Vad är fiberoptik?

Romarna måste ha varit särskilt nöjda med sig själva den dag de uppfann ledningsrör för omkring 2000 år sedan. Äntligen hade de ett enkelt sätt att bära sitt vatten från ett ställe till ett annat. Föreställ dig vad de skulle göra av moderna fiberoptiska kablar – “rör” som kan bära telefonsamtal och e-postmeddelanden runt om i världen på en sjundedels sekunder!

Vad är fiberoptik?

Vi är vana vid tanken på information som reser på olika sätt. När vi talar in i en fast telefon, leder en trådkabel ljuden från vår röst till ett vägguttag, där en annan kabel tar den till den lokala telefonväxeln. Mobiltelefoner fungerar på ett annat sätt: de skickar och tar emot information med osynliga radiovågor – en teknik som kallas trådlös eftersom den inte använder några kablar. Fiberoptik fungerar på tredje plats. Den skickar information kodad i en ljusstråle nedåt i ett glas eller plaströr. Det var ursprungligen utvecklat för endoskop på 1950-talet för att hjälpa läkare att se in i människokroppen utan att behöva klippa den först. På 1960-talet hittade ingenjörer ett sätt att använda samma teknik för att överföra telefonsamtal med ljusets hastighet (normalt är det 186 000 mil eller 300 000 km per sekund i vakuum men saktar till ungefär två tredjedelar av denna hastighet i en fiberoptisk kabel).

Optisk teknik

En fiberoptisk kabel består av otroligt tunna trådar av glas eller plast som kallas optiska fibrer; en kabel kan ha så få som två strängar eller så många som flera hundra. Varje sträng är mindre än en tiondel så tjock som ett mänskligt hår och kan bära något som 25 000 telefonsamtal, så en hel fiberoptisk kabel kan enkelt bära flera miljoner samtal.

Fiberoptiska kablar bär information mellan två ställen med helt optisk (ljusbaserad) teknik. Antag att du ville skicka information från din dator till en väns hus längs gatan med hjälp av fiberoptik. Du kan ansluta datorn till en laser, som skulle konvertera elektrisk information från datorn till en serie ljuspulser. Då skulle du avfyra lasern nerför fiberoptiska kabeln. Efter att ha kört ner kabeln kommer ljusstrålarna att dyka upp i andra änden. Din vän skulle behöva en fotoelektrisk cell (ljusdetekteringskomponent) för att återställa ljuspulserna till elektrisk information som hans eller hennes dator kunde förstå. Så hela apparaten skulle vara som en riktigt snygg, högteknologisk version av den typ av telefon du kan göra av två bakade bönor och en sträng!

Ljus reser ner en fiberoptisk kabel genom att studsa upprepade gånger från väggarna. Varje liten foton (ljuspartikel) studsar ner röret som en bobsledning som går ner i en islöpning. Nu kan du förvänta dig en ljusstråle, resa i ett tydligt glasrör, helt enkelt att läcka ut ur kanterna. Men om ljus träffar glas i en riktigt grundvinkel (mindre än 42 grader) reflekterar den igen in igen – som om glaset verkligen var en spegel. Detta fenomen kallas total intern reflektion. Det är en av de saker som håller ljuset inuti röret.

Hur fiberoptik fungerar

Den andra som håller ljuset i röret är kabelns struktur, som består av två separata delar. Huvuddelen av kabeln i mitten kallas kärnan och det är den bit som ljuset går igenom. Inslagna runt kärnans utsida är ett annat lager av glas som kallas beklädnaden. Beklädnadens jobb är att hålla ljussignalerna inuti kärnan. Det kan göra detta eftersom det är gjord av en annan typ av glas i kärnan. (Mer tekniskt har beklädnaden ett lägre brytningsindex .)

Optiska fibrer bär ljussignaler ner i dem som kallas lägen. Det låter teknisk men det betyder bara olika sätt att resa: ett sätt är helt enkelt den väg som en ljusstråle följer ner fibern. Ett läge är att gå rakt ner i mitten av fibern. En annan är att studsa ner fibern i grundvinkel. Andra lägen innebär att studsa ner fibern i andra vinklar, mer eller mindre branta.

Den enklaste typen av optisk fiber kallas single-mode. Den har en mycket tunn kärna omkring 5-10 mikron i diameter. I en enda-mode fiber, alla signaler reser rakt ner i mitten utan att studsa av kanterna (röd linje i diagram). Kabel-tv, Internet och telefonsignaler bärs vanligen av enfasiga fibrer, invecklade i en stor bunt. Kablar som detta kan skicka information över 100 km (60 miles).

