыгивание
вниз по волокну под другими углами, более или менее крутыми.

Иллюстрации: Вверху: свет по-разному распространяется в одномодовых и многомодовых волокнах. Внизу: внутри типичного одномодового оптоволоконного кабеля (не в масштабе). Тонкая сердцевина окружена оболочкой примерно в десять раз большего диаметра, пластиковым внешним покрытием (примерно в два раза больше диаметра оболочки), некоторыми укрепляющими волокнами из жесткого материала, такого как кевлар®, с внешней защитной оболочкой снаружи.

Самый простой тип оптического волокна называется одномодовым .
Он имеет очень тонкую сердцевину около 5-10 микрон (миллионных долей).
метр) в диаметре. В одномодовом волокне все сигналы проходят
прямо посередине, не отскакивая от краев (желтая линия в
диаграмму). Кабельное ТВ,
Интернет и телефонные сигналы обычно передаются по одномодовым
волокна, свернутые в огромный пучок. Такие кабели могут отправлять
информация на расстояние более 100 км (60 миль).

Другой тип оптоволоконного кабеля
называется многорежимный .Каждое оптическое волокно в
многомодовый кабель о
10 раз
больше одного в одномодовом кабеле.
Это означает, что световые лучи могут проходить через ядро, следуя
Разновидность
разные пути (желтые, оранжевые, синие и голубые линии) — другими словами, в
несколько разных режимов.
Многорежимные кабели могут отправлять только информацию
на относительно короткие расстояния и используются (среди прочего) для
соединить компьютерные сети вместе.

Еще более толстые волокна используются в медицинском инструменте под названием гастроскоп
(разновидность эндоскопа),
врачи протыкают кому-то горло, чтобы обнаружить внутри него болезни
их желудок.Гастроскоп — это толстый оптоволоконный кабель, состоящий из
многих оптических волокон. На верхнем конце гастроскопа есть
окуляр и
напольная лампа. Лампа направляет свой свет на одну часть кабеля в
живот пациента. Когда свет достигает желудка, он отражается
стенки желудка в линзу
внизу кабеля. Затем он возвращается в другую часть
кабель в окуляр врача. Другие типы эндоскопов работают так же
способ и может использоваться для осмотра различных частей тела.Также есть
промышленный вариант инструмента, называемый фиброскопом, который можно использовать
исследовать такие вещи, как недоступные части оборудования в самолете
двигатели.

Применение для волоконной оптики

Стрельба по трубе кажется изящной научной
партийный трюк, и вы можете не подумать, что у этого есть много практических применений
что-то такое. Но так же, как электричество может дать энергию
типы машин, лучи света могут нести многие типы
информация — так что они могут помочь нам во многих отношениях.Мы просто не замечаем
насколько обычными стали оптоволоконные кабели, потому что
лазерные сигналы, которые они несут, мерцают далеко под нашими ногами, глубоко
под офисными этажами и улицами города. Технологии, использующие
это — компьютерные сети, радиовещание, медицинское сканирование и
военная техника (чтобы назвать всего четыре) — делаю это совершенно незаметно.

Фото: Работа с волоконно-оптическими кабелями. Изображение Натанаэля Каллона, любезно предоставлено
ВВС США.

Компьютерные сети

Оптоволоконные кабели в настоящее время являются основным средством передачи информации на большие расстояния, поскольку
у них есть три очень больших преимущества перед медными кабелями старого образца:

  • Меньшее затухание : (потеря сигнала) Информация проходит примерно в 10 раз дальше, прежде чем ей потребуется усиление, что делает оптоволоконные сети более простыми и дешевыми в эксплуатации и обслуживании.
  • Без помех : В отличие от медных кабелей, между оптическими волокнами нет «перекрестных помех» (электромагнитных помех), поэтому они передают информацию более надежно и с лучшим качеством сигнала.
  • Более высокая пропускная способность : Как мы уже видели, оптоволоконные кабели могут передавать гораздо больше данных, чем медные кабели того же диаметра.

