Geschichte & Kultur

Wie Glasfaser erfunden wurde

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

Wer hat die Glasfaser 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 als Kupferdraht übertragen können, durch die Informationen, die von einem Muster von Lichtwellen getragen werden, übertragen werden können entschlüsselt an einem Ziel, das sogar tausend Meilen entfernt ist. 

Von ihnen erfundene Glasfaserkommunikationsmethoden und -materialien öffneten die Tür zur Kommerzialisierung von Glasfasern. Vom Fernsprechdienst über das Internet bis hin zu medizinischen Geräten wie dem Endoskop sind Glasfasern heute ein wichtiger Bestandteil des modernen Lebens. 

Zeitleiste

  • 1854: John Tyndall demonstriert 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 “ Photophone „, 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 decodierte ihn wieder in eine Stimme, so wie es ein Telefon mit elektrischen Signalen tat. Viele Dinge – zum Beispiel ein bewölkter Tag – könnten jedoch das Photophon stören und dazu führen, dass Bell jegliche weitere Forschung mit dieser Erfindung einstellt.
  • 1880: William Wheeler erfindet ein System von Lichtleitern, die mit einer hochreflektierenden Beschichtung ausgekleidet sind und die Häuser beleuchten, indem sie das Licht einer im Keller platzierten Lichtbogenlampe verwenden und das Licht mit den Rohren um das Haus lenken.
  • 1888: Das Ärzteteam von Roth und Reuss aus Wien verwendet gebogene Glasstäbe, um Körperhöhlen zu beleuchten.
  • 1895: Der französische Ingenieur Henry Saint-Rene entwarf ein System aus gebogenen Glasstäben, um Lichtbilder in einem Versuch des frühen Fernsehens zu leiten.
  • 1898: Der Amerikaner David Smith meldet ein Patent für eine gebogene Glasstabvorrichtung an, die als chirurgische Lampe verwendet werden soll.
  • 1920er Jahre: Der Engländer John Logie Baird und der Amerikaner Clarence W. Hansell patentierten die Idee, Arrays transparenter Stäbe zur Übertragung von Bildern für das Fernsehen bzw. für Faksimiles zu verwenden.
  • 1930: Der deutsche Medizinstudent Heinrich Lamm baute als erster ein Bündel optischer Fasern zusammen, 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 des britischen Patents von Hansell abgelehnt.
  • 1954: Der niederländische Wissenschaftler Abraham Van Heel und der britische Wissenschaftler Harold H. Hopkins verfassten getrennt Artikel über Bildbündel. Hopkins berichtete über die Abbildung von Bündeln nicht umhüllter Fasern, während Van Heel über einfache Bündel von ummantelten Fasern berichtete. Er bedeckte eine blanke Faser mit einer transparenten Ummantelung mit einem niedrigeren Brechungsindex. Dies schützte die Faserreflexionsfläche vor Verzerrungen von außen und reduzierte die Interferenz zwischen den Fasern stark. Zu dieser Zeit bestand das größte Hindernis für eine praktikable Verwendung von Glasfasern darin, den geringsten Signalverlust (Lichtverlust) zu erzielen.
  • 1961: Elias Snitzer von American Optical veröffentlicht eine theoretische Beschreibung von Single-Mode-Fasern, einer Faser mit einem Kern, der so klein ist, dass er mit nur einem Wellenleitermodus Licht transportieren kann. Snitzers Idee war in Ordnung für ein medizinisches Instrument, das in den Menschen schaut, 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. CK Kao für Kommunikationsgeräte mit großer Reichweite identifiziert . Die Spezifikation war zehn oder 20 Dezibel Lichtverlust pro Kilometer, was den Standard festlegte. Kao illustrierte auch die Notwendigkeit einer reineren Form von Glas, um den Lichtverlust zu reduzieren.
  • 1970: Ein Forscherteam beginnt mit Experimenten mit Quarzglas, einem Material mit extremer Reinheit, hohem Schmelzpunkt und niedrigem Brechungsindex. Die Corning Glass-Forscher Robert Maurer, Donald Keck und Peter Schultz haben Glasfaserdraht oder „Optical Waveguide Fibers“ (Patent Nr. 3,711,262) erfunden, die 65.000 Mal mehr Informationen als Kupferdraht übertragen können. Dieser Draht ermöglichte es, Informationen, die von einem Muster von Lichtwellen getragen wurden, an einem Ziel zu dekodieren, das sogar tausend Meilen entfernt war. Das Team hatte die von Dr. Kao gestellten Probleme gelöst.
  • 1975: Die Regierung der Vereinigten Staaten beschließt, die Computer in der NORAD-Zentrale in Cheyenne Mountain mithilfe von Glasfasern zu verbinden, um Störungen zu reduzieren.
  • 1977: Das erste optische Telefonkommunikationssystem wurde etwa 1,5 Meilen unterhalb 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 Kabel übertragen. Von Maurer, Keck und Schultz entworfene Kabel wurden weltweit installiert.

US Army Signal Corp.

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

1958 hasste der Manager von Copper Cable and Wire in den Signal Corps Labs der US-Armee in Fort Monmouth, New Jersey, die durch Blitz und Wasser verursachten Signalübertragungsprobleme. Er ermutigte den Manager für Materialforschung, Sam DiVita, einen Ersatz für Kupferdraht zu finden . Sam dachte, Glas-, Faser- 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 wisse, 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 University drei dreiachsige Glassysteme mit SiO2 geschmolzen hatte.

Sturzebecher wusste die Antwort. Während Richard den Brechungsindex an SiO2-Gläsern mit einem Mikroskop maß, bekam er starke Kopfschmerzen. Die 60- und 70-prozentigen SiO2-Glaspulver unter dem Mikroskop ließen immer mehr brillantweißes Licht durch den Objektträger in seine Augen gelangen. Sturzebecher erinnerte sich an die Kopfschmerzen und das strahlend weiße Licht von Glas mit hohem SiO2- Gehalt und wusste, dass die Formel ultrareines 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 nutzen sollte, um Corning einen Bundesauftrag zur 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. In den Jahren 1961 und 1962 wurde die Idee, hochreines SiO2 für eine Glasfaser zur Lichtdurchlässigkeit zu verwenden, in einer Ausschreibung an alle Forschungslabors veröffentlicht. Wie erwartet vergab DiVita den Auftrag 1962 an Corning Glass Works in Corning, New York. Die Bundesfinanzierung für Glasfaseroptik in Corning belief sich zwischen 1963 und 1970 auf etwa 1.000.000 USD. Signal Corps Die Bundesfinanzierung vieler Forschungsprogramme für Glasfaser wurde bis 1985 fortgesetzt. Dadurch wird diese Branche gegründet und die heutige milliardenschwere Industrie, in der Kupferdraht in der Kommunikation eliminiert wird, Wirklichkeit.

DiVita arbeitete Ende der 80er Jahre weiterhin täglich beim Signal Corps der US-Armee und war bis zu seinem Tod im Alter von 97 Jahren im Jahr 2010 freiwillig als Berater für Nanowissenschaften tätig.

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