Wie die Faseroptik erfunden wurde

Faseroptik ist die in sich geschlossene Übertragung von Licht durch lange Faserstäbe aus Glas oder Kunststoff. Das Licht wandert durch interne Reflexion. Das Kernmedium des Stabes oder Kabels ist reflektierender als das Material, das den Kern umgibt. Dadurch wird das Licht immer wieder in den Kern reflektiert, wo es weiter die Faser hinunter wandern kann. Glasfaserkabel werden zur Übertragung von Sprache, Bildern und anderen Daten mit nahezu Lichtgeschwindigkeit verwendet.

Wer hat die Faseroptik erfunden??

Die Corning Glass-Forscher Robert Maurer, Donald Keck und Peter Schultz erfanden Glasfaserdraht oder "Optical Waveguide Fibers" (Patent Nr. 3,711,262), die 65.000-mal mehr Informationen transportieren können als Kupferdraht an einem sogar tausend Meilen entfernten Ziel entschlüsselt. 

Die von ihnen erfundenen Kommunikationsmethoden und -materialien für Glasfasern haben die Tür zur Kommerzialisierung von Glasfasern geöffnet. Von Ferngesprächen über das Internet bis hin zu medizinischen Geräten wie dem Endoskop sind Glasfasern heutzutage ein wichtiger Bestandteil des modernen Lebens. 

Zeitleiste

• 1854: John Tyndall demonstrierte der Royal Society, dass Licht durch einen gekrümmten Wasserstrahl geleitet werden kann, was beweist, dass ein Lichtsignal gebogen werden kann.
• 1880: Alexander Graham Bell erfindet sein "Photophon", das ein Sprachsignal auf einem Lichtstrahl überträgt. Bell fokussierte das Sonnenlicht mit einem Spiegel und sprach dann in einen Mechanismus, der den Spiegel vibrierte. Am Empfangsende nahm ein Detektor den vibrierenden Strahl auf und dekodierte ihn wieder in eine Stimme, wie es ein Telefon mit elektrischen Signalen tat. Viele Dinge - zum Beispiel ein bewölkter Tag - könnten jedoch das Photophon stören und Bell dazu veranlassen, weitere Forschungen mit dieser Erfindung einzustellen.
• 1880: William Wheeler erfindet ein System von Lichtleitern, die mit einer hochreflektierenden Beschichtung ausgekleidet sind und die Häuser mit Licht von einer im Keller befindlichen Lichtbogenlampe beleuchten und das Licht mit den Rohren um das Haus lenken.
• 1888: Das Ärzteteam von Roth und Reuss aus Wien beleuchtet Körperhöhlen mit gebogenen Glasstäben.
• 1895: Der französische Ingenieur Henry Saint-Rene entwirft ein System gebogener Glasstäbe zur Führung von Lichtbildern in einem Versuch des frühen Fernsehens.
• 1898: Der Amerikaner David Smith meldet ein Patent für eine gebogene Glasstabvorrichtung an, die als Operationslampe verwendet werden soll.
• 1920er Jahre: Der Engländer John Logie Baird und der Amerikaner Clarence W. Hansell haben die Idee patentiert, Arrays aus transparenten Stäben zu verwenden, um Bilder für das Fernsehen bzw. für Faksimiles zu übertragen.
• 1930: Der deutsche Medizinstudent Heinrich Lamm ist der erste, der ein Bündel von Lichtwellenleitern zusammenfügt, um ein Bild zu tragen. Lamms Ziel war es, in unzugängliche Körperteile zu schauen. Während seiner Experimente berichtete er, das Bild einer Glühbirne übertragen zu haben. Das Bild war jedoch von schlechter Qualität. Sein Versuch, ein Patent einzureichen, wurde wegen Hansells britischem Patent abgelehnt.
• 1954: Der niederländische Wissenschaftler Abraham Van Heel und der britische Wissenschaftler Harold H. Hopkins verfassen getrennt Artikel über Bildbündel. Hopkins berichtete über die Abbildung von Bündeln nicht umhüllter Fasern, während Van Heel über einfache Bündel umhüllter Fasern berichtete. Er bedeckte eine blanke Faser mit einer transparenten Hülle mit einem niedrigeren Brechungsindex. Dies schützte die Faserreflexionsfläche vor äußeren Verzerrungen und verringerte die Interferenz zwischen den Fasern erheblich. Zu dieser Zeit bestand das größte Hindernis für einen rentablen Einsatz von Glasfasern darin, den geringsten Signal- (Licht-) Verlust zu erzielen.
• 1961: Elias Snitzer von American Optical veröffentlicht eine theoretische Beschreibung von Single-Mode-Fasern, eine Faser mit einem so kleinen Kern, dass Licht mit nur einem Wellenleitermodus übertragen werden kann. Snitzers Idee war in Ordnung für ein medizinisches Instrument, das in den Menschen hineinschaut, aber die Faser hatte einen Lichtverlust von einem Dezibel pro Meter. Kommunikationsgeräte mussten über viel größere Entfernungen betrieben werden und erforderten einen Lichtverlust von nicht mehr als zehn oder 20 Dezibel (eine Lichtmessung) pro Kilometer.
• 1964: Eine kritische (und theoretische) Spezifikation wurde von Dr. C.K. Kao für Fernkommunikationsgeräte. Die Spezifikation war zehn oder 20 Dezibel Lichtverlust pro Kilometer, was den Standard festlegte. Kao erläuterte auch die Notwendigkeit einer reineren Glasform, um den Lichtverlust zu verringern.
• 1970: Ein Forscherteam experimentiert mit Quarzglas, einem hochreinen Material mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Brechungsindex. Die Corning Glass-Forscher Robert Maurer, Donald Keck und Peter Schultz erfanden Glasfaserdraht oder "Optical Waveguide Fibers" (Patent Nr. 3,711,262), die 65.000-mal mehr Informationen als Kupferdraht enthalten können. Dieser Draht ermöglichte es, Informationen, die von einem Muster von Lichtwellen getragen wurden, an einem Ziel zu decodieren, das sogar tausend Meilen entfernt war. Das Team hatte die von Dr. Kao gestellten Probleme gelöst.
• 1975: Die US-Regierung beschließt, die Computer in der NORAD-Zentrale in Cheyenne Mountain mit Glasfasern zu verbinden, um Interferenzen zu reduzieren.
• 1977: Das erste optische Telefonkommunikationssystem wurde etwa 2,5 km unter der Innenstadt von Chicago installiert. Jede optische Faser trug das Äquivalent von 672 Sprachkanälen.
• Bis zum Ende des Jahrhunderts wurden mehr als 80 Prozent des weltweiten Fernverkehrs über Glasfaserkabel und 25 Millionen Kilometer des Kabels abgewickelt. Von Maurer, Keck und Schultz entworfene Kabel wurden weltweit installiert.

