Talað og séð í gegnum gler

LJÓSIÐ — hið forna, dulúðuga tákn visku og þekkingar — er ekki lengur bara tákn. Á síðustu árum hefur það bæði hratt og hljóðlega öðlast sinn réttmæta sess sem boðberi alls kyns upplýsinga. Tvennt þurfti til að nýta mætti möguleika ljóssins til að flytja upplýsingar um afarlangan veg: (1) Ljós af sérstakri gerð og (2) sérstaka tegund ljósleiðara.

Nýjar uppgötvanir hafa orðið þess valdandi að nú er hægt að láta ljósgeisla bera hreint ótrúlegt magn upplýsinga með ógnarhraða um langan veg. Núna er bókstaflega hægt að tala, sjá og heyra með hjálp örlítilla ljósgeisla sem berast eftir hárfínum glerþræði. Og boðin berast hratt og örugglega. Þessir glerþræðir teygja sig nú eins og örfínn kóngulóarvefur milli borga í Bandaríkjunum, Evrópu og Japan. Nú er meira að segja verið að undirbúa lögn slíkra ljósleiðara yfir höfin, heimsálfa í milli.

Hvernig er það hægt þar eð ljós fer yfirleitt beina línu? Hvernig er hægt að koma í veg fyrir að ljósgeislarnir sleppi út úr glerþráðunum þegar þeir beygja fyrir horn? Hvernig er hægt að láta geislana draga svona langt og flytja svona miklar upplýsingar? Til að það sé hægt þarf ljós af sérstakri gerð, nefnt samfasa ljós.

Samfasa ljós

Hvað veldur því að samfasa ljós er betur til þess fallið að flytja upplýsingar en venjulegt ljós? Til að skýra það skulum við líkja ljóseindum á ferð um glerþráð við menn gangandi um götu. Hugsum okkur venjulegan ljósgeisla sem manngrúa af öllum stærðum þar sem hver þvælist fyrir öðrum á göngunni. Samfasa ljósgeisla mætti þá líkja við hóp hermanna sem allir eru af sömu stærð, ganga í jöfnum röðum og í takt. Með þeim hætti má greinilega koma fleiri mönnum lengri veg á skemmri tíma en ella og kosta til þess minni kröftum. Eins er það með samfasa ljós.

En hvers vegna var ekki farið að nota ljós með þessum hætti fyrir löngu? Hvers vegna hefur engum dottið það í hug fyrr? Í raun er hugmyndin ekki ný af nálinni. Minnsta kosti einn maður, Alexander Graham Bell, kom auga á kosti þess að nota ljós til að flytja mælt mál og birti um það ritgerð árið 1880 sem hét „Seleníum og ljóssímar.“

Hugmynd hans bar vott um mikla framsýni en kom að takmörkuðum notum fyrr en menn fundu upp á að nota samfasa ljós. Það var ekki fyrr en á sjöunda áratug þessarar aldar, þegar leysigeislar urðu til, að fyrsta skilyrðinu var fullnægt. Bell vantaði líka góðan ljósleiðara til að bera ljósið.

Hvernig vinna ljósleiðarar?

Samtímis og unnið var að þróun leysigeisla var verið að þróa afartært og hugvitsamlega samsett gler til að leiða leysigeislana um afarlangan veg. Úr glerinu voru síðan gerðar hárfínar trefjar.

Við höfum líklega flest séð upplýstan glertrefjavönd notaðan sem borðskreytingu. Vöndurinn er gerður úr gler- eða plasttrefjum sem breiða úr sér eins og blómvöndur og eru upplýstar neðan frá. Í slíkar skreytingar er yfirleitt notað venjulegt ljós. Það sýnir þó að minnsta kosti hvernig ljós getur borist eftir glertrefju og beygt fyrir horn, í stað þess að fara í beina línu eins og venjulegt er. En í borðskreytingunum er ljósið leitt um mjög stutta vegalengd.

Til að leiða mætti ljós langa vegalengd þurfti að finna upp sérstaka marglaga gler- eða plasthúð á trefjarnar. Þessi sérstaka húð veldur því að ljósgeislar á leið út úr leiðaranum endurkastast inn í hann aftur svo að ljóstap verður lítið. Þessi húð hefur ýmsa sérstæða eiginleika sem hver um sig stuðlar að því að ljósið berist sem lengstan veg.

