چه کسی کابل های فیبر نوری را اختراع کرد؟ تاریخچه کامل یک فناوری در حال تغییر جهان

کابل های فیبر نوری توسط یک نفر اختراع نشده است. این فناوری نتیجه بیش از یک قرن اکتشافات علمی تجمعی است، اما مهم ترین پیشرفت در سال 1966 رخ داد. چارلز کائو - که بعداً جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد - نشان داد که الیاف شیشه می توانند سیگنال های نور را در فواصل طولانی با اتلاف سیگنال به اندازه کافی کم برای ارتباطات راه دور منتقل کنند. کار او، همراه با توسعه همزمان الیاف شیشه ای کم تلفات توسط محققان در یک تولید کننده بزرگ شیشه در سال 1970، به طور گسترده به عنوان لحظه ای تلقی می شود که فیبر نوری به یک فناوری ارتباطات در دنیای واقعی تبدیل شد.

پایه های اولیه: هدایت نور قبل از فیبر نوری

اصل علمی پشت سر کابل های فیبر نوری - بازتاب داخلی کل - اولین بار توسط دانیل کولادون و ژاک بابینه در دهه 1840، نزدیک به 130 سال قبل از تولید یک فیبر ارتباطی فعال. آزمایشات آنها نشان داد که نور می تواند در امتداد یک جریان منحنی آب هدایت شود و به جای فرار در یک خط مستقیم، با آن خم شود.

در سال 1870، فیزیکدان بریتانیایی جان تیندال با استفاده از یک جت آب که از یک مخزن برای هدایت پرتویی از نور خورشید در طول مسیر منحنی آن جریان دارد، یک نمایش عمومی مشهور از این اثر ارائه کرد. این آزمایش - که اکنون جزء اصلی کلاس درس است - ثابت کرد که اگر زاویه انعکاس نور آن را در داخل محبوس نگه دارد، می تواند از یک محیط منحنی پیروی کند. نمایش تیندال اغلب به عنوان اولین تصویر عملی از اصل نوری هسته ای ذکر می شود که تکنولوژی فیبر نوری ممکن است.

در اوایل قرن بیستم، مخترعان شروع به نخ شیشه ای و میله های کوارتز برای هدایت نور برای روشنایی پزشکی کردند. در سال 1926، کلارنس هانسل ثبت اختراع برای سیستمی با استفاده از میله های شیشه ای برای انتقال تصاویر - پیشرو اولیه مجموعه تصاویر فیبر نوری. تقریباً در همان زمان، هاینریش لام یک دانشجوی پزشکی آلمانی، در سال 1930 با موفقیت تصویری از یک رشته لامپ را از طریق بسته‌ای از الیاف شیشه منتقل کرد و او را به اولین کسی تبدیل کرد که تصویری را از طریق یک بسته فیبر ارسال کرد.

دهه 1950: فیبرهای پوشیده شده و تولد فیبر نوری به عنوان یک میدان

دوران واقعی فیبر نوری در دهه 1950 زمانی که محققان مشکل اساسی نشت سیگنال را حل کردند که میله های شیشه ای منفرد را برای انتقال تصاویر غیر عملی کرده بود. راه حل این بود فیبر روکش دار - یک هسته شیشه ای احاطه شده توسط لایه شیشه ای دوم با ضریب شکست پایین تر، که نور را از طریق بازتاب کامل داخلی در داخل هسته قفل می کند.

برایان اوبراین و مفهوم روکش

برایان اوبراین در شرکت اپتیکال آمریکا در سال 1951 پیشنهاد شد که پوشش دادن فیبر شیشه ای با شیشه دوم با ضریب شکست پایین تر، نشت نور را بین الیاف در یک بسته به طور چشمگیری کاهش می دهد. این مفهوم از روکش نوری از نظر ساختاری با آنچه در هر مورد استفاده می شود یکسان است کابل فیبر نوری امروز تولید شده است.

