Как была изобретена волоконная оптика

Как была изобретена волоконная оптика

Волоконная оптика - это скрытая передача света через длинные волоконные стержни из стекла или пластика. Свет распространяется в процессе внутреннего отражения. Основная среда стержня или кабеля более отражающая, чем материал, окружающий сердечник. Это приводит к тому, что свет продолжает отражаться обратно в сердечник, где он может продолжать двигаться по волокну. Волоконно-оптические кабели используются для передачи голоса, изображений и других данных со скоростью, близкой к скорости света.

Кто изобрел волоконную оптику?

Исследователи Corning Glass Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц изобрели оптоволоконный провод или "оптические волноводные волокна" (патент № 3 711 262), способный переносить в 65 000 раз больше информации, чем медный провод, через который информация, переносимая по шаблону световых волн, может быть декодирован в пункте назначения даже за тысячу миль.

Волоконно-оптические методы связи и материалы, изобретенные ими, открыли двери для коммерциализации волоконной оптики. От междугородной телефонной связи до Интернета и медицинских устройств, таких как эндоскоп, волоконная оптика в настоящее время является основной частью современной жизни.

Волоконная оптика Timeline

Как уже отмечалось, Маурер, Кек и Шульц представили оптоволоконный провод в 1970 году, но было много других важных разработок, которые привели к созданию этой технологии, а также к улучшениям после ее внедрения. Следующая временная шкала освещает ключевые даты и события.

1854

Джон Тиндалл продемонстрировал Королевскому обществу, что свет может проходить через искривленный поток воды, доказав, что световой сигнал может быть изогнут.

1880

Александр Грэм Белл изобрел свой "Фотофон", который передавал голосовой сигнал на луч света. Белл фокусировал солнечный свет зеркалом, а затем разговаривал с механизмом, который вибрировал зеркалом. На приемном конце детектор улавливал вибрирующий луч и декодировал его обратно в голос так же, как телефон с электрическими сигналами. Однако многие вещи — a cloudy day, for instance — could interfere with the Photophone, causing Bell to stop any further research with this invention.

Уильям Уилер изобрел систему световых труб, облицованных высокоотражающим покрытием, которое освещало дома, используя свет от электрической дуговой лампы, расположенной в подвале, и направляя свет вокруг дома с помощью труб.

1888

Медицинская бригада Рота и Ройсса из Вены использовала изогнутые стеклянные стержни для освещения полостей тела.

1895

Французский инженер Генри Сен-Рене разработал систему изогнутых стеклянных стержней для направления световых изображений в попытке раннего телевидения.

1898

Американец Дэвид Смит подал заявку на патент на устройство с изогнутым стеклянным стержнем, которое будет использоваться в качестве хирургической лампы.

1920-е годы

Англичанин Джон Логи Бэрд и американец Кларенс Ханселл запатентовали идею использования массивов прозрачных стержней для передачи изображений для телевидения и факсимиле соответственно.

1930

Немецкий студент-медик Генрих Ламм был первым, кто собрал пучок оптических волокон для переноса изображения. Целью Ламма было заглянуть внутрь недоступных частей тела. Во время своих экспериментов он сообщил о передаче изображения лампочки. Однако изображение было низкого качества. Его попытка подать патент была отклонена из-за британского патента Ханселла.

1954

Голландский ученый Абрахам Ван Хел и британский ученый Гарольд Х. Хопкинс по отдельности написали статьи о пучках изображений. Хопкинс сообщил о визуализации пучков неодетых волокон, а Ван Хел сообщил о простых пучках одетых волокон. Он покрыл голое волокно прозрачной оболочкой с более низким показателем преломления. Это защитило отражающую поверхность волокна от внешних искажений и значительно уменьшило интерференцию между волокнами. В то время самым большим препятствием для жизнеспособного использования волоконной оптики было достижение наименьшей потери сигнала (света).

1961

Элиас Снитцер из American Optical опубликовал теоретическое описание одномодовых волокон, волокна с настолько маленьким сердечником, что оно может нести свет только с одним волноводным режимом. Идея Снитцера была приемлемой для медицинского инструмента, заглядывающего внутрь человека, но световод имел потерю одного децибела на метр. Устройства связи должны были работать на гораздо больших расстояниях и требовали потери света не более десяти или 20 децибел (измерение света) на километр.

