Επικοινωνία Μέσω Γυαλιού

ΦΩΣ—αυτό το αρχαίο, μυστηριακό σύμβολο της σοφίας και της ευφυΐας—δεν είναι πια απλώς σύμβολο. Τα πρόσφατα χρόνια, με γρήγορο ρυθμό αλλά και αθόρυβα, έχει αναλάβει τον δικαιωματικό του ρόλο και έχει γίνει ο πραγματικός φορέας κάθε είδους πληροφοριών. Για να μπορέσει το φως να χρησιμοποιήσει την υφιστάμενη δυνατότητά του να μεταφέρει πληροφορίες σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, ήταν απαραίτητο να αναπτυχθεί (1) ένα ειδικό είδος φωτός και (2) ένα ειδικό είδος κατευθυντή του φωτός.

Από μια σειρά νέων καταπληκτικών εξελίξεων που έγιναν στα πρόσφατα χρόνια, έχουμε τη δυνατότητα να στέλνουμε απίστευτα μεγάλες ποσότητες πληροφοριών όλων των ειδών, σε πολύ μεγάλες αποστάσεις και με τρομακτικά μεγάλες ταχύτητες, χρησιμοποιώντας ακτίνες φωτός. Ναι, τώρα είναι δυνατό να μιλάμε, να βλέπουμε και να ακούμε με καταπληκτική ταχύτητα και αποδοτικότητα, χρησιμοποιώντας πολύ λεπτές ακτίνες φωτός, οι οποίες κινούνται μέσα σε γυάλινες ίνες που έχουν πάχος τρίχας μαλλιών. Σαν ένα λεπτοϋφασμένο ιστό αράχνης, αυτές οι γυάλινες ίνες, που βρίσκονται προστατευμένες μέσα σε καλώδια, ήδη συνδέουν πόλεις στις Ηνωμένες Πολιτείες, στην Ευρώπη και στην Ιαπωνία. Πρόσφατα έχει αρχίσει η διαδικασία τοποθέτησής τους στους ωκεανούς, για να συνδέσουν τις ηπείρους μεταξύ τους.

Πώς μπορεί να συμβαίνει κάτι τέτοιο, αφού όλοι μας γνωρίζουμε ότι το φως κινείται σε ευθεία γραμμή; Πώς είναι δυνατό οι λεπτές ακτίνες φωτός να παραμένουν μέσα στις γυάλινες ίνες, αφού οι ίνες κατά τη διαδρομή τους αναγκάζονται να λυγίζουν; Πώς αυτές οι ακτίνες φτάνουν τόσο μακριά και πώς μεταφέρουν τόσες πολλές πληροφορίες; Όλα αυτά είναι δυνατό να γίνουν εξαιτίας ενός ειδικού είδους φωτός—του σύμφωνου φωτός.

Η Αποδοτικότητα του Σύμφωνου Φωτός

Τα πλεονεκτήματα που έχει για τη μεταφορά πληροφορίας μια ακτίνα σύμφωνου φωτός αν συγκριθεί με μια ακτίνα κοινού φωτός, μπορούν να κατανοηθούν αν παρομοιάσουμε τα φωτόνια που κινούνται μέσα σε μια γυάλινη ίνα με μια ομάδα ανθρώπων που περπατούν σ’ ένα δρόμο. Μια ακτίνα κοινού φωτός μπορεί να παρομοιαστεί μ’ ένα πλήθος ανθρώπων διαφόρων μεγεθών, που ο καθένας ακολουθεί τη δική του κατεύθυνση και παρεμβαίνει στην πορεία του άλλου. Από την άλλη μεριά, μια ακτίνα σύμφωνου φωτός θα μπορούσε να παρομοιαστεί με στρατιώτες που έχουν όλοι το ίδιο μέγεθος, είναι παραταγμένοι σε ίσιες γραμμές και όλοι τους ακολουθούν τον ίδιο βηματισμό. Είναι ολοφάνερο ότι ακολουθώντας τον ίδιο βηματισμό, χωρίς καμιά άλλη παρέμβαση, θα μπορούσαν να μετακινηθούν περισσότεροι στρατιώτες σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις με πολύ μεγαλύτερη απόδοση και λιγότερες απώλειες ενέργειας. Το ίδιο συμβαίνει και με το σύμφωνο φως.

Εδώ μερικοί μπορεί να πουν: ‘Γιατί, όμως, άργησε τόσο πολύ να εμφανιστεί αυτή η χρήση του φωτός; Γιατί κανείς δεν το σκέφτηκε προηγουμένως;’ Στην πραγματικότητα, η ιδέα δεν είναι εντελώς καινούρια. Τουλάχιστον ένας άνθρωπος, ο Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ, διέκρινε τα πλεονεκτήματα μετάδοσης της φωνής μέσω του φωτός και το 1880 εξέδωσε μια εργασία με τίτλο «Το Σελήνιο και τα Φωτόφωνα».

