Що таке оптичне волокно і як воно побудоване?

Що таке оптичне волокно і як воно побудоване?

Ви читаєте ці слова завдяки Інтернету. Ви, мабуть, потрапили на цю сторінку завдяки пошуковій системі Google, яка керує всесвітньою мережею гігантських центрів обробки даних, з’єднаних між собою високошвидкісними оптоволоконними кабелями. Що дозволило досягти такої високої швидкості передачі даних? Будівництво оптоволоконної мережі, яка з 1990-х років успішно витісняє мідні дроти. Понад 99% даних зараз передається через оптоволокно. Однак високі швидкості слід вважати новинкою, оскільки інтернет по-справжньому розвинувся лише з 1990-х років. Сьогодні ми вже маємо мережу 5G, яка більш ніж у 100 000 разів швидша, ніж кілька десятиліть тому.

Волоконна оптика – це технологія, яка використовується для передачі інформації у вигляді світлових імпульсів через скляні або пластикові волокна на великі відстані. Діаметр оптоволокна приблизно дорівнює діаметру пасма людської волосини, і, будучи об’єднаним у волоконно-оптичний кабель, воно здатне передавати більше даних на більші відстані і швидше, ніж інші засоби зв’язку. Саме ця технологія забезпечує домівки і підприємства оптоволоконним інтернетом, телефоном і телебаченням.

Що таке волоконна оптика, як вона працює і чому вона настільки краща за мідні дроти, які, зрештою, використовувалися до цього понад 100 років?

Що таке оптичне волокно?

Волоконна оптика – це технологія, яка передає інформацію у вигляді світлових імпульсів по скляному або пластиковому волокну. Оптоволокно – це гнучкий, прозорий кабель, виготовлений зі скловолокна та пластику. Оптоволоконний кабель може містити різну кількість цих скляних волокон – від кількох до кількох сотень. Він характеризується властивістю передавати світло між двома своїми кінцями, навіть якщо вони знаходяться на відстані сотень кілометрів один від одного. Волоконна оптика передає сигнали з меншими втратами, ніж звичайні мідні дроти. Волоконно-оптичні кабелі широко використовуються завдяки своїм перевагам над мідними кабелями. Деякі з цих переваг включають вищу пропускну здатність і швидкість передачі даних. Вони також демонструють високу стійкість до електромагнітних перешкод, які є основною проблемою для металевих кабелів. Завдяки своїм властивостям оптичне волокно може передавати величезні обсяги даних, що робить його однією з вершин телекомунікаційної індустрії.

Волоконна оптика використовується у високопродуктивних мережах передачі даних на великі відстані. Вона також широко використовується в телекомунікаційних послугах, таких як Інтернет, телебачення і телефонія.

Ви, безумовно, звикли до ідеї “мандрівки інформації” у різний спосіб. Коли ви говорите про стаціонарний телефон, дротовий кабель передає звук вашого голосу до настінної розетки, звідки інший кабель передає його на місцеву телефонну станцію. Мобільні телефони працюють по-іншому: вони надсилають і отримують інформацію за допомогою невидимих радіохвиль – ця технологія називається бездротовою, оскільки не використовує дроти. Оптоволокно працює по-третє. Воно надсилає інформацію, закодовану в промені світла. Спочатку воно було розроблене для ендоскопів у 1950-х роках, щоб допомогти лікарям зазирнути всередину людського тіла без необхідності його розтину. У 1960-х роках інженери знайшли спосіб використовувати цю технологію для передачі телефонних дзвінків зі швидкістю світла.

Хто винайшов оптоволокно?

• 1840-і роки: швейцарський фізик Даніель Колладон (внутрішнє відбиття світла у потоках води)
• 1930s: Генріх Ламм і Вальтер Герлах, двоє німецьких студентів, намагалися використати волоконну оптику для створення гастроскопа.
• 1950s: В Англії фізик Наріндер Капані та фізик Гарольд Гопкінс зуміли передати просте зображення в оптичне волокно, виготовлене з тисяч скляних волокон. Після публікації багатьох наукових робіт Капані став відомим як “батько волоконної оптики”.
• 1957: Троє американських вчених з Мічиганського університету успішно використали волоконно-оптичну технологію для створення першого в світі гастроскопа.
• 1960: фізики Чарльз Као та Джордж Хокхем зробили проривне відкриття. Као припустив, що оптоволоконний кабель, виготовлений з чистого скла, зможе передавати телефонні сигнали на значно більші відстані, і був удостоєний Нобелівської премії з фізики 2009 року.
• 1960: Вчені компанії Corning Glass Company створили перший оптоволоконний кабель, здатний передавати телефонні сигнали.
• ~1970: Дональд Кек та його колеги з компанії Corning знайшли способи передавати сигнали набагато далі (з меншими втратами), що призвело до розробки перших оптичних волокон.
• 1988: Перший трансатлантичний волоконно-оптичний телефонний кабель TAT8 прокладено між США, Францією та Великою Британією.

