Tip:
Highlight text to annotate it
X
Καλώδια οπτικών ινών
Πως δουλεύουν και πως τα χρησιμοποιούν για να στέλνουν σήματα.
3η σειρά βίντεο από τον engineerguy
Αυτό εδώ είναι ένα συναρπαστικό αντικείμενο. Είναι ένα καλώδιο οπτικών ινών για την σύνδεση ενός στερεοφωνικού.
Αν ρίξω μια δέσμη φωτός με το λέϊζερ στο καλώδιο, θα βγει το φως από την άλλη πλευρά.
Αυτά τα καλώδια χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν τον κόσμο μας σήμερα,
και έχουν τη δυνατότητα να μεταδίδουν πληροφορίες ανάμεσα σε χώρες και ωκεανούς,
αλλά αρχικά, αφήστε με να σας δείξω πως δουλεύουν.
Έχω ένα κουβά στον οποίο έχω ανοίξει ένα μικρό παράθυρο εδώ μπροστά.
Και στην άλλη πλευρά, έχω ανοίξει μια τρύπα και έχω τοποθετήσει εκεί μια τάπα.
Έχω ένα μπουκάλι με προπυλενογλυκόλη ανακατεμένη με λίγο από μια άλλη κρεμώδης ουσία.
Ένα μεταλλικό στήριγμα με δακτύλιο
Και φυσικά ένα φακό λέϊζερ.
Τώρα προσέξτε την τάπα, μόλις σβήσω τα φώτα.
Υπέροχο.
Το φως ακολουθεί την ροή του υγρού μέχρι τον κουβά.
Εκπληκτικό.
Αυτό συμβαίνει λόγο της συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης.
Μόλις το φως μπαίνει στην ροή του υγρού αντανακλάται
καθώς πέφτει πάνω στη διεπαφή του υγρού με τον αέρα.
Εδώ μπορείτε να δείτε την πρώτη αντανάκλαση, και μετά τη δεύτερη και την τρίτη.
Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της διαφοράς που υπάρχει μεταξύ του δείκτη διάθλασης του υλικού που οδηγεί το φως
στην περίπτωση μας προπυλενογλυκόλη
και του υλικού που βρίσκεται εκτός
στην περίπτωσή μας ο αέρας.
Θυμηθείτε πως όταν το φως πέφτει σε μια επιφάνεια μπορεί
είτε να αποροφηθεί από το υλικό,
είτε να ανακλαστεί
ή να το διαπεράσει
το τελευταίο το ονομάζουμε διάθλαση.
Είναι πιο εύκολο να το δούμε από πάνω.
Η ανάκλαση και η διάθλαση μπορούν να συμβαίνουν ταυτόχρονα,
αλλά αν μια δέσμη φωτός χτυπήσει την επιφάνεια με γωνία μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία
τότε η δέσμη θα ανακλαστεί τελείως, χωρίς καθόλου διάθλαση.
Στην περίπτωση μας με την προπυλενογλυκόλη και τον αέρα, εφόσον
η δέσμη προσκρούει στην επιφάνεια της προπυλενογλυκόλης με γωνία μεγαλύτερη από 44,35 μοίρες
θα διαδοθεί
κατά μήκος της ροής με απόλυτη εσωτερική αντανάκλαση.
Για να δημιουργήσουν αυτό το φαινόμενο σε μια οπτική ίνα οι μηχανικοί δημιουργούν έναν πυρήνα γυαλιού συνήθως από καθαρό διοξείδιο του πυριτίου
και μια εξωτερική στρώση, την επένδυση
που επίσης φτιάχνεται κυρίως από διοξείδιο του πυριτίου,
με κομμάτια βορίου η γερμανίου για να μειώσει τον δείκτη διάθλασης.
Και 1% διαφορά είναι αρκετό για να κάνει την ίνα να δουλέψει.
Για να φτιάξουν ένα τέτοιο λεπτό κομμάτι γυαλιού οι μηχανικοί ζεσταίνουν μια μεγάλη γυάλινη φόρμα.
Στο κέντρο βρίσκεται ένας καθαρός πυρήνας από γυαλί και γύρω του η επένδυση.
Μετά τραβάνε μια ίνα γυρίζοντας το λιωμένο γυαλί σε ένα τροχό
με ταχύτητες που φτάνουν τα 1600 μέτρα το λεπτό.
Συνήθως το ύψος αυτών των πύργων περιστροφής είναι αρκετά μέτρα.
Το ύψος επιτρέπει στην ίνα να κρυώσει πριν την τυλίξουν σε ρολό.
Ένα από τα σημαντικότερα μηχανικά επιτεύγματα ήταν
το πρώτο καλώδιο οπτικής ίνας που τοποθετήθηκε στον ωκεανό.
Ονομάζεται ΤΑΤ-8, εκτείνετε από το Tuckerton του New Jersey
και ακολουθεί τον βυθό του ωκεανού για 3,500 μίλια ώσπου να διακλαδωθεί
προς το Widemouth, στην Αγγλία και στο Penmarch, στη Γαλλία.
Οι μηχανικοί σχεδίασαν το καλώδιο προσεκτικά ώστε να επιβιώσει στον βυθό του ωκεανού.
