Αν και μπορεί να φαίνεται σαν μαγεία ή επιστημονική φαντασία, η τεχνολογία οπτικών ινών είναι πολύ επιστημονική και υπάρχει εδώ και πάνω από μισό αιώνα. Πώς λειτουργεί όμως; Πώς γίνεται το γυαλί οπτική ίνα; Πώς μπορεί το φως να μεταδοθεί μέσω ενός καλωδίου και να φτάσει στον προορισμό του; (Συμβουλή: Δεν είναι pixie dust και ξωτικά.)
Το 1970, οι μηχανικοί στο ερευνητικό εργαστήριο της Corning Incorporation στο Corning της Νέας Υόρκης έπεσαν πάνω σε μια φόρμουλα για την κατασκευή κλώνων γυαλιού που θα μπορούσαν να μεταδώσουν παλμούς φωτός που περιέχουν δεδομένα που στη συνέχεια θα μπορούσαν να διαβαστούν από υπολογιστές. Μέχρι τότε, τα δεδομένα μπορούσαν να ταξιδεύουν μόνο μέσω χάλκινων καλωδίων. Βασιζόμενοι σε αυτήν την ανακάλυψη, δοκίμασαν τη μετάδοση δεδομένων ινών σε μεγαλύτερες αποστάσεις, όλα με ελάχιστη απώλεια σήματος. Αυτή η νέα οπτική ίνα «χαμηλών απωλειών», όπως έγινε γνωστό, ξεκίνησε την επανάσταση της τεχνολογίας δεδομένων και τηλεπικοινωνιών που συνεχίζεται πάνω από μισό αιώνα αργότερα. Πώς όμως κατασκευάζεται αυτή η ίνα γυαλιού;
Τα 3 Cs των ινών
Για να καταλάβετε γιατί οι ίνες κατασκευάζονται με τον τρόπο που κατασκευάζονται, είναι σημαντικό να καταλάβετε πρώτα πώς ταξιδεύει το φως. Τα φωτεινά κύματα ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή μέχρι να χτυπήσουν ένα αντικείμενο που τα ανακλά, τα διαθλά ή τα απορροφά. Οι οπτικές ίνες έχουν σχεδιαστεί για να ελαχιστοποιούναντανάκλασημεγιστοποιώνταςδιάθλασηκαι την εξάλειψηαπορρόφηση. Η πρόκληση με τις οπτικές ίνες ήταν η διατήρηση του φωτεινού σήματος μέσα στην ίνα από την αρχή μέχρι το τέλος. Αυτή η ανάγκη να κρατήσει το σήμα μέσα στην ίνα υπαγόρευσε τα υλικά και τη διαδικασία με την οποία το υγρό γυαλί γίνεται χρησιμοποιήσιμο καλώδιο οπτικών ινών.
Υπάρχουν τρία κύρια στοιχεία σε κάθε σκέλος οπτικών ινών:πυρήνας, επένδυση,καιεπένδυση.
Οι κλώνοι οπτικών ινών αποτελούνται από αυτά τα στρώματα, καθένα από τα οποία εξυπηρετεί διαφορετική λειτουργία στη μετάδοση δεδομένων μέσω του φωτός.
Σε αντίθεση με τη δημοφιλή πεποίθηση, τοπυρήνας, όπου το φως ταξιδεύει, δεν είναι κοίλο. Αντίθετα, είναι συμπαγές, εξαιρετικά καθαρό γυαλί πυριτίας – τόσο καθαρά τα επίπεδα ρύπων του μετρώνται σε μέρη ανά δισεκατομμύριο. Αυτό το επίπεδο καθαρότητας είναι απαραίτητο για το φωτεινό σήμα να ταξιδεύει στην ίνα χωρίς να υποβαθμίζει την ποιότητα του φωτός, κάτι που θα υποβάθμιζε τα δεδομένα. Κάθε φορά που το φως χτυπά ένα αντικείμενο, χάνει λίγο τη δύναμή του. Το κλειδί για την επιτυχία στη μετάδοση σήματος οπτικών ινών είναι η ελαχιστοποίηση αυτής της απώλειας χρησιμοποιώντας εξαιρετικά διαυγές γυαλί. Όσο πιο καθαρό είναι το γυαλί, τόσο καλύτερο είναι το φωτεινό σήμα από άκρη σε άκρη.
Ένα δεύτερο, λιγότερο καθαρό στρώμα γυαλιού που ονομάζεται τοεπένδυσηπεριβάλλει όλο το μήκος του πυρήνα της ίνας. Αυτό το στρώμα λειτουργεί ως ανακλαστήρας για να κρατά το φως μέσα στον πυρήνα καθώς ταξιδεύει στον προορισμό του. Χωρίς την επένδυση, το φως θα ξέφευγε από τον πυρήνα και θα χανόταν. Με την επένδυση, όμως, το φως ταξιδεύει στον προορισμό του με ελάχιστη απώλεια σήματος, διατηρώντας την ακεραιότητα των δεδομένων από την αρχή μέχρι το τέλος.
Η επένδυση εμποδίζει το φως να διαφύγει από τον πυρήνα.
Το τρίτο και τελευταίο συστατικό είναι το λεπτό λάστιχοεπένδυσηπου προστατεύει την ίνα από γρατσουνιές και διευκολύνει τους εγκαταστάτες και τους τεχνικούς να οργανώσουν τις ίνες. Συνήθως, η επίστρωση είναι χρωματική για να διευκολύνει τη σύνδεση και την εγκατάσταση.
