Kā tika izgudrota šķiedru optika

Rafe Swan/Getty Images

Šķiedru optika ir ierobežota gaismas caurlaidība caur gariem stikla vai plastmasas šķiedru stieņiem. Gaisma pārvietojas iekšējās atstarošanas procesā. Stieņa vai kabeļa serdes vide ir vairāk atstarojoša nekā materiāls, kas ieskauj serdi. Tas liek gaismai turpināt atstaroties atpakaļ kodolā, kur tā var turpināt virzīties pa šķiedru. Optisko šķiedru kabeļi tiek izmantoti balss, attēlu un citu datu pārraidīšanai tuvu gaismas ātrumam.

Kurš izgudroja optisko šķiedru?

Corning Glass pētnieki Roberts Maurers, Donalds Keks un Pīters Šulcs izgudroja optisko šķiedru vadu jeb 'Optical Waveguide Fibers' (patents Nr. 3 711 262), kas spēj pārnēsāt 65 000 reižu vairāk informācijas nekā vara stieple, caur kuru varētu tikt pārnesta informācija ar gaismas viļņu rakstu. atšifrēts galamērķī pat tūkstoš jūdžu attālumā.

Optisko šķiedru sakaru metodes un to izgudrotie materiāli pavēra durvis optiskās šķiedras komercializācijai. No tālsatiksmes telefona dienesta līdz internets un medicīnas ierīces, piemēram, endoskops, optiskās šķiedras tagad ir galvenā mūsdienu dzīves sastāvdaļa.

Šķiedru optikas laika skala

Kā minēts, Maurers, Keck un Shultz ieviesa optisko šķiedru vadu 1970. gadā, taču bija daudz citu svarīgu notikumu, kuru rezultātā tika izveidota šī tehnoloģija, kā arī uzlabojumi pēc tās ieviešanas. Nākamajā laika skalā ir izcelti galvenie datumi un norises.

1854. gads

Džons Tindals demonstrēja Karaliskajai biedrībai, ka gaismu var vadīt caur izliektu ūdens straumi, pierādot, ka gaismas signālu var saliekt.

1880. gads

Aleksandrs Greiems Bells izgudroja savu Fotofons ”, kas pārraidīja balss signālu uz gaismas stara. Bells fokusēja saules gaismu ar spoguli un pēc tam iedarbojās mehānismā, kas vibrēja spoguli. Uztvērēja galā detektors paņēma vibrējošo staru un atšifrēja to atpakaļ balsī tāpat kā tālrunis ar elektriskiem signāliem. Tomēr daudzas lietas, piemēram, mākoņaina diena, var traucēt fotofona darbību, liekot Belam pārtraukt jebkādus turpmākus pētījumus ar šo izgudrojumu.

Viljams Vīlers izgudroja gaismas cauruļu sistēmu, kas izklāta ar ļoti atstarojošu pārklājumu, kas apgaismoja mājas, izmantojot pagrabā novietotas elektriskās loka lampas gaismu un ar caurulēm virzot gaismu pa māju.

1888. gads

Vīnes Rota un Reusa medicīnas komanda izmantoja liektus stikla stieņus, lai apgaismotu ķermeņa dobumus.

1895. gads

Franču inženieris Henrijs Sen-Rēns izstrādāja saliektu stikla stieņu sistēmu gaismas attēlu vadīšanai agrīnā televīzijas mēģinājumā.

1898. gads

Amerikānis Deivids Smits pieteicās patentam uz izliektas stikla stieņa ierīces, ko izmantot kā ķirurģisku lampu.

1920. gadi

Anglis Džons Loijs Bērds un amerikānis Klarenss V. Hansels patentēja ideju izmantot caurspīdīgu stieņu blokus, lai pārraidītu attēlus attiecīgi televīzijai un faksimilā.

1930. gads

Vācu medicīnas students Heinrihs Lams bija pirmais cilvēks, kurš salika optisko šķiedru saišķi attēla pārnēsāšanai. Lamma mērķis bija ieskatīties nepieejamās ķermeņa daļās. Eksperimentu laikā viņš ziņoja, ka pārraidījis spuldzes attēlu. Tomēr attēls bija sliktas kvalitātes. Viņa centieni iesniegt patentu tika liegti Hansela Lielbritānijas patenta dēļ.

1954. gads

holandiešu valoda zinātnieks Abraham Van Heel un britu zinātnieks Harolds H. Hopkinss atsevišķi rakstīja rakstus par attēlveidošanas saišķiem. Hopkinss ziņoja par neplaķētu šķiedru saišķu attēlveidošanu, savukārt Van Heel ziņoja par vienkāršiem plaķētu šķiedru kūļiem. Viņš pārklāja kailu šķiedru ar caurspīdīgu apšuvumu ar zemāku refrakcijas koeficientu. Tas pasargāja šķiedru atstarošanas virsmu no ārējiem kropļojumiem un ievērojami samazināja traucējumus starp šķiedrām. Tajā laikā lielākais šķērslis dzīvotspējīgai optiskās šķiedras izmantošanai bija zemākā signāla (gaismas) zuduma sasniegšana.

1961. gads

Eliass Snitzers no American Optical publicēja teorētisku aprakstu par vienmoda šķiedrām — šķiedru, kuras kodols ir tik mazs, ka tā spēj pārnēsāt gaismu tikai ar vienu viļņvada režīmu. Snicera ideja bija piemērota medicīnas instrumentam, kas skatītos cilvēka iekšienē, taču šķiedras gaismas zudums bija viens decibels uz metru. Sakaru ierīcēm vajadzēja darboties daudz lielākos attālumos, un tām bija vajadzīgs gaismas zudums ne vairāk kā desmit vai 20 decibeli (gaismas mērījums) uz kilometru.

