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Glasfaserkabel
Wie sie funktionieren und wie Ingenieure sie zum senden von Signalen benutzen
Serie #3 Ingenieur Typ Videos
Ich finde das hier faszinierend: Ein optisches Glasfaserkabel für eine Stereoanlage.
Wenn ich den Laserpointer in das Kabel halte, führt es das Licht bis zum anderen Ende
Diese Kabel werden heutzutage benutzt um unsere Welt zu verbinden,
und sind dafür geeignet Informationen quer über Länder und Ozeane zu übertragen,
aber zuerst, lassen sie mich Ihnen zeigen wie es funktioniert.
Ich habe hier einen Eimer den ich auf der Vorderseite mit ein Fenster modifiziert habe.
Auf der anderen Seite habe ich einen Stopper in dieses Loch hier gesteckt.
I habe hier eine Flasche Propylenglykol mit ein bisschen \\\\\\\"creamer\\\\\\\".
Ein Stativring
And, natürlich, ein Laser Pointer.
Jetzt schauen sie auf den Stopfen, wenn ich das Licht ausmache.
Das ist herrlich.
Das Licht folgt dem Flüssigkeitsfluss bis zum Eimer.
fantastisch.
Das geschieht aufgrund von interner Reflektion.
Wenn das Licht in den Strom kommt wird es reflektiert sobald
es auf die Grenzschicht zwischen der Luft und der Flüssigkeit trifft.
Sie können hier die erste Reflektion sehen, und hier die zweite und die dritte.
Dies tritt auf, weil dort ein Unterschied zwischen dem Index der Lichtbrechung des Leitermaterials ist.
hier Propylenglykol
und die Außenseite
Luft in diesem Fall.
Erinnern wir uns, dass sobaldd Licht auf eine Oberfläche trifft, kann es entweder
von diesem Material verschluckt werden,
reflektiert
oder hindurchgehen
letzteres nennen wir Lichtbrechung.
Man sieht es einfacher von oben.
Reflektion und Brechung kann zur selben Zeit passieren,
aber wenn ein Lichtstrahl die Oberfläche in einem Winkel größer als dem kritischen Winkel trifft,
wird er komplett reflektiert und nicht absorbiert.
Für dieses Propylenglykol und Luft System solange
ein Strahl die Oberfläche in einem Winkel höher als 44,35 Grad trifft.
gemessen vom Normalfall, wird es sich
über interne Reflektion den Strom hinab verbreiten.
Um denselben Effekt in einem optischen Glasfaserkabel zu erschaffen, benutzen Ingenieure einen Kern aus Glas, meistens pures Siliziumdioxyd
und eine äußere Schicht: die \\\\\\\"Umhüllung\\\\\\\"
welche meistens auch aus Siliziumdioxid besteht,
aber mit Splittern aus Bor oder Germanium, um den Index der Lichtbrechung herabzusetzen.
Eine eine 1% Differenz reicht aus um die Faser zum arbeiten zu bringen.
Um so ein langes, dünnes Stück Glas herzustellen, erhitzen Ingenieure eine lange Glas-Vorform
Ihre Mitte ist der massive Glaskern und die Außenseite die Hülle.
Dann saugen oder ziehen sie eine Faser, indem sie die Schmelze auf ein rad wickeln
mit Geschwindigkeiten bis zu 1600 Meter pro Sekunde.
Normalerweise sind diese Zieh-Türme mehrere Stockwerke hoch.
Die Höhe erlaubt der Faser abzukühlen bevor sie auf eine Trommel gewickelt wird.
Eine der besten Ingenieur Leistungen war
die erste Ozean-überspannende Glasfaserleitung
Genannt TAT -8 reichte es von Tuckerton, New Jersey
über den Grund des Ozeans 3,500 Meilen bis es sich zu
Widemmouth, England und Penmarch, Frankreich verzweigte.
Ingenieure designten das Kabel sorgfältig, damit es auf dem Grund des Ozeans fortbestehen konnte.
Im seinem Zentrum liegt der Kern.
Weniger als ein zehntel eines Inch im Durchmesser enthält es sechs Glasfaserkabel
die um ein zentrales Stahlseil gewickelt sind.
Sie betteten dies in Elastomer ein um die Fasern zu dämpfen,
umgaben es mit Stahlrohren und versiegelten es
in einem Kupferzylinder um es vor dem Wasser zu schützen.
Das fertige Kabel war im Durchmesser kleiner als ein Inch,
und konnte es 40000 Telefonanrufe gleichzeitig übertragen.
Das Wesentliche wie sie die Informationen durch ein Glasfaserkabel sendeten ist sehr einfach.
Ich könnte einen Code mit jemanden am anderen Ende vereinbart haben
etwa den Morse Code
und ich verdecke einfach den Laser, so das die Person am anderen Ende
das Aufleuchten, welches eine Nachricht übermittelt, sieht.
Um ein anloges Signal, wie eine Stimme von einem Telefonanruf durch das Kabel zu senden, benutzen Ingenieure PulsCodeModulation.
Wir nehem ein analoges Signal und trennen es in Sektionen
und dann gleichen wir die Lautstärke der Welle oder Amplitude an so gut wie wir können.
Wir möchten es zu einem digitalen Signal machen
was bedeutet die Werte der Lautstärke zu trennen und nicht alle Werte.
Als Bespiel, werde ich 4 Bit benutzen
was bedeutet ich habe 16 mögliche Werte in der Lautstärke.
Also die ersten 4 Sektionen des Signals könnten aufgerundet werden auf
ungefähr 10, 12, 14 und 15.
Dann nehmen wir jede Sektion und konvertieren ihre Amplitude zu einer Serie von einsen und nullen.
Der erste Balken des Wertes zehn wird zu 1-0-1-0.
Wir können das für jede Sektion der Kurve machen.
Nun, anstatt auf eine grüne Wellenform zu schauen
oder sogar auf blaue Balken
denken wir uns das Signal als eine Serie von
einsen und nullen geordnet von der Zeit.
Und diese Sequenz ist es die wir durch ein Glasfaserkabel senden.
Ein Leuchten für eine Eins und nichts für eine Null
Natürlich ist die exakte Methode der Kodierung am empfangenden Ende bekannt
damit es einfach ist die Nachricht zu entschlüsseln.
Nun wundern sie sich vielleicht wie ein Laserstrahl 4000 Meilen
über den Ozean reisen kann.
Das passiert nicht ohne Hilfe, weil das Licht an den Seiten der Faser verlorengeht.
Schauen wir zurück auf unseren Propylen Strom.
So wird das Licht geschwächt wenn es sich bewegt.
Sie können hier ein schmalen Strahl im Eimer sehen,
der etwas breiter wird wenn er den Strom betritt.
Und dann nach dem ersten Abprallen verlässt der Strahl ihn breiter als er hinkam.
Das geschieht weil die Grenzschicht der Luft uneben ist
und die Strahlen werfen den Lichtstrahl leicht verschoben zurück.
Wenn dieser Lichtrahl das zweite Mal reflektiert, fallen diese indviduellen Strahlen noch mehr auseinander,
bis beim dritten abprallen viele der Lichtstrahlen nicht mehr
den kritischen Winkel überschreiten und den Strom verlassen.
Hier passiert es ein paar inches,
aber in einem Kabel wie diesem TAT -8 das Signal reist unglaubliche
50 Kilometer bevor es vertärkt werden muss.
Absolut fantastisch.
Ich bin Bill Hammack, der Ingenieur Typ.