U.S. Army Signal Corp

Die folgenden Informationen wurden von Richard Sturzebecher eingereicht. Es wurde ursprünglich in der Army Corp Veröffentlichung "Monmouth Message" veröffentlicht.

Im Jahr 1958 hasste der Leiter von Copper Cable and Wire in den Signal Corps Labs der US-Armee in Fort Monmouth, New Jersey, die Signalübertragungsprobleme, die durch Blitzschlag und Wasser verursacht wurden. Er ermutigte Sam DiVita, Manager für Materialforschung, einen Ersatz für Kupferdraht zu finden. Sam dachte, Glas, Glasfaser und Lichtsignale könnten funktionieren, aber die Ingenieure, die für Sam arbeiteten, sagten ihm, dass eine Glasfaser brechen würde.

Im September 1959 fragte Sam DiVita Richard Sturzebecher, ob er wüsste, wie man die Formel für eine Glasfaser schreibt, die Lichtsignale übertragen kann. DiVita hatte erfahren, dass Sturzebecher, der die Signalschule besuchte, für seine Abschlussarbeit 1958 an der Alfred-Universität drei dreiachsige Glassysteme mit SiO2 geschmolzen hatte.

Sturzebecher wusste die Antwort. Während Richard mit einem Mikroskop den Brechungsindex von SiO2-Gläsern maß, bekam er starke Kopfschmerzen. Die 60- und 70-prozentigen SiO2-Glaspulver unter dem Mikroskop ließen immer mehr strahlend weißes Licht durch den Objektträger und in seine Augen gelangen. Sturzebecher erinnerte sich an die Kopfschmerzen und das strahlend weiße Licht von SiO2-reichem Glas und wusste, dass die Formel hochreines SiO2 sein würde. Sturzebecher wusste auch, dass Corning hochreines SiO2-Pulver durch Oxidation von reinem SiCl4 zu SiO2 herstellte. Er schlug vor, dass DiVita seine Macht nutzt, um Corning einen Bundesauftrag für die Entwicklung der Faser zu erteilen.

DiVita hatte bereits mit Corning-Forschern zusammengearbeitet. Aber er musste die Idee veröffentlichen, weil alle Forschungslabors das Recht hatten, auf einen Bundesvertrag zu bieten. So wurde in den Jahren 1961 und 1962 die Idee, hochreines SiO2 für eine Glasfaser zur Lichtdurchlässigkeit zu verwenden, in einer Ausschreibung an alle Forschungslaboratorien öffentlich bekannt gemacht. Wie erwartet, vergab DiVita den Auftrag 1962 an die Corning Glass Works in Corning, New York. Die Bundesmittel für Glasfaseroptik bei Corning beliefen sich zwischen 1963 und 1970 auf etwa 1.000.000 USD. Auf diese Weise wird diese Branche ins Leben gerufen und die heutige milliardenschwere Branche, die Kupferdrähte in der Kommunikation eliminiert, wird Realität.

DiVita arbeitete bis zu seinem Tod im Alter von 97 Jahren im Jahr 2010 weiterhin täglich für das Signal Corps der US-Armee und meldete sich freiwillig als Berater für Nanowissenschaften.