Кто изобрел оптоволоконные кабели? Полная история технологии, изменившей мир

Оптоволоконные кабели не были изобретены одним человеком. Эта технология является результатом более чем столетия совокупных научных открытий, но самый важный прорыв произошел в 1966 году, когда Чарльз Као — позже удостоенный Нобелевской премии по физике — продемонстрировал, что стеклянные волокна могут передавать световые сигналы на большие расстояния с достаточно низкими потерями сигнала, чтобы их можно было использовать в телекоммуникациях. Его работа в сочетании с одновременной разработкой стекловолокна с низкими потерями исследователями крупного производителя стекла в 1970 году широко рассматривается как момент, когда оптоволокно стало реальной коммуникационной технологией.

Ранние основы: световоды до появления оптоволокна

Научный принцип, лежащий в основе оптоволоконные кабели — полное внутреннее отражение — впервые описал Даниэль Колладон и Жак Бабине в 1840-х годах, почти за 130 лет до того, как было изготовлено рабочее волокно связи. Их эксперименты показали, что свет можно направлять вдоль изогнутого потока воды, изгибаясь вместе с ним, а не выходя по прямой линии.

В 1870 году британский физик Джон Тиндалл провел знаменитую публичную демонстрацию этого эффекта, используя струю воды, вытекающую из резервуара, для направления луча солнечного света по его изогнутой траектории. Этот эксперимент, который теперь является основным в классе, доказал, что свет может следовать за искривленной средой, если угол отражения удерживает его внутри. Демонстрацию Тиндаля часто называют первой практической иллюстрацией основного оптического принципа, который делает волоконно-оптическая технология возможно.

К началу двадцатого века изобретатели начали нанизывать стеклянные и кварцевые стержни для направления света для медицинского освещения. В 1926 году Кларенс Ханселл подала патент на систему, использующую стеклянные стержни для передачи изображений — раннюю предшественницу волоконно-оптического пучка изображений. Примерно в то же время, Генрих Ламм Немецкий студент-медик в 1930 году успешно передал изображение нити лампочки через пучок стекловолокон, став первым человеком, передавшим изображение через пучок волокон.

1950-е годы: плакированные волокна и рождение волоконной оптики как области науки

Настоящая эпоха оптоволокно началось в 1950-х годах, когда исследователи решили фундаментальную проблему утечки сигнала, которая сделала одиночные стеклянные стержни непрактичными для передачи изображений. Решением стало плакированное волокно — стеклянный сердечник, окруженный вторым слоем стекла с более низким показателем преломления, который удерживает свет внутри сердечника за счет полного внутреннего отражения.

Брайан О'Брайен и концепция облицовки

Брайан О'Брайен в Американской оптической компании в 1951 году предположили, что покрытие стекловолокна вторым стеклом с более низким показателем преломления значительно уменьшит утечку света между волокнами в пучке. Эта концепция оптической оболочки структурно идентична той, которая используется в каждом оптоволоконный кабель изготовлено сегодня.

Нариндер Сингх Капани: человек, который назвал волоконную оптику

Нариндер Сингх Капани ему широко приписывают создание термина «волоконная оптика» в статье Scientific Аmerican 1960 года, а его исследования в середине 1950-х годов в Имперском колледже Лондона, проведенные вместе с Гарольдом Хопкинсом, позволили создать первый практичный гибкий оптоволоконный пучок, способный передавать четкие изображения. Их статья 1954 года в журнале Nature продемонстрировала, что пучок плакированных стекловолокон может передавать последовательные изображения вокруг кривых, открывая двери как для медицинской эндоскопии, так и для передачи данных. Позже Капани получил более 100 патентов в этой области, и его иногда называют «отец оптоволокна».

Чарльз Као: The Nobel Prize Breakthrough That Made Fiber Optics a Global Network

Чарльз Као совершил решающий теоретический прорыв в 1966 году, превратив оптоволокно из лабораторной диковинки в основу глобального Интернета. Работая в лаборатории Standard Telecommunication Laboratories в Харлоу, Англия, Као и его коллега Джордж Хокхэм опубликовали знаковую статью, демонстрирующую, что высокое затухание сигнала, наблюдавшееся тогда в стеклянных волокнах, не было фундаментальным физическим пределом — оно было вызвано примесями в стекле, которые можно было удалить.

Као подсчитал, что если бы стекло можно было очистить, чтобы снизить затухание ниже 20 децибел на километр (дБ/км) , оптоволоконная связь на большие расстояния была бы коммерчески жизнеспособной. В то время лучшие доступные стеклянные волокна имели затухание около 1000 дБ/км, то есть сигнал фактически исчезал в пределах нескольких метров. Теоретическое предсказание Као было настолько конкретным и настолько хорошо обоснованным, что сразу же спровоцировало глобальную гонку по производству сверхчистого стекловолокна.

В 2009 году Чарльз Као was awarded the Nobel Prize in Physics «За новаторские достижения в области передачи света по оптоволокну для оптической связи». Он разделяет эту честь как один из самых влиятельных изобретателей в истории телекоммуникаций.

