Kto wynalazł kable światłowodowe? Pełna historia technologii zmieniającej świat

Kable światłowodowe nie zostały wymyślone przez jedną osobę. Technologia ta jest wynikiem ponad stuletnich odkryć naukowych, ale najważniejszy przełom nastąpił w 1966 r., kiedy Charlesa Kao — później nagrodzony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki — wykazał, że włókna szklane mogą przesyłać sygnały świetlne na duże odległości przy wystarczająco małej utracie sygnału, aby były praktyczne w telekomunikacji. Jego praca, w połączeniu z jednoczesnym opracowaniem niskostratnych włókien szklanych przez naukowców z dużego producenta szkła w 1970 roku, jest powszechnie uważana za moment, w którym światłowód stał się technologią komunikacyjną w świecie rzeczywistym.

Wczesne podstawy: prowadzenie światła przed światłowodami

Zasada naukowa kable światłowodowe — całkowite wewnętrzne odbicie — zostało po raz pierwszy opisane przez Daniela Colladona i Jacques’a Babineta XIX wieku, prawie 130 lat przed wyprodukowaniem działającego światłowodu komunikacyjnego. Ich eksperymenty wykazały, że światło może być prowadzone wzdłuż zakrzywionego strumienia wody, załamując się wraz z nim, zamiast uciekać po linii prostej.

W 1870 roku brytyjski fizyk Johna Tyndalla dał słynną publiczną demonstrację tego efektu, wykorzystując strumień wody wypływający ze zbiornika do kierowania wiązki światła słonecznego po zakrzywionej drodze. Eksperyment ten — obecnie podstawowy element zajęć — udowodnił, że światło może podążać za zakrzywionym ośrodkiem, jeśli kąt odbicia utrzymuje je w środku. Demonstracja Tyndalla jest często cytowana jako pierwsza praktyczna ilustracja podstawowej zasady optycznej, która na nią wpływa technologia światłowodowa możliwe.

Na początku XX wieku wynalazcy zaczęli gwintować pręty szklane i kwarcowe, aby kierować światło do oświetlenia medycznego. W 1926 r. Clarence’a Hansella złożył patent na system wykorzystujący szklane pręty do przesyłania obrazów – będący wczesnym prekursorem światłowodowej wiązki obrazu. Mniej więcej w tym samym czasie Henryk Lamm , niemiecki student medycyny, w 1930 r. pomyślnie przesłał obraz żarnika żarówki przez wiązkę włókien szklanych, co czyni go pierwszą osobą, która przesłała obraz przez wiązkę włókien szklanych.

Lata pięćdziesiąte: włókna platerowane i narodziny światłowodów jako pola

Prawdziwa era światłowód Zaczęło się w latach pięćdziesiątych XX wieku, kiedy badacze rozwiązali podstawowy problem wycieku sygnału, który sprawiał, że pojedyncze szklane pręty były niepraktyczne do przesyłania obrazów. Rozwiązaniem było włókno platerowane — szklany rdzeń otoczony drugą warstwą szkła o niższym współczynniku załamania światła, która utrzymuje światło wewnątrz rdzenia poprzez całkowite wewnętrzne odbicie.

Briana O'Briena i koncepcja okładziny

Briana O'Briena w American Optical Company zaproponował w 1951 r., że pokrycie włókna szklanego drugim szkłem o niższym współczynniku załamania światła radykalnie zmniejszy wyciek światła pomiędzy włóknami w wiązce. Ta koncepcja płaszcza optycznego jest strukturalnie identyczna z tą stosowaną we wszystkich kabel światłowodowy wyprodukowany dzisiaj.

Narindera Singha Kapany’ego: Człowiek, który nazwał światłowód

Narindera Singha Kapany’ego jest powszechnie uznawany za twórcę terminu „światłowód” w artykule w czasopiśmie Scientific American z 1960 r., a jego badania przeprowadzone w połowie lat pięćdziesiątych w Imperial College w Londynie — prowadzone pod kierunkiem Harolda Hopkinsa — zaowocowały pierwszą praktyczną, elastyczną wiązką światłowodową zdolną do przesyłania wyraźnych obrazów. W artykule z 1954 r. opublikowanym w czasopiśmie Nature wykazano, że wiązka platerowanych włókien szklanych może przesyłać spójne obrazy wokół krzywizn, otwierając drzwi zarówno do endoskopii medycznej, jak i do transmisji danych. Kapany posiadał później ponad 100 patentów w tej dziedzinie i czasami jest nazywany „ojciec światłowodów”.

