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Cavi a fibra ottica
Come funzionano e come gli ingegneri li usano per inviare segnali
Video di engineerguy della 3a serie
Credo che questo sia un oggetto affascinante: è un cavo a fibra ottica per uno stereo.
Se accendo questo laser e lo punto ad una estremità del cavo, questo guiderà la luce fuori fino all\'altra parte.
Questi cavi sono usati per connettere il mondo di oggi,
e sono capaci di trasmettere informazioni attraverso paesi ed oceani,
ma prima, fatemi mostrare come funziona.
Ho un secchio che ho modificato con una finestra frontalmente
E dall\'altra parte, ho messo un tappo in questo buco.
Ho una bottiglia di glicole propilenico con un po\' di scrematore all\'interno.
Un sostegno.
E, ovviamente, un puntatore laser.
Ora, tenete i vostri occhi su questa presa quando spengo la luce.
È meraviglioso.
La luce segue tutto il liquido fino al secchio.
Incredibile.
Fa questo a causa della rifrazione totale interna.
Quando la luce entra nel flusso viene riflessa non appena
colpisce la superficie tra ria e liquido.
Qui puoi vedere la prima rifrazione, e poi la seconda e la terza.
Questo avviene perché c\'è una differenza tra l\'indice di rifrazione del materiale guida.
in questo caso, il glicole propilenico
e la parte esterna
aria in questo caso.
Ricordate che ogni volta che una luce si scontra contro una superficie può essere o
assorbita dal materiale,
riflessa da esso
o passargli dentro e poi fuori
quest\'ultimo viene chiamato rifrazione
È più facile da capire dall\'alto.
La riflessione e la rifrazione possono esistere allo stesso tempo,
ma se un raggio di luce colpisce la superficie ad un angolo maggiore dell\'angolo critico
sarà completamente riflessa e non rifratta.
Per questo sistema di glicole propilenico ed aria, finché
il raggio colpisce la superficie ad un angolo maggiore di 44.35 gradi
misurati dalla normale, si propagherà
lungo il flusso con una riflessione totale interna.
Per creare lo stesso effetto su una fibra ottica gli ingegneri creano un cuore di vetro, di solito diossido di biossido di silicio puro (Silice)
e uno strato esterno chiamato \"cladding\" (rivestimento)
anch\'essi solitamente fatti di silice,
ma con pezzi di Boro o Germanio per diminuire il suo indice di rifrazione.
Una differenza dell\'un percento è sufficiente per far funzionare la fibra.
Per fare un così lungo, sottile pezzo di vetro gli ingegneri riscaldano un grande vetro preformato.
Il suo centro è di vetro e l\'esterno di cladding.
Poi creano una fibra avvolgendo il materiale sciolto su una ruota
alla velocità di oltre 1600 metri al minuto.
Tipicamente questi macchinari sono molto alti.
L\'altezza permette alla fibra di raffreddarsi prima di essere avvolta.
Uno dei più grandi traguardi degli ingegneri fu
quella del primo cavo a fibra ottica posato lungo l\'oceano
Chiamato TAT-8, si estenda da Tuckerton, in New Jersay
giace in fondo all\'oceano per oltre 5\'600 kilometri prima di uscire a
Widemouth, Inghilterra e Penmarch, Francia.
Gli ingegneri hanno progettato il cavo attentamente per resistere il fondo oceanico.
Al centro c\'è il nucleo.
In meno di un quarto di centimetro di diametro vengono contenuti 6 cavi a fibra ottica
avvolti attorno ad un cavo di acciaio centrale.
Hanno incorporato questo in un elastomero per attutire le fibre;
circondato con fili d\'acciaio, e poi sigillato
all\'interno di un cilindro di rame per proteggerlo dall\'acqua.
Il cavo finale aveva meno di un pollice di diametro,
eppure era in grado di gestire circa 40.000 telefonate simultanee.
L\'essenza di come inviare informazioni attraverso un cavo in fibra ottica è molto semplice.
Potrei avere un codice pre-stabilito con qualcuno alla fine
forse useremo il codice Morse
ed io posso bloccare il laser così che la persona alla fine vede
dei flash che comunicano un messaggio.
Per trasmettere un segnale analogico come la voce di una telefonata lungo il cavo gli ingegneri fanno utilizzo di impulsi di modulazione del codice.
Prendiamo un segnale analogico e lo tagliamo in sezioni
e poi approssimiamo l\'intensità delle onde o l\'ampiezza quanto è possibile.
Vogliamo rendere questo un segnale digitale,
il che significa diversi valori di rumorosità e non solo uno.
Per esempio, utilizzerò 4 bit,
il che significa che ho 16 possibili valori per la rumorosità.
Quindi le prime quattro sezioni del segnale potrebbero essere approssimativamente di
circa 10, 12, 14 e 15.
Possiamo prendere ogni sezione e convertire la sua ampiezza in una serie di \"uno\" e \"zero\".
La prima barra di valore 10 quando viene codificata diventa 1-0-1-0.
Possiamo farlo per ogni sezione dalla curva.
Ora, invece di guardare alla onda verde,
o anche delle barre blu,
possiamo pensare ad un segnale di una serie di
\"uno\" e \"zero\" organizzati in tempo.
Ed è questa sequenza che mandiamo attraverso la fibra ottica.
Un flash per gli \"uno\" e niente per gli \"zero\".
Ovviamente, l\'esatto metodo di codifica è conosciuta dal ricevente,
quindi è facile decifrare il messaggio.
Ora, potreste chiedervi come un laser possa viaggiare per oltre 6\'000 kilometers
attraverso l\'oceano.
Non ce la fa senza qualche aiuto perché la luce uscirà dai lati della fibra.
Torniamo al flusso di propilene.
Ecco come la luce si attenua mentre viaggia.
Potete vedere qui un raggio stretto nel secchio,
che si allarga un poco quando entra nel flusso.
E poi dopo il primo rimbalzo il raggio si allarga ancora di più.
Questo è perché l\'interfaccia con l\'aria è impari
e i raggi che si formano dal raggio si scontrano ad angoli differenti.
Quando quel raggio fa la sua seconda riflessione questi raggi individuali si divergono ancora di più,
quando il raggio raggiunge il terzo rimbalzo molti raggi non sono più
all\'angolo critico e possono uscire dal flusso.
Questo succede in pochi pollici,
ma in un cavo come il TAT-8, il segnale viaggia per ben
50 kilometri prima di dover essere amplificato.
Assolutamente incredibile.
Sono Bill Hammack, l\'engineer guy.