Kako je izmišljena optička vlakna

Vlakna optika je sadržani prijenos svjetlosti kroz dugačke šipke vlakana bilo stakla ili plastike. Svjetlost putuje procesom unutarnjeg odraza. Sredstvo jezgre štapa ili kabela je više refleksno od materijala koji okružuje jezgru. Zbog toga se svjetlost nastavlja reflektirati natrag u jezgru gdje može nastaviti putovati niz vlakno. Vlaknasti optički kabeli koriste se za prijenos glasa, slika i drugih podataka pri brzini svjetlosti.

Istraživači Corning Glass-a Robert Maurer, Donald Keck i Peter Schultz izumili su optičku žicu ili "optička valovodna vlakna" (patent # 3,711,262) sposobni za nošenje 65.000 puta više informacija od bakrene žice kroz koje se informacije nošene uzorkom svjetlosnih valova mogu dekodirati na odredištu čak tisuću milja daleko.

Vlakno-optičke komunikacijske metode i materijali koje su oni izumili otvorili su vrata komercijalizaciji optičkih vlakana. Od telefonske usluge na daljinu do internet i medicinski uređaji poput endoskopa, optička vlakna sada su glavni dio modernog života.

• 1854. John Tyndall pokazao je Kraljevskom društvu da se svjetlost može provoditi kroz zakrivljenu struju vode, dokazujući da svjetlosni signal može biti savijen.
• 1880: Alexander Graham Bell izmislio svoj "Photophone, "koji su na zraku svjetlosti prenijeli glasovni signal. Bell se sa zrcalom usredotočio na sunčevu svjetlost, a zatim je ušao u mehanizam koji je vibrirao ogledalom. Na kraju prijema, detektor je podigao vibrirajuću zraku i dekodirao je na glas na isti način kao što je to učinio telefon s električnim signalima. Međutim, mnoge stvari - na primjer, oblačan dan - mogu ometati Fotofon, uzrokujući da Bell zaustavi daljnja istraživanja s ovim izumom.
• 1880.: William Wheeler izumio je sustav svjetlosnih cijevi obloženih visoko reflektirajućim premazom koji je osvjetljavao domove pomoću svjetlosti iz električne lučne lampe smještene u podrumu i usmjeravanja svjetlosti oko kuće s cijevi.
• 1888.: Medicinski tim Roth i Reuss iz Beča koristio je savijene staklene šipke za osvjetljavanje tjelesnih šupljina.
• 1895.: Francuski inženjer Henry Saint-Rene dizajnirao je sustav savijenih staklenih šipki za vođenje svjetlosnih slika u pokušaju rane televizije.
• 1898.: Amerikanac David Smith prijavljen za patent na savijenom staklenom štapiću koji će se koristiti kao kirurška svjetiljka.
• 1920-ih: Englez John Logie Baird i Amerikanac Clarence W. Hansell je patentirao ideju upotrebe nizova prozirnih šipki za prijenos slika za televiziju, odnosno faksimile.
• 1930: Njemački student medicine Heinrich Lamm prva je osoba sastavila snop optičkih vlakana koji su nosili sliku. Lammov cilj bio je pogledati unutar nepristupačnih dijelova tijela. Tijekom svojih eksperimenata, izvijestio je o prenošenju slike žarulje. Međutim, slika je bila loše kvalitete. Njegov napor da podnese patent bio je odbijen zbog britanskog patenta Hansell.
• 1954: Nizozemski naučnik Abraham Van Heel i britanski znanstvenik Harold H. Hopkins je odvojeno pisao radove o snopovima za preslikavanje. Hopkins je izvijestio o slikanju snopa neočišćenih vlakana, dok je Van Heel izvještavao o jednostavnim snopovima platiranih vlakana. Prekrivao je golo vlakno prozirnom oblogom nižeg indeksa loma. To je zaštitilo površinu koja se reflektira od vlakana od vanjskih izobličenja i uvelike smanjila smetnje između vlakana. U to je vrijeme najveća prepreka održivoj upotrebi optike od vlakana bila u postizanju najnižih gubitaka signala (svjetlosti).
• 1961.: Elias Snitzer iz American Optical objavio je teorijski opis jednosmjernih vlakana, vlakna s jezgrom tako malom da može nositi svjetlost sa samo jednim načinom valovoda. Snitzerova ideja bila je u redu za medicinski instrument koji gleda unutar čovjeka, ali vlakno je imalo gubitak svjetlosti od jednog decibela po metru. Komunikacijski uređaji potrebni za rad na mnogo većim udaljenostima i zahtijevali su gubitak svjetlosti ne više od deset ili 20 decibela (mjerenje svjetlosti) po kilometru.
• 1964.: kritičku (i teorijsku) specifikaciju utvrdio je dr. C.K. Kao za dugovječnost komunikacija uređaji. Specifikacija je bila deset ili 20 decibela gubitka svjetlosti po kilometru, čime je utvrđena norma. Kao je također ilustrirao potrebu za čistijim oblikom stakla kako bi se smanjio gubitak svjetlosti.
• 1970.: Jedan je tim istraživača počeo eksperimentirati sa staklenim silicijem, materijalom sposobnim izrazite čistoće s visokom talištem i niskim indeksom loma. Istraživači Corning Glass-a Robert Maurer, Donald Keck i Peter Schultz izumili su vlaknaste optičke žice ili "Optička valovodna vlakna" (patent br. 3.711.262) sposobna nositi 65.000 puta više informacija nego bakrene žice. Ta žica omogućila je dekodiranju informacija prenošenih uzorkom svjetlosnih valova na odredištu udaljenom čak tisuću milja. Tim je riješio probleme koje je predstavio dr. Kao.
• 1975: Vlada Sjedinjenih Država odlučila je povezati računala u sjedištu NORAD-a u planini Cheyenne koristeći optičku vlaknu da bi smanjila smetnje.
• 1977: Prvi optički telefon komunikacijski sustav instaliran je oko 1,5 milje ispod grada Chicaga. Svako optičko vlakno nosilo je ekvivalent od 672 glasovna kanala.
• Do kraja stoljeća više od 80 posto svjetskog prometa na duže relacije prevozilo se preko kabela optičkih vlakana i 25 milijuna kilometara kabela. Kabeli dizajnirani za Maurer, Keck i Schultz instalirani su širom svijeta.