Αυτή η ιδέα έδειχνε μεγάλη διορατικότητα, αλλά χωρίς το σύμφωνο φως η εφεύρεσή του θα είχε περιορισμένη μόνο επιτυχία. Έπρεπε, ωστόσο, να φτάσει η δεκαετία του 1960 και η ανάπτυξη του LASER (Ενίσχυση Φωτός Μέσω Εξαναγκασμένης Εκπομπής Ακτινοβολίας, [λέιζερ]) για να ικανοποιηθεί η πρώτη αναγκαία απαίτηση. Από τον Μπελ επίσης έλειπε η άλλη βασική απαίτηση—ένας κατευθυντής του φωτός υψηλής απόδοσης για τη μετάδοση των πληροφοριών.

Αυτοί οι Πολύπλοκοι Γυάλινοι Κατευθυντές του Φωτός—Πώς Λειτουργούν;

Ενώ συνεχιζόταν η εργασία για την ανάπτυξη των λέιζερ, άλλοι εργάζονταν πάνω στην εφεύρεση και την ανάπτυξη γυάλινων υλών μεγάλης διαύγειας και πολύπλοκης σύνθεσης που θα επέτρεπαν στο σύμφωνο φως λέιζερ να διανύει πολύ μεγάλες αποστάσεις. Αυτές οι ύλες, κατόπιν, χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ινών πάχους τρίχας μαλλιών.

Ίσως σε πολλούς από εμάς έρχεται στο μυαλό η εικόνα φωτισμένων γυάλινων ινών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή φανταχτερών επιτραπέζιων διακοσμητικών αντικειμένων. Για να φτιαχτούν αυτά τα διακοσμητικά αντικείμενα, χρησιμοποιούνται δέσμες από γυάλινες ή πλαστικές ίνες οι οποίες τοποθετούνται σαν μια ανθοδέσμη σε σχήμα βεντάλιας και φωτίζονται από κάτω. Για τέτοιου είδους διακοσμήσεις χρησιμοποιείται συνήθως κοινό φως για να φωτιστούν οι ίνες. Αυτό τουλάχιστον, δείχνει πώς μπορεί το φως να αναγκαστεί να κινηθεί μέσα στις γυάλινες ίνες και να ακολουθήσει τις καμπύλες που σχηματίζουν αυτές οι ίνες αντί να κινείται σε ευθεία γραμμή όπως συμβαίνει συνήθως. (Σχέδιο 1) Σε αυτά τα διακοσμητικά, το φως κινείται σε πολύ μικρές αποστάσεις.

Για να μπορέσει το φως να κινηθεί σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις απ’ αυτές που απαιτούνται στα διακοσμητικά, έχουν επινοηθεί ειδικά γυάλινα ή πλαστικά περιβλήματα. Αυτά τα ειδικά περιβλήματα αναγκάζουν οποιεσδήποτε ακτίνες φωτός τείνουν να διαφύγουν, να ξαναγυρίζουν πίσω στο γυαλί κι έτσι εμποδίζουν την περαιτέρω απώλεια του φωτός. Η σύνθεση και η κατασκευή αυτών των περιβλημάτων ποικίλλει και είναι εξαιρετικά πολύπλοκη. Παρ’ όλα αυτά, αυτά τα διαφορετικά είδη, το καθένα με το δικό του τρόπο και κάτω από τις δικές του ιδιάζουσες συνθήκες, συμβάλλουν στην αύξηση της απόστασης στην οποία κινείται το φως. (Σχέδιο 2)

Αν κι αυτές οι γυάλινες ίνες, ή οπτικές ίνες, έχουν αυξήσει κατά πολύ την ικανότητά μας να μεταδίδουμε και να κατευθύνουμε το φως, είναι ακόμα απαραίτητο καθώς το φως μπαίνει μέσα στις ίνες, να προσπίπτει κατά γωνία μικρότερη ή ίση από μια δεδομένη οριακή γωνία. Για να καταλάβουμε αυτή την αρχή λειτουργίας μπορούμε να θυμηθούμε το πώς η ήρεμη επιφάνεια μιας λίμνης μπορεί να ενεργήσει σαν καθρέφτης. Μερικές φορές τα δέντρα που βρίσκονται δίπλα στη λίμνη καθρεφτίζονται μέσα απ’ αυτή την επιφάνεια. Αυτό το καθρέφτισμα συμβαίνει επειδή το φως που φτάνει στα μάτια μας πέφτει πάνω στην επιφάνεια της λίμνης με γωνία που είναι πολύ αμβλεία. Ακριβώς σ’ αυτήν τη συγκεκριμένη γωνία, που ονομάζεται οριακή γωνία, η επιφάνεια του νερού ανακλά το φως σαν καθρέφτης. Με όμοιο τρόπο, όταν το φως εισέρχεται μέσα στις γυάλινες ίνες με γωνία ίση ή μικρότερη της οριακής γωνίας, τότε αντανακλάται εσωτερικά μέσα στην ίνα, η οποία ενεργεί σαν καθρέφτης, και το φως το οποίο διαφεύγει είναι ελάχιστο.

