Optiska fibersystem: Morgondagens medium redan här

av Kai Finell Forum 1980-05, sida 48-49, 19.03.1980

Taggar: Teman: optiska fiber

Också Siemens i Förbundsrepubliken Tyskland är efter åratals glasfiberforskning redo för kommersiell produktion av ”ljustelefonikablar” med klenare än hårfina glasfibervågledare. Signalbäraren är osynligt infrarött ljus av ca 800 nm (nanometer — miljondels mm) våglängd, Glasfiberns egen diameter är 63 u (mikrometer — tusendels mm).

Senaste år delades L M Ericssonpriset å 100 000 svenska kronor mellan två forskare, som var för sig gjort grundläggande insatser för informationsöverföring med opliska metoder över stora avstånd. Nämligen amerikanerna dr Charles Kuen Kao och dr Robert Distler Maurer.

Ur finländsk synpunkt bör noteras att Helsingfors Telefonförening den 14 december samma år anslöt praktisk provdrift av optronisk transmissionsteknik till sitt normala landsortstelefonnät. Enklare sagt ljusvågstelefoni per glasfiberkabel, enligt ett system utarbetat och tillverkat i samarbete med Oy Nokia Ab.

NW” I LM Ericsson Review av oktober 1979 publiceras de bägge pristagarnas fackföredrag i samband med prisutdelningen. Som god allmänteknisk introduktion till denna nya fängslande teknologi är prisnämndens ordförande, tekn dr Håkan Sterkys, prisöverlämningstal så överskådligt informativt att referat därav förtjänar delges också vidare kretsar.

48

Morsekoden är som känt en föregångare till dataålderns digitalteknik för överföring av såväl text och bild som tal och musik på elektrisk väg. Denna teknik kräver emellertid att antalet pulser eller bitar (av E bit, bits) mäste ökas från ett tiotal till flera miljoner per sekund. Bandbredden, uttryckt i frekvensmått, mäste sålunda vara mycket stor för snabb och omfattande informationsöverföring. Detta kan i dag möjliggöras också genom det vi nu kallar optisk (ibland även ljus-)kommunikation.

En förutsättning är att ljus — synligt eller osynligt — ska kunna sändas i krökta banor, men som känt fortplantar sig ljuset, liksom alla elektromagnetiska vågor, rätlinjigt genom rymden och atmosfären. Leder man ljus genom ett rör eller en fiber, kan vägrörelsen under vissa förutsättningar gå fram också i något krökta banor. Ett villkor är då att röret har en speglande inneryta eller att fibern består av material med högre brytningsindex än omgivningen, exempelvis luft.

Dämpningen av ljuset i en sådan vågledare måste dock fås ner så mycket att optiska metoder verkligen

Optiska fibersystem: Morgondagens medium redan hä blir tekniskt-ekonomiskt konkurrensdugliga i jämförelse med andra transmissionssystem. Att vissa fibrer kan leda ljus i krökta banor är däremot ingenting nytt, utan har praktiskt redan brukats för flera tekniska, medicinska och rena dekorationsändamål.

Via glasfibrer inledda i magen, och rent av hjärtat, har man kunnat visuellt studera organens funktion och tillstånd. Men vanliga optiska glassorter har så hög ljusabsorbtion att överföringsräckvidden begränsades till högst några meter. En radikal dämpningsminskning var nödvändig för att dagens krav i kommersiell informationsöverföring skulle kunna tillgodoses.

Därtill behövdes lämpliga elektrooptiska omvandlare för sändningen samt «motsvarande =opto-elektriska aggregat för mottagningssidan. Sådana nya elektroniska komponenter har dock i rask takt utvecklats under det gångna årtiondet i form av lysdioder, diodlasrar, fotodetektorer och lavindioder, som nu alla kan massproduCeras.

Idealkvartsen en realiserad drömbild

Redan 1966 publicerade dr Charles K Kao — anställd vid ITT-Company i Roanoke, Virginia — en artikel om glasfiber som lämplig vågledare för optisk överföring av information. Han föreslog en = specialfiberutformning enkom för detta ändamål, och förutsåg möjligheten att rena kvartsglas så effektivt, att vågledaren skulle få en dämpning på mindre än 20 decibel (dB) per kilometer.