Charlesa Kao: The Nobel Prize Breakthrough That Made Fiber Optics a Global Network

Charlesa Kao dokonał zdecydowanego przełomu teoretycznego w 1966 r., który przekształcił światłowód z ciekawostki laboratoryjnej w szkielet globalnego Internetu. Pracując w Standard Telekomunikacja Laboratories w Harlow w Anglii, Kao i jego kolega George Hockham opublikowali przełomowy artykuł wykazujący, że obserwowane wówczas duże tłumienie sygnału we włóknach szklanych nie stanowiło fundamentalnego ograniczenia fizycznego – było spowodowane zanieczyszczeniami w szkle, które można było usunąć.

Kao obliczył, że gdyby szkło można było oczyścić, zmniejszyłoby to tłumienie poniżej 20 decybeli na kilometr (dB/km) komunikacja światłowodowa na duże odległości byłaby opłacalna z komercyjnego punktu widzenia. W tamtym czasie najlepsze dostępne włókna szklane charakteryzowały się tłumieniem około 1000 dB/km, co oznaczało, że sygnał znikał w promieniu kilku metrów. Teoretyczne przewidywania Kao były tak szczegółowe i dobrze uzasadnione, że natychmiast zapoczątkowały światowy wyścig w produkcji ultraczystego włókna szklanego.

W 2009 roku Charlesa Kao was awarded the Nobel Prize in Physics „za przełomowe osiągnięcia w zakresie transmisji światła w światłowodach komunikacji optycznej”. Dzieli ten zaszczyt jako jeden z najbardziej znaczących wynalazców w historii telekomunikacji.

1970: Rok, w którym kable światłowodowe stały się rzeczywistością — Maurer, Keck i Schultz

Cztery lata po teoretycznych przewidywaniach Kao zespół trzech badaczy — Roberta Maurera, Donalda Kecka i Petera Schultza — osiągnął praktyczny kamień milowy, który udowodnił, że Kao miał rację. W 1970 roku, pracując w laboratorium badawczym szkła w Nowym Jorku, wyprodukowali pierwsze światłowód jednomodowy z tłumieniem poniżej 20 dB/km, przy użyciu rdzenia krzemionkowego domieszkowanego tytanem. Było to pierwsze włókno w historii zdolne do przesyłania sygnałów telefonicznych na odległości mierzone w kilometrach, a nie w metrach.

W ciągu dwóch lat ten sam zespół jeszcze bardziej zredukował tłumienie do zaledwie 4 dB/km wykorzystujący rdzeń domieszkowany germanem, a do połowy lat 70. XX wieku znajdowały się w fazie opracowywania komercyjnych systemów światłowodowych. Maurer, Keck i Schultz otrzymali nagrodę Narodowy Medal Techniki i Innowacji w 2000 r. za tę pracę, która umożliwiła bezpośrednie uruchomienie każdej obecnie działającej sieci światłowodowej.

Kompletna oś czasu: kto co wynalazł w historii światłowodów

The wynalezienie kabli światłowodowych obejmuje prawie 180 lat postępu naukowego. Poniższa tabela przedstawia każdy krytyczny kamień milowy dla osoby odpowiedzialnej i jego znaczenie dla technologii, z której korzystamy obecnie.

Tabela 1: Kluczowe kamienie milowe w historii wynalezienia kabla światłowodowego, wymieniając każdego głównego twórcę, jego konkretne odkrycie i jego trwałe znaczenie dla technologii.

Jak działają kable światłowodowe: fizyka stojąca za wynalazkiem

A kabel światłowodowy działa poprzez transmisję impulsów światła przez cienkie jak włos pasmo ultraczystego szkła lub plastiku, wykorzystując zjawisko zwane całkowite wewnętrzne odbicie . Kiedy światło przemieszcza się z gęstszego ośrodka (szklanego rdzenia) do mniej gęstego ośrodka (płaszcza) pod kątem większym niż „kąt krytyczny”, zamiast przechodzić, odbija się całkowicie z powrotem do rdzenia, skutecznie zatrzymując światło w środku i prowadząc je wzdłuż długości włókna.

Trzy warstwy nowoczesnego kabla światłowodowego

• Rdzeń: Środek przenoszący światło, zwykle o średnicy 8–62,5 mikrona, wykonany z ultraczystego szkła krzemionkowego domieszkowanego germanem w celu podniesienia współczynnika załamania światła.
• Okładzina: Otaczająca warstwa szkła o nieco niższym współczynniku załamania światła, zapewniająca całkowite wewnętrzne odbicie, utrzymuje światło w rdzeniu. Zwykle średnica zewnętrzna wynosi 125 mikronów.
• Powłoka i kurtka: Ochronne warstwy polimerowe, które zapobiegają uszkodzeniom fizycznym, wnikaniu wilgoci i utracie sygnału mikrozgięć. Płaszcze zewnętrzne różnią się w zależności od środowiska instalacji — wewnątrz, na zewnątrz, w powietrzu lub na łodzi podwodnej.

