كيف تم اختراع الألياف البصرية

كيف تم اختراع الألياف البصرية

الألياف البصرية هي انتقال الضوء من خلال قضبان الألياف الطويلة من الزجاج أو البلاستيك. ينتقل الضوء عن طريق عملية الانعكاس الداخلي. الوسط الأساسي للقضيب أو الكبل أكثر انعكاسًا من المادة المحيطة بالنواة. يؤدي ذلك إلى استمرار انعكاس الضوء مرة أخرى في القلب حيث يمكنه الاستمرار في الانتقال إلى أسفل الألياف. تُستخدم كابلات الألياف الضوئية لنقل الصوت والصور والبيانات الأخرى بسرعة قريبة من سرعة الضوء.

من اخترع الألياف البصرية ؟

اخترع باحثو كورنينج جلاس روبرت مورير ودونالد كيك وبيتر شولتز سلك ألياف بصرية أو "ألياف الدليل الموجي البصري" (براءة الاختراع رقم 3 ، 711 ، 262) قادرة على حمل معلومات أكثر بـ 65000 مرة من الأسلاك النحاسية ، والتي من خلالها يمكن أن تكون المعلومات التي يحملها نمط من موجات الضوء فك الشفرة في وجهة حتى على بعد ألف ميل.

فتحت طرق الاتصال بالألياف البصرية والمواد التي اخترعوها الباب أمام تسويق الألياف البصرية. من خدمة الهاتف لمسافات طويلة إلى الإنترنت والأجهزة الطبية مثل المنظار ، أصبحت الألياف البصرية الآن جزءًا رئيسيًا من الحياة الحديثة.

الألياف البصرية الجدول الزمني

كما لوحظ ، قدم Maurer و Keck و Shultz سلك الألياف الضوئية في عام 1970 ، ولكن كان هناك العديد من التطورات المهمة الأخرى التي أدت إلى إنشاء هذه التكنولوجيا بالإضافة إلى التحسينات بعد تقديمها. يسلط الجدول الزمني التالي الضوء على التواريخ والتطورات الرئيسية.

1854

أظهر جون تيندال للجمعية الملكية أنه يمكن إجراء الضوء من خلال تيار منحني من الماء ، مما يثبت أنه يمكن ثني إشارة الضوء.

1880

اخترع ألكسندر جراهام بيل "Photophone" الخاص به ، والذي ينقل إشارة صوتية على شعاع من الضوء. ركز بيل ضوء الشمس بمرآة ثم تحدث إلى آلية تهتز المرآة. في الطرف المتلقي ، التقط الكاشف شعاع الاهتزاز وفك تشفيره مرة أخرى إلى صوت بنفس الطريقة التي فعل بها الهاتف مع الإشارات الكهربائية. ومع ذلك ، أشياء كثيرة — a cloudy day, for instance — could interfere with the Photophone, causing Bell to stop any further research with this invention.

اخترع ويليام ويلر نظامًا من الأنابيب الخفيفة المبطنة بطبقة عاكسة للغاية تضيء المنازل باستخدام ضوء من مصباح قوس كهربائي يوضع في الطابق السفلي ويوجه الضوء حول المنزل بالأنابيب.

1888

استخدم الفريق الطبي لروث ورويس من فيينا قضبان زجاجية مثنية لإضاءة تجاويف الجسم.

1895

صمم المهندس الفرنسي هنري سان رينيه نظامًا من قضبان الزجاج المثنية لتوجيه الصور الضوئية في محاولة للتلفزيون المبكر.

1898

تقدم الأمريكي ديفيد سميث بطلب للحصول على براءة اختراع لجهاز قضيب زجاجي مثني لاستخدامه كمصباح جراحي.

عشرينيات القرن الماضي

حصل الإنجليزي جون لوجي بيرد والأمريكي كلارنس دبليو هانسيل على براءة اختراع لفكرة استخدام صفائف من القضبان الشفافة لنقل الصور للتلفزيون والفاكس على التوالي.

1930

كان طالب الطب الألماني هاينريش لام أول شخص يجمع حزمة من الألياف الضوئية لحمل صورة. كان هدف لام هو النظر داخل الأجزاء التي يتعذر الوصول إليها من الجسم. خلال تجاربه ، أبلغ عن نقل صورة المصباح الكهربائي. كانت الصورة ذات جودة رديئة. تم رفض جهوده لتقديم براءة اختراع بسبب براءة اختراع Hansell البريطانية.

1954

كتب العالم الهولندي أبراهام فان هيل والعالم البريطاني هارولد هـ. هوبكنز بشكل منفصل أوراقًا عن حزم التصوير. أبلغ هوبكنز عن تصوير حزم من الألياف غير المكسوة بينما أبلغ فان هيل عن حزم بسيطة من الألياف المكسوة. قام بتغطية ألياف عارية بكسوة شفافة ذات معامل انكسار أقل. هذا يحمي سطح انعكاس الألياف من التشويه الخارجي ويقلل بشكل كبير من التداخل بين الألياف. في ذلك الوقت ، كانت أكبر عقبة أمام الاستخدام القابل للتطبيق للألياف البصرية هي تحقيق أدنى خسارة للإشارة (الضوء).

1961

نشر إلياس سنيتزر من American Optical وصفًا نظريًا للألياف أحادية الوضع ، وهي ألياف ذات نواة صغيرة جدًا بحيث يمكنها حمل الضوء مع وضع دليل موجي واحد فقط. كانت فكرة سنيتزر جيدة بالنسبة لأداة طبية تبحث داخل الإنسان ، لكن الألياف كانت تعاني من فقدان خفيف قدره ديسيبل واحد لكل متر. كانت أجهزة الاتصالات بحاجة إلى العمل على مسافات أطول بكثير وتتطلب فقدًا خفيفًا لا يزيد عن عشرة أو 20 ديسيبل (قياس الضوء) لكل كيلومتر.