En annan typ av fiberoptisk kabel kallas multi-mode. Varje optisk fiber i en multi-mode-kabel är cirka 10 gånger större än en i en enkelriktad kabel. Det betyder att ljusstrålar kan röra sig genom kärnan genom att följa en rad olika vägar (lila, gröna och blåa linjer) – med andra ord, i flera olika lägen. Multi-mode-kablar kan bara skicka information över relativt korta avstånd och används bland annat för att länka datanät tillsammans.

Även tjockare fibrer används i ett medicinskt verktyg som kallas ett gastroskop (en typ av endoskop), vilka läkare pekar ner någons hals för att upptäcka sjukdomar i magen. Ett gastroskop är en tjock fiberoptisk kabel bestående av många optiska fibrer. I toppen av ett gastroskop finns en okular och en lampa. Lampan lyser sitt ljus ner en del av kabeln i patientens mage. När ljuset når magen, reflekterar det från magväggarna i en lins längst ner på kabeln. Sedan reser den upp en annan del av kabeln i doktorns okular. Andra typer av endoskop fungerar på samma sätt och kan användas för att inspektera olika delar av kroppen. Det finns också en industriell version av verktyget, kallat en fiberkopp, som kan användas för att undersöka saker som otillgängliga maskiner i flygplansmotorer.

Används för fiberoptik

Att skjuta ljus ner ett rör verkar som ett snyggt vetenskapligt partitrick, och du kanske inte tror att det skulle finnas många praktiska tillämpningar för något sådant. Men precis som el kan driva många typer av maskiner kan ljusstrålar bära många typer av information, så att de kan hjälpa oss på många sätt. Vi märker inte bara hur vanliga fiberoptiska kablar har blivit, eftersom de laserdrivna signalerna de bär flimmer långt under våra fötter, djupt på kontorsgolv och stadsgator. Den teknik som använder det-datanätverk, sändning, medicinsk skanning och militär utrustning (för att bara nämna fyra) – gör det så osynligt.

Datornätverk

Fiberoptiska kablar är nu det viktigaste sättet att transportera information över långa avstånd eftersom de har tre mycket stora fördelar jämfört med gammal kopparkabel:

  • Mindre dämpning: (signalförlust) Informationen färdas ungefär 10 gånger längre innan den behöver förstärkas, vilket gör att fibernät är enklare och billigare att använda och underhålla.
  • Ingen störning: Till skillnad från kopparkablar finns det ingen “crosstalk” (elektromagnetisk störning) mellan optiska fibrer, så de överför information mer pålitligt med bättre signalkvalitet
  • Högre bandbredd: Som vi redan har sett kan fiberoptiska kablar ha mycket mer data än kopparkablar med samma diameter.

Du läser dessa ord nu tack vare Internet. Du har förmodligen haft en chans på den här sidan med en sökmotor som Google, som driver ett världsomspännande nätverk av gigantiska datacentraler anslutna med fiberoptiska kablar med stor kapacitet (och försöker nu rulla ut snabba fiberanslutningar till resten av oss). Efter att ha klickat på en sökmotorlänk har du laddat ner den här webbsidan från min webbserver och mina ord har vissat längst ner till fler fiberoptiska kablar. Om du använder snabb fiberoptisk bredband, gör optiska fiberkablar nästan allt arbete varje gång du går online. Med de flesta höghastighets bredbandsanslutningar ingår endast den sista delen av informationens resa (den så kallade “sista milen” från det fiberanslutna skåpet på din gata till ditt hus eller lägenhet) gammaldags kablar. Det är fiberoptiska kablar, inte koppartrådar , som nu bär “likes” och “tweets” under våra gator, genom ett ökande antal landsbygdsområden, och även djupt under oceanerna som förbinder kontinenter. Om du ser på Internet (och World Wide Web som rider på det) som en global spindelns web, är de trådar som håller den tillsammans fiberoptiska kablar; Enligt vissa uppskattningar täcker fiberkablar över 99 procent av Internetets totala körsträcka och överför 99 procent av all internationell kommunikationstrafik .

Ju snabbare människor kan få tillgång till Internet, desto mer kan de göra och göra på nätet. Ankomsten av bredbandsinternet möjliggjorde fenomenet cloud computing (där personer lagrar och bearbetar sina data på distans, med hjälp av onlinetjänster i stället för en hem- eller företags-PC i sina egna lokaler). På samma sätt kommer den stadiga utbyggnaden av fiberbredband (vanligtvis 5-10 gånger snabbare än konventionella DSL-bredband, som använder vanliga telefonlinjer) att göra det mycket vanligare att människor gör saker som att spela filmer online istället för att titta på broadcast-tv eller hyra DVD-skivor. Med mer fiberkapacitet och snabbare anslutningar kommer vi att spåra och styra många fler aspekter av våra liv online med hjälp av det så kallade intranätet.