Αναμένεται ότι αυτές οι ακτίνες θα μπορούν να κινούνται μέσα σ’ αυτές τις μικρές ίνες σε απόσταση 40 ή και περισσότερων χιλιομέτρων χωρίς να υπάρχει ανάγκη να ανανεωθεί το φως. Οι μελλοντικές προοπτικές είναι ακόμα περισσότερο ενθαρρυντικές. Σύμφωνα με μια πρόσφατη έκθεση, έχουν κατασκευαστεί ίνες με εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα απώλειας, «οι οποίες μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες χιλιάδες χιλιόμετρα χωρίς την ανάγκη επαναληπτών».

Για να προστατευτούν αυτοί οι θαυμαστοί αγωγοί φωτός, είναι απαραίτητο να τοποθετηθούν γύρω τους περικαλύμματα και περιτυλίγματα προστατευτικών υλικών. Επιπλέον, συνήθως προστίθενται ίνες μεγάλης αντοχής και σύρματα, καθώς επίσης και ηλεκτρικοί αγωγοί, για να σχηματιστούν μικρά καλώδια. (Σχέδιο 3) Όταν αυτές οι γυάλινες ίνες βρίσκονται προστατευμένες μέσα σε καλώδια, παρέχουν τεράστια απόδοση μεταφοράς πληροφοριών, μια απόδοση που είναι αδύνατο πια να την ανταγωνιστεί το ηλεκτρικό ρεύμα που κινείται μέσα σε κοινά χάλκινα καλώδια. Αυτό αληθεύει ιδιαίτερα για τις μεγάλες αποστάσεις. Αλλά πώς αυτό το ειδικό είδος φωτός μεταφέρει πληροφορίες, εικόνες και ανθρώπινη φωνή μέσα σ’ αυτές τις μικρές γυάλινες ίνες;

Πώς Μεταφέρουν οι Μικρές Γυάλινες Ίνες το Μεγάλο Φορτίο Τους

Αν και τα ειδικά είδη ακτίνων φωτός και οι πολύπλοκες γυάλινες ίνες μας εντυπωσιάζουν, όμως και ο τρόπος με τον οποίο οι ακτίνες μεταφέρουν τα τεράστια φορτία τους πληροφοριών μας εντυπωσιάζει εξίσου. Ένα βασικό μυστικό έχει να κάνει με την τρομακτική ταχύτητα του φωτός, περίπου 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Το άλλο μυστικό έχει να κάνει με τις εξαιρετικά υψηλές συχνότητες των κυμάτων φωτός, που φτάνουν σε δισεκατομμύρια κύκλους το δευτερόλεπτο. Εξαιτίας αυτών των υψηλών συχνοτήτων, και μέσω κωδικοποίησης των φωτεινών παλμών εξαιρετικά μεγάλη ποσότητα πληροφοριών μπορεί να συσσωρευθεί στις ακτίνες φωτός που κινούνται μέσα στις μικρές ίνες. Ας εξετάσουμε ένα παράδειγμα μετάδοσης ηχητικών κυμάτων με φως.

Επικοινωνία με Φως

Για να επιτευχθεί η μετάδοση ηχητικών καθώς επίσης και οπτικών κυμάτων μέσω φωτός, χρησιμοποιείται η πιο προηγμένη τεχνολογία των ημερών μας. Ωστόσο, ας εξετάσουμε από κοντά μόνο λίγα από τα βήματα που λαβαίνουν χώρα για να επιτευχθεί η μετάδοση ηχητικών κυμάτων με φως, ώστε να μπορέσουμε κάπως να κατανοήσουμε τη διαδικασία.

