Исследовательская работа "Свет, завязанный в узел".

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Стодолищенская средняя школа

______________________________________________________________

Свет, завязанный в узел.

Исследовательская работа по физике.

Автор работы:

Филимонов Сергей Александрович,

 ученик 10 класса

Руководитель:

Филимонова Елена Владимировна,

 учитель физики

п. Стодолище

2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….…….3

ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

1. Теоретическая  часть

1. История возникновения и развития оптического волокна………………………………………………………….4
2. Физические основы оптоволоконной связи…...……...….….5
3. Структура оптоволоконного кабеля……………………….7

1. Разновидности оптического волокна………………..…….8

4. Принцип передачи информации в ВОЛС. Преимущества и недостатки оптоволоконной связи……………………….....9

2. Практическая часть

1. Изучение явления полного отражения……………………10
2. Внедрение оптико-волоконной связи  в п. Стодолище…11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..12

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….13

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………..14

ВВЕДЕНИЕ

Технологический век дал нам много ярких изобретений и открытий, но именно возможность передачи информации внесла один из наиболее весомых вкладов в развитие технологий. Носители, по которым передаются данные, прошли долгий путь развития от медной проволоки до современных оптоволоконных кабелей. В результате многократно увеличились объемы информации, скорости и расстояния ее передачи.

В настоящее время наверняка каждый слышал о волоконной оптике. У кого-то даже проведен в дом оптоволоконный кабель. Это актуально и выгодно, так как  для человека важны надежность, скорость и высокое качество телекоммуникаций. Оптическое волокно используется в различных сферах деятельности человека. И я  решил разобраться, что же собой представляет оптоволокно, где используется, какие принципы лежат в основе создания этого вида связи, каким образом она осуществляется.

Предмет исследования: оптоволокно, оптоволоконная оптика.

Объект исследования:  оптоволоконная связь.

При написании работы я поставил перед собой следующую цель: изучить историю возникновения оптоволокна, структуру, конструкцию оптоволоконного кабеля, его применение и развитие, а также определить преимущества данного вида связи.

Задачи:

1. Изучить соответствующую тематике литературу;
2. Рассмотреть особенности строения оптоволокна, преимущества ВОЛС.

Методы исследования:

• чтение и анализ литературы;
• поиск информации по данной теме в сети Интернет; 
• интервьюирование, моделирование;
• обобщения и выводы.

1. Теоретическая часть

1. История возникновения и развития оптического волокна

Применение света в качестве сигналов для передачи информации началось ещё с древних времён, когда люди поджигали костры, предупреждая друг друга об опасности. Идея о световых носителях информации со временем воплотилась в различных устройствах. 

Одним из первых  был оптический телеграф, изобретённый Робертом Гуком в 1684 году. Информация с него подавалась в виде специальных сигналов, рассматриваемых при помощи подзорной трубы.

Впоследствии француз Клод Шапп (1780 год) спроектировал и разработал сигнальный аппарат с цифровым кодом.

Позднее русский изобретатель Иван Кулибин усовершенствовал этот метод и изобрел семафорный телеграф, первая линия которого в России была сооружена лишь в 1824 году.

Принцип же передачи света внутри оптоволокна был впервые описан и продемонстрирован Жан Даниэль Колладоном, создавшим «световую трубку» в 1842 году.

Оптоволокно современного вида изобрели в 1954 году английские физики Н. Капани, Г. Хопкинс. Применение оптическому стеклянному волоску нашли в первом гастроскопе, запатентованном в 1956 году исследователями Университета Мичигана. Японский ученый Нишазава предложил использование оптических волокон в сфере связи еще в 1963 году. Уже в 1970 году создали сверхчистое кварцевое волокно, которое пропускало световой луч на расстояние до 2 км. В том же году возможности волоконной оптики расширил лазер. Началось стремительное развитие волоконно-оптической связи.

2. Физические основы оптоволоконной связи.

В настоящее время оптоволоконный кабель представляет собой самый быстрый способ передачи данных. Это и неудивительно. В качестве переносчика информации выступает свет, а он, как известно, имеет самую высокую скорость перемещения во Вселенной.

Оптоволокно или оптическое волокно – это стеклянная или пластиковая нить, которой переносится свет в середине его физического тела благодаря явлению полного внутреннего отражения [1].

Принцип работы оптоволокна основан на том, что в нем свет многократно отражается, преломляется под очень маленькими углами, полностью остается внутри благодаря строению оптического волокна.

Рассмотрим ход луча при переходе света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления.