1964

تم تحديد مواصفات حرجة (ونظرية) من قبل الدكتور سي كي كاو لأجهزة الاتصالات بعيدة المدى. كانت المواصفات عشرة أو 20 ديسيبل من فقدان الضوء لكل كيلومتر ، والتي حددت المعيار. أوضح كاو أيضًا الحاجة إلى شكل أنقى من الزجاج للمساعدة في تقليل فقد الضوء.

1970

بدأ فريق واحد من الباحثين في تجربة السيليكا المنصهرة ، وهي مادة قادرة على النقاء الشديد مع نقطة انصهار عالية ومعامل انكسار منخفض. اخترع باحثو Corning Glass روبرت مورير ودونالد كيك وبيتر شولتز سلك الألياف الضوئية أو "ألياف الدليل الموجي البصري" (براءة الاختراع رقم 3 ، 711 ، 262) القادرة على حمل معلومات أكثر بـ 65000 مرة من الأسلاك النحاسية. سمح هذا السلك بفك شفرة المعلومات التي يحملها نمط من موجات الضوء في وجهة حتى على بعد ألف ميل. قام الفريق بحل المشاكل التي قدمها الدكتور كاو.

1975

قررت حكومة الولايات المتحدة ربط أجهزة الكمبيوتر في مقر NORAD في جبل شايان باستخدام الألياف البصرية لتقليل التداخل.

1977

تم تركيب أول نظام اتصال هاتفي بصري على بعد حوالي 1.5 ميل تحت وسط مدينة شيكاغو. حملت كل ليف بصري ما يعادل 672 قناة صوتية.

2000

بحلول نهاية القرن ، تم نقل أكثر من 80 في المائة من حركة المرور لمسافات طويلة في العالم عبر كابلات الألياف الضوئية و 25 مليون كيلومتر من الكابل. تم تركيب الكابلات المصممة من قبل Maurer و Keck و Schultz في جميع أنحاء العالم.

دور فيلق إشارة الجيش الأمريكي

المعلومات التالية قدمها ريتشارد ستورزبيشر. تم نشره في الأصل في منشور مؤسسة الجيش "Monmouth Message".

في عام 1958 ، في مختبرات فيلق الإشارة بالجيش الأمريكي في فورت مونماوث نيو جيرسي ، كره مدير الأسلاك والكابلات النحاسية مشاكل نقل الإشارات الناجمة عن البرق والماء. شجع مدير أبحاث المواد سام ديفيتا على إيجاد بديل للأسلاك النحاسية. اعتقد سام أن الزجاج والألياف والإشارات الضوئية قد تعمل ، لكن المهندسين الذين عملوا لدى سام أخبروه أن الألياف الزجاجية ستنكسر.

في سبتمبر 1959 ، سأل سام ديفيتا الملازم الثاني ريتشارد ستورزبيشر عما إذا كان يعرف كيفية كتابة صيغة الألياف الزجاجية القادرة على نقل الإشارات الضوئية. علم ديفيتا أن Sturzebecher ، الذي كان يدرس في مدرسة الإشارة ، قد صهر ثلاثة أنظمة زجاجية ثلاثية المحاور باستخدام SiO2 لأطروحته العليا عام 1958 في جامعة ألفريد.

كورنينج زجاج الأشغال منحت عقد الألياف البصرية

عرف Sturzebecher الجواب. أثناء استخدام المجهر لقياس مؤشر الانكسار على نظارات SiO2 ، طور ريتشارد صداعًا شديدًا. سمحت مساحيق الزجاج SiO2 بنسبة 60 بالمائة و 70 بالمائة تحت المجهر بكميات أعلى وأعلى من الضوء الأبيض اللامع بالمرور عبر شريحة المجهر وفي عينيه. تذكر الصداع والضوء الأبيض اللامع من زجاج SiO2 العالي ، عرف Sturzebecher أن الصيغة ستكون SiO2 فائقة النقاء. عرف Sturzebecher أيضًا أن Corning صنع مسحوق SiO2 عالي النقاء عن طريق أكسدة SiCl4 النقي إلى SiO2. واقترح أن يستخدم DiVita سلطته لمنح عقد فيدرالي لشركة Corning لتطوير الألياف.

عملت DiVita بالفعل مع باحثي Corning. لكن كان عليه أن يعلن الفكرة لأن جميع المعامل البحثية لها الحق في تقديم عطاءات على عقد فيدرالي. لذلك في عامي 1961 و 1962 ، تم الإعلان عن فكرة استخدام SiO2 عالي النقاء للألياف الزجاجية لنقل الضوء في طلب تقديم عطاءات لجميع مختبرات الأبحاث. كما هو متوقع ، منحت DiVita العقد لشركة Corning Glass Works في كورنينج ، نيويورك في عام 1962. كان التمويل الفيدرالي للألياف الزجاجية في كورنينج حوالي 1 ، 000 ، 000 دولار بين عامي 1963 و 1970. استمر التمويل الفيدرالي لشركة Signal Corps للعديد من البرامج البحثية حول الألياف البصرية حتى عام 1985 ، وبالتالي زرع بذور هذه الصناعة وجعل صناعة اليوم التي تقدر بمليارات الدولارات والتي تقضي على الأسلاك النحاسية في الاتصالات حقيقة واقعة.

استمر ديفيتا في العمل يوميًا في فيلق الإشارة بالجيش الأمريكي في أواخر الثمانينيات من عمره وتطوع كمستشار في علم النانو حتى وفاته عن عمر يناهز 97 عامًا في عام 2010.