Trots att dr Kao inte var specialist på vare sig glasmaterialens optiska ezenskaper eller = tillverkning av extremt rena kvartsfibrer baserades hans vision på omfattande och grundliga teoretiska utredningar. De i mitten av 1960-talet tillgängliga optiska glasen lär inte ha haft lägre dämpning än ca 1000 dB/km, medan man i slutet av 1970-talet lyckades framställa kvartsfibrer som för vissa ljusvåglängder hade en dämpning mindre än 1 dB/km Åskådligt belysande är att man för 10 år sedan kunde beskåda hjärtats inre på upp till I m avstånd. I dag finns så genomsynliga optiska fibrer att samma hjärtstudier skulle kunna göras på tiotals kilometers håll från patienten!

Världens ledande teleföretag anser att optroniken nu är mogen att ställa bättre och billigare transmissionssystem till abonnenternas och sambällets förfogande. De nyssnämnda LMEpristagarna har minsann — också i ordets egentliga bemärkelse — kastat nytt ljus över den fascinerande väg teleteknikens forskare och ingenjörer kommer att vandra i framtiden, menade tekn dr Håkan Sterky i sitt hyllningsanförande.

FORUM 5/80

Lasern en ljusvågssändare

Efterkrigsutvecklingen ledde till att världen krävde utvidgade kommunikationsmöjligheter och helt nya teletjänster. Allt större del av det elektromagnetiska energispektret måste på något sätt nu utnyttjas för informationsbruk, Laseruppfinningen förebådade en motsvarighet till radiosändare, men på optiska vida kortare våglängder. Det optiska spektrets enorma frekvensomfång väntades ge otaliga kommunikationskanaler. Men det behövdes användbara kombinationer av sändare, mottagare och lämpligt transmissionsmedium.

De första lasrarna var dock antingen klumpiga, hade dålig verkningsgrad, eller krävde besvärligt låga arbetstemperaturer. Atmosfären som medium blev genast en besvikelse. Dåligt väder inverkar menligt på strålgången. Dimma och snö minskar ljusintensiteten radikalt. Även klart väder kan ge motiga täthetsvariationer i luften. På bara 1 km håll kan en riktad = ljusfrekvensstråle <avlänkas flera meter i mottagarändan på grund av lufttäthetsvariationer längs strålens väg.

Glasfiber lockade

En dielektrisk vågledare i form av optisk fiber syntes mer lockande som medium för optiska frekvenser, men dessvärre var dämpningen i normal optisk glasfiber så hög att ljusnivån, redan efter några meter sjönk till obrukbara värden. Problemen föreföll oöverkomliga men ändå gav sig dr Kao och hans kolleger envist i kast med dämpningsproblemet och andra vanskliga stötestenar på vägen mot dugliga lösningar i vågledarmaterialfråvan.

Materialgranskningens dimensionsproblem bjöd i sin tur på bekymmer jämförbara med försök att mäta millimeterstora föremål med linjaler graderade enbart i hela meter. Instrumenten för optisk dämpningsmätning hade en känslighet som låg flera storieksordningar under minimikraven. Dimensionstoleranserna måste sålunda fastställas på simulerade fibrer.

Tack vare många begåvade och högt kvalificerade människors arbete nåddes småningom en världsomfattande aktivitet på området. Med uppmuntrande gemensamma =<framsteg som resultat — framhöll dr Kao anspråkslöst i sitt informationsföredrag vid prisutdelningen.

Målsättningen överträffad

I dag har den optiska fibertekniken trampat ur barnaskorna. Egenskaperna för fibrerna, sändare och detektorer har inte bara överträffat utvecklingslaboratoriernas förväntningar, utan kan nu fylla de ännu högre tillförlitlighetskrav som ställs vid praktisk

FORUM 5/8 tillämpning. Andra grundkomponenter såsom kablar, anslutningskontakter och förgreningselement har nått ungeför lika långt i framstegsprocessen. Fibersystemtekniken har redan tagit steget ut till produktionsskedet, med ständigt ökande ekonomisk konkurrenskraft gentemot konventionella teletransmissionssystem.

Uppenbart är att fältet för tillämpningar av optiska fibersystem nu vidgas påfallande raskt, Allt som har med optiska fibrer att göra aktiveras. Antalet tillämpningar, installerad fiberlängd, försäljning och mängden engagerade personer ökar i ilfart. Verksamheten med optiska fibrer börjar växa exponentiellt. I sin tur resulterande i den efterfrågan, och därmed kostnadsreduktion, som gör att optroniska bredbandsdistributionsnät kan tas i bruk med god ekonomi till — den alltjämt likaså ökande — hela mänsklighetens tjänst.