Men det är inte bara offentliga Internet-data som strömmar ner fiberoptiska linjer. Datorer var en gång ansluten över långa sträckor via telefonlinjer eller (över kortare avstånd) koppar-Ethernet-kablar, men fiberkablar är alltmer den föredragna metoden för nätverksdatorer eftersom de är mycket prisvärda, säkra, tillförlitliga och har mycket högre kapacitet. Istället för att länka sina kontor via det offentliga Internetet är det fullt möjligt för ett företag att skapa sitt eget fibernät (om det har råd att göra det) eller (mer sannolikt) köpa utrymme på ett privat fibernät. Många privata datanätverk löper på vad som kallas mörk fiber, vilket låter lite otrevligt, men är helt enkelt den oanvända kapaciteten på ett annat nätverk (optiska fibrer väntar på att tändas).

Internet var smart utformat för att färja någon form av information för någon form av användning; det är inte begränsat till att utföra datordata. Medan telefonlinjerna en gång bar Internet, har den fiberoptiska Internettelefonen (och Skype ) samtal istället. När telefonsamtal en gång drogs ner ett invecklat lapptäcke av kopparkablar och mikrovågsförbindelser mellan städer, dras de flesta fjärrsamtal nu av fiberoptiska linjer. Stora mängder fibrer lades från 1980-talet och framåt; uppskattningarna varierar vildt, men den globala totalen antas vara flera hundra miljoner kilometer (tillräckligt för att korsa USA en miljon gånger). I mitten av 2000-talet uppskattades att så mycket som 98 procent av detta var oanvänd “mörk fiber”; idag, trots att mycket mer fiber används, är det fortfarande allmänt troddat att de flesta nätverk innehåller var som helst från en tredjedel till en halv mörk fiber.

Broadcasting

I början av 1900-talet föddes radio och tv- sändningar från en relativt enkel idé: det var tekniskt ganska enkelt att skjuta elektromagnetiska vågor genom luften från en enda sändare (vid sändningsstationen) till tusentals antenner på folkhem. Dessa dagar, medan radio fortfarande strålar genom luften, är det lika sannolikt att vi får vår TV genom fiberoptiska kablar.

Kabel-TV-företag pioneered övergången från 1950-talet, som ursprungligen använde koaxialkablar (kopparkablar med en skärm av metallskärm som lindades runt dem för att förhindra störningar i tvärsnittet), vilket bara innehöll en handfull analoga TV-signaler. Eftersom fler och fler personer kopplade till kabeln och nätverket började erbjuda ett större utbud av kanaler och program fann kabeloperatörerna att de behövde byta från koaxialkablar till optiska fibrer och från analog till digital sändning. Lyckligtvis var forskare redan ute om hur det skulle vara möjligt. Så långt tillbaka som 1966 hade Charles Kao (och hans kollega George Hockham) gjort matematiken och visat hur en enda optisk fiberkabel kan ha tillräckligt med data för flera hundra tv-kanaler (eller flera hundra tusen telefonsamtal). Det var bara en fråga om tid innan kabelbanans värld tog märke – och Kos “banbrytande prestation” erkändes väl när han tilldelades Nobelpriset 2009 i fysik.

Förutom att erbjuda mycket högre kapacitet, lider optiska fibrer mindre från störningar, vilket ger bättre signal (bild och ljud) kvalitet; De behöver mindre förstärkning för att öka signalerna så att de reser över långa avstånd. och de är helt och hållet mer kostnadseffektiva. Fiberbranschen kan i framtiden vara hur de flesta av oss tittar på tv, kanske via system som IPTV (Internet Protocol Television) , som använder Internetens vanliga sätt att transportera data (“paketbyte”) för att visa TV-program och filmer på efterfrågan. Medan koppartelefonlinjen fortfarande är den primära informationsvägen till många människors hem i framtiden kommer vår huvudsakliga anslutning till världen att vara en fiberoptisk kabel med hög bandbredd som bär alla typer av information.

Medicin

Medicinska prylar som skulle kunna hjälpa läkare att kika i våra kroppar utan att klippa dem var den första ordentliga tillämpningen av fiberoptik för över ett halvt århundrade sedan. Idag är gastroskop (som dessa saker kallas) lika viktiga som någonsin, men fiberoptik fortsätter att koka viktiga nya former av medicinsk skanning och diagnos.

