Hvordan fiberoptikk ble oppfunnet

Rafe Swan/Getty Images

Fiberoptikk er den innesluttede overføringen av lys gjennom lange fiberstaver av enten glass eller plast. Lyset beveger seg ved prosess med intern refleksjon. Kjernemediet til stangen eller kabelen er mer reflekterende enn materialet som omgir kjernen. Det får lyset til å fortsette å reflekteres tilbake til kjernen hvor det kan fortsette å bevege seg nedover fiberen. Fiberoptiske kabler brukes til å overføre tale, bilder og andre data nær lysets hastighet.

Hvem oppfant fiberoptikk?

Corning Glass-forskerne Robert Maurer, Donald Keck og Peter Schultz oppfant fiberoptisk ledning eller 'Optical Waveguide Fibres' (patent #3 711 262) som er i stand til å bære 65 000 ganger mer informasjon enn kobbertråd, gjennom hvilken informasjon båret av et mønster av lysbølger kunne bli dekodet på en destinasjon selv tusen miles unna.

Fiberoptiske kommunikasjonsmetoder og materialer oppfunnet av dem åpnet døren til kommersialisering av fiberoptikk. Fra langdistanse telefontjeneste til internettet og medisinsk utstyr som endoskopet, er fiberoptikk nå en stor del av det moderne livet.

Tidslinje for fiberoptikk

Som nevnt introduserte Maurer, Keck og Shultz fiberoptisk ledning i 1970, men det var mange andre viktige utviklinger som førte til etableringen av denne teknologien samt forbedringer etter introduksjonen. Følgende tidslinje fremhever nøkkeldatoene og utviklingen.

1854

John Tyndall demonstrerte for Royal Society at lys kunne ledes gjennom en buet strøm av vann, og beviste at et lyssignal kunne bøyes.

1880

Alexander Graham Bell oppfant sin ' Fototelefon ,' som sendte et stemmesignal på en lysstråle. Bell fokuserte sollys med et speil og snakket deretter inn i en mekanisme som vibrerte speilet. I mottakerenden fanget en detektor opp den vibrerende strålen og dekodet den tilbake til en stemme på samme måte som en telefon gjorde med elektriske signaler. Imidlertid kan mange ting - for eksempel en overskyet dag - forstyrre fototelefonen, noe som får Bell til å stoppe ytterligere forskning med denne oppfinnelsen.

William Wheeler oppfant et system av lysrør foret med et svært reflekterende belegg som belyste hjemmene ved å bruke lys fra en lysbuelampe plassert i kjelleren og lede lyset rundt i hjemmet med rørene.

1888

Det medisinske teamet til Roth og Reuss i Wien brukte bøyde glassstenger for å lyse opp kroppshulrom.

1895

Den franske ingeniøren Henry Saint-Rene designet et system av bøyde glassstenger for å lede lysbilder i et forsøk på tidlig fjernsyn.

1898

Amerikaneren David Smith søkte patent på en bøyd glassstang som skal brukes som kirurgisk lampe.

1920-tallet

Engelskmannen John Logie Baird og amerikanske Clarence W. Hansell patenterte ideen om å bruke arrays av gjennomsiktige stenger for å overføre bilder til henholdsvis TV og faksimiler.

1930

Den tyske medisinstudenten Heinrich Lamm var den første personen som satte sammen en bunt med optiske fibre for å bære et bilde. Lamms mål var å se inn i utilgjengelige deler av kroppen. Under sine eksperimenter rapporterte han at han sendte bildet av en lyspære. Bildet var imidlertid av dårlig kvalitet. Hans forsøk på å inngi patent ble nektet på grunn av Hansells britiske patent.

1954

nederlandsk forsker Abraham Van Heel og den britiske vitenskapsmannen Harold H. Hopkins skrev hver for seg artikler om bildebunter. Hopkins rapporterte om avbildningsbunter av ukledde fibre, mens Van Heel rapporterte om enkle bunter av kledde fibre. Han dekket en bar fiber med en gjennomsiktig kledning med lavere brytningsindeks. Dette beskyttet fiberrefleksjonsoverflaten fra utvendig forvrengning og reduserte interferens mellom fibre sterkt. På den tiden var den største hindringen for en levedyktig bruk av fiberoptikk å oppnå det laveste signaltap (lys).

1961

Elias Snitzer fra American Optical publiserte en teoretisk beskrivelse av enkeltmodusfibre, en fiber med en kjerne så liten at den kunne bære lys med bare én bølgeledermodus. Snitzers idé var ok for et medisinsk instrument som så inn i mennesket, men fiberen hadde et lystap på én desibel per meter. Kommunikasjonsenheter trengte å operere over mye lengre avstander og krevde et lystap på ikke mer enn ti eller 20 desibel (en måling av lys) per kilometer.