Światłowód jednomodowy a światłowód wielomodowy: kluczowe różnice

Dwie podstawowe kategorie kabel światłowodowy stosowane w nowoczesnych sieciach różnią się rozmiarem rdzenia, źródłem światła, odległością transmisji i kosztem:

Tabela 2: Porównanie kabli światłowodowych jednomodowych i wielomodowych według sześciu kluczowych parametrów technicznych i komercyjnych.

Dlaczego wynalezienie kabli światłowodowych zmieniło świat

Wynalazek kable światłowodowe zasadniczo zmienił globalną komunikację, zastępując drut miedziany szkłem światłowodowym, zwiększając przepustowość transmisji ponad milion razy, jednocześnie drastycznie zmniejszając utratę sygnału i opóźnienia. Aby docenić skalę tej zmiany, rozważmy, że jest to pojedynczy nowoczesny kabel światłowodowy jednomodowy może przenieść 100 terabitów danych na sekundę w demonstracjach laboratoryjnych, w porównaniu z maksymalną szybkością około 1 gigabita na sekundę w przypadku Gigabit Ethernetu opartego na miedzi na odległościach 100 metrów.

Wpływ na telekomunikację

Przed kable światłowodowe międzykontynentalne rozmowy telefoniczne były kierowane za pośrednictwem drogich koncentrycznych kabli miedzianych i mikrofalowych stacji przekaźnikowych. Wprowadzenie w 1988 r. TAT-8, pierwszego transatlantyckiego kabla światłowodowego, umożliwiło jednoczesne uruchomienie 40 000 obwodów telefonicznych — więcej niż wszystkie poprzednie kable transatlantyckie razem wzięte. Dziś koniec 99% całego międzynarodowego ruchu danych jest przesyłany podmorskimi kablami światłowodowymi i obejmuje Internet, transakcje finansowe i połączenia głosowe.

Wpływ na medycynę

Medyczne zastosowania technologia światłowodowa prześledź bezpośrednio powrót do pracy Kapany'ego i Hopkinsa dotyczącej pakietu obrazów z 1954 roku. Nowoczesne endoskopy — wykorzystywane podczas ponad 75 milionów zabiegów rocznie w samych Stanach Zjednoczonych — wykorzystują spójne wiązki światłowodowe do przesyłania obrazów wideo w czasie rzeczywistym z wnętrza ludzkiego ciała bez konieczności przeprowadzania operacji. Światłowody umożliwiają także małoinwazyjną chirurgię laserową, terapię fotodynamiczną w leczeniu nowotworów oraz precyzyjne czujniki optyczne stosowane w diagnostyce.

Wpływ na informatykę i Internet

Bez nich współczesny Internet nie istniałby w swojej obecnej formie kable światłowodowe . Globalny szkielet Internetu — sieć o dużej przepustowości łącząca kontynenty, kraje i centra danych — jest prawie w całości zbudowana na światłowodzie jednomodowym. Rozwój przetwarzania w chmurze, strumieniowego przesyłania wideo, pracy zdalnej i rynków finansowych w czasie rzeczywistym zależy od niezwykłej przepustowości i małych opóźnień, które tylko komunikacja światłowodowa może zapewnić na skalę globalną.

Światłowód a drut miedziany: bezpośrednie porównanie

Zrozumienie dlaczego kable światłowodowe które zastąpiły miedź w większości zastosowań długodystansowych i wymagających dużej przepustowości, wymaga bezpośredniego porównania obu technologii w wymiarach, które mają największe znaczenie dla inżynierów sieci i planistów infrastruktury.

Tabela 3: Bezpośrednie porównanie kabli światłowodowych i przewodów miedzianych pod kątem ośmiu krytycznych parametrów, kosztów i cech fizycznych.

Często zadawane pytania dotyczące wynalezienia kabli światłowodowych

P: Kto jest najczęściej uznawany za wynalazcę światłowodów?

Charlesa Kao jest najczęściej uznawany za kluczowego wynalazcę praktycznej komunikacji światłowodowej, ponieważ jego artykuł teoretyczny z 1966 r. bezpośrednio zapoczątkował rozwój niskostratnego włókna szklanego i przyniósł mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2009 r. Narindera Singha Kapany’ego jest również często cytowany i czasami nazywany „ojcem światłowodów” ze względu na ukucie tego terminu i opracowanie pierwszych elastycznych, spójnych wiązek włókien światłowodowych w latach pięćdziesiątych XX wieku.

P: Kiedy zainstalowano pierwszy kabel światłowodowy do użytku publicznego?