Вы сейчас читаете эти слова благодаря
Интернет. Вы наверняка наткнулись на эту страницу с поисковой системой
как Google, который управляет всемирной сетью гигантских центров обработки данных
соединены оптоволоконными кабелями большой емкости (и сейчас пытается
развернуть быстрые оптоволоконные соединения для остальных из нас).Нажав на
ссылку на поисковую систему, вы загрузили эту веб-страницу из моей сети
сервер и мои слова просвистели большую часть пути к вам вниз больше
волоконно-оптические кабели. Действительно, если вы используете быстрый оптоволоконный
широкополосные, оптоволоконные кабели делают почти всю работу каждый
раз вы выходите в интернет. При большинстве высокоскоростных широкополосных подключений только
последний этап информационного пути (так называемый «последний
миля «от оптоволоконного шкафа на вашей улице до вашего дома
или квартира) подразумевает старомодные провода.Это оптоволоконные кабели,
не медные провода, которые теперь несут «лайки» и «твиты» под
наши улицы, через все большее количество сельских районов, и даже
глубоко под океанами, соединяющими континенты. Если вы представите себе
Интернет (и Всемирная паутина, которая использует его) как глобальная
паутина, скрепляющие ее нити — оптоволоконные кабели;
по некоторым оценкам, оптоволоконные кабели покрывают
более 99 процентов от общего пробега Интернета,
и переносят более 99 процентов всего международного коммуникационного трафика.

Чем быстрее люди получают доступ в Интернет, тем
больше они могут — и будут — делать в сети. Прибытие из
широкополосный Интернет сделал возможным феномен облачных вычислений
(где люди хранят и обрабатывают свои данные удаленно, используя онлайн
вместо домашнего или служебного ПК в собственном помещении). В
примерно так же стабильное развертывание широкополосного оптоволокна (обычно
В 5–10 раз быстрее, чем обычный широкополосный DSL, который использует
обычные телефонные линии) сделают это гораздо более обычным для
люди занимаются такими вещами, как потоковое воспроизведение фильмов в Интернете, а не смотрят
транслировать ТВ или брать напрокат DVD.С большей пропускной способностью волокна и быстрее
связи, мы будем отслеживать и контролировать многие другие аспекты
наша жизнь в сети с использованием так называемого Интернета вещей.

Но не только общедоступные интернет-данные
течет по оптоволоконным линиям. Компьютеры когда-то были подключены к
на большие расстояния по телефонным линиям или (на более короткие расстояния) по меди
Кабели Ethernet, но все чаще предпочтительнее оптоволоконные кабели
метод объединения компьютеров в сеть, потому что они очень доступны, безопасны,
надежны и имеют гораздо большую вместимость.Вместо того, чтобы связывать
офисов через общедоступный Интернет, это вполне возможно для
компания для создания собственной оптоволоконной сети (если она может себе это позволить)
или (что более вероятно) купить место в частной оптоволоконной сети. Многие частные
компьютерные сети работают на так называемом темном волокне , которое
звучит немного зловеще, но это просто неиспользованная емкость другого
сеть (оптические волокна ожидают включения).

Интернет был продуман так, чтобы
вид информации для любого использования; это не ограничивается ношением
компьютерные данные.Когда-то по телефонным линиям выходил Интернет, теперь же
вместо этого через оптоволоконный Интернет можно звонить по телефону (и Skype).
Там, где когда-то телефонные звонки направлялись по сложному лоскутному одеянию
медные кабели и микроволновые линии между городами, самые дальние
теперь звонки направляются по оптоволоконным линиям. С 1980-х годов было уложено огромное количество волокна; оценки сильно разнятся, но считается, что общая мировая длина составляет несколько сотен миллионов километров (достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты примерно миллион раз).В середине 2000-х было подсчитано, что до 98 процентов этого количества было неиспользованным «темным волокном»; Сегодня, хотя используется гораздо больше волокон, все еще считается, что большинство сетей содержат от трети до половины темного волокна.

Фото: Оптоволоконные сети дороги в строительстве (в основном потому, что рыть улицы стоит очень дорого). Поскольку затраты на рабочую силу и строительство намного дороже, чем сам кабель, многие сетевые операторы сознательно прокладывают гораздо больше кабеля, чем им нужно в настоящее время.Изображение Криса Уиллиса любезно предоставлено ВВС США.