Sljedeće podatke dostavio je Richard Sturzebecher. Izvorno je objavljena u publikaciji Army Corp "Monmouth message".

Godine 1958. u američkom laboratoriju za signalni korpus američke vojske u Fort Monmouth New Jerseyu, menadžer bakrenih kabela i žica mrzio je probleme prijenosa signala prouzrokovane munjom i vodom. Potaknuo je menadžera za istraživanje materijala Sam DiVita da pronađe zamjenu za bakar žica. Sam je mislio da će staklo, vlakna i svjetlosni signali možda funkcionirati, ali inženjeri koji su radili za Sama rekli su mu da će se staklena vlakna slomiti.

U rujnu 1959. Sam DiVita pitao je drugog potporučnika Richarda Sturzebechera zna li napisati formulu za stakleno vlakno koje može prenositi svjetlosne signale. DiVita je saznao da je Sturzebecher, koji je pohađao školu signala, istopio tri troosna staklena sustava pomoću SiO2 za svoj diplomski rad 1958. na Sveučilištu Alfred.

Sturzebecher je znao odgovor. Dok koristite a mikroskop Za mjerenje indeksa refrakcije na SiO2 naočalama, Richard je razvio jaku glavobolju. Stakleni prašak od 60% i 70 posto SiO2 pod mikroskopom omogućio je da veće i veće količine sjajne bijele svjetlosti prođu kroz klizač mikroskopa i upadnu u njegove oči. Sjećanje na glavobolju i sjajno bijelo svjetlo iz visokog SiO2 staklo, Sturzebecher je znao da će formula biti ultra čisti SiO2. Sturzebecher je također znao da Corning stvara SiO2 prah visoke čistoće oksidirajući čisti SiCl4 u SiO2. Predložio je da DiVita iskoristi svoju moć kako bi dodijelio savezni ugovor Corningu za razvoj vlakana.

DiVita je već surađivala s istraživačima Corninga. Ali on je tu ideju morao objaviti jer su sve istraživačke laboratorije imale pravo na ponudu saveznog ugovora. Tako je 1961. i 1962. ideja o korištenju SiO2 visoke čistoće za stakleno vlakno za prijenos svjetlosti objavljena u javnim istraživanjima u svezi s istraživačkim laboratorijima. Kao što se očekivalo, DiVita je 1962. godine dodijelila ugovor Corning Glass Works u Corningu u New Yorku. Savezno financiranje optike od staklenih vlakana u Corningu bilo je oko 1 000 000 USD između 1963. i 1970. Signal Corps Savezno financiranje mnogih istraživačkih programa o optičkim vlaknima nastavilo se sve do 1985. godine, čime je došlo do sijanja ova industrija i izrađuje današnju industriju od više milijardi dolara koja eliminira bakrene žice u komunikacijama a stvarnost.

DiVita je nastavila svakodnevno raditi u američkom vojnom signalnom korpusu u svojim kasnim 80-ima i volontirala je kao savjetnica za nanoznanost sve do smrti u dobi od 97 godina u 2010. godini.