Tip:
Highlight text to annotate it
X
Kable światłowodowe
Jak działają i jak przesyłane są nimi sygnały.
Seria 3-cia filmików engineerguy\'a
Znalazłem ten fascynujący przedmiot: To jest kabel światłowodowy dla sygnału stereo.
Jeśli oświetle jeden z jego końców wskaźnikiem laserowym, to na drugim pojawi się światło.
Te kable są dziś używane do łączenia się ze światem,
i są zdolne transmitować informacje poprzez kraje i oceany.
Lecz najpierw pozwólcie, że pokażę wam jak to działa.
Mam wiaderko, do którego przymocowałem z przodu małe okienko.
A z drugiej strony przymocowałem korek do otworu.
Mam butelkę glikolu propylenowego.
A to jest podpórka.
No i oczywiście wskaźnik laserowy.
Patrzcie się na korek kiedy włączę światło.
To cudowne.
Światło podąża wewnątrz cieczy całą drogę.
Niesamowite.
Dzieje się tak ponieważ zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie.
Kiedy światło przenika do wnętrza strumienia, pozostaje tam. Jest ono odbijane za każdym razem
kiedy zetknie się z miejscem na granicy powietrza i cieczy.
Tutaj możecie zobaczyś pierwsze odbicie, tu drugie, a tu trzecie.
Dzieje się tak, ponieważ występuje różnica pomiędzy współczynnikiem załamania przewodnika.
W tym wypadku glikolu propylenowego
oraz
powietrza.
Przypominam, że światło za każdym razem podczas zetknięcia z powierzchnią może być
pochłonięte przez materiał,
od którego się odbija,
może się też dostać do jego wnętrza.
To nazywamy odbiciem.
Łatwiej to dostrzec z góry.
Odbicie i załamanie mogą wystąpić w tym samym momęcie,
ale jeśli promień śwaitła uderzy o powierzchnię o kącie większym niż kąt krytyczny,
będzie kompletnie odbite, a nie załamane.
Dla glikolu propylenowego i powietrza, tak długo jak
promień uderza powierzchnię pod kątem większym niż 44.35 stopni
będzie odbijany i będzie się rozprzestrzeniał
wzdłuż strumienia dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.
Żeby uzyskać ten sam efekt przy swiatłowodzie, wkłada się do niego rdzeń, zazwyczj z czystego dwutlenku krzemu,
a na zewnątrz warstwę nazywaną \"okładziną\",
która zazwyczaj również zrobiona się z dwutlenku krzemu,
ale z mieszanką boru lub germanu, aby zmniejszyć współczynnik załamania.
Wystarczy różnica o wysokości jednego procenta, aby kabel mógł sprawnie działać.
Żeby zrobić taki długi i cienki kawałek szkła, podgrzewa się go i zmienia kształt pod wpływem temperatury.
Środek światłowodu to czyste szkło, zewnętrzna warstwa to okładzina.
Ale żeby tego dokonać, trzeba przeciągnąć włókno przez długą drogę
z prędkością 1600m na minutę.
Normalnie te urządzenia mają wysokość kilku pięter.
Wysokość pozawala ochłodzić się włóknu, zanim zostanie ostatecznie ukształtowane.
Jednym z największych osiągnieć inżynierii było
przeciągniecie światłowodów pod oceanem.
Te światłowody nazywane są TAT-8. Zaczynają swoją drogę w Tuckerton (New Jersey),
potem przechodzą pod podłożem oceanu na długości 5600km, by potem znów rozgałęzić się na powierzchnie
i dotrzeć do Widemouth (Anglia) i Penmarch (Francja).
Te światłowody zostały zaprojektowane z więlką ostrożnością, aby mogły przetrwać warunku panujące pod poziomem oceanu.
W jego centrum znajduje się rdzeń.
Na powierzchni o wielkości mniej niż jedna dziesiątej cala, znajduje się sześć światłowodów
owiniętych wokół stalowego rdzenia.
Osadzone są one w elastomerze, aby amortyzować kable;
otoczono je stalowymi nićmi, a potem zamknięto
w środku miedzianego cylindra, by ochronić je przed wodą.
Ostatnia osłona ma mniej niż cal średnicy.
Ten światłowód jest w stanie uchwycić 40,000 różnych połączeń telefonicznych.
Sposób w jaki przesyłane są infomracje wewnątrz światłwodu jest bardzo prosty.
Nadam sygnał do kogoś na drugim końcu,
a użyjemy do tego Alfabetu Morse\'a.
Poprostu blokuje laser, więc osoba na końcu widzi
miganie, czyli naszą wiadomość.
Aby przetransmitować syganał analogowy taki jak głos z telefonu, używa się PCM (Pulse Code Modulation).
Syganł analogowy zostaje podzielony na sekcje,
a następnie dostrajamy głośnośś fali albo jej amplitudę najlepiej jak to możliwe.
Chcemy tu przesłać cyfrowy sygnał,
który zawiera różne wartości głośności a nie tylko jedną.
Dla przykładu użyję czterech bitów.
Dzięki temu mam szesnaście różnych kominacji głośności.
Wiec pierwsze cztery sekcje sygnału będą wynosić
w przybliżeniu 10, 12, 14 oraz 15.
Potem przetwarza się amplitudę każdej z sekcji na jedynki i zera.
Pierwsza wartość będzie wynosiła 1-0-1-0.
Robi się tak jeszcze Z pozostałymi sekcjami.
Więc, zamiast patrzeć na sygnał jako zielone fale
i niebieskie poprzeczki,
spójrzmy na niego jako seria
jedynek oraz zer rozłożonych w czasie.
To jest sekwencja, którą przesyłamy światłowodami.
Jedynka to mignięcie, a zero nie.
Oczywiście, dokładna metoda kodowania jest znana przy odbiorze,
więc jest bardzo łatwo odczytać sygnał.
Możecie sie zastanawiać, jak to się dzieje, że błyski światła wędrują na odległość blisko 6400km
pod oceanem.
Nie udałoby się to bez odrobiny wsparcia, ponieważ światło uciekłoby na zwenątrz światłowodu.
Spójrzcie ponownie na strumień glikolu.
Widać tu jak światło zostaje stopniowo wytłumione.
W wiadrze możecie dostrzec wąską wiązkę światła,
która rozszerza się trochę, kiedy wejdzie w kontakt ze strumieniem.
Po pierwszym odiciu świało staję się węższe.
Dzieje się tak ponieważ powierzchnia płynu stykającego się z powietrzem jest nierówna
i promień, który tworzy wiązkę odbija się pod różnymi kątami.
Kiedy wiązka odbija się po raz drugi, poszczególne promienie rozchodzą się jeszcze bardziej,
a kiedy odbiją się po raz trzeci,
nie są już nachylone pod odpowiednim kątem i mogą przedostać się na zewnątrz strumienia.
Tutaj dzieje się to na odległości kilku centymetrów,
ale w kablach takich jak TAT-8, sygnał może spokojenie przebyć
50 kilometrów, zanim będzie musiał być wzmocniony.
Absolutnie niesamowite.
Nazwyam się Bill Hammack i jestem inżynierem.