Радиовещание

Еще в начале 20 века радио и
Телевещание родилось из относительно простой идеи: это было
технически довольно просто стрелять электромагнитными волнами по воздуху
от одного передатчика (на радиостанции) до тысяч антенн в домах людей. В наши дни, когда радио все еще работает в воздухе, мы с такой же вероятностью
ТВ через оптоволоконный кабель.

компании кабельного телевидения первыми перешли от
с 1950-х годов, первоначально использовались коаксиальные кабели (медные кабели с металлической оболочкой, обернутой вокруг них для предотвращения перекрестных помех), по которым передавалось лишь небольшое количество аналоговых телевизионных сигналов.По мере того, как все больше и больше людей подключаются к кабелю и сетям,
больший выбор каналов и программ, кабельные операторы сочли
необходимо перейти с коаксиальных кабелей на оптические волокна и с
аналогово-цифровое вещание. К счастью, ученые
уже выясняли, как это могло быть возможно; еще в 1966 году,
Чарльз Као (и его коллега Джордж Хокхэм) посчитали, доказав, как одиночный оптоволоконный кабель может
несут достаточно данных для нескольких сотен телеканалов (или нескольких сотен
тысяч телефонных звонков).Это был лишь вопрос времени, когда
мир кабельного телевидения обратил на это внимание — и «новаторское достижение» Као было должным образом признано
когда ему была присуждена Нобелевская премия по физике 2009 года.

Помимо гораздо большей емкости, оптический
волокна меньше страдают от помех, поэтому обеспечивают лучший сигнал (рисунок
и звук) качество; они нуждаются в меньшем усилении для усиления сигналов, поэтому
они путешествуют на большие расстояния; и они вообще дороже
эффективный. В будущем оптоволоконный широкополосный доступ может стать
большинство из нас смотрят телевизор, возможно, через
такие системы, как IPTV (телевидение по Интернет-протоколу), в которых используется
Стандартный способ передачи данных в Интернете («коммутация пакетов») в
подавать телепрограммы и фильмы по запросу.Пока медный телефон
линия по-прежнему является основным информационным маршрутом в дома многих людей,
в будущем нашим основным соединением с миром станет высокоскоростной оптоволоконный кабель.
кабель, несущий любую информацию.

Медицина

Медицинские гаджеты, которые могут помочь врачам сориентироваться
внутри наших тел, не разрезая их, были первыми собственными
применение волоконной оптики более полувека назад. Сегодня,
гастроскопы (как их еще называют) так же важны, как и
когда-либо, но волоконная оптика продолжает порождать важные новые формы
медицинское сканирование и диагностика.

Одной из последних разработок называется лаборатория на
волокно
, и включает в себя вставку тонких волоконно-оптических кабелей с
встроенные датчики в тело пациента. Эти виды волокон
аналогичны по масштабу кабелям связи и тоньше
относительно короткие световоды, используемые в гастроскопах. Как они
работай? Через них проходит свет от лампы или лазера, через деталь.
тела, который доктор хочет изучить. Когда свет проникает сквозь
волокна, тело пациента изменяет свои свойства в определенных
способ (очень незначительное изменение интенсивности или длины волны света,
возможно).Измеряя изменение света (используя методы
например, интерферометрия),
инструмент, прикрепленный к другому концу
волокно может измерить некоторые важные аспекты того, как тело пациента
работает, например, их температура, артериальное давление, pH клеток,
или наличие лекарств в их кровотоке. Другими словами,
вместо того, чтобы просто использовать свет, чтобы заглянуть внутрь тела пациента, это
Тип оптоволоконного кабеля использует свет, чтобы его воспринимать или измерять.

Военный

Фото: Волоконная оптика на поле боя.У этой усовершенствованной оптоволоконной управляемой ракеты (EFOG-M) есть инфракрасная оптоволоконная камера, установленная в носу, чтобы стрелок, стреляющий по ней, мог видеть, куда она движется. Изображение любезно предоставлено
Армия США.

