Att tala och se med hjälp av glas
LJUS — denna forntida, mystiska symbol för vishet och intelligens — är nu inte längre bara en symbol. På senare år har ljuset snabbt och i tysthet antagit sin rätta roll och blivit bärare av information av alla slag. För att ljuset skulle kunna uppnå sin verkliga potential för överföring av information över mycket långa sträckor krävdes en utveckling av två olika saker: 1) ett särskilt slags ljus och 2) ett särskilt slags ljusledare.
På senare tid har vi, tack vare en serie spännande nya utvecklingsskeden, börjat kunna sända otroligt stora mängder information av alla de slag över stora avstånd och med fantastiska hastigheter med hjälp av ljusstrålar. Ja, det är nu möjligt att tala, se och höra med enastående hastighet och effektivitet med hjälp av små ljusstrålar som färdas i hårfina glastrådar. Sådana glastrådar, som liknar ytterst tunn spindelväv, löper redan skyddade i kablar mellan städer i USA, Europa och Japan. De är nu på gång att korsa världshaven från kontinent till kontinent.
Hur är det möjligt, med tanke på att vi alla känner till att ljuset har en benägenhet att färdas i en rak linje? Vad gör att de fina ljusstrålarna kan stanna kvar inne i glasfibrerna när dessa böjer av från den räta linjen? Hur kan dessa strålar färdas så långt och innehålla så mycket information? Svaret är ett särskilt slags ljus som gör allt detta möjligt — koherent ljus.
Effektivt koherent ljus
Skillnaden mellan en stråle koherent ljus och en vanlig ljusstråle samt det koherenta ljusets fördelar när det gäller överföring av information kan illustreras genom att jämföra ljusfotoner som färdas invändigt i en glasfiber med människor som vandrar längs en väg. Låt oss föreställa oss en stråle vanligt ljus som om det var en skara människor av alla storlekar som alla vandrade i otakt och krockade med varandra. Å andra sidan kan en stråle koherent ljus jämföras med soldater som alla är av samma storlek, som alla går i raka led och som alla går i takt. Att gå i takt utan att krocka med varandra skulle uppenbarligen förmå fler människor att gå längre sträckor på ett effektivare sätt och med mindre energiförluster. På samma sätt är det med koherent ljus.
Nu kanske någon säger: ”Varför har det dröjt så länge innan man har börjat använda ljus på det här sättet? Varför har ingen tänkt på det tidigare?” Faktum är att idén inte är helt ny. Åtminstone en person, Alexander Graham Bell, insåg fördelen med att tala med hjälp av ljus, och han publicerade år 1880 en artikel med rubriken ”Selen och fotofonerna”.
Denna idé vittnade om stort förutseende, men utan koherent ljus skulle hans uppfinning bara ha kunnat få begränsad framgång. Det var inte förrän på 1960-talet i och med utvecklingen av lasern som det första nödvändiga kravet var uppfyllt. Bell saknade också det andra grundläggande kravet, en högeffektiv ljusledare som skulle kunna överföra informationen.
Hur fungerar de sinnrika glasledarna?
Medan arbetet med utvecklandet av lasern fortskred, höll andra på med att uppfinna och utveckla glasmaterial med hög klarhet och sinnrik sammansättning som tillät det koherenta laserljuset att färdas mycket långa sträckor. Dessa material drogs sedan ner till hårstråliknande fibrer.
Många kanske kommer ihåg att de har sett belysta glasfibrer användas i konstnärliga bordsprydnader. Dessa prydnadssaker tillverkas genom att knippen av glasfibrer eller plastfibrer sprids ut likt blomsterarrangemang och belyses från de nedre ändarna. I dessa föremål används vanligen vanligt ljus för belysningen av fibrerna. Men det här illustrerar i alla fall hur ljus kan förmås att färdas i glasfibrer och böjas av i stället för att bara färdas rakt fram, vilket vanligen är fallet. I dessa bordsprydnader färdas ljuset mycket korta sträckor.