Þótt ljósleiðarar séu vel úr garði gerðir til að leiða ljós langar vegalengdir þarf eftir sem áður að senda ljósgeislana inn í þá við eða undir markhorni, en svo er minnsta aðfallshorn, sem veldur algeru endurkasti, nefnt. Við skiljum það betur þegar við höfum í huga hvernig slétt vatnsyfirborð getur verið eins og spegill. Stundum sjáum við tré eða fjöll meðfram vatninu speglast í því. Þessi speglun stafar af því að ljósið endurspeglast til okkar undir mjög þröngu horni. Við nákvæmlega það horn, sem nefnt er markhorn, endurkastar vatnsflöturinn ljósgeislunum eins og spegill. Þegar ljósið er sent inn í ljósleiðarana við þetta markhorn eða undir því endurkastast það frá yfirborði leiðarans innanfrá og mjög lítið tapast.

Búist er við að leiða megi ljósgeisla allt að 40 kílómetra eða jafnvel meira eftir þessum hárfínu trefjum, án þess að magna þurfi ljósið upp. Framtíðin virðist bjóða upp á enn meira. Samkvæmt nýjustu fréttum hafa nú verið fundnir upp ljósleiðarar sem geta flutt gögn þúsundir kílómetra án millimagnara.

Til að vernda hina grönnu ljósleiðara þarf að skýla þeim með sterkri hlífðarkápu. Oft eru þeir auk þess umvafðir sterkum trefjum og rafleiðurum. Þegar ljósleiðararnir eru komnir í sterkan kapal hafa þeir sem gagnaleiðarar gífurlega yfirburði yfir venjulegan eirvír og rafstraum. Það á einkum við um langar vegalengdir. En hvernig eru gögn, myndir og mannsraddir fluttar sem ljósboð eftir hárfínum glertrefjum?

Þannig berast upplýsingarnar

Þótt okkur finnist mikið til um hinar hugvitssamlega gerðu glertrefjar og ljósið sem fer eftir þeim er það ekki síður athyglisvert hvernig ljósgeislarnir geta borið gífurlegt upplýsingamagn. Einn meginleyndardómurinn að baki því er hinn stórkostlegi hraði ljóssins, um 300.000 km/sek. Hinn leyndardómurinn er hin afarháa sveiflutíðni ljósbylgjanna sem nemur milljörðum sveiflna á sekúndu. Þessi háa tíðni og hið sérstaka merkjamál, sem notað er, veldur því að ljósgeislarnir geta borið hreint ótrúlegt magn upplýsinga. Við skulum taka eitt dæmi, það að tala og heyra með hjálp ljósgeisla.

Talað og heyrt með hjálp ljósgeisla

Til að tala, heyra og sjá með hjálp ljóss er notuð einhver flóknasta tækni okkar tíma. Við skulum fá örlitla innsýn í það með því að athuga fáein þrep í því ferli þegar ljós er notað til að flytja mælt mál.

Þótt ljós sé notað til að bera boðin er fyrsta þrepið eins og venjulega það að tala í símann. Símtækið breytir hljóðbylgjum raddarinnar í rafboð eins og áður. Síðan er tekin „sneið“ af þessum rafboðum ekki ósvipað og kvikmyndavél sneiðir hreyfingu niður í röð kyrra mynda. Myndunum er síðan varpað hratt, hverri af annarri, á tjald og áhorfandinn skynjar þær sem hreyfingu. Á líkan hátt eru rafboðin bútuð í sundur og breytt í nokkrum þrepum yfir í sérstakt táknmál, og að síðustu í ljósgeisla. Ljósgeislinn er síðan sendur eftir ljósleiðaranum á áfangastað. Þar er honum aftur breytt í rafboð og að síðustu hljóðbylgjur í símtólinu. Hvaða hagur er okkur af þessum framförum? Hvers er að vænta í framtíðinni?

Nokkrir núverandi kostir

Í sömu mund og við erum að meðtaka og meta núverandi fjarskiptakerfi veraldar hefur nýtt kerfi skotið upp kollinum. Útlit er fyrir að ljósleiðarar komi í stað núverandi símakapla, örbylgjusambanda og jafnvel sumra gervihnattastöðva og taki þeim fram í mörgu.

