Свет - как средство передачи информации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Семенюк К.А. 1

---

1МБОУ "ЦО-гимназия №1" города Тулы

Белоглазова Н.А. 1

---

1МБОУ «ЦО-гимназия №1» города Тулы

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире что может быть проще, чем поделиться с другом какой-либо информацией, например фотографией, даже если вы находитесь в разных концах света. Буквально несколько простых действий и только что сделанное фото может отправлено и получено за несколько тысяч километров. Как такое может быть?

Тема исследования: свет как средство передачи информации.

Цель исследования: рассмотреть свет, как средство передачи информации.

Задачи исследования:

Убедиться в возможности передачи информации через свет, при помощи волоконно-оптической связи.

Провести эксперимент зависимости поступления света из точки А в точку Б и как следствие возможность доставки информации.

Передачу информации провести на примере передачи фотографии между двумя устройствами соединенными средствами связи, работающими по оптической технологии.

Создать модель волоконно-оптической сети в домашних условиях.

Методы исследования:

Анализ литературы.

Опрос.

Сравнение.

Объект исследования: свет как средство передачи информации.

Предмет исследования: оптическое волокно.

Оптическое волокно - нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Гипотеза: я предполагаю, что свет, проходящий через оптическое волокно, может передать информацию, например фотографию.

Актуальность передачи информации в наше время

В современном мире нас окружают различный гаджеты и технологии. Однажды, общаясь с друзьями из другой страны, я задалась вопросом, а как мы можем видеть на экране ноутбука людей, за много тысяч километров? Видеть их так, как будто они рядом с нами. Я задала этот вопрос родителям и узнала, что такая видео связь есть у нас благодаря тому, что свет является средством передачи изображения. А передается оно через высокоскоростные сети – оптические сети.

Тогда я задалась вопросом, а что я вообще знаю о том, как свет может быть средством передачи информации? И что мои одноклассники знают об этом?

1.1 Анкетирование

Я задала себе ряд вопросов, а также провела анкетирование среди своих одноклассников, чтобы понять – на сколько современные дети знают о том, как работают технологии, которыми мы пользуемся каждый день, на примере передачи информации (фотографии) на расстояние.

Можно ли передать информацию с помощью света?

Знаете ли вы что такое оптическое волокно?

Как вы считаете передача информации с помощью света в будущем будет использоваться?

Какие способы передачи информации вы знаете?

Как далеко можно передать информацию с помощью света?

Если бы вам потребовалось отправить фотографию с помощью света, например в Австралию, как быстро это можно было бы сделать?

Как вы думаете, соединены ли материки световыми проводами (оптическим волокном)?

Где вы еще могли бы видеть оптическое волокно?

Как думаете, используете ли лично вы свет, как средство передачи информации?

Как думаете, можно ли увидеть свет, который передает информацию?

По результатам я получила небольшую статистику наших знаний. Знания оказались очень неопределенными. Я опросила 26 человек и получила следующие данные.

Большинство опрошенных мной ответили утвердительно, что с помощью света можно передать информацию.

Но при этом практически никто не знает, что такое оптическое волокно – а ведь оно помогает свету передавать нашу информацию на огромные расстояния.

Большинство полагает, что это перспективная технология и она будет использоваться в будущем.

Однако, большая часть опрошенных ошибается в том, как далеко можно передавать информацию с помощью света.

И тем более ошибается в том, как быстро эту информацию можно передать на расстояние.

Мнения разделились по ровно, когда вопрос зашел о соединяющих наши материки оптических кабелях, а ведь благодаря им возможна передача информации даже на другую сторону Земли.

Также половина опрошенных ответила отрицательно о том, что они используют свет как средство передачи информации. А ведь все мы, когда берем в руки смартфон или ноутбук, получаем информацию или передаем ее именно средствами оптических сетей передачи данных. А несет эту информацию именно свет.