1970: Год, когда оптоволоконные кабели стали реальностью — Маурер, Кек и Шульц

Через четыре года после теоретического предсказания Као группа из трёх исследователей... Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц — достиг практической вехи, доказавшей правоту Као. В 1970 году, работая в лаборатории по исследованию стекла в Нью-Йорке, они изготовили первый одномодовое оптическое волокно с затуханием ниже 20 дБ/км, с использованием кварцевого сердечника, легированного титаном. Это было первое в истории волокно, способное передавать телефонные сигналы на расстояния, измеряемые километрами, а не метрами.

В течение двух лет та же команда еще больше снизила затухание до всего лишь 4 дБ/км с использованием сердцевины, легированной германием, а к середине 1970-х годов уже разрабатывались коммерческие оптоволоконные системы. Маурер, Кек и Шульц получили Национальная медаль технологий и инноваций в 2000 году за эту работу, которая напрямую обеспечила работу каждой действующей сегодня оптоволоконной сети.

Полная хронология: кто и что изобрел в истории оптоволокна

изобретение оптоволоконных кабелей охватывает почти 180 лет научного прогресса. В таблице ниже каждая важная веха сопоставлена ​​с ответственным лицом и ее значением для технологий, которые мы используем сегодня.

Таблица 1: Ключевые вехи в истории изобретения оптоволоконных кабелей с указанием каждого основного вкладчика, их конкретного открытия и его непреходящего значения для технологии.

Как работают оптоволоконные кабели: физика изобретения

A оптоволоконный кабель работает путем передачи импульсов света через тонкую, как волос, нить сверхчистого стекла или пластика, используя явление, называемое полное внутреннее отражение . Когда свет проходит от более плотной среды (стеклянного сердечника) к менее плотной среде (оболочке) под углом, превышающим «критический угол», он полностью отражается обратно в сердечник, а не проходит сквозь него, эффективно улавливая свет внутри и направляя его по длине волокна.

Three Layers of a Modern Fiber Optic Cable

• Ядро: light-carrying center, typically 8–62.5 microns in diameter, made from ultra-pure silica glass doped with germanium to raise the refractive index.
• Облицовка: Окружающий слой стекла с немного меньшим показателем преломления, обеспечивающий полное внутреннее отражение, удерживает свет в сердцевине. Обычно внешний диаметр 125 микрон.
• Покрытие и куртка: Защитные полимерные слои, предотвращающие физические повреждения, попадание влаги и потерю сигнала при микроизгибах. Внешние оболочки различаются в зависимости от условий установки — в помещении, на открытом воздухе, в воздухе или на подводной лодке.

Одномодовое и многомодовое волокно: ключевые различия

two primary categories of оптоволоконный кабель используемые в современных сетях различаются размером ядра, источником света, дальностью передачи и стоимостью:

Таблица 2. Сравнение одномодовых и многомодовых оптоволоконных кабелей по шести ключевым техническим и коммерческим параметрам.

Почему изобретение оптоволоконных кабелей изменило мир

invention of оптоволоконные кабели фундаментально изменили глобальные коммуникации, заменив медный провод светопроводящим стеклом, увеличив пропускную способность более чем в миллион раз и одновременно радикально сократив потери сигнала и задержку. Чтобы оценить масштаб этого сдвига, представьте себе, что единственный современный одномодовый оптоволоконный кабель можно перенести 100 терабит данных в секунду в лабораторных демонстрациях по сравнению с максимальной скоростью около 1 гигабит в секунду для медного Gigabit Ethernet на расстоянии 100 метров.

Влияние на телекоммуникации

До оптоволоконные кабели Межконтинентальные телефонные звонки осуществлялись через дорогие медные коаксиальные кабели и микроволновые ретрансляционные станции. Развертывание в 1988 году ТАТ-8, первого трансатлантического оптоволоконного кабеля, обеспечило 40 000 одновременных телефонных линий — больше, чем все предыдущие трансатлантические кабели вместе взятые. Сегодня закончилось 99% всего международного трафика данных Передается по подводным оптоволоконным кабелям, включая Интернет, финансовые транзакции и голосовые вызовы.

Влияние на медицину

medical applications of волоконно-оптическая технология Прослеживается непосредственно к работе Капани и Хопкинса по подборке изображений 1954 года. Современные эндоскопы, которые ежегодно используются в более чем 75 миллионах процедур только в Соединенных Штатах, полагаются на когерентные оптоволоконные пучки для передачи видеоизображений в реальном времени изнутри человеческого тела без хирургического вмешательства. Волоконная оптика также позволяет проводить минимально инвазивную лазерную хирургию, фотодинамическую терапию для лечения рака и прецизионные оптические датчики, используемые в диагностике.

Влияние на компьютеры и Интернет

modern internet would not exist in its current form without оптоволоконные кабели . Глобальная магистраль Интернета — сеть высокой пропускной способности, соединяющая континенты, страны и центры обработки данных — почти полностью построена на одномодовом оптоволокне. Развитие облачных вычислений, потокового видео, удаленной работы и финансовых рынков в реальном времени зависит от исключительной пропускной способности и низкой задержки, которые только оптоволоконная связь может обеспечить в глобальном масштабе.