◼ Fjarskipti án truflana. Einhver helsti kostur ljósleiðara fyrir símnotandann er sá að hinar ýmsu truflanir, sem hann á að venjast, verða nánast úr sögunni. Þrumuveður, háspennulínur og rafalar hafa valdið ýmsum truflunum og hávaða og gert okkur lífið leitt. Jafnvel vel skermaðir eirleiðarar geta ekki útilokað slíkar truflanir með öllu.

Ef símtalið þitt fór að hluta til um gervihnött tókst þú kannski eftir seinkun sem nam broti úr sekúndu eða truflunum í andrúmslofti. Kannski hefur þú líka heyrt bergmál eigin raddar. Ljósleiðarar draga úr merkjanlegum töfum og tryggja skýra, ótruflaða móttöku.

◼ Vernduð fjarskipti. Alger vernd er einn af fremstu kostum ljósleiðaratækninnar. Hljóðleki hverfur með öllu og ólögleg hlerun er nánast óhugsandi. Engin aðferð er enn kunn til að hlera ljósgeislana, að minnsta kosti ekki án þess að veikja merkið verulega og gefa þar með aðvörun.

◼ Mikil afköst. Þegar haft er í huga að aðeins tveir ljósleiðarar geta flutt þúsundir símtala samtímis má ljóst vera hve geysiöflugur upplýsingamiðill ljósið er. Ætlað er að senda mætti óstytta orðabók Websters í heilu lagi þúsundir kílómetra á aðeins sex sekúndum eftir einum glerþræði.

◼ Fyrirferðarlitlir og þolnir. Margir njóta nú þegar góðs af þessari nýju tækni. Stórborgir hafa hagnað af hinum nýja samskiptamiðli sem tryggir þeim truflunarlaus fjarskipti með stórlega minni tækjabúnaði en áður. Nú er hægt að setja upp ljósleiðarabúnað, sem tekur lítið rúm, í stað úrelts tengibúnaðar sem fyllti heilu salina. Sums staðar hafa símakaplar vilja tærast og verið hætt við skammhlaupum vegna sjávarseltu, en ljósleiðarar verða fyrir tiltölulega litlum áhrifum af slíku umhverfi og tryggja truflunarlaus fjarskipti við staði sem svo eru settir.

Horft til framtíðarinnar

Hin nýja tækni virðist bjóða upp á mikla möguleika í framtíðinni. Umskiptin yfir í ljósleiðara ganga mun hraðar fyrir sig en ýmsir ætluðu fyrir skömmu. Sagt er að eitt af stærstu vandamálunum sé að velja búnað sem er ekki orðinn úreltur um það leyti sem hann er settur upp.

◼ Rödd, mynd og tölva tengd sama skjá. Tímaritið High Technology sagði í febrúar 1986: „Ljósleiðarar hafa á skömmum tíma orðið sá miðill sem helst er valinn til að flytja rödd, gögn og myndir í Bandaríkjunum — einkum langar vegalengdir.“ Síðar í greininni sagði: „Við erum að byrja að leggja ljósleiðaranet sem mun ná alla leið inn á heimilin. Nota má eina útstöð til að flytja rödd, mynd og . . . kalla fram upplýsingar úr gagnabanka.“ Við þetta opnast möguleikar fyrir að minnsta kosti suma til að versla, „heimsækja“ banka og kaupa flugfarmiða, auk þess að komast að einhverju marki í bókasafn án þess að stíga fæti út fyrir hússins dyr. Menn gætu jafnvel séð vini sína þegar þeir tala við þá í síma — allt með hjálp ljóss sem leitt er eftir þessum hárfínu glertrefjum.

[Myndir á blaðsíðu 26]

Ljósgeisli á leið um glertrefju endurkastast af veggjum hennar og kemst ekki út.

Sterkar trefjar, vírar og kápa vernda ljósleiðarana.

Gler- eða plasthúð dregur úr ljóstapi.

[Myndir á blaðsíðu 27]

Þessi granni ljósleiðarakapall getur flutt jafnmörg eða fleiri símtöl samtímis en sveri kapallinn vinstra megin sem er af venjulegri gerð.