Історія - Оптичні хвилеводи

Передача світла вздовж тонкого силіконового волокна відповідно до закону заломлення, що вперше продемонстрував Даніель Колладон та Джакіз Бабінет на початку 1840-их років у Парижі. Джон Тиндел ввів показові демонстрації у свої громадські лекції у Лондоні десяток років пізніше. Тиндел також писав про властивості цілковитого внутрішнього віддзеркалення у своїй ознайомчій роботі про природу світла в 1870 році: "

Коли світло проходить у напрямку із повітря у воду, то заломлений промінь зміщується у сторону перпендикуляра... У випадку, коли кут, утворений променем у воді та перпендикуляром до поверхні, перевищує 48 градусів, світловий промінь не покине середовище води взагалі: він буде повністю заломлений на лінії розділу двох середовищ. Кут, що обмежує границю цілковитого внутрішнього віддзеркалення, називається кутом повного внутрішнього відбиття середовища. Для води він становть 48°27'., для флінтового скла --- 38°41', а для алмазу --- 23°42'"

Практичне застосування, таке як напрямлене освітлення у ротовій порожнині під час стоматологічних процедур, з'явилось на початку XX століття. Передача зображень по трубках була продемострована незалежно радіоекспериментатором Кларенс Ханселом та телевізійним першопроходцем Джоном Логі Бейрдом у 1920 роках. Цей ефект уперше було застосовано для внутрішнього медичного обстеження Гайнріком Ламмом протягом наступного десятиліття. У 1952 році фізик Нерайндер Сайнг Капані провів експеримент, що призвів до винаходу оптичного волоска. Сучасне оптоволокно, де скляна волосина поміщена у прозору оболонку із метою приведення коефіцієнту відбиття до практичного рівня використання, з'явивилося на світ пізніше. Після цього всі розробки сконцентрувалися на жмутах оптичних волокон, пристосованих для передачі зображення. Перший оптичний напівгнучкий гастроскоп був запатентований у 1956 році Безілем Айзек Хиршовицим, Сі Уілбер Пітерзом, та Лоренцом І Куртізом, які були дослідниками Університету Мічігану. У процесі розробки гастроскопу, Куртіз упреше застосував скляний світловод в оболонці. Перші зразки оптоволокна використовували повітря та непрактичні олії і віск, як оболонку із низьким показником заломлення. Незабаром з'явилась ціла низка інших застосувань, пов'язаних із передачею зображень.

Жан Даніель Колладон вперше описав "світловий фонтан" чи "світлову трубку" у статті в 1842 році під заголовком "Про віддзеркалення променів у середені параболічного потоку рідини". Ця популярна ілюстрація походить із пізнішого допису від Колладона у 1884 році.

Оптоволокна для телекомунікаційних цілей (назразок діагностики лікарем шлунку пацієнта та зв'язку у межах короткого радіусу) було впреше застосовано в Західній Європі наприкінці 19-ого та на початку 20-ого століття. Особливо примітно, що передача забражень оптоволосками набула популярності на початку 21 століття з причин збільшення попиту в медичній та телевізіній галузях.

Також повідомлялось, що японський учений від Університету Тохоку Юн-ічі Нішазава запропонував застосування оптичного волокна у сфері зв'язку ще у 1963 році, як було зазначено в книжці, надрукованій 2004 року в Індії. Нішазава винайшов інші технології, що сприяли вдосконаленню оптоволоконих комунікацій у більшій мірі. Згодом він відкрив оптичні градієнтні світловоди, як канал передачі світла від напівпровідникового лазера.

Вирішальний момент стався десь 1965 року, коли Чарльз К. Коу та Джордж А. Гокхем з британської компанії Стандарт Телефонс енд Кейблс вперше просунули ідею зменшення загасання в оптоволокні до показника, нижчого від 20 dB/km, таким чином ввівши оптичні кабелі у зону практичного застосування для телекомунікаційних мереж. Вони стверджували, що загасання спричнинялося швидше домішками, здатними бути вилученеми у волокні, доступному в той час, аніж фундаментальним фізичним законом розсіювання. Вони правильно та послідовно теоретизували про зміну властивостей світла у середовищі оптичного волокна, та підказали матеріал, придатний для його виробництва --- кварцове скло із високим показником чистоти. Це відкриття привело Коу до отримання Нобелівської Премії в області фізики у 2009 році.

Принциповий рівень загасання у 20 dB/km був досягнутий вперше в 1970 році дослідниками Робертом Д. Морером, Дональдом Кеком, Пітером С. Шульцом, та Франком Зімаром, що працювали в американській скловарні "Корнік Глес Уорк". Тепер це підприємство називається "Корнік Інкорпорейтед". Вони продемострували світловод із рівнем згасання в 17 dB/km, у якому кварцове скло містило домішки титану. Кількома роками пізніше, вони створили оптоволокно з рівнем загасання в 4 dB/km, використовуючи діоксид германію як основу домішки. Настільки низьке загасання надало імпульсу телекомунікаціям з використанням оптичного волокна, та зробило Інтернет доступним. В 1981 році Дженерал Електрик випустив сплавлнеий злиток кварцу, що був придатним для витягування в нитку довжиною 40 km.

Загасання в сучасному оптоволоконому кабелі є значно меншим, ніж у мідному електричному, що вплинуло на розвиток ліній телекомунікаційних передач довжиною 70-150 км. Оптоволоконий підсилювач з домішками ербію, що суттєво зменшує вартість оптоволоконих систем великої довжини шляхом зменшення кількості чи, навіть дуже часто, цілковитого вилучення із схеми оптико-електронних повторювачів, був розроблений Девідом Н. Пейном з Університету Саусхамтона та Емануелем Дезервіром із Бел Лабс у 1986 році. В досконалому волокні застосування якісного скла для серцевини та оболонки підвищує стійкість до процесів старіння. Винахідник Герхард Берніз, що звернув на це увагу, в 1973 році був задіяний німецьким підприємством Скот Глес[11].

В 1991 році із перспективного щойно виниклого технологічного напрямку фотонних кристалів, було започатковано розробку одноіменних світловодів, що проводили світло завдяки дифракційним явищам на періодичній структурі матеріалу швидше, ніж шляхом повного внутрішнього відбиття. Перше фотонне кристалічне волокно стало комерційно доступним у 2000 році. Таке оптоволокно є потужнішим, ніж звичайне, а його світлопровідні частотні властивості можуть бути контрольовані за потребою з метою покращення ефективності певних застосувань.

Похожие статьи




Історія - Оптичні хвилеводи

Предыдущая | Следующая