ناریندر سینگ کاپانی: مردی که فیبر نوری نامید

ناریندر سینگ کاپانی به طور گسترده ای با ابداع اصطلاح "فیبر نوری" در یک مقاله علمی آمریکایی در سال 1960 شناخته می شود و تحقیقات او در اواسط دهه 1950 در امپریال کالج لندن - که با هارولد هاپکینز انجام شد - اولین بسته فیبر نوری کاربردی و قابل انعطاف را تولید کرد که قادر به انتقال تصاویر واضح بود. مقاله آنها در سال 1954 در ژورنال نیچر نشان داد که دسته ای از الیاف شیشه ای پوشیده شده می تواند تصاویر منسجمی را در اطراف منحنی ها منتقل کند و دری را برای آندوسکوپی پزشکی و انتقال داده ها به طور یکسان باز کند. کاپانی بعدها بیش از 100 حق ثبت اختراع در این زمینه داشت و گاهی اوقات نامیده می شود "پدر فیبر نوری."

چارلز کائو: The Nobel Prize Breakthrough That Made Fiber Optics a Global Network

چارلز کائو در سال 1966 به پیشرفت نظری تعیین کننده ای دست یافت که فیبر نوری را از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به ستون فقرات اینترنت جهانی تبدیل کرد. کائو و همکارش جورج هاکام، که در آزمایشگاه های مخابراتی استاندارد در هارلو، انگلستان کار می کردند، مقاله مهمی را منتشر کردند که نشان می داد تضعیف سیگنال بالای مشاهده شده در الیاف شیشه، یک محدودیت فیزیکی اساسی نیست، بلکه ناشی از ناخالصی های موجود در شیشه است که می تواند حذف شود.

کائو محاسبه کرد که اگر می‌توان شیشه را برای کاهش تضعیف خالص‌سازی کرد 20 دسی بل در هر کیلومتر (dB/km) ، ارتباطات فیبر نوری در فواصل طولانی از نظر تجاری قابل دوام خواهد بود. در آن زمان، بهترین فیبرهای شیشه‌ای موجود حدود 1000 دسی‌بل بر کیلومتر تضعیف داشتند - به این معنی که یک سیگنال به طور موثر در چند متر ناپدید می‌شد. پیش‌بینی نظری کائو آنقدر خاص و مستدل بود که باعث شد یک مسابقه جهانی فوری برای تولید الیاف شیشه‌ای فوق‌العاده خالص ایجاد شود.

در سال 2009، چارلز کائو was awarded the Nobel Prize in Physics "برای دستاوردهای پیشگامانه در مورد انتقال نور در فیبرها برای ارتباطات نوری." او این افتخار را به عنوان یکی از مهم‌ترین مخترعان تاریخ مخابرات به اشتراک می‌گذارد.

1970: سالی که کابل های فیبر نوری واقعی شدند - مورر، کک و شولتز

چهار سال پس از پیش‌بینی نظری کائو، تیمی متشکل از سه محقق - رابرت مورر، دونالد کک و پیتر شولتز - به نقطه عطف عملی دست یافت که ثابت کرد کائو درست است. در سال 1970، آنها در یک آزمایشگاه تحقیقاتی شیشه ای در نیویورک کار می کردند، اولین نمونه را تولید کردند فیبر نوری تک حالته با میرایی زیر 20 دسی بل در کیلومتر، با استفاده از یک هسته سیلیسی دوپ شده با تیتانیوم. این اولین فیبر در تاریخ بود که قادر به حمل سیگنال های تلفن در فواصل اندازه گیری شده در کیلومتر به جای متر بود.

در عرض دو سال، همان تیم تضعیف را بیشتر به فقط کاهش داد 4 دسی بل در کیلومتر با استفاده از یک هسته دوپ شده با ژرمانیوم، و در اواسط دهه 1970 سیستم های فیبر نوری تجاری در دست توسعه بودند. مورر، کک و شولتز دریافت کردند مدال ملی فناوری و نوآوری در سال 2000 برای این کار، که به طور مستقیم هر شبکه فیبر نوری را فعال کرد.