Αν και το φως είναι εκείνο που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά, στην πραγματικότητα η διαδικασία αρχίζει ακριβώς όπως και πριν, μιλώντας στο ακουστικό του τηλεφώνου. Και σ’ αυτήν την περίπτωση τα ηχητικά κύματα της φωνής μας μετατρέπονται σε αντίστοιχα ηλεκτρικά σήματα μέσα στο τηλέφωνο. Κατόπιν, αντιπροσωπευτικά δείγματα από αυτά τα ηλεκτρικά σήματα «τεμαχίζονται» με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Αυτή η διαδικασία είναι όμοια με αυτό που κάνει μια κινηματογραφική μηχανή, η οποία στην πραγματικότητα παίρνει μια σειρά από ακίνητες εικόνες, ή τεμάχια, της κινούμενης εικόνας. Αυτές οι εικόνες κατόπιν εμφανίζονται, εικόνα με εικόνα, διαδεχόμενη με ταχύτητα η μια την άλλη για να δώσουν στο θεατή την εντύπωση της κίνησης. Με όμοιο τρόπο, αυτά τα ηλεκτρικά τεμάχια ξεχωρίζονται και κωδικοποιούνται μέσω μιας πολυσταδιακής διαδικασίας και κατόπιν μετατρέπονται σε φωτεινούς παλμούς. Κατόπιν, οι κωδικοποιημένοι φωτεινοί παλμοί κινούνται μέσα στη γυάλινη ίνα προς το άλλο άκρο όπου είναι ο δέκτης. Όταν φτάσουν στο δέκτη, ακολουθώντας την αντίστροφη διαδικασία μετατρέπονται ξανά σε ηχητικά κύματα στο ακουστικό του τηλεφώνου. Τι οφέλη προκύπτουν απ’ αυτή τη διαδικασία για μας σήμερα; Ποιες είναι οι προοπτικές για το μέλλον;

Μερικά από τα Τωρινά Οφέλη

Μόλις αρχίσαμε να αποδεχόμαστε και να κατανοούμε το σημερινό παγκόσμιο δίκτυο επικοινωνιών, ένα εντελώς καινούριο σύστημα έκανε την εμφάνισή του. Οι οπτικές ίνες υπόσχονται να αντικαταστήσουν τα πολυκλωνικά τηλεφωνικά καλώδια, τα δίκτυα μικροκυμάτων, ακόμα και μερικούς από τους δορυφορικούς σταθμούς, αλλά υπόσχονται όμως να προσφέρουν πολλά επιπρόσθετα οφέλη.

◼ Επικοινωνία Χωρίς Παρεμβολές. Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα της επικοινωνίας με οπτικές ίνες γι’ αυτόν που τηλεφωνεί, είναι ότι αυτού του είδους η επικοινωνία στην ουσία αποκλείει πολλές από τις παρεμβολές τις οποίες έχουμε συνηθίσει. Οι κεραυνοί, τα καλώδια μεταφοράς ρεύματος, οι γεννήτριες—όλα αυτά μας ενοχλούν με στατικό ηλεκτρισμό και παράσιτα. Ακόμη και οι χάλκινοι αγωγοί που είναι καλά προστατευμένοι δεν μπορούν να εμποδίσουν την παρεμβολή μερικών από αυτές τις ενοχλήσεις.

Αν η τηλεφωνική σας συνδιάλεξη αναμεταδιδόταν κατά μέρος από δορυφόρο, μπορεί να είχατε προσέξει μια καθυστέρηση κλάσματος του δευτερολέπτου στην επικοινωνία ή να είχατε παρατηρήσει τις ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Στο παρελθόν μερικές φορές ακουγόταν ακόμα και ηχώ. Οι οπτικές ίνες τείνουν να εξαλείψουν τις αισθητές καθυστερήσεις και εξασφαλίζουν καθαρή, ανενόχλητη λήψη.

◼ Επικοινωνία με Ασφάλεια. Ένα από τα χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα των οπτικών ινών είναι η πλήρης ασφάλεια. Έτσι εξαφανίζεται το φαινόμενο της συνακρόασης και αποκλείεται οποιαδήποτε παράνομη υποκλοπή. Ακόμα δεν έχει επινοηθεί κανένα μέσο για να γίνει υποκλοπή στις ακτίνες φωτός, τουλάχιστον όχι χωρίς να μειωθεί αισθητά το σήμα, πράγμα το οποίο θα αποτελούσε προειδοποίηση.

◼ Μεγάλη Απόδοση. Μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως την καταπληκτική απόδοση της μεταφοράς πληροφορίας μέσω φωτός, αν σκεφτούμε ότι απλώς και μόνο ένα ζευγάρι οπτικών ινών μπορεί να μεταφέρει χιλιάδες τηλεφωνικές συνδιαλέξεις. Έχει υπολογιστεί ότι ολόκληρα τα περιεχόμενα ενός λεξικού σαν το Webster’s unabridged dictionary (περίπου 2.400 σελίδες) μπορεί να σταλούν μέσα από μια και μόνο γυάλινη ίνα σε απόσταση χιλιάδων χιλιομέτρων μέσα σε έξι δευτερόλεπτα.