Komplexitet kontra möjligheter

Dr RKobert D Maurer började sin bana som lågtemperaturforskare vid Massachusetts Institute of Technology, där han 1951 doktorerade i fysik. Därefter började han vid Corning Glass Works ingående analysera glasets fysikaliska egenskaper. Också han anser att optisk teknik blir telekommunikationens nästa betydelsefulla utvecklingsframsteg. Genom att välja ljus till signalbärare bryter teknikerna helt mot tidigare praxis. Metoder som i årtionden baserats på gradvis förkortning av de nyttjade elektromagnetiska våglängderna. Ända ner till cm-våglängder dvs tiotusentals megahertz (MHz).

Övergången till ljus (synligt eller osynligt) innebär emellertid en ytterligare abrupt kapning av våglängden med en divisor kring 10000! Ner till bortåt I um (mikrometer = tusendels mm) eller hundradelen av ett hårstrås diameter. Den förändringen har oerhörda fördelar, men medför många komplicerade och oanade problem. Särskilt ifråga om konstruktion av nya komponentelement.

För varje grundkomponent kan man visa hur våglängdskapningen påverkar någon karakteristisk egenskap hos just den komponenten. Relationen mellan våglängd och komponentegenskaper avslöjar brutal den nya teknikens komplexitet, men samtidigt antvdande utvecklingsmöjligheterna. En kort presentation kan därför bara ge en mycket ytlig överblick av problemets omfattning.

Atomdefekter och entropifenomen

Här ska endast nämnas två av många i början förbisedda optiska fenomen, som ingen räknat med på förhand. Nämligen absorbtion på grund av atomdefekter, samt materialets egen inre absorbtion. Självfallet försämra ett materials transparens av orenheter och strukturfelaktigheter. Fönster är genomsynliga för att de är tunna, och vi blir förvånade över att se bottnen på större vattendjup. Den första optiska vågledarforskningen visade vad som återstår av ljusdämpningen när orenheter och strukturfel hade avlägsnats, Först då upptäcktes betydelsen av atomära defekter och materialens specifika inre absorbtionsförmåga. Absorbtion till följd av atomdefekter var det första problemet som måste lösas, innan man alls kunde tänka på tillverkning av glasfibrer med mycket låg ljusdämpning.

Lösningen låg i att vid framställningen automatiskt utlösa en kemisk reaktion i glasmassan så att denna tillfördes syre i de defekta punkterna. Vid glastillverkning ökas nämligen entropin — naturens strävan att öka materiens inre oordning -— genom att syrgas avges under smältningen, emedan ämnen i gasform uppvisar större entropi (”oreda”, atomernas ökade rörlighet) än i flytande eller fast form, Defekter uppstår därför i glasstrukturen där syreatomer med rätta skulle ha suttit. Att hitta en praktiskt fungerande syretillföringsmetod var ett av de svåraste hindren på väg mot glas med verkligt god transparens.

I dagens glassorter har problemet ytterligare kringgåtts genom användning av ljussignaler av annan våglängd än de där ljusabsorbtion på grund av atomdefekter är stor.

Rätt våglängd värdefull

När alla föroreningar avlägsnats, bestäms genomsynligheten av den sk inre absorbtionen. Bland annat glas är inte transporent nog för ultravioletta eller infraröda våglängder. Endast i ett mellanliggande frekvensområde har man acceptabel transparens. Övergången är dock inte tvär vid någon bestämd frekvens, utan absorbtionen avtar gradvis. Teoretiskt kan visas att absorbtionen är påvisbar också över hela det transparenta våglängdsområdet.

Detta kände man inte tidigare till, emedan föroreningarna dominerade, Nu har man funnit ett flackt minimum nära det infraröda området. Upptäckten av detta minimum är kanske den optiska vågledarforskningens mest anmärkningsvärda resultat, eftersom det är där man får de mest eftertraktade fiberegenskaperna.

Man vet nu att ljus kan ledas genom 20 km glas utan att ens hälften går förlorat. Om vatten vore lika genomsynligt, skulle bottnen kunna synas till och med på de största oceandjupen. Den högsta transparens som teoretiskt kan nås är hela 10 gånger bättre än dagens rekord. Ytterligare fiberoptiska vinningar ligger sålunda väl inom möjligheternas gräns.

Kai Finell 49