جدول زمانی کامل: چه کسی چه چیزی را در تاریخچه فیبر نوری اختراع کرد

را اختراع کابل های فیبر نوری نزدیک به 180 سال پیشرفت علمی را در بر می گیرد. جدول زیر هر نقطه عطف حیاتی را برای شخص مسئول و اهمیت آن برای فناوری که امروزه استفاده می کنیم، ترسیم می کند.

جدول 1: نقاط عطف کلیدی در تاریخ اختراع کابل های فیبر نوری، فهرستی از مشارکت کنندگان اصلی، کشف خاص آنها و اهمیت ماندگار آن برای فناوری.

نحوه کار کابل های فیبر نوری: فیزیک پشت اختراع

A کابل فیبر نوری با انتقال پالس های نور از طریق یک رشته نازک مو از شیشه یا پلاستیک فوق العاده خالص با استفاده از پدیده ای به نام کار می کند. بازتاب داخلی کل . هنگامی که نور از یک محیط متراکم تر (هسته شیشه ای) به یک محیط کم تراکم (روکش روکش) با زاویه ای بیشتر از "زاویه بحرانی" حرکت می کند، به جای عبور از آن، به طور کامل به درون هسته بازتاب می شود - به طور موثر نور را در داخل به دام می اندازد و آن را در طول فیبر هدایت می کند.

را Three Layers of a Modern Fiber Optic Cable

• هسته: را light-carrying center, typically 8–62.5 microns in diameter, made from ultra-pure silica glass doped with germanium to raise the refractive index.
• روکش فلزی: یک لایه شیشه ای اطراف با ضریب شکست کمی پایین تر، که از بازتاب کلی داخلی اطمینان می دهد که نور را در هسته نگه می دارد. معمولاً 125 میکرون در قطر خارجی.
• پوشش و ژاکت: لایه های پلیمری محافظ که از آسیب فیزیکی، نفوذ رطوبت و از دست دادن سیگنال میکروخمشی جلوگیری می کند. ژاکت های بیرونی بسته به محیط نصب متفاوت است - داخلی، خارجی، هوایی یا زیردریایی.

فیبر تک حالته در مقابل فیبر چند حالته: تفاوت های کلیدی

را two primary categories of کابل فیبر نوری مورد استفاده در شبکه های مدرن از نظر اندازه هسته، منبع نور، فاصله انتقال و هزینه متفاوت است:

جدول 2: مقایسه کابل های فیبر نوری تک حالته و چند حالته در شش پارامتر کلیدی فنی و تجاری.

چرا اختراع کابل های فیبر نوری جهان را تغییر داد؟

را invention of کابل های فیبر نوری با جایگزینی سیم مسی با شیشه هدایت نور، ارتباطات جهانی را به طور اساسی تغییر داد - ظرفیت انتقال را بیش از یک میلیون افزایش داد و در عین حال از دست دادن سیگنال و تأخیر را به شدت کاهش داد. برای درک مقیاس این تغییر، یک مدرن واحد را در نظر بگیرید کابل فیبر نوری تک حالته می تواند حمل کند 100 ترابیت داده در ثانیه در آزمایشات آزمایشگاهی، در مقایسه با حداکثر 1 گیگابیت در ثانیه برای اترنت گیگابیت مسی در فواصل 100 متری.

تاثیر بر مخابرات

قبل از کابل های فیبر نوری تماس های تلفنی بین قاره ای از طریق کابل های مسی کواکسیال گران قیمت و ایستگاه های رله مایکروویو انجام می شد. استقرار TAT-8 در سال 1988، اولین کابل فیبر نوری فراآتلانتیک، 40000 مدار تلفن همزمان را فراهم کرد - بیش از مجموع همه کابل های قبلی فرا اقیانوس اطلس. امروز تمام شد 99 درصد از کل ترافیک داده های بین المللی توسط کابل های فیبر نوری زیردریایی، از جمله اینترنت، تراکنش های مالی و تماس های صوتی حمل می شود.

