Tip:
Highlight text to annotate it
X
Fiberoptisk kabel
Hur dom fungerar och hur man använder dom för att skicka signaler.
Serie #3 engineerguy videos
Jag tycker det här är ett fasinerande objekt: Det är en fiberoptisk kabel till en stereo.
Om jag lyser med denna laserpekare in ena änden av kabeln, leder den ljuset till andra änden.
Dessa kablar används för att koppla ihop vår värld idag,
och har kapacitet att skicka information genom länder och över oceaner,
men först, låt mig visa hur det fungerar.
Jag har här en hink som jag lagt till ett fönster på.
Och på den andra sidan, har jag en kork i hålet här.
Jag har här en flaska med propylenglykol med en liten skvätt emulgeringsmedel i.
Ett stativ.
Och, givetvis, en laserpekare.
Håll nu ögonen på den här korken när jag släcker ljuset.
Helt underbart.
Ljuset följer vätskestrålen hela vägen ner i hinken.
Fantastiskt.
Detta uppstår genom fullständig internreflektion.
När ljuset kommer in i strålen reflekteras det så fort
det träffar gränsytan mellan luft och vätska.
Du kan här se den första reflektionen, och den andra och den tredje.
Detta kommer av att det refraktiva indexet skiljer mellan de ledande materialen.
här propylenglykol
och på utsidan
luft i det här fallet.
Kom ihåg att varje gång ljus träffar en yta kan det antingen bli
absorberat av materialet,
reflekterat från det
eller tränga in och igenom det.
Det senare kallas refraktion.
Det är enklast att illustrera sett uppifrån.
Reflektion och refraktion can ske samtidigt,
men om en ljusstråle träffar ytan i en vinkel som överstiger den kritiska vinkeln
så kommer den att fullständigt reflekteras och inte refrakteras.
För detta system av propylenglykol och luft gäller det så länge
som strålen träffar ytan i en vinkel större än 44.35 grader
mätt från normalen kommer det att fortplanta sig
i strålen genom total internreflektion.
För att få samma effekt i en optisk fiber bygger man en kärna av glas, vanligen ren kiseldioxid,
med ett yttre lager som kallas \"beklädnad\"
vilket vanligtvis också görs av kiseldioxid,
men med bitar av bor eller germanium för att sänka dess refraktiva index.
En procents skillnad är tillräckligt för att en fiberoptisk kabel ska fungera.
För att kunna skapa en så lång, tunn bit av glas hettar man upp en stor glasform.
I dess mitt glaskärnan och på utsidan dess beklädnad.
Sen drar eller sträcker de ut fibern genom att dra ut smältan på ett hjul
i hastigheter uppemot 1600 meter/minuten.
Vanligtvis är dessa dragtorn flera våningar höga.
Höjden ger fibern möjlighet att svalna innan den rullas upp på trumman.
En av de största ingenjörstekniska landvinningarna var
den första fiberoptiska kabeln att korsa ett hav.
Den hette TAT-8 och sträckte sig från Tyckerton i New Jersey
följde oceanbotten i över 5\'800 km innan den förgrenads till
Widemouth i England och Penmarch i Frankrike.
Man designade noggrant en kabel som skulle klara sig på oceanens botten.
I dess mitt ligger kärnan.
Mindre än 2.5 mm i diameter och innehållandes sex optiska fiber
svepta kring en central ståltråd.
Dessa bäddas in i elastomer för att skydda fibrerna;
omgav dessa med ståltrådar, sedan förseglade man detta
i en kopparcylinder för att skydda mot väta.
Den slutgiltiga kabeln var mindre än 25mm i diameter,
ändå kunde det hantera nästan 40\'000 telefonsamtal samtidigt.
Den väsentliga metoden för att skicka information med fiberoptisk kabel är väldigt enkel.
Jag kan ha en förarrangerad kod med någon i andra änden
vi kan använda Morsekod
och jag blockerar sedan bara lasern så att personen i andra änden ser
blinkningar som förmedlar ett budskap.
För att överföra en analog signal som t.ex ett röstsamtal använder man pulskodsmodulering.
Vi tar en analog signal och delar upp den i sektioner
och sedan approximerar vi vågens ljudstyrka eller amplitud så gott vi kan.
Vi vill göra om detta till en digital signal,
vilket betyder separata värden av ljudstyrka och inte vilka värden som helst.
Till exempel kan jag använda fyra bitar,
vilket betyder att jag har sexton möjliga värden för ljudstyrkan.
Så de första fyra sektionerna av signalen kan bli approximerade
till runt 10, 12, 14 och 15.
Sen tar vi varje sektion och converterar dess amplitud till en serie ettor och nollor.
Det första värdet 10 blir 1-0-1-0.
Vi gör detta för varje sektion av kurvan.
Istället för att titta på den gröna vågformen,
eller de blå staplarna,
kan vi se signalen som en serie av
ettor och nollor arrangerade i tid.
Det är denna sekvens som vi skickar genom en fiberoptisk kabel.
En blink för en etta, och inget för en nolla.
Givetvis är denna kodning känd för mottagaren,
så det är ingen konst att avkoda meddelandet.
Nu kanske du undrar hur en laserpuls kan färdas nästan 6\'400 km
över ett hav.
Inte utan lite hjälp eftersom en del av ljuset kommer att läcka ut genom fiberns sidor.
Om vi går tillbaka till vår propen-stråle.
Här dämpas ljuset på sin färd.
Här kan vi se en tunn laserstråle i hinken,
som vidgas när den träffar vätskestrålen.
Efter första studsen vidgas laserstrålen ännu lite mer än när den träffade.
Detta beror på att gränsytan mot luften är ojämn
och de ljusstrålar som utgör laserstrålen träffar denna i lite olika vinklar.
När denna laserstråle reflekteras en andra gång så sprids dessa individuella ljusstrålar än mer
tills vid tredje reflektionen då många av de individuella ljusstrålarna inte längre
träffar i den kritiska vinkeln och kan läcker ut genom vätskestrålens sidor.
Här händer det inom några centimeter,
men i en fiberkabel som TAT-8 hinner signalen färdas hela
50 kilometer innan den behöver förstärkas.
Helt fantastiskt.
Jag är Bill Hammack, the engineer guy.