För att förmå ljuset att färdas mycket längre sträckor än vad som krävs i sådana prydnadsföremål har man tagit fram ytterskikt av särskilda material utanpå glas- eller plastfibrerna. Dessa ytterskikt förmår ljusstrålar som tenderar att försvinna att böja av tillbaka in i glaset, och på så sätt förhindras ytterligare ljusförluster. Det förekommer en mängd geniala variationer i fråga om utformningen av och sammansättningen hos dessa ytterskikt. Men de många olika lösningarna hjälper, var och en på sitt eget sätt och under egna speciella förhållanden, till att öka den sträcka som ljuset kan färdas.
Även om dessa glasfibrer i stor utsträckning har förbättrat vår förmåga att överföra och leda ljuset, är det fortfarande nödvändigt att låta ljuset gå in i fibrerna i en vinkel som är lika stor som eller mindre än den kritiska vinkeln. Vi kan förstå principen bakom när vi tänker på att den lugna vattenytan hos en sjö kan fungera som en spegel. Ibland kan man se träden längs stranden speglas i vattenytan. Denna spegeleffekt är möjlig därför att det ljus som når våra ögon kommer ur en mycket låg vinkel. Vid och under en viss låg vinkel som kallas den kritiska vinkeln, reflekterar vattenytan ljuset precis som en spegel. På samma sätt fungerar det när ljuset går in i glasfibrerna i en vinkel som är lika med eller mindre än den kritiska vinkeln. Det reflekteras inuti fibern, och mycket lite ljus försvinner.
Man förväntar att sådana strålar skall kunna färdas upp till 40 kilometer eller mer längs dessa små fibrer utan att man behöver förstärka ljuset. Framtidsutsikterna är ännu ljusare. Enligt en färsk rapport har man utvecklat fibrer med mycket små förluster ”som kan sända data tusentals kilometer utan att man behöver förstärkare”.
För att skydda dessa fantastiska ljusledare är det nödvändigt att runt dem placera flera lager av skyddande material. Dessutom låter man ofta starka fibrer och trådar och även elektriska ledare vara med och tillsammans bilda små kablar. När glasfibrerna skyddas inuti kablarna utgör de ett medium för överföring av information som är så effektivt att elektricitet som färdas genom vanliga kopparledare inte längre kan konkurrera. Detta gäller i synnerhet för längre sträckor. Men hur kan data, bilder och mänskliga röster överföras av detta särskilda slags ljus i dessa tunna glasfibrer?
Hur de små fibrerna bär sin stora börda
Även om de särskilda slagen av ljusstrålar och de sinnrika glasfibrerna imponerar på oss, är det sätt på vilket strålarna bär sin enorma börda av upplysningar minst lika imponerande. En grundläggande hemlighet är ljusets fantastiska hastighet — nästan 300.000 kilometer per sekund. En annan är ljusvågornas extremt höga frekvenser som uppgår till miljarder svängningar per sekund. På grund av dessa höga frekvenser och genom att koda ljuspulserna kan enorma mängder information trängas in i de ljusstrålar som färdas i de tunna fibrerna. Låt oss betrakta ett exempel: att tala och höra med hjälp av ljus.
Att tala och höra med hjälp av ljus
Att tala och höra, såväl som att se, med hjälp av ljus inbegriper att man får ta till den mest komplicerade teknologin som finns att tillgå i vår tid. Låt oss för att få en viss insikt i processen gå igenom bara några få av de steg som är inbegripna när man talar och hör med hjälp av ljus.
Även om det är ljus som används vid överföringen, börjar själva proceduren på samma sätt som förut — genom att man talar i telefonluren. De ljudvågor som vår röst ger upphov åt omvandlas fortfarande till överensstämmande elektriska signaler i telefonen. Sedan tas ”skivor” av dessa elektriska signaler ut med mycket hög hastighet. Processen liknar den som sker i en filmkamera, som i själva verket tar en serie stillbilder av rörelsen. Dessa bilder projiceras sedan, bild efter bild, i snabb följd och ger åskådaren intryck av rörelse. På liknande sätt tas dessa elektriska ”skivor” och kodas i en process som inbegriper många steg och omvandlas till ljuspulser. De kodade ljuspulserna färdas sedan i glasfibern till mottagaränden. När de kommer dit återomvandlas de genom en motsatt process till ljudvågor i telefonens hörlur. Vilken nytta har vi då nu av det här? Och vilka är framtidsutsikterna?
