Со скоростью света

Что же это такое – оптоволокно? Представляете себе обычный кабель, который, скорее всего, протянут у вас в квартире и раздает Интернет всем устройствам? Это фундамент, главный кит Wi-Fi-царства в доме. Он может быть оптоволоконным и обычным медным. При взгляде со стороны они ничем не отличаются – просто провода, тянущиеся из подъезда к модему или Wi-Fi-роутеру. Все самое интересное скрывается внутри.

В обычном по медному проводнику движется поток электронов. Данные, которые они передают, закодированы в виде нулей и единиц. 1 – электрон прошел и сигнал передан, 0 – нет. Чем чаще единицы и нули сменяют друг друга, тем выше скорость и стабильнее передача данных. В оптоволокне схема та же, но соло-партия на этой сцене принадлежит фотонам, частицам света, которые движутся по светопроводящему проводнику. Сразу возникает вопрос: как луч света может двигаться по кабелю, не преломляясь и не разрывая сигнал? Провод же не прямой, а изогнутый, а значит, свет должен преломляться! Все дело в особенном устройстве оптоволокна – пучки света внутри него движутся постоянно, потому что отражаются. Самый простой способ устроить отражение – облачить все внутренние поверхности в зеркала. Но в оптоволокне отражение достигается без микрозеркал, а с помощью двух сред с разными оптическими свойствами. Самый понятный пример из быта – аквариум. Если направить на него луч света, он пройдет через стекло и воду и не преломится, поскольку у воды и стекла разные оптические свойства. В случае с оптоволокном две разных среды – это два слоя стекла.

И снова вопрос – как кабель может быть из стекла, ведь оно ломается и крошится, а провод должен быть прочным и гибким? Чтобы сделать оптоволокно таким, стекло нагревают при высокой температуре и вытягивают из него нить – такую тонкую, гибкую и пластичную, что при попытке ее сломать она изменит форму, как пластилин, но останется целой.

Промышленное производство таких нитей (волокон) и правда очень сложный процесс, требующий точности и внимательности. На стеклянных заводах, где создают оптоволокно, два слоя кварцевого стекла заливают в специальную установку. Оба слоя стекают вниз, вытягиваясь в эту самую нить. По дороге она проходит сканер, измеряющий ее диаметр, камеру охлаждения и ванную с полимером. На выходе получаются километры кварцевых нитей – тонких и крепких. Каждая из них окрашивается в разный цвет – это нужно, чтобы в случае поломки мастер понимал, какие нити надо сваривать. Из пучков нитей плетут основу для кабеля, снаружи обрамляя ее в толстую полиэтиленовую кожу. И вот стеклянная нить уже стала похожей на обычный провод.

Изготовление преформ для оптического волокна, coherent.com1. Печь, где плавят преформу. aflglobal.com. 2. Преформа вытягивается, а нить, которая уходит дальше, и есть оптическое волокно. popsci.com. 3. Сканер, измеряющий толщину нити. Если приглядитесь, то увидите тончайшее волокно. thorlabs.com

В итоге мы имеем прочный и мощный оптоволоконный кабель. Чтобы защитить его от механических повреждений, линии связи прокладывают под землей, в канализациях, а иногда – на дне моря (если нужно провести линию связи между странами или континентами). Но оптоволоконные технологии применимы не только в интернет- и телекоммуникациях. Их также используют в нефте- и газопроводах, чтобы фиксировать звуковые вибрации (их наличие может говорить о возможной аварии или вмешательстве), оно помогает и биологам – изучать поведение дельфинов, китов и касаток. Датчики отслеживают звуковые сигналы, которыми обмениваются животные, и фиксируют их. А в медицине «оптику» используют как световод – тонкий и гибкий кабель позволяет заглянуть в труднодоступные места: например, исследовать кровеносные сосуды, легкие или другие органы человека.

etu.ru

Олег Маркелов, к. т. н., руководитель направления «Перспективные беспроводные технологии», зам. декана ФРТ по научной работе, СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

– Сигнал в оптоволокно заводится с помощью лазера, а снимается фотодетектором – устройством, которое принимает оптический сигнал. В пользовательских гаджетах используются электрические сигналы, поэтому непосредственно оптическую линию «напрямую» подключить невозможно. Фактически, лазер и является устройством перевода электрического сигнала в оптический, а фотодетектор – в обратную сторону. Интернет-провайдеры, которые предоставляют услуги доступа к сети по оптическим линиям связи, устанавливают у каждого абонента такой преобразователь, который зачастую сейчас совмещен с Wi-Fi, и пользователь получает сигнал из оптического кабеля на свое устройство сразу «по воздуху».

Главные преимущества оптоволокна – скорость и надежность передачи данных, из существующих способов передачи информации оптоволокно обеспечивает наибольшую скорость передачи данных в десятки гигабит в секунду, а на магистральных линиях – сотни. Искажения и помехи можно внести в оптический сигнал только путем непосредственного подключения к линии связи и никаким другим способом, что обеспечивает высокую защищенность передаваемой информации. В силу малого затухания в оптоволокне возможна передача сигнала на большие расстояния, тогда как по витой паре шестой категории более 100 м произойдет потеря сигнала. Главный недостаток по сравнению с классическими медными витыми парами – хрупкость и невозможность обеспечить острые углы при прокладке кабеля, таким образом создание оптоволоконной трассы становится непростой задачей.

Пучок оптоволокна, carbon.co.jp

Однако не нужно думать, что оптоволокно – это идеальный вариант. Недостатки у него тоже есть. Во-первых, оно все-таки может ломаться, мало ли, бездомный кот перегрыз. И если медную витую пару восстановить просто, то для реставрации оптического кабеля нужны высококвалифицированный монтажник и хорошее оборудование. Нельзя просто сварить кабель обратно в месте разрыва – нужно соединить каждое волокно отдельно. Сделать это обычной сварочной машинкой не получится – фотоны будут выходить наружу. Поэтому мастера используют электрический сварочный аппарат и компьютер, который четко следит за тем, чтобы каждая нить нашла свою половинку. Во-вторых, оптоволокно дороже и сложнее в эксплуатации, так как для установки потребуются специальный оптический терминал, модем, адаптеры. Ну, и, в-третьих, многие устройства (ноутбуки, роутеры и т. д.) ограничены пропускной способностью и даже при очень высокой скорости в самом кабеле сигнал будет замедляться при попадании в гаджет, и особой разницы вы не почувствуете. Впрочем, полностью оптоволоконные сети в квартирах пока редкость – не каждый жилой дом к ним подключен, особенно в исторических районах. И хотя за оптоволокном, может быть, и правда будущее, сейчас мы еще ограничены настоящим.