◼ Καταλαμβάνει Πολύ Λίγο Χώρο—Αντέχει στο Εχθρικό Περιβάλλον. Αρκετές περιοχές ήδη ωφελούνται απ’ αυτή τη νέα εξέλιξη. Οι μητροπολιτικές περιοχές εξυπηρετούνται από νέα, υψηλής απόδοσης συστήματα επικοινωνιών τα οποία απαιτούν εξοπλισμό μειωμένου μεγέθους. Ολόκληρα δωμάτια που ήταν γεμάτα με απαρχαιωμένους μεταλλάκτες, μπορούν τώρα να αντικατασταθούν με εξοπλισμό οπτικών ινών ο οποίος απαιτεί πολύ λιγότερο χώρο. Επίσης, απομονωμένες περιοχές όπως τα απομακρυσμένα κοραλλιογενή νησιά της Φλώριντας τώρα απολαμβάνουν επικοινωνία απαλλαγμένη από θόρυβο. Το εχθρικό περιβάλλον του αλμυρού νερού σ’ αυτά τα απομακρυσμένα νησιά και σε παρόμοιες περιοχές τείνει να προκαλεί ηλεκτρικά βραχυκυκλώματα και χημική αποσύνθεση. Ωστόσο, με τις οπτικές ίνες, αυτή η επίδραση διατηρείται σε πολύ χαμηλά επίπεδα.

Μελλοντικές Προοπτικές

Το μέλλον αυτής της νέας εξέλιξης φαίνεται να είναι ιδιαίτερα λαμπρό. Ήδη η αλλαγή στο καινούριο σύστημα προχωράει με πολύ πιο γρήγορο ρυθμό από εκείνο που είχαν προβλέψει μερικοί. Αναφέρεται ότι ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα είναι να γίνει η εκλογή ενός συστήματος το οποίο δεν θα αποδειχτεί άχρηστο μέχρι τον καιρό που θα εγκατασταθεί.

◼ Ήχος, Εικόνα και Κομπιούτερ Από Ένα και Μόνο Τερματικό. Το περιοδικό High Technology (Υψηλή Τεχνολογία) στο τεύχος του Φεβρουαρίου 1986, αναφέρει κάτω από τον τίτλο «Επιχειρηματικές Προοπτικές» ότι «οι Οπτικές Ίνες μέσα σε λίγο χρονικό διάστημα έχουν γίνει το προτιμώμενο μέσο για τη μεταφορά ήχου, πληροφορίας και εικόνας στις Η.Π.Α.—ειδικά σε πολύ μεγάλες αποστάσεις». Το άρθρο συνεχίζει με τη δήλωση: «Έχουμε αρχίσει να αναπτύσσουμε ένα δίκτυο οπτικών ινών το οποίο θα επεκταθεί μέχρι και το σπίτι. Θα χρησιμοποιούμε ένα τερματικό το οποίο θα μπορεί να μεταδίδει ήχο, εικόνα, και να . . . συνδέεται με μια τράπεζα πληροφοριών». Μέσω αυτού του συστήματος ανοίγεται η ευκαιρία τουλάχιστον για μερικούς ανθρώπους να ψωνίζουν, να κάνουν τις τραπεζικές τους συναλλαγές, να κλείνουν αεροπορικά εισιτήρια και να έχουν πρόσβαση σε ορισμένες βιβλιοθήκες από το σπίτι τους. Ακόμα θα μπορούν να βλέπουν τους φίλους τους όταν συνομιλούν τηλεφωνικά μαζί τους—και όλα αυτά με το φως το οποίο κινείται μέσα σ’ αυτές τις θαυμαστές γυάλινες ίνες.

[Εικόνες στη σελίδα 20]

Το φως που κινείται μέσα σε μια γυάλινη ίνα αντανακλάται εσωτερικά και δεν διαφεύγει από το τοίχωμα

Ίνες μεγάλης αντοχής και καλώδια προσφέρουν προστασία

Η γυάλινη ή πλαστική επικάλυψη μειώνει το ποσό του φωτός που διαφεύγει

[Εικόνα στη σελίδα 22]

Αυτό το μικρό καλώδιο από οπτικές ίνες μεταφέρει περισσότερες τηλεφωνικές συνδιαλέξεις από εκείνο το μεγάλο συνηθισμένο καλώδιο