1964. gads

Kritisko (un teorētisko) specifikāciju noteica Dr. C.K. Kao lielam attālumam komunikācija ierīces. Specifikācija bija desmit vai 20 decibeli gaismas zudumi uz kilometru, kas noteica standartu. Kao arī ilustrēja nepieciešamību pēc tīrāka stikla veida, lai palīdzētu samazināt gaismas zudumus.

1970. gads

Viena pētnieku komanda sāka eksperimentēt ar kausētu silīcija dioksīdu, materiālu, kas spēj būt ārkārtīgi tīrs ar augstu kušanas temperatūru un zemu refrakcijas indeksu. Corning Glass pētnieki Roberts Maurers, Donalds Keks un Pīters Šulcs izgudroja optisko šķiedru vadu jeb 'Optical Waveguide Fibers' (patents Nr. 3 711 262), kas spēj pārnēsāt 65 000 reižu vairāk informācijas nekā vara stieple. Šis vads ļāva informāciju, ko nes gaismas viļņu raksts, atšifrēt galamērķī pat tūkstoš jūdžu attālumā. Komanda bija atrisinājusi doktora Kao piedāvātās problēmas.

1975. gads

Amerikas Savienoto Valstu valdība nolēma savienot datorus NORAD galvenajā mītnē Cheyenne Mountain, izmantojot optisko šķiedru, lai samazinātu traucējumus.

1977. gads

Pirmā optiskā telefons sakaru sistēma tika uzstādīta apmēram 1,5 jūdzes zem Čikāgas centra. Katra optiskā šķiedra pārvadāja 672 balss kanālu ekvivalentu.

2000. gads

Gadsimta beigās vairāk nekā 80% no pasaules tālsatiksmes satiksmes tika pārnesti pa optiskās šķiedras kabeļiem un 25 miljonus kilometru kabeļa. Maurer, Keck un Schultz izstrādātie kabeļi ir uzstādīti visā pasaulē.

ASV armijas signālu korpusa loma

Šādu informāciju iesniedza Ričards Sturzebehers. Sākotnēji tas tika publicēts armijas korporācijas publikācijā 'Monmouth Message'.

1958. gadā ASV armijas signālu korpusa laboratorijā Fortmonmutā, Ņūdžersijā Copper Cable and Wire vadītājs ienīda signāla pārraides problēmas, ko izraisīja zibens un ūdens. Viņš mudināja materiālu izpētes vadītāju Semu DiVitu atrast aizstājēju varš vads. Sems domāja, ka stikla, šķiedras un gaismas signāli varētu darboties, bet inženieri, kas strādāja pie Sema, teica, ka stikla šķiedra saplīsīs.

1959. gada septembrī Sems DiVita jautāja 2. leitnantam Ričardam Stērcebeheram, vai viņš zina, kā uzrakstīt formulu stikla šķiedrai, kas spēj pārraidīt gaismas signālus. DiVita bija uzzinājusi, ka Stērcebehers, kurš mācījās Signālu skolā, savam vecākajam darbam Alfrēda universitātē 1958. gadā bija izkausējis trīs triaksiālās stikla sistēmas, izmantojot SiO2.

Uzņēmums Corning Glass Works ieguva optiskās šķiedras līgumu

Stērcebehers zināja atbildi. Lietojot a mikroskopu lai izmērītu refrakcijas indeksu uz SiO2 brillēm, Ričardam sākās stipras galvassāpes. 60% un 70% SiO2 stikla pulveri zem mikroskopa ļāva lielākam un lielākam spoži baltas gaismas daudzumam iziet cauri mikroskopa priekšmetstikliņiem un acīs. Atceroties galvassāpes un izcili balto gaismu no augsta SiO2 stikls , Sturzebecher zināja, ka formula būs īpaši tīrs SiO2. Stērcebehers arī zināja, ka Kornings izgatavoja augstas tīrības pakāpes SiO2 pulveri, oksidējot tīru SiCl4 par SiO2. Viņš ieteica DiVitai izmantot savas pilnvaras, lai ar Korningu piešķirtu federālu līgumu šķiedras izstrādei.

DiVita jau bija strādājusi ar Korninga pētniekiem. Bet viņam šī ideja bija jāpublisko, jo visām pētniecības laboratorijām bija tiesības iesniegt piedāvājumus par federālo līgumu. Tāpēc 1961. un 1962. gadā ideja par augstas tīrības pakāpes SiO2 izmantošanu stikla šķiedrai gaismas pārraidīšanai tika publiskota, piedāvājot piedāvājumu visām pētniecības laboratorijām. Kā gaidīts, DiVita 1962. gadā piešķīra līguma slēgšanas tiesības uzņēmumam Corning Glass Works Korningā, Ņujorkā. Federālais finansējums stikla šķiedras optikai Korningā no 1963. līdz 1970. gadam bija aptuveni USD 1 000 000. Signal Corps Federālais finansējums daudzām šķiedru optikas pētniecības programmām turpinājās līdz 1985. gadam. tādējādi izveidojot šo nozari un padarot par realitāti mūsdienu daudzu miljardu dolāru nozari, kas sakaros izslēdz vara stieples.

DiVita 80. gadu beigās turpināja katru dienu strādāt ASV armijas signālu korpusā un brīvprātīgi strādāja par nanozinātņu konsultantu līdz savai nāvei 97 gadu vecumā 2010. gadā.