تاثیر بر پزشکی

را medical applications of تکنولوژی فیبر نوری ردیابی مستقیماً به آثار کاپانی و هاپکینز در سال 1954 برمی گردد. آندوسکوپ‌های مدرن - که سالانه در بیش از 75 میلیون روش به تنهایی در ایالات متحده استفاده می‌شوند - بر بسته‌های فیبر نوری منسجم برای انتقال تصاویر ویدیویی در زمان واقعی از داخل بدن انسان بدون جراحی متکی هستند. فیبر نوری همچنین جراحی لیزر کم تهاجمی، درمان فوتودینامیک برای درمان سرطان و سنسورهای نوری دقیق مورد استفاده در تشخیص را امکان پذیر می کند.

تاثیر بر محاسبات و اینترنت

را modern internet would not exist in its current form without کابل های فیبر نوری . ستون فقرات اینترنت جهانی - شبکه با ظرفیت بالا که قاره ها، کشورها و مراکز داده را به هم متصل می کند - تقریباً به طور کامل بر روی فیبر تک حالته ساخته شده است. ظهور محاسبات ابری، پخش ویدئو، کار از راه دور، و بازارهای مالی بلادرنگ همگی به پهنای باند فوق‌العاده و تأخیر کم بستگی دارد که فقط ارتباط فیبر نوری می تواند در مقیاس جهانی ارائه دهد.

فیبر نوری در مقابل سیم مسی: مقایسه سر به سر

درک چرایی کابل های فیبر نوری در اکثر کاربردهای مسافت طولانی و پهنای باند بالا جایگزین مس شده اند، مستلزم مقایسه مستقیم این دو فناوری در ابعادی است که برای مهندسان شبکه و برنامه ریزان زیرساخت مهم است.

جدول 3: مقایسه مستقیم بین کابل های فیبر نوری و سیم مسی در هشت ویژگی حیاتی عملکرد، هزینه و فیزیکی.

سوالات متداول در مورد اختراع کابل های فیبر نوری

س: چه کسی بیشتر به عنوان مخترع فیبر نوری شناخته می شود؟

چارلز کائو اغلب به عنوان مخترع کلیدی ارتباطات فیبر نوری عملی شناخته می شود زیرا مقاله نظری او در سال 1966 مستقیماً باعث توسعه فیبر شیشه ای کم اتلاف شد و جایزه نوبل فیزیک 2009 را برای او به ارمغان آورد. ناریندر سینگ کاپانی همچنین به طور مکرر به آن اشاره می شود و گاهی اوقات به عنوان "پدر فیبر نوری" برای ابداع این اصطلاح و توسعه اولین بسته های فیبر منسجم انعطاف پذیر در دهه 1950 نامیده می شود.

س: اولین کابل فیبر نوری چه زمانی برای استفاده عمومی نصب شد؟

را first commercial installation of a کابل فیبر نوری تلفن برای استفاده عمومی در سال 1977 در شیکاگو، ایلینویز رخ داد و ترافیک تلفن زنده را با سرعت 45 مگابیت در ثانیه حمل کرد. در اوایل دهه 1980، خطوط لوله فیبر نوری در سراسر ایالات متحده و اروپا مستقر شدند و در سال 1988 اولین کابل فیبر نوری فراآتلانتیک (TAT-8) ایالات متحده، بریتانیا و فرانسه را به هم متصل کرد.

س: کابل های فیبر نوری از چه موادی ساخته شده اند؟

بیشتر کابل های فیبر نوری مورد استفاده در مخابرات از فوق خالص ساخته شده است شیشه سیلیکا (دی اکسید سیلیکون)، که هسته آن با مقادیر کمی دی اکسید ژرمانیوم دوپ شده است تا ضریب شکست آن نسبت به روکش افزایش یابد. فیبر نوری پلاستیک (POF) در برخی از کاربردهای مصرف‌کننده و خودروهای برد کوتاه استفاده می‌شود که در آن انعطاف‌پذیری و هزینه کم مهم‌تر از حداکثر پهنای باند یا فاصله است.