Поскольку свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления  в этом случае больше, чем угол падения. При увеличении угла падения лучей от источника на поверхность раздела двух сред наступит такой момент, когда преломлённый луч пойдёт вдоль границы раздела сред, то есть угол преломления равен 90°. Угол падения, соответствующий этому значению, называется предельным углом полного внутреннего отражения - α0. Увеличивая угол падения (α > α0), заметим, что свет вообще не проникает в среду с меньшим показателем преломления. Вся световая энергия отражается – мы наблюдаем полное внутреннее отражение [3].

При изготовлении оптоволокна (световодов) применяется кварцевое стекло или полимерные материалы. Световоды, как правило, имеют круглое сечение и состоят из двух частей — сердечника и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердечника несколько выше показателя преломления оболочки. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердечника  — 1,479. Луч света, направленный в сердечник, будет распространяться по нему [2].

Многократное полное отражение используют в волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. 

Волоконная оптика – раздел оптики, в котором изучается распространение света и передача информации по световодам.

3. Структура волоконного кабеля

Для передачи информации в телекоммуникационных сетях используют оптоволоконный кабель.

Устройство оптоволоконного кабеля представляет собой «матрешку», состоящую из центральной жилы, придающей жесткость кабелю (1), оптического волокна – сердечника (2), пластиковых модулей для оптических волокон (3), пленки с гидрофобным гелем (4), полиэтиленовой оболочки (5) для исключения возможности проникновения влаги к оптическим волокнам, защитной оболочки (6) из стальной ленты, металлической проволоки, внешней полиэтиленовой оболочки (7). 

Сердечник обеспечивает движение светового излучения по волокну. От величины диаметра сердечника зависит степень попадания в него пучков световых лучей. Следовательно, чем больше диаметр, тем шире доступная площадь для подачи излучения. В оптическом волокне значение преломления (n) сердечника составляет приблизительно 1,48.

Внутренняя оболочка (3,4,5) имеет меньшее значение преломления (1,46), чем у сердечника, что обеспечивает внутреннее отражение, благодаря которому световые лучи движутся вдоль волокна.

Внешняя обшивка (6,7) является многослойным покрытием, служащим для защиты внутренних элементов оптического волокна от внешних негативных факторов.

1. Разновидности оптического волокна

На сегодняшний день различают такие типы оптического волокна, как одномодовое и многомодовое, различающиеся друг от друга диаметром сердечника. "Модой" называется луч, распространяющийся по волокну.

В одномодовом волокне диаметр сердечника составляет около 8 мкм. Из-за небольшого диаметра сердечника передвигаться по нему может исключительно один луч света. Этот фактор делает возможным передачу данных на многокилометровые расстояния с высокой скоростью.

Оптоволокно, имеющие большой диаметр сердечника (62,5 мкм), по которому распространяется световое излучение, называют многомодовым. Этот тип оптического волокна позволяет вводить многочисленные световые лучи под различными углами и способствует их одновременному передвижению. Однако из-за большого размера сердечника увеличивается светоотражение от внешней обшивки, которое влечёт за собой рассеивание, при этом пропускная способность уменьшается. Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала.

В свою очередь многомодовые оптоволокна разделяют на:

• Градиентные: в них плотность сердечника местами меняется, что вызывает межмодовую дисперсию: при переходе в разные плотности сердечника развивается большая скорость световых лучей и поэтому они достигают расстояние до конечной точки провода за меньший временной интервал.
• Ступенчатые: здесь плотность сердечника равномерна на протяжении всей длины оптоволокна, поэтому вероятность возникновения межмодовой дисперсии выше, чем в градиентном волокне.

1. Принцип передачи информации в ВОЛС. Преимущества и недостатки оптоволоконной связи

Простейшая оптоволоконная система передачи информации между двумя точками состоит из трех основных элементов: оптического передатчика, оптоволоконного кабеля и оптического приемника (рис. 1).

Рис. 1. Схема простейшей оптоволоконной системы передачи информации

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику. Электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве он обратно переходит в исходную электрическую форму (Приложение 1). 

У волоконно-оптической связи есть множество преимуществ перед другими типами передачи информации, такими как медные жилы и системы радиосвязи (Приложение 2).

Основные же недостатки волоконной оптики состоят в том, что волоконно-оптический кабель очень хрупкий, и при сильном изгибании кабеля возможна поломка волокон. Кроме того, технология изготовления волокна достаточно сложна и дорога.

Благодаря своим универсальным свойствам оптическое волокно широко применяется в медицине, технических и научных сферах, в создании оптической связи и оптоволоконных датчиков с высокой точностью показаний (Приложение 3).

2. Практическая часть

1. Изучение явления полного отражения

Используя лазерную указку, изменяя угол падения светового луча, можно наблюдать многократное отражение луча от стенок мензурки.

На полном отражении света основано действие световодов. Это действие можно показать на изогнутом стеклянном стержне при помощи лазерной указки.