Några av fördelarna nu
Just som vi har börjat acceptera och uppskatta vårt nuvarande världsvida kommunikationsnät har det uppträtt ett helt nytt system. Fiberoptiken lovar att ersätta telefonkablar med tusentals ledare, radiolänkar och till och med en del satellitstationer, och det med en hel mängd fördelar.
◼ Kommunikation utan störningar. En av de viktigaste fördelarna med överföring med hjälp av fiberoptik är att många av det slags störningar som vi har vant oss vid praktiskt taget helt elimineras. Blixtnedslag, kraftledningar, generatorer — sådant har irriterat oss med statiska knäppar och brus. Inte ens kraftigt skärmade kopparledare kan förhindra att en del av dessa störningar kommer igenom.
Om ditt telefonsamtal delvis överförs med satellit kan du ha lagt märke till atmosfäriska störningar eller en viss fördröjning på någon bråkdels sekund. Tidigare kan till och med ekon ha uppträtt. Fiberoptiken eliminerar märkbara fördröjningar och ger rena signaler utan störningar.
◼ Säker kommunikation. Fullständig säkerhet är en av de viktigaste fördelarna med fiberoptik. Överhörning mellan telefonledningar elimineras, och illegal avlyssning är praktiskt taget omöjlig. Man har ännu inte utformat något medel för att avlyssna ljusstrålarna, åtminstone inte utan att i hög grad reducera signalen och på så sätt ge en varning.
◼ Hög effektivitet. Man kan förstå hur fantastiskt effektiv informationsöverföring med hjälp av ljus är när man tänker på att tusentals telefonsamtal kan förmedlas med bara ett par optiska ledare. Man beräknar att hela Websters oavkortade ordbok, en mycket stor amerikansk ordbok med 450.000 uppslagsord på mer än 2.700 sidor, kan sändas tusentals kilometer på sex sekunder över en enda glasfiberledare.
◼ Ett minimum av utrymme — tål svår miljö. På många orter drar man redan nytta av denna nya utveckling. Storstadsområden får nytta av nya kommunikationsmöjligheter för hög trafik med mycket mindre krav på utrustningen. Hela rum fyllda med gammaldags kopplingsväxlar kan nu ersättas med utrustning för fiberoptik som bara tar upp ett mycket litet utrymme. Även områden som ligger långt avsides, som Florida Keys, en grupp öar utanför Floridas kust i USA, får nu störningsfria telefonsamtal. Den svåra miljön i det salta vattnet kring de här öarna och i liknande områden orsakar ofta elektriska kortslutningar och kemisk nedbrytning. Men fiberoptiken påverkas minimalt av dessa faktorer.
En blick in i framtiden
Framtiden för den nya utvecklingen förefaller mycket lovande. Övergången sker redan mycket fortare än vad somliga tidigare förutsade. Det sägs att ett av de största problemen är att välja ett system som inte är gammalmodigt redan när det installeras.
◼ Tal-, bild- och datakommunikation via en enda terminal. I tidskriften High Technology rapporteras det i numret för februari 1986 under rubriken ”Framtidsvy för företag” att ”fiberoptiken snabbt har blivit det medium som man föredrar för överföring av tal, data och bilder i USA — i synnerhet när det gäller längre sträckor”. Artikeln fortsätter med uttalandet: ”Vi börjar bygga ut ett fiberoptiskt nät som kommer att nå in i hemmen. Med hjälp av en enda terminal kan man hantera tal och bilder och ... hämta upplysningar från en databas.” Detta öppnar möjligheter för åtminstone några att göra inköp, uträtta bankärenden, köpa flygbiljetter och få tillgång till vissa bibliotekstjänster från sitt eget hem. De skall till och med kunna se sina vänner när de talar i telefon — och allt sker med hjälp av ljus som färdas genom dessa fantastiska glasfiberledare.
[Bilder på sidan 14]
Inklädning av glas- eller plastfibrerna minskar mängden förlorat ljus
Starka fibrer och trådar förstärker ledningen
Ljus som färdas invändigt i en glasfiberledare reflekteras inuti ledaren och försvinner inte ut genom väggen
[Bild på sidan 16]
Den här lilla kabeln med fiberoptik hanterar lika många telefonsamtal som den vanliga stora kabeln — eller rentav fler