Pierwsza komercyjna instalacja oprogramowania A światłowodowy kabel telefoniczny do użytku publicznego miało miejsce w 1977 r. w Chicago w stanie Illinois, obsługując bieżący ruch telefoniczny z szybkością 45 megabitów na sekundę. Na początku lat 80. w Stanach Zjednoczonych i Europie zaczęto wdrażać światłowodowe linie miejskie, a w 1988 r. pierwszy transatlantycki kabel światłowodowy (TAT-8) połączył Stany Zjednoczone, Wielką Brytanię i Francję.

P: Z jakiego materiału wykonane są kable światłowodowe?

Większość kable światłowodowe stosowane w telekomunikacji wykonane są z ultraczystego materiału szkło krzemionkowe (dwutlenek krzemu), z rdzeniem domieszkowanym niewielką ilością dwutlenku germanu w celu zwiększenia jego współczynnika załamania światła w stosunku do płaszcza. Plastikowy światłowód (POF) jest używany w niektórych zastosowaniach konsumenckich i motoryzacyjnych krótkiego zasięgu, gdzie elastyczność i niski koszt są ważniejsze niż maksymalna przepustowość lub odległość.

P: Czy Charles Kao zdobył Nagrodę Nobla za wynalezienie światłowodu?

Tak. Charlesa Kao was awarded half of the 2009 Nobel Prize in Physics za przełomową pracę teoretyczną wykazującą, że możliwa jest niskostratna transmisja światła przez włókna szklane. Druga połowa nagrody przypadła Willardowi Boyle’owi i George’owi Smithowi za wynalezienie czujnika obrazu CCD. Kao otrzymał tę nagrodę kilkadziesiąt lat po swoim artykule z 1966 r., w którym to czasie stworzone przez niego sieci światłowodowe stały się już podstawą globalnego Internetu.

P: Jak szybko kable światłowodowe mogą obecnie przesyłać dane?

W przypadku wdrożenia komercyjnego, pojedynczy kabel światłowodowy przy użyciu gęstego multipleksowania z podziałem długości fali (DWDM). wiele terabitów na sekundę — typowe łącza szkieletowe działają z szybkością od 100 Gb/s do 400 Gb/s na długość fali, przy dziesiątkach do setek długości fal na włókno. W eksperymentach laboratoryjnych badacze wykazali przekraczanie prędkości transmisji 22,9 petabitów na sekundę w pojedynczym włóknie przy użyciu zaawansowanych technik wielordzeniowych i wielomodowych, co odpowiada około 22 900 000 gigabitów na sekundę.

P: Dlaczego od teorii do praktycznych zastosowań kabli światłowodowych minęło tak dużo czasu?

Różnica między demonstracją Johna Tyndalla w 1870 r. a produkcją światłowodów o niskich stratach w 1970 r. odzwierciedla dwa ogromne wyzwania inżynieryjne: wystarczająco czyste szkło w celu zminimalizowania strat absorpcyjnych oraz opracowania źródeł światła laserowego wystarczająco niezawodnych do ciągłej transmisji danych. Nawet po wyznaczeniu celu w obliczeniach Kao z 1966 r. wymagane były całkowicie nowe procesy produkcji szkła — w szczególności techniki chemicznego osadzania z fazy gazowej — w celu oczyszczenia krzemionki do wymaganego poziomu części na miliard. Równoległy rozwój laserów półprzewodnikowych pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku zapewnił spójne źródło światła wymagane do zasilania tych kabli z praktyczną szybkością transmisji danych.

Wniosek: stulecie skumulowanych wynalazków

Pytanie który wynalazł kable światłowodowe nie ma jednej odpowiedzi, ponieważ technologia ta jest efektem co najmniej siedmiu odrębnych przełomów naukowych dokonanych na przestrzeni 130 lat. Od eksperymentów Colladona ze strumieniem wody w latach czterdziestych XIX wieku po nazwanie pola przez Kapany'ego w 1960 r., od teoretycznych przewidywań Kao w 1966 r. po produkcję pierwszego żywotnego włókna przez Maurera, Kecka i Schultza w 1970 r. – każdy wkład był niezbędny.

Co sprawia, że wynalezienie kabli światłowodowych Niezwykła jest nie tylko sama technologia, ale fakt, że w ciągu jednego życia człowieka przekształciła się ona z demonstracji laboratoryjnej w dosłowną infrastrukturę współczesnego świata. Globalny internet, międzynarodowe sieci telefoniczne, nowoczesna diagnostyka medyczna i przetwarzanie w chmurze – wszystko to opiera się na pasmach szkła cieńszych od ludzkiego włosa i przenosi światło zakodowane w danych z szybkością, jakiej wynalazcy drutu miedzianego nigdy nie mogli sobie wyobrazić.