Рисунок  -  Распространение света в световоде

А вот если стеклянный стержень мы заменим прозрачной леской, то и в ней свет будет распространяться, но его уже можно будет легко «согнуть». Разумеется, до тех пор, пока радиус изгиба достаточно велик. Когда радиус изгиба становится малым, свет будет выходить в этом месте из лески, поскольку угол падения света на поверхность лески будет больше угла ПВО. На этом основана работа декоративного светильника. По этому принципу и работают оптические световоды. Оптическое волокно, по своей сути, та же леска в декоративном светильнике, но имеет более сложную структуру.

Внедрение оптико-волоконной связи в поселке Стодолище

Мне, пользователю сети Интернет, интересно было узнать: как удовлетворяется  спрос  клиентов на скоростной доступ в Интернет? Какие возможности раскрываются перед населением нашего поселка? Изменилось ли количество пользователей Интернета?

      С этими вопросами обратился к старшему электромеханику Смоленского филиала ПАО «Ростелеком» в нашем поселке Кудряшовой Татьяне Михайловне. Оказалось, что в поселке Стодолище проводка оптоволоконных кабелей осуществляется с 2013 года. Этот вид связи не распространен в нашем населенном пункте. Оптоволоконный кабель подводится лишь к многоэтажным домам. Но пользователей даже в таких домах немного, так как часть жителей являются пенсионерами, которым не нужна такая связь. Кроме того, часть квартир пустует. К частным же домам из-за дороговизны оптоволокно не подводится. В 2015 году волоконно-оптическая линия связи была подведена к нашей школе, а в прошлом году – к Стодолищенской больнице. К сожалению, статистические данные о количестве пользователей, подключенных к этому виду связи, отсутствуют.

     В 2017  году планируется продолжить работы по прокладке новых коммуникаций (оптико – волоконного кабеля), предусматривающих увеличение доли подключений  к волоконно-оптическим сетям, и задействовать емкость до 70 %. Задачи остаются прежними – обеспечить население услугами, востребованными на существующий момент.  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современном мире существует глобальная тенденция к информатизации общества. И сегодня в каждом доме, офисе нужен Интернет. Без качественной связи немыслима работа ни одного успешного офиса, ни одного преуспевающего человека. Даже мне для выполнения научной работы, подготовки к ЕГЭ и просто для общения нужен Интернет. Невозможно представить себе, как люди могли общаться на протяжении веков без такого рода связи.  Нужен скоростной доступ в Интернет. А для этого и необходима оптоволоконная связь.

Выполняя свою исследовательскую работу, я узнал, что же такое оптоволокно и оптоволоконная связь, в чем их преимущество, какова практическая значимость, где используется волоконная оптика.

В ходе своего исследования  я поставил и решил следующие задачи:

- изучил соответствующую литературу и материалы в сети Интернет;

- рассмотрел особенности строения, виды оптического волокна и принципы передачи информации в ВОЛС;

- рассмотрел применение оптических волокон, в частности вопрос внедрения оптоволоконных линий связи в п. Стодолище.

Выполняя данную работу, я выяснил, что оптико-волоконная связь имеет много преимуществ и является одним из перспективных направлений в области связи. Но с осуществлением данного вида связи у нас в поселке существуют определенные проблемы.

Мое исследование имеет прикладной характер. Его результаты полезны не только для меня, но могут быть использованы в урочной и внеурочной деятельности при изучении физики. Кроме этого, моя работа является примером исследования проблемы с использованием ресурсов всемирной сети Интернет. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большой Российский энциклопедический словарь. Золотой фонд. – М., научное издательство «Большая Российская энциклопедия, 2005.
2. Глухов Н.Д., Камышанченко Н.В., Самойленко П.И. Беседы о физике и технике. - М., «Высшая школа», 1990.
3. Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. Беседы о преломлении света. - М., Наука, 1982.
4. http://c-a-v.ru/articles/item/42-optovolokno.html    происхождение оптического волокна
5. http://www.avclub.pro/articles/audio-video-ot-a-do-ya/optovolokonnye-linii-svyazi-neogranichennye-vozmozhnosti/   оптоволоконная система передачи информации
6. http://howitworks.iknowit.ru/paper1109.html   типы волокон
7. http://www.ecoteco.ru/?id=313   оптоволоконное освещение, декоративная подсветка
8. https://geektimes.ru/post/245278/    технология волоконной оптики
9. http://www.illuminator.ru/article_227.html   применение волоконной оптики
10. http://izmer-ls.ru/w/o03.html  технологии линий связи

Приложение 1

Принцип передачи информации в ВОЛС

Оптический передатчик преобразует аналоговый или цифровой электрический сигнал в соответствующий ему световой сигнал. Источником света может быть либо светодиод, либо твердотельный лазер. У светодиодов площадь излучающего элемента довольно велика, и поэтому они излучают не так эффективно, как лазеры. Однако светодиоды широко используются на линиях связи малой и средней длины. Светодиоды гораздо дешевле лазеров, интенсивность их излучения слабо зависит от температуры. Лазеры, напротив, имеют очень малую площадь излучающей поверхности и могут отдавать в оптоволокно гораздо большую мощность, чем светодиоды. Они очень сильно подвержены влиянию температуры. Поскольку лазеры довольно дороги, они в основном используются там, где требуется передача данных на большие расстояния.

