Lyd og bilde ved hjelp av glass

LYS, fortidens symbol på visdom og forstand, er ikke lenger bare et symbol. I de senere år har lyset raskt og lydløst overtatt rollen som formidler av enhver form for informasjon. For å kunne utnytte lysets potensiale hva det å overføre informasjon angår, var det nødvendig å utvikle 1) et spesielt lys og 2) en spesiell lysleder.

En rekke spennende, nye oppfinnelser har i den senere tid gjort det mulig å sende ufattelige mengder av enhver form for informasjon over store avstander og i et forrykende tempo. Lyd, tekst og bilde kan nå overføres bemerkelsesverdig raskt og effektivt ved hjelp av knapt synlige lysstråler som beveger seg gjennom hårfine glasstråder. Disse spindelvevstynne glasstrådene, som ligger beskyttet i kabler, er allerede tatt i bruk mellom enkelte amerikanske, europeiske og japanske byer. De er nå i ferd med å krysse verdenshavene og dermed forbinde kontinentene.

Hvordan er dette mulig, ettersom det er en kjent sak at lyset alltid vil forsøke å følge en rett linje? Hvorfor følger de små lysstrålene glasstrådene også når disse blir bøyd? Hvordan kan lysstrålene nå så langt og overføre så store mengder informasjon? På grunn av et spesielt slags lys — koherent lys.

Koherent lys

Fordelen med en koherent lysstråle i forhold til en vanlig lysstråle når det gjelder å overføre informasjon, kan illustreres ved å sammenligne lysfotonene som beveger seg langs glasstrådene, med menn som går langs en vei. En vanlig lysstråle kan sammenlignes med en gruppe menn av forskjellig høyde som går i utakt og i veien for hverandre. En koherent lysstråle kan på den annen side sammenlignes med soldater som alle er like høye og marsjerer i takt i like rekker. Menn som marsjerer i takt uten å gå i veien for hverandre, vil selvfølgelig være i stand til å tilbakelegge en lengre distanse raskere og med mindre energiforbruk. Slik er det også med koherent lys.

Nå vil kanskje noen si: ’Men hvorfor har det gått så lang tid før man fant ut at lys kunne brukes på denne måten? Hvorfor har ingen tenkt på det før?’ Metoden er i virkeligheten ikke helt ny. Minst én person, Alexander Graham Bell, innså fordelene ved å overføre tale ved hjelp av lys. I 1880 offentliggjorde han en avhandling som het «Selen og fotofonene».

Dette var en svært framsynt idé, men uten koherent lys ville oppfinnelsen bare ha hatt begrenset verdi. Det var imidlertid ikke før man utviklet laserstrålene i 1960-årene, at dette første nødvendige kravet ble oppfylt. Bell klarte heller ikke å oppfylle det andre grunnleggende kravet — en effektiv lysleder som kunne overføre informasjonen.

Hvordan virker de sinnrike lyslederne av glass?

Samtidig som laserstrålene ble videreutviklet, var man opptatt av å finne opp og utvikle sinnrikt sammensatte glassmaterialer med høy klarhet, noe som ville gjøre det mulig for de koherente laserstrålene å bevege seg over store avstander. Dette glassmaterialet ble så dratt ut til hårfine fibrer.

Mange av oss har kanskje sett lysende glassfibrer brukt i borddekorasjoner. Disse dekorasjonene lages ved at bunter av glass- eller plastfibrer blir satt sammen i vifteform som blomster i en vase, og deretter sender man vanlig lys gjennom fibrene. Dette illustrerer i det minste hvordan lyset kan bevege seg langs bøyde glasstråder og ikke bare rett fram, slik det vanligvis gjør. I slike borddekorasjoner beveger imidlertid ikke lyset seg særlig langt.

For at lyset skal kunne bevege seg over mye større avstander enn det er behov for i slike dekorasjoner, er det blitt utviklet spesielle materialer av glass eller plast som man isolerer lyslederne med. Disse spesielle materialene reflekterer lysstråler som forsøker å bryte ut av lyslederen, slik at lyset ikke svekkes. Det er stor variasjon hva sammensetning og konstruksjon av disse materialene angår, men hver på sin måte og under spesielle forhold hjelper de lyset til å bevege seg over store avstander.

Selv om disse glasstrådene eller fibrene har gjort det mye lettere å overføre og lede lyset, er det likevel nødvendig å lede lyset inn i fibrene i en vinkel som er like stor som eller mindre enn den kritiske vinkelen. Vi kan lettere forstå det når vi tenker oss hvordan overflaten på et stille vann kan virke som et speil. Fra tid til annen kan vi se trærne langs vannkanten speile seg i overflaten. Denne speileffekten oppstår når lyset som når øyet, kommer fra en meget stump vinkel. Ved denne spesielle vinkelen, som kalles den kritiske vinkel, reflekterer vannoverflaten lyset, akkurat som et speil. Når lyset på tilsvarende måte blir ledet inn i glasstrådene i en vinkel som er like stor som eller mindre enn den kritiske vinkel, vil lyset på samme måte reflekteres inne i fiberen med den følge at svært lite lys forsvinner.