Многие ошибочно думают, что свет – который выступает как средство передачи информации можно увидеть. На самом деле, тот свет, который переносит в себе любую информацию в современном мире оптических сетей – не виден для нашего глаза.

Проведя анкетирование, я сделала вывод, что многие школьники не догадываются что такое свет как средство передачи информации, как он используется, и какими возможностями обладает.

Для того, чтобы убедиться на собственном опыте, что свет может быть средством передачи информации, я решила изучить этот вопрос. Но никакой ответ о том, как сегодня что-либо работает невозможен, без истории.

Историческая справка

Информация всегда играла огромную роль в жизни людей. Передача информации от человека к человеку является одной из важнейших задач во все времена от древних времен до наших дней. В начале развития человек, предупреждая друг друга об опасности или сзывая на охоту, подавал сигналы криком или громким стуком. Звук – является основой нашего голосового общения и сейчас. Но если расстояние между собеседниками велико то требуются вспомогательные средства. Поэтому человек начал использовать различные предметы и приспособления - свистки, рога животных, факелы, костры, барабаны, гонги. Когда расстояния между людьми сильно увеличились, силы звука стало не хватать.

2.1 Первые попытки передавать информацию с помощью света

Тогда человек придумал использовать свет в качестве средства передачи информации. Древние Греки первыми придумали и развили использование света как средство передачи информации. Греки построили систему, известную как Фриктория. Это были сторожевые посты, построенные на возвышенностях возле городов и поселений. На этих вышках располагались сигнальные костры, которые зажигались в случае опасности. Свет был виден на многие километры. Стража на башнях по цепочке зажигала огни, которые были хорошо видимы на расстоянии до 50 км. Соответственно, отправленное сообщение уходило в нужную точку очень быстро. В современном мире маяки и сигнальные ракеты до сих пор несут службу на море и в горах.

Именно греки придумали специальный код для световых сигналов. У башен было две группы по 5 факелов. Каждый из них занимал определенное место. А когда местоположения меняли что позволяло кодировать и передавать самые разные сообщения.

Еще один вариант — гидравлический телеграф, который использовался для отправки сообщений между Сицилией и Карфагеном.

Применялись семафоры и гораздо позже. В 18 веке была создана иная разновидность оптического телеграфа, сеть которых позже была распространена по всей Франции. Это была коммуникационная сеть военных.

Рисунок 11. Изображение оптического телеграфа

2.2 Фотофон - прародитель оптического волокна

В 1880 году Александром Беллом был изобретен «фотофон» - устройство, которое стало предшественником современных волоконно-оптических линий связи. Основной носитель информации в нем – солнечный свет. Белл с партнером создали тестовую установку, которая помогла передать сигнал на расстояние около 213 метров.

Рисунок 12. Изображение фотофона А. Белла

Изобретение оптоволокна произошло в 70-х годах прошлого века. Очень быстро именно оно стало основным каналом связи для передачи больших объемов информации с огромной скоростью передачи и практически не ограниченной дальностью.

Изучение оптического волокна

3.1 Что такое оптическое волокно

Оптическое волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя. Оптическое волокно — кварцевое, стеклянное или полимерное волокно, предназначенное для передачи света на расстояние.

Оптическое волокно является одним из элементов оптического кабеля. Таких оптических волокон в одном кабеле может быть от 2 до 144. Нити оптического волокна чаще всего имеют толщину в 125 микрон (примерно с волос). Они состоят из сердечника (по которому идет передача сигнала-света) и стеклянной оболочки немного другого состава. Поверх оболочки стеклянные нити покрыты лаком, и этот микроскопический слой тоже играет важную роль. Оптоволокно без лакового покрытия повреждается, крошится и ломается при малейшем воздействии. В то время как в лаковом покрытии его можно скручивать и подвергать нагрузке.