1964

En kritisk (og teoretisk) spesifikasjon ble identifisert av Dr. C.K. Kao for langdistanse kommunikasjon enheter. Spesifikasjonen var ti eller 20 desibel lystap per kilometer, noe som etablerte standarden. Kao illustrerte også behovet for en renere form for glass for å redusere lystapet.

1970

Et team av forskere begynte å eksperimentere med smeltet silika, et materiale som er i stand til ekstrem renhet med et høyt smeltepunkt og en lav brytningsindeks. Corning Glass-forskerne Robert Maurer, Donald Keck og Peter Schultz oppfant fiberoptisk ledning eller 'Optical Waveguide Fibres' (patent #3 711 262) som er i stand til å bære 65 000 ganger mer informasjon enn kobbertråd. Denne ledningen gjorde det mulig for informasjon båret av et mønster av lysbølger å bli dekodet på en destinasjon selv tusen miles unna. Teamet hadde løst problemene som Dr. Kao presenterte.

1975

Den amerikanske regjeringen bestemte seg for å koble sammen datamaskinene ved NORAD-hovedkvarteret ved Cheyenne Mountain ved å bruke fiberoptikk for å redusere interferens.

1977

Den første optiske telefon kommunikasjonssystem ble installert omtrent 1,5 mil under Chicago sentrum. Hver optisk fiber hadde tilsvarende 672 talekanaler.

2000

Ved slutten av århundret ble mer enn 80 prosent av verdens langdistansetrafikk ført over optiske fiberkabler og 25 millioner kilometer av kabelen. Maurer, Keck og Schultz-designede kabler er installert over hele verden.

Rollen til U.S. Army Signal Corps

Følgende informasjon ble sendt inn av Richard Sturzebecher. Den ble opprinnelig publisert i Army Corp-publikasjonen 'Monmouth Message.'

I 1958, ved U.S. Army Signal Corps Labs i Fort Monmouth New Jersey, hatet lederen av Copper Cable and Wire signaloverføringsproblemene forårsaket av lyn og vann. Han oppfordret leder for materialforskning Sam DiVita til å finne en erstatning for kobber metalltråd. Sam trodde glass-, fiber- og lyssignaler kunne fungere, men ingeniørene som jobbet for Sam fortalte ham at en glassfiber ville gå i stykker.

I september 1959 spurte Sam DiVita 2. løytnant Richard Sturzebecher om han visste hvordan han skulle skrive formelen for en glassfiber som er i stand til å overføre lyssignaler. DiVita hadde fått vite at Sturzebecher, som gikk på Signal School, hadde smeltet tre triaksiale glasssystemer ved å bruke SiO2 for sin senioravhandling fra 1958 ved Alfred University.

Corning Glass Works tildelt fiberoptikkkontrakt

Sturzebecher visste svaret. Mens du bruker en mikroskop for å måle brytningsindeksen på SiO2-briller utviklet Richard en alvorlig hodepine. 60 prosent og 70 prosent SiO2 glasspulver under mikroskopet tillot høyere og høyere mengder strålende hvitt lys å passere gjennom objektglasset og inn i øynene hans. Husker hodepinen og det strålende hvite lyset fra høy SiO2 glass , visste Sturzebecher at formelen ville være ultraren SiO2. Sturzebecher visste også at Corning laget høyrent SiO2-pulver ved å oksidere ren SiCl4 til SiO2. Han foreslo at DiVita skulle bruke sin makt til å tildele en føderal kontrakt til Corning for å utvikle fiberen.

DiVita hadde allerede jobbet med Corning-forskere. Men han måtte offentliggjøre ideen fordi alle forskningslaboratorier hadde rett til å by på en føderal kontrakt. Så i 1961 og 1962 ble ideen om å bruke SiO2 med høy renhet for en glassfiber for å overføre lys offentliggjort i en forespørsel til alle forskningslaboratorier. Som forventet tildelte DiVita kontrakten til Corning Glass Works i Corning, New York i 1962. Federal finansiering av glassfiberoptikk i Corning var på rundt 1 000 000 dollar mellom 1963 og 1970. Signal Corps Federal finansiering av mange forskningsprogrammer på fiberoptikk fortsatte til 1985, dermed sees denne industrien og gjør dagens multimilliardindustri som eliminerer kobbertråd i kommunikasjon til en realitet.

DiVita fortsatte å jobbe daglig ved U.S. Army Signal Corps på slutten av 80-tallet og meldte seg frivillig som konsulent på nanovitenskap frem til sin død, 97 år gammel i 2010.