Historia światłowodów

              Idea łączności za pomocą światła nie jest wynalazkiem dwudziestego wieku. Od stuleci uczonych i wynalazców fascynowało wykorzystanie światła do transmisji danych.

Chappe_telegraf

Telegraf Chappe

Era komunikacji optycznej rozpoczęła się w końcu osiemdziesiątego wieku. Wielka Rewolucja Francuska wyzwoliła we Francji wiele twórczych talentów. W latach 1790-1794 Claude Chappe skonstruował pierwszy telegraf optyczny złożony z łańcucha semaforów. System ten składający się z szeregu świateł był zamontowany na wieżach, między którymi przekazywano wiadomości. Poszczególne stacje w łańcuchu transmisyjnym były rozmieszczone w odstępach ok 10-20 km i opierały się na użyciu specjalnie skonstruowanych dwóch ramion połączonych ze sobą tak, aby mogły się one przemieszczać względem siebie. Każde ramię mogło przyjąć 7 pozycji a ponadto dodatkowe ramię krzyżowe pozwalało na kolejne cztery układy co razem umożliwiało stworzenie kodu opartego na 196 kombinacjach. Przesłanie komunikatu z Lille do Paryża, pomiędzy którymi odległość wynosi 230 km trwała zaledwie 30 min.
Francuski telegraf optyczny pobudził do działania licznych następców. W 1794 roku Abraham Edelcrant zbudował w Szwecji linię telegrafu optycznego pomiędzy Pałacem Królewskim w centrum Sztokholmu a Letnim Pałacem w Drottningholm. W kolejnych latach prowadził budowy następnych linii telegraficznych w nadbrzeżnych rejonach Szwecji. Telegraf Edelcrant’a składał się z masztu sygnalizacyjnego z umieszczonymi prostokątnymi płytami, które można było ustawić pionowo lub poziomo w celu utworzenia wzoru reprezentującego znaki alfabetu.

W ciągu następnego stulecia w optyce dokonał się ogromny postęp. W 1854 irlandzki fizyk John Tyndall jako pierwszy pokazał, że światło może rozchodzić się po łuku strumienia wody, a tym samym udowodnił, że może ono się rozchodzić po liniach krzywych. Alexander Graham Bell, oprócz tego, że w 1876 roku wynalazł telefon elektryczny, przeprowadził również udane próby transmisji informacji za pomocą modulowanego światła słonecznego. W 1880 roku opatentował swój telefon optyczny, dzięki któremu mógł przesyłać sygnały mowy na odległość do 200 m. W tym samym roku inżynier z Concord William Wheeler skonstruował i opatentował konstrukcję, którą nazwał rurociąg świetlny (ang. light piping ). Był to system wyłożonych od wewnątrz powłoką refleksyjną rur, które oświetlały domy światłem z elektrycznej lampy łukowej umieszczonej w piwnicy budynku. W 1930 roku Heinrich Lamm był pierwszą osobą, której udało się przesłać obraz za pomocą wiązki włókien optycznych. Był to pomysł wykorzystania zestawu przeźroczystych prętów do przekazywania obrazów na odległość opatentowany przez Logie Baird’a w latach dwudziestych zeszłego wieku. W 1960 roku Theodor Maiman amerykański fizyk, skonstruował pierwszy działający laser. Laser, w którym ośrodkiem aktywnym był pręt rubinu, wytwarzający światło impulsowo. W 1961 roku Elias Snitzer opublikował teorię włókien jednomodowych, umożliwiających transmisję w bardzo cienkim rdzeniu włókna światłowodowego. Zademonstrował propagację wiązki laserowej w światłowodzie. Liczne niedoskonałości w tym bardzo duża tłumienność, wykluczała jego zastosowanie w telekomunikacji. W 1967 Shojiro Kawakami zaproponował konstrukcję światłowodu gradientowego.

W 1966 roku Charles Kao i George Hockham ze Standard Communications Laboratories w Wielkiej Brytanii, opublikowali artykuły, w których przeprowadzili analizę transmisji światła w włóknach optycznych wykazując, że straty światła w istniejących włóknach szklanych można znacznie zmniejszyć usuwając zanieczyszczenia. Kao zebrał próbki od różnych wytwórni i przeprowadził szczegółowe badania tłumienności włókien światłowodowych. Badania utwierdziły go w przekonaniu, że duża stratność w pierwszych włóknach nie wynikała z własności szkła kwarcowego, a z zanieczyszczeń występujących na nich. Zainteresowanie operatorów telekomunikacyjnych w badania Kao, który wierzył w rozwój telekomunikacji światłowodowej, były zachętą do eksperymentów dla laboratoriów na całym świecie. Po czterech latach intensywnych badań Kao osiągnął wyznaczony cel, zmniejszając tłumienność włókna światłowodowego do 20 dB/km.