Волоконна оптика почала широко використовуватися у 1980-х роках, що дозволило передавати дані на відстані до 100 км. Постійний розвиток технології призвів до збільшення дальності до 1 000 км зі швидкістю 10 Гб/с.

Оптоволоконні та мідні кабелі

Багато років тому кабелі з мідного дроту були одним з основних варіантів у телекомунікаційній, мережевій та кабельній індустрії. З часом, однак, оптичні волокна стали поширеною альтернативою. Більшість міжміських ліній телефонних компаній зараз побудовані з волоконно-оптичних кабелів.

Волоконна оптика передає більше інформації, ніж звичайний мідний дріт, завдяки більшій пропускній здатності та вищим швидкостям. Оскільки скло не проводить електрику, оптичне волокно не піддається різним видам електромагнітних перешкод, а втрати сигналу зводяться до мінімуму.

Переваги волоконної оптики.

• Вони сприяють підвищенню продуктивності.
• Світло може поширюватися далі без необхідності посилення сигналу.
• Вони менш сприйнятливі до перешкод, таких як електромагнітні завади.
• Їх можна занурювати у воду.
• Оптоволоконні кабелі міцніші, тонші та легші, ніж кабелі з мідного дроту.
• Не потребує технічного обслуговування або заміни.

Що робить волоконна оптика?

Волоконно-оптичну мережу недарма порівнюють з мережею доріг. Саме волокно невелике, приблизно такого ж діаметру, як пасмо людського волосся – і рух відбувається у вигляді світла. Оптоволокно передає дані у вигляді світлових частинок або фотонів, які транспортуються по оптоволоконному кабелю. Серцевина і оболонка скловолокна мають різні показники заломлення, які викривляють падаюче світло під певним кутом. Коли світлові сигнали передаються по оптоволоконному кабелю, вони відбиваються від серцевини і оболонки в серії зигзагоподібних віддзеркалень в процесі, який називається повним внутрішнім відбиттям. Завдяки більш щільним шарам скла світлові сигнали не поширюються зі швидкістю світла, а рухаються приблизно на 30% повільніше, ніж світло.

Для людського ока світло здається білим, але насправді складається з багатьох кольорів. Оптоволокно зазвичай виготовляється з чистого діоксиду кремнію (скла) завдяки його властивостям забезпечувати повне внутрішнє заломлення – ефект, що лежить в основі оптоволоконного зв’язку.

Світло рухається вниз по осердю, яке захищене покриттям, що запобігає виходу світла. Завдяки властивостям діоксиду кремнію світло відбивається всередині серцевини, а не виходить назовні, наче від дзеркала. Це може відбуватися навіть під гору, створюючи світлові імпульси, які дозволяють передавати дані всередині оптоволоконного кабелю. Покриття використовується для захисту від пошкоджень і вологи.

Зараз оптоволоконні кабелі можуть підтримувати сигнали зі швидкістю до 10 Гбіт/с. Як правило, зі збільшенням пропускної здатності оптоволоконного кабелю він стає дорожчим.

Як побудоване оптичне волокно?

З чого складається найпростіше оптичне волокно:

• Внутрішній елемент з високим показником заломлення, який називається серцевиною;
• Центральний елемент з нижчим показником заломлення, який називається мантією;
• Зовнішній захисний полімерний шар (поліуретан або ПВХ) називається захисним покриттям.

Для скловолокна діаметр серцевини варіюється в межах 10-600 мікрон, товщина оболонки – 125-630 мікрон. Для POF всі діаметри знаходяться в межах 750-2000 мікрон. Як бачимо, одна з головних відмінностей між скляними і пластиковими оптичними волокнами – це їхній діаметр. Це робить POF простішим в обробці.

Матеріали, що використовуються в даний час на ринку, включають в себе чисте скло, пластик або їх комбінацію. Використання того чи іншого матеріалу буде визначатися такими факторами, як якість та економічність.

Пластикові оптичні волокна (POF) мають перевагу в тому, що вони виготовляються з дешевших матеріалів, ніж скло, і працюють у видимому спектрі. Однак вони мають високі втрати, тому їх застосування обмежується передачею на короткі відстані. Тим не менш, POF широко використовується в медичних і промислових приладах, і в даний час проводяться дослідження щодо використання POF в якості заміни мідних проводів для передачі даних в автомобілях.

Типи оптичних волокон

Існує багато типів оптичних волокон, тобто кабелів, які мають форму пучків з багатьох волокон, з’єднаних між собою. Основні типи розрізняються за способом передачі світлових променів. Світлові сигнали в оптичному волокні передаються в модах. Мода – це шлях, який проходить світловий промінь, коли він рухається по оптичному волокну. У цьому відношенні оптичні волокна поділяються на одномодові та багатомодові.