س: آیا چارلز کائو برنده جایزه نوبل برای اختراع فیبر نوری شد؟

بله. چارلز کائو was awarded half of the 2009 Nobel Prize in Physics برای کار نظری پیشگامانه او که نشان می دهد انتقال نور کم تلفات از طریق الیاف شیشه قابل دستیابی است. نیمی دیگر از جایزه به ویلارد بویل و جورج اسمیت برای اختراع حسگر تصویر دستگاه با شارژ (CCD) تعلق گرفت. کائو چندین دهه پس از مقاله‌اش در سال 1966 این جایزه را دریافت کرد، در آن زمان شبکه‌های فیبر نوری که او امکان‌پذیر ساخت، پایه و اساس اینترنت جهانی شده بود.

س: امروزه کابل های فیبر نوری با چه سرعتی می توانند داده ها را انتقال دهند؟

در استقرار تجاری، یک کابل فیبر نوری با استفاده از مالتی پلکسی تقسیم طول موج متراکم (DWDM) می توان حمل کرد چند ترابیت در ثانیه - پیوندهای ستون فقرات معمولی با سرعت 100 گیگابیت بر ثانیه تا 400 گیگابیت در ثانیه در هر طول موج، با ده ها تا صدها طول موج در هر فیبر، کار می کنند. در آزمایشات آزمایشگاهی، محققان سرعت انتقال بیش از حد را نشان داده اند 22.9 پتابیت در ثانیه بیش از یک فیبر واحد با استفاده از تکنیک های پیشرفته چند هسته ای و چند حالته، که تقریباً 22900000 گیگابیت در ثانیه را نشان می دهد.

س: چرا بین تئوری و عملی کابل های فیبر نوری اینقدر طول کشید؟

را gap between John Tyndall's 1870 demonstration and the 1970 manufacture of low-loss fiber reflects two enormous engineering challenges: producing شیشه به اندازه کافی خالص برای به حداقل رساندن تلفات جذب، و توسعه منابع نور لیزر به اندازه کافی قابل اعتماد برای انتقال مداوم داده ها. حتی پس از اینکه محاسبات کائو در سال 1966 هدف را تعیین کرد، به فرآیندهای کاملاً جدید تولید شیشه - به ویژه تکنیک‌های رسوب بخار شیمیایی - برای خالص‌سازی سیلیس تا سطح مورد نیاز قطعات در میلیارد نیاز داشت. توسعه موازی لیزرهای نیمه هادی در اواخر دهه 1960 منبع نور منسجم مورد نیاز برای هدایت این کابل ها با سرعت داده عملی را فراهم کرد.

نتیجه گیری: یک قرن اختراع تجمعی

را question of که کابل های فیبر نوری را اختراع کرد پاسخ واحدی ندارد زیرا این فناوری محصول حداقل هفت پیشرفت علمی متمایز است که 130 سال را در بر می گیرد. از آزمایش‌های نور جت آب توسط کولادون در دهه 1840 تا نام‌گذاری کاپانی در سال 1960، از پیش‌بینی نظری برنده نوبل کائو در سال 1966 تا مورر، کک و شولتز که اولین فیبر قابل دوام را در سال 1970 تولید کردند، هر کمکی ضروری بود.

چه چیزی باعث می شود اختراع کابل های فیبر نوری قابل توجه فقط خود فناوری نیست، بلکه این واقعیت است که این فناوری از یک نمایش آزمایشگاهی به زیرساخت واقعی دنیای مدرن در طول عمر یک انسان تبدیل شده است. اینترنت جهانی، شبکه‌های تلفن بین‌المللی، تشخیص‌های پزشکی مدرن و محاسبات ابری همگی بر روی رشته‌هایی از شیشه نازک‌تر از موی انسان قرار دارند - حامل نور کدگذاری شده با داده‌ها با سرعت‌هایی که مخترعان سیم مسی هرگز تصور نمی‌کردند.