Легко изобразить пользователей Интернета, связанных
вместе гигантскими паутинами оптоволоконных кабелей; это гораздо менее очевидно
что высокотехнологичные вооруженные силы мира связаны таким же образом.
Волоконно-оптические кабели недорогие, тонкие, легкие, емкие,
устойчивы к атакам и чрезвычайно безопасны, поэтому они предлагают идеальные
способы подключения военных баз и других объектов, таких как
стартовые позиции ракет и радиолокационные станции.Поскольку они не
переносят электрические сигналы, они не излучают электромагнитные
излучение, которое может обнаружить враг, и они устойчивы к
электромагнитные помехи (в том числе систематическое «глушение» противника
атаки). Еще одно преимущество — относительно легкий вес волокна.
кабели по сравнению с традиционными проводами из громоздких и дорогих
медь металлическая. Танки, военные самолеты и
вертолеты есть все
постепенно переходят с металлических кабелей на оптоволоконные. Частично
речь идет о сокращении затрат и экономии веса (оптоволоконные кабели весят почти 90
процентов меньше, чем у сопоставимых медных кабелей типа «витая пара»).Но
это также повышает надежность; например, в отличие от традиционных кабелей
на самолете, которые должны быть тщательно экранированы (изолированы) для защиты
им против ударов молнии, оптические волокна полностью невосприимчивы
к такой проблеме.

Кто изобрел волоконную оптику?

  • 1840-е годы: швейцарский физик Даниэль Колладон
    (1802–1893) обнаружил, что может светить светом через водопроводную трубу. Вода несла свет
    внутреннее отражение.
  • 1870: Ирландский физик Джон Тиндалл.
    (1820–1893) продемонстрировал внутреннюю рефлексию в Лондонском Королевском обществе.Он посветил в
    кувшин с водой. Когда он налил немного воды из кувшина,
    свет изогнулся, следуя за водой. Эта идея «изгиба»
    свет »- это именно то, что происходит в волоконной оптике. Хотя Colladon
    Истинный дедушка волоконной оптики, Тиндаль часто заслуживает уважения.
  • 1930-е годы: Heinrich Lamm и Walter Gerlach , два
    Немецкие студенты пытались использовать световые трубки для изготовления гастроскопа —
    инструмент для заглядывания в чей-то желудок.
  • 1950-е: в Лондоне, Англия, индийский физик.
    Нариндер Капани (1926–2021) и британский физик
    Гарольд Хопкинс (1918–1994)
    удалось отправить простую картинку по световой трубе, сделанной из тысяч стеклянных волокон.
    После публикации множества научных работ Капани заработал репутацию
    «отец волоконной оптики».
  • 1957: Трое американских ученых из Мичиганского университета, Лоуренс Кертисс , Бэзил Хиршовиц и Уилбур Петерс, успешно использовали волоконно-оптическую технологию для создания первого в мире гастроскопа.
  • 1960-е годы: американский физик китайского происхождения Чарльз Као (1933–2018) и его коллега Джордж Хокхэм осознали, что нечистое стекло бесполезно для волоконной оптики дальнего действия. Као предположил, что оптоволоконный кабель, сделанный из очень чистого стекла, сможет передавать телефонные сигналы на гораздо большие расстояния, и был удостоен награды
    Нобелевская премия по физике 2009 г. за это новаторское открытие.
  • 1960-е годы: исследователи из Corning Glass Company создали первый оптоволоконный кабель, способный нести
    телефонные сигналы.
  • ~ 1970: Дональд Кек и его коллеги из Corning нашли способы посылать сигналы намного дальше (с меньшими потерями), что побудило
    разработка первых оптических волокон с низкими потерями.
  • 1977: Первый оптоволоконный телефонный кабель был проложен между Лонг-Бич и Артезией, Калифорния.
  • 1988: Первый трансатлантический оптоволоконный телефонный кабель TAT8 был проложен между США, Францией и Великобританией.
  • 2020: Согласно TeleGeography, в настоящее время существует около 406 подводных волоконно-оптических кабелей.
    (несущие коммуникации под мировым океаном), протяженностью в общей сложности
    1.2 миллиона км (0,7 миллиона миль).
    Это больше, чем в 2019 году, когда было 378 кабелей, хотя общее пройденное расстояние, по-видимому, осталось прежним.

.