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.

[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