Engineerguy - Jak fungují optické kabely?

Optické kabely Tahle věc je fascinující. Je to optický kabel ke stereu. Když posvítím laserem do kabelu, paprsek vyletí druhou stranou. Tyto kabely se v dnešním světě používají všude. Přenášejí informace mezi státy a přes oceány. Nejdřív vám ukážu, jak to funguje. Vzal jsem kýbl, vepředu vytvořil okénko a na druhé straně jsem vytvořil dírku se špuntem.

Toto je propylenglykol se zhušťovadlem. Mám tu držák a laserové ukazovátko. Dívejte se na zátku. Zhasnu tu. Tohle je nádherné. Světlo tekutinou prochází až dolů do kýble. Úžasné.

Děje se to díky totálnímu odrazu. Když světlo vstoupí do proudu, je odráženo, kdykoliv narazí na rozhraní tekutiny a vzduchu. Tady vidíte první odraz, tady druhý a tady třetí. Je to dáno rozdílným indexem lomu vodícího materiálu, zde propylenglykolu, a vnějšího vzduchu. Kdykoliv světlo narazí na povrch, může být pohlceno, odraženo nebo může projít. Tomu říkáme lom paprsku. Lépe je to vidět z řezu.

Odraz i lom mohou nastat zároveň. Ale pokud paprsek na povrch dopadne pod úhlem, který je větší než kritický, bude celý odražen. Když v tomto propylenglykolovém a vzdušném systému paprsek dopadne pod úhlem větším než 44.35°, měřeno k normále, nastane totální odraz a paprsek putuje po proudu. Aby tento efekt vznikl v optickém kabelu, inženýři vytvořili jádro ze skla, většinou z čistého oxidu křemičitého, a vnější vrstvu zvanou plášť, která je také většinou z oxidu křemičitého, ale která obsahuje příměs boru nebo germania, které sníží index lomu.

Jednoprocentní rozdíl stačí ke správnému fungování vlákna. Dlouhé tenké skleněné vlákno vzniká zahřátím takzvaného prefabrikátu, jehož vnitřek tvoří skleněné jádro a vnějšek plášť. Poté vlákno prohánějí soukolím rychlostí kolem 1 600 m/s. Tato zařízení jsou typicky několik pater vysoká. Tato výška umožní vláknu zchladnout předtím, než se namotá na válec.

Jedním z největších úspěchů byl první transatlantický optický kabel. TAT-8 začínal v Tuckertonu v New Jersey a pak po mořském dně překlenoval vzdálenost 5600 km a končil ve Widemouthu v Anglii a Penmarchu ve Francii. Inženýři vytvořili kabel tak, aby vydržel i na mořském dně. Ve středu leží jádro. V průměru má 2,6 mm a obsahuje 6 optických kabelů, které jsou obtočeny kolem ocelového drátu uprostřed.

Celé to obalili elastomerem, zpevnili dalšími ocelovými dráty a pak umístili do měděného válce, který je chrání před vodou. Výsledný kabel má v průměru jen 2 centimetry, ale dokáže zároveň přenášet 40 tisíc telefonních hovorů. Způsob posílání informací kabelem je snadný. Mohu používat domluvený signál, který se na druhé straně přijme. Třeba morseovku.

Budu paprsek zakrývat a na druhé straně uvidí záblesky a zjistí zprávu. K přenosu analogového signálu, například telefonního hovoru, inženýři používají pulzně kódovou modulaci. Vezmeme analogový signál, rozdělíme ho na menší úseky, a co nejlépe zprůměrujeme vlnovou délku, hlasitost a amplitudu. Chceme digitální signál, takže hlasitost nemůže nabývat jakékoliv hodnoty. Pokud používám 4 bity, mám 16 možností hlasitosti. Takže první 4 části signálu budou přiřazeny k hlasitosti 10, 12, 14 a 15.

Vezmeme každou část a převedeme ji na sérii 1 a 0. První hodnota 10 bude kódována jako 1010. Tohle uděláme pro každou oblast vlny. Takže místo zelené vlny nebo modrých sloupců získáme signál složený z 1 a 0 uspořádaných v čase. Tuto sekvenci pošleme skrz optický kabel. 1 je záblesk, 0 není nic. Metoda kódování je straně příjemce samozřejmě známa, takže její rozkódování je triviální záležitost.

Možná vás muže napadnout, jak může paprsek přeletět 5600 km. Nejde to bez pomoci, protože světlo uniká po stranách kabelu. Podívejme se na náš proud. Takto se v něm světlo utlumuje. V kýblu vidíte tenký paprsek, který je po vstupu do proudu tlustší, a po prvním odrazu je paprsek ještě tlustší. To proto, protože rozhraní se vzduchem je nerovné a proto paprsek dopadá v lehce jiných úhlech.

Když dojde k druhému odrazu, paprsek se rozchází ještě více. Když dojde k třetímu odrazu, mnoho paprsků už není v kritickém úhlu a unikají pryč. Zde se to vše stane na pár centimetrech, ale v optickém kabelu může paprsek cestovat 50 km, než musí být zesílen. To je úžasné. Jsem Bill Hammack, Engineerguy. Překlad: Mithril www.videacesky.cz