3.2 Производство оптического волокна

Производство оптического волокна начинается со стеклянной трубки. Эта трубка промывается в кислоте и дистиллированной воде, для устранения различных загрязнителей и жиров с ее поверхности. Далее она устанавливается в зажимы тепло-механического станка. Трубка вращается со скоростью 60 оборотов/мин. Под ней плавно, со скоростью 20 см/мин двигается горелка, которая равномерно разогревает трубку до температуры 16000 С. Одновременно с этим, в трубку подается смесь газов. При температуре 16000 С газы вступают в химическую реакцию. В результате реакции на внутреннюю стенку трубки выпадает осадок в виде белого порошка, который в последствии плавится и кристаллизируется. Таким образом постепенно заполняется внутренняя часть трубки и формируется сердцевина оптического волокна.

Предформа извлекается из тепло-механического станка и устанавливается в зажимы установки вытягивания волокна (вытяжной башни). Процесс вытягивания волокна включает несколько этапов.

Торец предформы нагревается до температуры 20000 С, вследствие чего предформа начинает растягиваться и уменьшаться в диаметре. Лазерный детектор работает в паре с детектором натяжения, тем самым поддерживая диаметр оптического волокна равный 125 микрон. При увеличении диаметра волокна, лазерный детектор подает сигнал на детектор натяжения, который увеличивает усилие натяжения, что приводит к уменьшению диаметра волокна.

Оптическое волокно без повреждений имеет такое же усилие на разрыв как и стальная нить аналогичного диаметра.

3.3 Применение световых линий связи

Оптические кабели соединяют все материки. Они тянутся не только в городах, но соединяют соседние страны и даже континенты. Оптические кабели протянуты по дну мирового океана. Даже в Арктику проложены оптоволоконные кабели. Если посмотреть на наши города, то практически везде можно увидеть оптические кабели идущие по воздуху.

Для соединения материков между собой, специально обученные инженеры-водолазы прокладывают и обслуживают оптические кабели по дну мирового океана. Тем самым соединяют между собой далекие страны, а материки с островами.

Кабели оптического волокна перевозятся в катушках, различного размера, в зависимости от того – какой длинны требуется прокладка кабеля и в каких природных условиях он будет использоваться.

Подобно мировым торговым путям, основные оптические линии (магистрали) также пролегают по морям, точнее по дну морей. 99% международных данных передается по кабелям, лежащим на дне океана. Именно они образуют основные так называемые опорные сети Интернета.

Благодаря таким оптическим связам, мы можем передавать информацию, например фото и видео, нашим друзьям и знакомым находящимся за тысячи киллометров – за рекордно короткое время, которое очень часто не превышает нескольких секунд.

Практическая часть

4.1 Подготовка к проведению опыта

Для ответа на вопрос, можно ли использовать свет как средство передачи информации, мне потребовалось собрать в домашних условиях опытный стенд, работа которого продемонстрирует ответ на мой вопрос.

Из-за сложности проектирования мне пришлось обратиться за помощью к родителям.

Для сборки стенда нам необходимо:

Таблица 1. Составные части для практической работы

Вместе с родителями мы приготовили необходимые приборы и приступили к сборке стенда.

Рисунок 21. Общий вид рабочей зоны

Сперва убедимся, что свет действительно проходит внутри оптического провода, для этого посветим фонариком в один конец кабеля, и убедимся, что яркая точка видна на другом его конце.

Рисунок 22. Проверка проводимости света через кабель

Теперь закрепим оптический кабель внутри специального передатчика, оптического модуля. Это действие нужно выполнять аккуратно, без лишних усилий. Если приложить силу – хрупкий конец оптического кабеля может погнуться или лопнуть, тогда свет не будет доходить от источника до приемника. Действие нужно провести с двумя концами кабеля.

Рисунок 23. Сборка оптического кабеля

Для того, чтобы свет мог поступить в ноутбук, его необходимо преобразовать, для этого используем заранее настроенное устройство – коммутатор. Устанавливаем полученный на прошлом шаге провод в специальный оптический разъем коммутатора. Для этого с небольшим усилием вставляем оптический модуль в оптический разъем.