Волоконная оптика против медного провода: прямое сравнение

Понимание почему оптоволоконные кабели заменили медь в большинстве приложений дальней связи и с высокой пропускной способностью, требует непосредственного сравнения двух технологий по всем аспектам, которые наиболее важны для сетевых инженеров и планировщиков инфраструктуры.

Таблица 3. Прямое сравнение оптоволоконных кабелей и медных проводов по восьми критическим характеристикам, стоимости и физическим характеристикам.

Часто задаваемые вопросы об изобретении оптоволоконных кабелей

Вопрос: Кого чаще всего называют изобретателем оптоволокна?

Чарльз Као чаще всего считается ключевым изобретателем практической волоконно-оптической связи, поскольку его теоретическая работа 1966 года непосредственно послужила толчком к разработке стекловолокна с низкими потерями и принесла ему Нобелевскую премию по физике 2009 года. Нариндер Сингх Капани его также часто цитируют и иногда называют «отцом волоконной оптики» за то, что он придумал этот термин и разработал первые гибкие когерентные пучки волокон в 1950-х годах.

Вопрос: Когда был проложен первый оптоволоконный кабель для общественного пользования?

first commercial installation of a оптоволоконный телефонный кабель для публичного использования произошел в 1977 году в Чикаго, штат Иллинойс, при передаче живого телефонного трафика со скоростью 45 мегабит в секунду. К началу 1980-х годов оптоволоконные магистральные линии были развернуты в США и Европе, а в 1988 году первый трансатлантический оптоволоконный кабель (ТАТ-8) соединил США, Великобританию и Францию.

Вопрос: Из какого материала изготовлены оптоволоконные кабели?

Большинство оптоволоконные кабели используемые в телекоммуникациях, изготовлены из сверхчистых кварцевое стекло (диоксид кремния), сердечник которого легирован небольшим количеством диоксида германия для увеличения его показателя преломления по сравнению с оболочкой. Пластиковое оптическое волокно (POF) используется в некоторых потребительских и автомобильных приложениях ближнего действия, где гибкость и низкая стоимость более важны, чем максимальная пропускная способность или расстояние.

Вопрос: Чарльз Као получил Нобелевскую премию за изобретение оптоволокна?

Да. Чарльз Као was awarded half of the 2009 Nobel Prize in Physics за новаторскую теоретическую работу, продемонстрировавшую возможность достижимости передачи света с низкими потерями через стекловолокно. Другая половина премии досталась Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту за изобретение датчика изображения с зарядовой связью (ПЗС). Као получил премию спустя десятилетия после своей статьи в 1966 году, когда оптоволоконные сети, которые он сделал возможными, уже стали основой глобального Интернета.

Вопрос: Насколько быстро сегодня могут передавать данные оптоволоконные кабели?

При коммерческом развертывании один оптоволоконный кабель использование плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) может передавать несколько терабит в секунду — типичные магистральные каналы работают со скоростью от 100 до 400 Гбит/с на длину волны, при этом на волокно приходится от десятков до сотен длин волн. В ходе лабораторных экспериментов исследователи продемонстрировали скорость передачи данных, превышающую 22,9 петабит в секунду по одному волокну с использованием передовых многоядерных и многомодовых технологий, что составляет примерно 22 900 000 гигабит в секунду.

Вопрос: Почему между теорией и практикой оптоволоконных кабелей прошло так много времени?

gap between John Tyndall's 1870 demonstration and the 1970 manufacture of low-loss fiber reflects two enormous engineering challenges: producing стекло достаточно чистое минимизировать потери на поглощение и разработать источники лазерного света, достаточно надежные для непрерывной передачи данных. Даже после того, как расчеты Као 1966 года установили цель, потребовались совершенно новые процессы производства стекла — в частности, методы химического осаждения из паровой фазы — для очистки кремнезема до необходимого уровня частей на миллиард. Параллельная разработка полупроводниковых лазеров в конце 1960-х годов обеспечила источник когерентного света, необходимый для управления этими кабелями с практической скоростью передачи данных.

Заключение: столетие совокупных изобретений

question of кто изобрел оптоволоконные кабели не имеет однозначного ответа, поскольку эта технология является результатом как минимум семи различных научных прорывов, произошедших за 130 лет. От экспериментов Колладона с водоструйным светом в 1840-х годах до названия месторождения Капани в 1960 году, от теоретического предсказания Као, получившего Нобелевскую премию в 1966 году, до Маурера, Кека и Шульца, создавших первое жизнеспособное волокно в 1970 году, каждый вклад был важен.

Что делает изобретение оптоволоконных кабелей Примечательна не только сама технология, но и тот факт, что за одну человеческую жизнь она превратилась из лабораторной демонстрации в буквальную инфраструктуру современного мира. Глобальный Интернет, международные телефонные сети, современная медицинская диагностика и облачные вычисления — все это основано на нитях стекла тоньше человеческого волоса, переносящих свет, закодированный с данными, со скоростью, которую изобретатели медного провода никогда не могли себе представить.