Ввод света в оптическое волокно

После того, как передатчик преобразовал входной электрический сигнал в модулированный свет, его необходимо ввести в оптическое волокно. Для этого существует два способа: прямое соединение излучающего элемента со световодом, и размещение световода в непосредственной близости от излучателя. При использовании второго способа количество света, которое попадет в оптоволокно, зависит от четырех факторов: интенсивности излучения, площади излучающего элемента, входного угла световода и потерь на отражение и рассеяние.

Интенсивность представляет собой мощность излучения. Чем выше мощность излучателя, тем больше света попадает в световод.

Отношение площадей излучающего элемента и сердцевины оптоволокна определяет долю общей мощности, которая попадает в световод — чем меньше это отношение, тем больше света окажется в волокне.

Входной угол оптоволокна характеризуют его числовой апертурой, которая определяется как синус половины входного угла. Типовые значения лежат в диапазоне от 0,1 до 0,4, что соответствует входному углу от 11 до 46 градусов. Только тот свет, который вошел в оптоволокно под углом, меньшим или равным входному, будет распространяться по световоду.

Потери. Кроме потерь от загрязнений на поверхности оптоволокна, всегда существуют неизбежные потери интенсивности света, вызванные отражением на входе в световод и выходе из него. Это так называемые френелевские потери (по имени французского физика О. Ж. Френеля), которые составляют примерно 4% общей интенсивности на каждой границе раздела стекло-воздух. При необходимости для снижения этих потерь на соединяемые стеклянные поверхности наносят немного специального оптического геля.

В конце кабеля свет принимается приемным устройством и обратно перекодируется в электрический сигнал. Современные оптоволоконные системы могут передавать миллиарды бит в секунду, поэтому, вне сомнений, скорость – одно из главных достоинств оптоволокна.

Приложение 2

Преимущества волоконно-оптической связи

• Высокая защищенность передачи данных от несанкционированного доступа. Несанкционированное подключение к оптоволоконному кабелю весьма затруднительно и легко обнаруживается.
• Огромная пропускная способность. Волокно позволяет передавать информацию со скоростью несколько Терабит за 1 секунду. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга.  

• Большие расстояния. Оптоволоконные кабели прокладывают даже по дну океанов, они тянутся через материки.

• Передача большого количества информации. По одному волокну можно передать одновременно до миллиона видеосигналов.
• Электробезопасность. Носителем информации в оптоволоконных кабелях является свет, и поэтому при повреждении кабеля нет опасности поражения электрическим током.
• Невосприимчивость кабеля к действию большинства химических веществ, вызывающих коррозию, поскольку изготовлен из стекла.
• Малое затухание световых сигналов. Маленькая дисперсия.
• Отсутствие выделяемого тепла.
•  Пожароустойчивость оптоволокна.
• Большая механическая прочность. Оптоволокно долговечно. Средний срок службы около 25 лет.
• Экономия финансов на установку. Не смотря на то, что оптоволокно в разы дороже, чем медный кабель, эксплуатация будет выгоднее в плане финансовом, так как при оптоволоконных кабелях нет нужды устанавливать ретрансляторы.   

Приложение 3

Применение оптических волокон

В наше время оптическое волокно, ВОЛС нашли широкое применение в различных отраслях. В частности:

• для передачи данных на очень большие расстояния.
• в качестве источника света.  Например, в медицине, или для создания различных световых эффектов в рекламе и шоу бизнесе.
• в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах.
• оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах.
• в охранной сигнализации на особо важных объектах (например, ядерное оружие). Когда злоумышленник пытается проникнуть на объект, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация. 
• оптоволокна используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. Так, с помощью тончайшего проводка, производится подсветка сложных операций на мозге человека или сердце.
• в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство, наружное архитектурное и ландшафтное освещение, оптоволоконные светильники, витрины и музейные экспонаты,  бассейны, выставки, ночники, ночные клубы, супермаркеты, фасады зданий, фонтаны и многое другое. Область применения оптоволоконных систем расширяется с каждым днем