W tym samym czasie w kilku laboratoriach przemysłowych przeprowadzono intensywne badania nad włóknami optycznymi. Robert Maurer, Donald Keck i Peter Schultz, zatrudnieni w firmie Corning Glass Works prowadzili badania nad krzemionką topioną, która charakteryzowała się wysoką temperaturą topnienia i małym współczynnikiem załamania światła. W 1970 roku ogłosili wytworzenie jednomodowego włókna światłowodowego o tłumienności poniżej 20 dB/km dla długości fali 633 nm. Przełom spowodowany odkryciem badaczy z firmy Corning Glass Works, otworzył drogę do rozwoju telekomunikacji światłowodowej. W tym samym roku sukces odniosły dwa niezależnie pracujące zespoły: naukowcy Bell Labs oraz uczeni z Instytutu Fizycznego w Leningradzie. Skonstruowali pierwsze lasery półprzewodnikowe diody laserowe, które były niewielkim, wydajnym i prostym w obsłudze źródłem światła, zdolnym do ciągłej emisji światła w temperaturze pokojowej. Następne kilka lat to czas intensywnego udoskonalania nowo poznanej techniki. Powstają nowe światłowody o znacznie mniejszej tłumienności, dzięki udoskonalaniu metod produkcji, nowe lasery działające na coraz to dłuższe fale (1200, 1300 aż do 1500 nm) i o zwiększonej trwałości. Na początku lat siedemdziesiątych wątpiono w możliwość skonstruowania układu sprzężenia źródeł światła z rdzeniem mającym średnice zaledwie kilku mikrometrów.

Problem stanowiło również opracowanie elementów do łączenia włókien oraz urządzeń do ich spawania. Równolegle trwały prace nad udoskonalaniem systemów wielomodowych, które popchało naukowców do stworzenia światłowodów wielomodowych, w których współczynnik załamania światła zmienia się między rdzeniem a płaszczem gradientowo. W tym czasie przyjęto także dwie standardowe średnice 50 mikrometrów i 62,5 mikrometrów. We wrześniu 1975 roku zostaje oddane pierwsze łącze optyczne wykorzystywane przez policję w Anglii. W 1977 roku zbudowano na światłowodach wielomodowych pierwsze łącza telefoniczne pracujące na fali 850 nm, wytwarzanych przez diody laserowe GaAiAs. Zasięg transmisji ograniczała tłumienność światłowodu wynosząca 2 dB/km oraz dyspersja międzymodowa. Niedługo potem pojawiają się systemy drugiej generacji pracujące na diodach laserowych InGaAsP, emitujących falę o długości 1300 nm, której tłumienność wynosiła 0,5 dB/km, a dyspersja,  czyli efekt rozmycia transmitowanego impulsu była niższa niż dla fali o długości 850 nm. Jednym z pierwszych zastosowań tego światłowodu jest kabel podmorski zainstalowany w 1980 roku w Szkocji przez brytyjską pocztę. W tym samym roku Bell Labs ogłasza rozpoczęcie prac nad kablem transatlantyckim TAT-8. W latach osiemdziesiątych zasięg transmisji jak i przepływność rosną. Połączenie między Nowym Jorkiem i Waszyngtonem osiągają 400 Mb/s w 1982 roku. Cztery lata później na tym samym włóknie przesyła się 1,7 Gb/s. Takie prędkości dają systemy  oparte na technologii zwielokrotnienia długości fali WDM (ang. Wavelength Division Multiplexing). Gdzie za pomocą jednego światłowodu można przesyłać światło z wielu laserów nieznacznie różniących się częstotliwością pracy (CWDM – 16 fal, DWDM – 40 fal, UDWDM – 80 fal).

TAT-8

TAT-8

W 1986 roku David Payne z uniwersytetu w Southampton zaprojektował domieszkowany erbem wzmacniacz światłowodowy pracujący na fali o długości 1500 nm. Wzmacniacz ten obniżył koszty transmisji dalekosiężnych, przez eliminację elektronicznych regeneratorów. Zmieniał on sygnał optyczny na elektryczny, w celu jego wzmocnienia i ponownej zmianie na optyczny do dalszej transmisji w światłowodzie. Prostota, niezawodność i stosunkowo tania konstrukcja doskonale nadawała się do stosowania w systemach długodystansowych i podmorskich. W oparciu o tą technologię 1988 roku ostatecznie zostaje oddany do użytku wspomniany już transatlantycki światłowodowy kabel telefoniczny TAT-8. Wydarzenie to dowiodło, że systemy oparte o transmisję jednomodową są efektywne i wykonalne na skalę przemysłową. W 1991 roku David Payne i Emmanuel Desurvire zademonstrowali wzmacniacze optyczne , wbudowane bezpośrednio w kabel światłowodowy. Łącze to umożliwiało stukrotne zwiększenie przepustowości kanału transmisyjnego w stosunku do łącz z elektronicznymi wzmacniaczami. Aktualnie systemy dalekosiężne pracują na fali o długości 1550 nm i ich tłumienność wynosi 0.2 dB.km.

            W 1996 roku przez Ocean Spokojny ułożono pierwszy światłowód ze wzmacniaczem optycznym. A rok później zakończono układanie kabla światłowodowego dookoła globu, które zapewniło infrastrukturę dla rozwoju aplikacji internetowych nowej generacji.

Literatura:

  1. Einarssonn G. Podstawy telekomunikacji Światłowodowej, WKŁ 1998 r.
  2.  http://www.optomer.pl/pub/artykuly/117/Historia-swiatlowodow.pdf
  3. http://www.spawanieswiatlowodow.com.pl/artykul/historia-rozwoju-swiatlowodow

Aleksandra Bathelt

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s