1964

Критическая (и теоретическая) спецификация была определена доктором С.К. Као для устройств дальней связи. Спецификация составляла десять или 20 децибелов потери света на километр, что установило стандарт. Као также проиллюстрировал потребность в более чистой форме стекла, чтобы уменьшить потерю света.

1970

Одна группа исследователей начала экспериментировать с плавленым кремнеземом, материалом, способным к чрезвычайной чистоте с высокой температурой плавления и низким показателем преломления. Исследователи Corning Glass Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц изобрели волоконно-оптический провод или "Оптические волноводные волокна" (патент № 3 711 262), способные нести в 65 000 раз больше информации, чем медный провод. Этот провод позволял декодировать информацию, передаваемую по шаблону световых волн, в пункте назначения даже за тысячу миль. Команда решила проблемы, представленные доктором Као.

1975

Правительство Соединенных Штатов решило соединить компьютеры в штаб-квартире NORAD в Шайенн-Маунтин с использованием волоконной оптики для уменьшения помех.

1977

Первая система оптической телефонной связи была установлена примерно в 1,5 милях под центром Чикаго. Каждое оптическое волокно имело эквивалент 672 голосовых каналов.

2000

К концу века более 80 процентов мирового междугороднего трафика проходило по оптоволоконным кабелям и 25 миллионам километров кабеля. По всему миру были установлены кабели, спроектированные Маурером, Кеком и Шульцем.

Роль корпуса связи армии США

Следующая информация была предоставлена Ричардом Стурзебечером. Первоначально он был опубликован в издании Army Corp "Monmouth Message".

В 1958 году в лаборатории корпуса связи армии США в Форт-Монмуте, штат Нью-Джерси, менеджер Copper Cable and Wire ненавидел проблемы передачи сигнала, вызванные молнией и водой. Он призвал менеджера по исследованию материалов Сэма ДиВиту найти замену медному проводу. Сэм думал, что стеклянные, оптоволоконные и световые сигналы могут сработать, но инженеры, работавшие на Сэма, сказали ему, что стекловолокно сломается.

В сентябре 1959 года Сэм ДиВита спросил 2-го лейтенанта Ричарда Стурзебечера, знает ли он, как написать формулу стекловолокна, способного передавать световые сигналы. ДиВита узнал, что Стурзебехер, который учился в Школе сигнала, расплавил три трехосевые стеклянные системы с использованием SiO2 для своей выпускной диссертации 1958 года в Университете Альфреда.

Corning Glass Works заключила контракт на оптоволокно

Стурзебехер знал ответ. Используя микроскоп для измерения показателя преломления на стеклах SiO2, у Ричарда развилась сильная головная боль. Стеклянные порошки SiO2 на 60 и 70 процентов под микроскопом позволяли все большему количеству блестящего белого света проходить через скольжение микроскопа и попадать ему в глаза. Вспоминая головную боль и блестящий белый свет от стекла с высоким SiO2, Стурзебехер знал, что формула будет сверхчистым SiO2. Стурзебехер также знал, что Corning изготавливает порошок SiO2 высокой чистоты, окисляя чистый SiCl4 в SiO2. Он предложил DiVita использовать свою власть, чтобы заключить с Corning федеральный контракт на разработку волокна.

DiVita уже работала с исследователями Corning. Но ему пришлось обнародовать эту идею, потому что все исследовательские лаборатории имели право участвовать в торгах по федеральному контракту. Итак, в 1961 и 1962 годах идея использования SiO2 высокой чистоты для стекловолокна для передачи света была обнародована в рамках заявки на участие во всех исследовательских лабораториях. Как и ожидалось, DiVita заключила контракт с Corning Glass Works в Корнинге, штат Нью-Йорк, в 1962 году. Федеральное финансирование стекловолоконной оптики в Corning составляло около 1 000 000 долларов в период с 1963 по 1970 год. Федеральное финансирование многих исследовательских программ по волоконной оптике Signal Corps продолжалось до 1985 года, тем самым засеяв эту отрасль и сделав реальностью сегодняшнюю многомиллиардную отрасль, которая устраняет медный провод в коммуникациях.

ДиВита продолжал ежедневно работать в Корпусе связи армии США в конце 80-х годов и добровольно работал консультантом по нанонаукам до своей смерти в возрасте 97 лет в 2010 году.