• Одномодове оптичне волокно – найпоширеніше у світових телекомунікаційних мережах – призначене для передачі світлової енергії по одному шляху на великі відстані. Його серцевина невелика – всього 8 мікрон в діаметрі. Найчастіше використовується в мережах далекого зв’язку. Оскільки він підтримує лише один світловий шлях, існує менша ймовірність перекриття та спотворення сигналу. Найчастіше використовується в телефонних та інтернет-мережах, а також кабельному телебаченні.

• Багатомодове оптичне волокно, з іншого боку, має більшу серцевину діаметром до 62,5 мікрон. Воно призначене для світлових сигналів, які повинні проходити по багатьох різних шляхах одночасно. Серед іншого, вони використовуються для з’єднання комп’ютерних мереж, оскільки можуть обробляти дуже великі обсяги даних у компактний спосіб.

Варто також знати, що існують різні способи створення оптоволоконних мереж. Найшвидші мережі – це FTTH (оптоволокно до будинку) і FTTP (оптоволокно до офісу). Тут оптоволокно прокладається безпосередньо до одержувача і забезпечує найшвидшу швидкість з усіх можливих. Весь зв’язок із зовнішнім світом базується на оптичних волокнах. FTTC, або волокно до вузла, покладається на те, що волокно прокладається до вузла, розташованого поблизу користувачів, які, в свою чергу, підключаються до такого вузла за допомогою традиційних мідних кабелів.

Волоконна оптика не тільки в телекомунікаціях

Телекомунікації – це, звичайно, основна сфера застосування волоконної оптики. Понад 99% світових даних вже передається через оптоволокно. Але це ще не все.

Всього через два роки після того, як було запатентовано першу сучасну волоконну оптику, вона приземлилася на Місяці (основний компонент телевізійних камер, що використовуються NASA). Їх використання навіть тримали в секреті. Донині волоконна оптика також використовується у військовій справі (визначення місцезнаходження ворожих кораблів у складі гідролокаційних систем). Сейсмографи також базуються на волоконній оптиці. Іноді, однак, вони мають і більш приземлене застосування – наприклад, для освітлювальних установок. Більше інформації про застосування див. нижче.

Застосування волоконної оптики

Комп’ютерні мережі

Комп’ютерні мережі – за їхню здатність передавати дані та забезпечувати високу пропускну здатність. Аналогічно, оптичні волокна часто використовуються в електроніці для забезпечення кращого зв’язку та продуктивності.

Інтернет та кабельне телебачення

Інтернет і кабельне телебачення – дві найпоширеніші сфери застосування оптоволокна. Волоконна оптика може бути встановлена для підтримки міжміських з’єднань між комп’ютерними мережами в різних місцях.

Морські райони

Волоконно-оптичні кабелі використовуються в більш незвичних умовах, наприклад, в підводних кабелях, оскільки їх можна занурювати у воду і вони не потребують частої заміни.

Військова та космічна сфера

Військова та космічна галузі також використовують оптоволокно як засіб зв’язку та передачі сигналів, на додаток до можливостей вимірювання температури. Волоконно-оптичні кабелі можуть бути вигідними завдяки своїй меншій вазі та розміру.

Медичні

Волоконна оптика часто використовується в різних медичних інструментах для забезпечення точного освітлення. Біомедичні сенсори також стають все більш доступними, щоб допомогти у проведенні малоінвазивних медичних процедур. Оскільки оптичне волокно не схильне до електромагнітних перешкод, воно ідеально підходить для різних тестів, таких як МРТ-сканування. Інші медичні застосування волоконної оптики включають рентгенівську візуалізацію, ендоскопію, світлову терапію і хірургічну мікроскопію.

У вас є волоконна оптика? Познайомтеся з ITH Net!

Відбувається швидке розширення оптоволоконної мережі, завдяки чому ціна підключення до Інтернету стала набагато дешевшою, ніж раніше. Карта волоконно-оптичної мережі стає щільнішою, а доступність волоконно-оптичного кабелю також зростає. Як окремі користувачі, так і компанії можуть отримати від цього вигоду. ITH Net надає послуги підключення до Інтернету для компаній. Вона пропонує симетричні з’єднання для бізнесу через оптоволоконну мережу. Послуги є ще більш вигідними, оскільки компанія пропонує їх в рамках антикризової пропозиції. До 31 грудня 2022 року ви можете скористатися повною пропозицією всього за 1 фунт стерлінгів. Після цього ви можете вирішити, припинити чи продовжити свої відносини з компанією. Є одна умова – антикризовий щит ITH має бути доступним за місцезнаходженням вашої компанії. Протягом 7 днів після підписання договору відбувається встановлення сервісу ITH Net. На вибір пропонується кілька привабливих пакетів послуг. Інфраструктура ITH базується на оптоволоконній мережі та розподілених вузлах доступу. У Кракові та Варшаві є по два телекомунікаційні вузли, незалежні один від одного. У мережі компанія використовує обладнання таких виробників, як Huawei та Juniper.