Ας δούμε τη διαδικασία βήμα προς βήμα που ξεκινά με τις ακατέργαστες χημικές ουσίες και τις μετατρέπει στην τελική ίνα.
Λήψη και ενοποίηση
Η παραγωγή ινών ξεκινά με την ανάρτηση μιας κεραμικής ράβδου δολώματος σχεδιασμένη να προσελκύει το διοξείδιο του πυριτίου, μια εξαιρετικά καθαρή μορφή πυριτίου, μέσα σε ένα εξαιρετικά καθαρό, ελεγχόμενο από το κλίμα δοχείο. Το διοξείδιο του πυριτίου προσκολλάται στην κεραμική ράβδο και σχηματίζει έναν παχύ κύλινδρο από γυαλί που ονομάζεται προ-μορφή. Στη συνέχεια, η διαδικασία στερεοποίησης αφαιρεί τυχόν υγρασία από το προσφάτως δημιουργημένο προ-φόρμα σε έναν κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας και μετατρέπει το ακατέργαστο διοξείδιο του πυριτίου σε ένα λείο, μη πορώδες γυαλί πριν από την πυροσυσσωμάτωση/τήξη των άκρων για να το διαμορφώσει και να το προετοιμάσει για επόμενο βήμα. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα το τυφλό οπτικής ίνας που θα γίνει το σκέλος στο τρίτο βήμα.
Το Draw είναι το σημείο όπου το ζεστό γυαλί γίνεται αρκετά λεπτό ώστε να το μετατρέψει σε πυρήνα και επένδυση οπτικών ινών.
Ισοπαλία
Το τελευταίο βήμα για τη δημιουργία του γυάλινου τμήματος του καλωδίου οπτικών ινών είναι η έλξη, η οποία ξεκινά με το νεοσχηματισμένο κενό να κρέμεται κάθετα μέσα σε έναν υπερθερμό φούρνο, θερμαίνοντας το γυαλί μέχρι το σημείο τήξης. Η άκρη του τεμαχίου θερμαίνεται, μαλακώνει και αρχίζει να πέφτει αργά, σχηματίζοντας ένα πολύ λεπτό σκέλος γυαλιού στο δρόμο προς τα κάτω, τόσο λεπτό που μετριέται σε μικρά. Αυτό το σκέλος γίνεται ο πυρήνας και η επένδυση. Ανάλογα με το μέγεθος, κάθε τεμάχιο μπορεί να παράγει έως και 5 χιλιόμετρα ίνας.
Επένδυση
Αφού κρυώσει η γυάλινη ίνα, τυλίγεται σε μεγάλα καρούλια και αποστέλλεται σε ένα εργοστάσιο φινιρίσματος όπου ξετυλίγεται και στέλνεται μέσω μιας μηχανής που εφαρμόζει ένα λεπτό στρώμα καουτσούκ στο εξωτερικό του κλώνου. Η επίστρωση του κλώνου δεν προσθέτει σημαντικά στη συνολική αντοχή. Το γυαλί είναι αρκετά δυνατό από μόνο του. Αντίθετα, η επίστρωση εμποδίζει τις γρατσουνιές της ίνας και διευκολύνει τους εγκαταστάτες να χειρίζονται και να βρίσκουν πού συνδέονται οι ίνες, παρόμοια με τον τρόπο που τα χάλκινα σύρματα είναι χρωματικά κωδικοποιημένα για εύκολη οργάνωση.
Καλωδίωση
Όσο σκληρές κι αν είναι οι ίνες οπτικών ινών, εξακολουθούμε να τις προστατεύουμε με θωράκιση ως πρόσθετο στρώμα προστασίας από καιρικές και άλλες συνθήκες.
Παρόλο που τα μεμονωμένα σκέλη οπτικών ινών μπορούν να μεταφέρουν από μόνα τους μεγάλο όγκο δεδομένων, συνήθως οι οπτικές ίνες ομαδοποιούνται σε καλώδια για ευκολία εγκατάστασης και προστασία από τα στοιχεία. Συχνά οι μεμονωμένες ίνες συνδέονται σε χρωματιστές κορδέλες 12-, 24-, 48-, 72- και 96-που στη συνέχεια στεγάζονται μέσα σε ένα προστατευτικό καουτσούκ ή μέταλλο αγωγός για ανάπτυξη σε μια γειτονιά.
Μόλις φτάσουν στο σπίτι ή την επιχείρηση, οι ίνες χωρίζονται ξανά σε μεμονωμένα σκέλη για να εξυπηρετήσουν τους πελάτες. Αυτό επιτρέπει σε πολλούς πελάτες να λαμβάνουν υπηρεσίες από μια δέσμη καλωδίων στο έδαφος χωρίς κανένας από αυτούς να μοιράζεται το εύρος ζώνης με τους γείτονές τους, επειδή κάθε νοικοκυριό έχει τη δική του αποκλειστική ίνα.
Αποκλείοντας ζημιές από εξωτερική πηγή, το καλώδιο οπτικών ινών θα πρέπει να διαρκεί για γενιές χρηστών του Διαδικτύου, με σχεδόν απεριόριστο εύρος ζώνης και ταχύτητα.