En av de senaste utvecklingen kallas ett laboratorium på en fiber , och innebär att infoga hårfunna fiberoptiska kablar, med inbyggda sensorer, i en patients kropp. Dessa typer av fibrer är av samma storlek som de i kommunikationskablarna och tunnare än de relativt tjocka ljusledarna som används i gastroskop. Hur fungerar de? Ljus zappar genom dem från en lampa eller laser, genom den del av kroppen som läkaren vill studera. När ljuset visslar genom fibern, ändrar patientens kropp sina egenskaper på ett visst sätt (ändra ljusets intensitet eller våglängd väldigt lite, kanske). Genom att mäta hur ljuset förändras (med hjälp av tekniker som interferometri ) kan ett instrument som är fäst vid den andra änden av fibern mäta en viss kritisk aspekt av hur patientens kropp fungerar, såsom temperaturen, blodtrycket, cellens pH eller närvaron av läkemedel i blodet. Med andra ord, istället för att bara använda ljus för att se inuti patientens kropp, använder denna typ av fiberoptisk kabel ljus för att känna eller mäta det istället.

Militär

Det är lätt att bilda internetanvändare kopplade ihop med jättebanor av fiberoptiska kablar; Det är mycket mindre uppenbart att världens högteknologiska styrkor är kopplade på samma sätt. Fiberoptiska kablar är billiga, tunna, lätta, höga kapaciteter, robusta mot attack och extremt säkra, så de erbjuder perfekta sätt att ansluta militära baser och andra installationer, till exempel missilstart och radarspårningsstationer. Eftersom de inte bär elektriska signaler, ger de inte av elektromagnetisk strålning som en fiende kan upptäcka, och de är robusta mot elektromagnetiska störningar (inklusive systematiska fiende “jamming” attacker). En annan fördel är den relativt lätta vikten av fiberkablar jämfört med traditionella ledningar av tunga och dyra kopparmetall. Tankar, militära flygplan och helikoptrar har allt sakta bytt från metallkablar till fiberoptiska. Delvis handlar det om att sänka kostnaderna och spara vikt (fiberoptiska kablar väger nästan 90 procent mindre än jämförbara “kopplade kablar med kopplad koppling”). Men det förbättrar också tillförlitligheten; till exempel, till skillnad från traditionella kablar på ett flygplan, som måste vara noga avskärmade (isolerade) för att skydda dem mot blixtnedslag, är optiska fibrer helt immuna för den typen av problem.

Vem uppfann fiberoptik?

  • 1840: Den schweiziska fysikern Daniel Colladon (1802-1893) upptäckte att han kunde lysa ljus längs ett vattenrör. Vattnet bar ljuset genom intern reflektion.
  • 1870: En irländsk fysiker som heter John Tyndall (1820-1893) demonstrerade intern reflektion vid Londons Royal Society. Han skenade ljus i en burk med vatten. När han hällde ut något av vattnet ur kannan, böjdes ljuset runt vattnet. Denna idé om “böjande ljus” är exakt vad som händer i fiberoptik. Även om Colladon är den sanna farfadern av fiberoptik, får Tyndall ofta uppmärksamheten.
  • 1930-talet: Heinrich Lamm och Walter Gerlach, två tyska studenter, försökte använda lätta rör för att göra ett gastroskop – ett instrument för att titta in i någons mage.
  • 1950-talet: I London lyckades England, indianfysikern Narinder Kapany (1927-) och den brittiska fysikern Harold Hopkins (1918–1994) skicka en enkel bild ner ett ljusrör av tusentals glasfibrer. Efter att ha publicerat många vetenskapliga artiklar, fick Kapany ett rykte som “fiberoptikens far”.
  • 1957: Tre amerikanska forskare vid University of Michigan, Lawrence Curtiss , Basil Hirschowitz och Wilbur Peters använde framgångsrikt fiberoptisk teknik för att göra världens första gastroskop.
  • 1960-talet: Kinesiska födda amerikanska fysiker Charles Kao (1933-) och hans kollega George Hockham insåg att orent glas inte var till nytta för fiberoptik med lång räckvidd. Kao föreslog att en fiberoptisk kabel tillverkad av mycket rent glas skulle kunna bära telefonsignaler över mycket längre avstånd och tilldelades 2009 Nobelpriset i fysik för denna banbrytande upptäckt.
  • 1960-talet: Forskare vid Corning Glass Company gjorde den första fiberoptiska kabeln kapabel att bära telefonsignaler.
  • ~ 1970: Donald Keck och kollegor i Corning hittade sätt att skicka signaler mycket längre (med mindre förlust) vilket ledde till utvecklingen av de första optiska fibrerna med lågt förlust.
  • 1977: Den första fiberoptiska telefonkabeln lades mellan Long Beach och Artesia, Kalifornien.
  • 1997: En stor transatlantisk fiberoptisk telefonkabel kallad FLAG (Fiberoptic Link Around the Globe) lades mellan London, England och Tokyo, Japan.