Στο κέντρο του είναι ο πυρήνας.
Με διάμετρο μικρότερη από το 1/10 της ίντσας περιέχει έξι οπτικές ίνες
που είναι τυλιγμένες γύρω από ένα κεντρικό ατσάλινο καλώδιο.
Η κατασκευή αυτή ενσωματώνεται σε ένα ελαστομερές για προφύλαξη των ινών,
περιβάλλεται με χαλύβδινους άξονες, και σφραγίζεται
μέσα σε έναν χάλκινο κύλινδρο για προστασία από το νερό.
Το τελικό καλώδιο έχει διάμετρο μικρότερη από μια ίντσα,
και όμως μπορεί να μεταφέρει 40.000 τηλεφωνικές κλήσεις ταυτόχρονα.
Ο τρόπος με τον οποίο στέλνονται πληροφορίες διαμέσου ενός καλωδίου οπτικών ινών είναι πολύ απλός.
Θα μπορούσα να έχω προσυμφωνήσει με κάποιον στην άλλη πλευρά του καλωδίου για τη χρήση ενός κώδικα,
πχ του κώδικα Μορς
και μετά μπορώ να μπλοκάρω ανά χρονικά διασηματα τον φακό λέιζερ έτσι ώστε το άτομο στην άλλη πλευρά να βλέπει
διακοπτόμενες ακτίνες φωτός που αποκωδικοποιούνται δίνοντας ένα μήνυμα.
Για τη μετάδοση ενός αναλογικού σήματος, όπως τη φωνή από μια τηλεφωνική κλήση, κατά μήκος του καλωδίου, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν παλμοκωδική διαμόρφωση,
Πέρνουμε ένα αναλογικό σήμα, το χωρίζουμε σε τμήματα
και μετά προσδιορίζουμε κατά προσέγγιση την ένταση ή το πλάτος του κύματος.
Θέλουμε αυτό να το μετατρέψουμε σε ψηφιακό σήμα,
που σημαίνει πως πρέπει να έχουμε διακριτές τιμές έντασης.
Για παράδειγμα, θα χρησιμοποιήσω τέσσερα bit,
το οποίο σημαίνει ότι έχω 16 πιθανές τιμές έντασης.
Έτσι τα πρώτα τέσσερα τμήματα του σήματος μπορούν να υπολογιστούν στο περίπου
10, 12, 14 και 15.
Μετά παίρνουμε το κάθε τμήμα και μετατρέπουμε το πλάτος του σε μια σειρά από 0 και 1.
Η πρώτη στήλη με τιμή δέκα θα κωδικοποιηθεί ως 1-0-1-0.
Αυτό μπορούμε να το κάνουμε για κάθε τμήμα της καμπύλης.
Έτσι. αντί για την πράσινη κυματομορφή,
ή για τις μπλε στήλες,
μπορούμε να θεωρήσουμε το σήμα ως μια σειρά από
μηδενικά και άσους οργανωμένα με βάση τον χρόνο.
Και είναι αυτή η ακολουθία 0 και 1 που μπορούμε να στείλουμε μέσω ενός καλωδίου οπτικών ινών.
Φως για το ένα και όχι φως για το μηδέν.
Η μέθοδος κωδικοποίησης είναι φυσικά γνωστή και στην πλευρά του δέκτη του μηνύματος,
έτσι είναι εύκολο για αυτόν να αποκωδικοποιήσει το μήνυμα.
Τώρα, μπορεί να αναρωτιέσται πως είναι δυνατόν ένας παλμός λέιζερ να ταξιδεύει σχεδόν 4000 μίλια
κατά μήκος του ωκεανού.
Δεν μπορεί να το καταφέρει χωρίς βοήθεια, γιατί το φως θα δραπετεύει σιγά σιγά απο τις πλευρές της οπτικής ίνας.
Δείτε πάλι την ροή προπυλενίου.
Μπορείτε να δείτε πως το φως εξασθενεί καθώς ταξιδεύει.
Εδώ μπορείτε να δείτε μια στενή δέσμη στον κουβά,
η οποία διευρύνεται λίγο καθώς εισέρχεται στην ροή του υγρού.
Και μετά την πρώτη αναπήδηση η δέσμη διευρύνεται ακόμα περισσότερο.
Αυτό συμβαίνει επειδή η διεπαφή με τον αέρα είναι άνιση
και οι ακτίνες που απαρτίζουν τη δέσμη πέφτουν με λίγο διαφορετικές γωνίες.
Όταν η δέσμη κάνει τη δεύετρη ανάκλαση, οι ακτίνες αποκλίνουν ακόμα περισσότερο,
και όταν φτάσει η ώρα να γίνει η τρίτη αναπήδηση, πολλές από τις ακτίνες δεν βρίσκονται πλέον
στη κρίσιμη γωνία και φεύγουν έξω από την ροή του υγρού.
Εδώ συμβαίνει για μερικές ίντσες,
αλλά σε ένα καλώδιο όπως το ΤΑΤ-8 το σήμα ταξιδεύει στην εκπληκτική απόσταση
των 50 χιλιομέτρων πριν χρειαστεί να ενισχυθεί.
Πραγματικά απίστευτο.
Είμαι ο Bill Hammack, ο engineer guy