Рисунок 24. Подключение оптических кабелей

Проделываем такие же действий со вторым коммутатором. Устанавливаем оптический модуль в его разъем. В результате сборки оптической сети получили такой вид стенда:

На получившемся стенде мы видим, что после подключения оптических частей, на каждом из устройств загорелась зеленая лампочка, обозначающая, что свет через кабель поступает из одного конца в другой.

Рисунок 27. Проверка оптической связи между модулями

4.2 Проведение опыта по использованию
света как средство передачи информации

Теперь проведем опыт – передадим фотографию с одного ноутбука на другой.

Разместим на первом ноутбуке фотографию, которую будем передавать с помощью света на второй ноутбук. Также убеждаемся, что на втором ноутбуке фотография отсутствует.

Теперь отправим фотографию с одного ноутбука на другой.

Фотография мгновенно появляется на втором ноутбуке.

Чтобы убедиться, что именно через оптический кабель информация была передана между ноутбуками, проведем следующий эксперимент: разрежем оптический кабель по середине.

Теперь повторим просвет разрезанного кабеля, убедившись, что свет не доходит из начала в конец. Мы видим, что свет выходит из кабеля в месте его разреза. Повторяем эксперимент по передачи информации с помощью света, соединив разрезанным кабелем наши устройства. Мы сразу видим, что зеленая лампочка, обозначающая прохождение света из одного устройства в другое, не загорается. Повторяем попытку передачи фотографии между ноутбуками и получаем сообщение о том, что действие выполнить невозможно.

Как видим, без целого соединения оптическим кабелем свет не доходит от передатчика к приемнику, и информация не может быть передана.

4.3 Выводы по результатам опыта

Итак, проведя опыт – я убедилась в том, что с помощью света – информация может быть передана на расстояние, а сам свет – является средством передачи информации.

Заключение

Человечество постоянно развивается и открывает новые технологии. Неизменным остается одно – задача обмена и передачи информации.
На своем опыте я убедилась, что одной из перспективных технологий является возможность использовать свет как средство передачи информации. Благодаря этому мы имеем возможность передавать данные на другой конец Земли с огромной скоростью. Технология, применяемая для такого вида обмена, не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду и человека. Не приводит к загрязнению окружающей среды.

Ознакомившись с исторической справкой, теперь я знаю как прошлые поколения обменивались друг с другом важной информацией. А также откуда взялась технология светопередачи, с чего она начиналась и во что эволюционировала.

Технология оптической связи – это современная и перспективная технология, следить за ее развитием интересно и захватывающе. Особенный интерес вызывает развитие этой технологии в качестве квантовых сетей связи. Но этот процесс в настоящий момент находится на лабораторной стадии, а использование его в ежедневной жизни человека – предстоит только в будущем.

Рисунок 36. Образное представление информационного окружения планеты

Список литературы

Базаров Е.Н., Бурков В.Д., Шатров А.Д. Теоретические основы волоконно-оптической техники. – М.: Изд-во МГУЛ, 2004. – 203 с.

Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. – М.: Кудиц-Пресс, 2008. – 320 с.

Власов И.И., Птичников М.М. - Измерения в цифровых сетях связи. – «Постмаркет», Москва, 2004. - 431 с.

Дианов Е.М. Волоконная оптика: сорок лет спустя // Квантовая электроника. – 2010. – Т. 40, № 1. – С. 1–6.

Йоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи. – М.: Экотрендз, 2002. – 282 с.

Листвин А.В., Листвин В.Н., Швыдков Д.В. Оптические волокна для линий связи. – М.: ВЭЛКОМ, 2003. – 288 с.

Фокин В.Г. Современные оптические системы передачи информации. – Екатеринбург: Изд-во УрТИСИ СибГУТИ, 2004.

Шумкова, Д.Б. Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 178 с.

http://ru.wikipedia.org

https://fibertop.ru/proizvodstvo_opticheskogo_volokna.htm/