Man regner med at disse lysstrålene vil kunne bevege seg opp til 40 kilometer i de tynne trådene uten at det er nødvendig å forsterke lyset. Framtidsutsiktene ser om mulig enda mer lovende ut. Ifølge en nylig utarbeidet rapport har man utviklet fibrer med en ultralav dempning «som kan overføre data flere tusen kilometer uten at det er nødvendig å forsterke signalene».

For å beskytte disse fantastiske lyslederne må man isolere dem med forskjellige lag av beskyttende materiale. Kablene armeres dessuten ofte med svært holdbare fibrer, metalltråder og elektriske ledere. Når glassfibrene ligger beskyttet inne i kablene, er de så effektive når det gjelder å overføre informasjon, at de utkonkurrerer de vanlige kobberledningene, som overfører informasjon via elektriske impulser. Det er spesielt tilfellet når det dreier seg om store avstander. Men hvordan kan data, bilder og lyd bli overført av dette spesielle lyset gjennom de tynne glassfibrene?

Hvordan fibrene overfører informasjon

De spesielle lysstrålene og de geniale glassfibrene er imponerende i seg selv, men den måten lysstrålene overfører de kolossale mengder med informasjon på, er minst like imponerende. Hemmeligheten ligger for en stor del i lysets enorme hastighet — omkring 300 000 kilometer i sekundet — og lysbølgenes ekstremt høye frekvens — opptil flere milliarder svingninger i sekundet. Ved å utnytte disse høye frekvensene og ved å kode lysimpulsene er det mulig å samle enorme mengder informasjon i de lysstrålene som beveger seg i de tynne fibrene. La oss se litt nærmere på hvordan det er mulig å tale og høre ved hjelp av lys.

Hvordan tale overføres ved hjelp av lys

Hvis man vil tale, høre og se ved hjelp av lys, må man ta i bruk den mest avanserte teknologi som finnes i vår tid. La oss se på noe av det som skjer når en overfører tale ved hjelp av lys, og derved få et lite innblikk i prosessen.

Selv om overføringen skjer ved hjelp av lys, begynner den på nøyaktig samme måte som før, nemlig ved at man snakker inn i telefonrøret. Stemmen danner lydbølger som omdannes til elektriske signaler i telefonen. Deretter blir signalene med meget høy hastighet delt i «skiver». Prosessen ligner den som foregår i et filmkamera. Kameraet tar egentlig en rekke stillbilder eller «skiver» av bevegelsen. Disse bildene blir deretter vist fortløpende, og tilskueren får inntrykk av bevegelse. De elektriske «skivene» blir på lignende måte skilt ut og kodet ved hjelp av en komplisert prosess for så å omdannes til lysimpulser. De kodede lysimpulsene beveger seg så gjennom glasstråden og til mottageren. Ved mottageren skjer det samme i omvendt rekkefølge. Lysimpulsene blir altså omdannet til lydbølger i telefonrøret. Hvilken nytte har vi av dette i dag, og hva vil framtiden bringe på dette området?

Noen av fordelene i dag

Nå som vi akkurat har begynt å forstå og verdsette vårt nåværende verdensomfattende kommunikasjonssystem, er et fullstendig nytt system på trappene. Fiberoptiske kabler vil etter hvert erstatte radiolinjer, telefonkabler med tusenvis av ledere og til og med enkelte satellittstasjoner. Dette vil medføre en rekke fordeler.

◼ Kommunikasjon uten forstyrrelser. En av de viktigste fordelene ved å overføre signaler ved hjelp av fiberoptikk er at den praktisk talt eliminerer alle forstyrrelser som vi etter hvert er blitt vant til. Lyn, kraftledninger og generatorer har ofte forårsaket statiske forstyrrelser og støy. Selv ikke sterkt skjermede kobberledere kan hindre en del av disse forstyrrelsene i å trenge gjennom.

Hvis telefonsamtalene dine delvis blir overført via satellitt, har du kanskje opplevd atmosfæriske forstyrrelser eller merket at lyden har vært forsinket en brøkdel av et sekund. Tidligere kunne det til og med oppstå ekko. Fiberoptikken eliminerer slike forsinkelser og gir klare signaler uten forstyrrelser.

◼ Kommunikasjon uten avlytting. En annen viktig fordel ved fiberoptikk er at de så godt som umuliggjør avlytting. Overhøring blir også eliminert. Man har foreløpig ikke kommet fram til noen metode for avlytting av lysstråler, i det minste ikke uten at signalet dempes så kraftig at man avslører avlyttingen.

◼ Enorm kapasitet. Man kan lettere forstå hvilken enorm kapasitet lys har med hensyn til å overføre informasjon, når man vet at bare to lysledere kan overføre tusener av telefonsamtaler. Det er blitt anslått at en enkelt glasstråd kan overføre hele Websters ordbok (en amerikansk ordbok på 2700 sider med 450 000 oppslagsord) flere tusen kilometer på bare seks sekunder.

◼ Plassbesparende og motstandsdyktig. Mange steder har en allerede hatt stor nytte av denne nye oppfinnelsen. Mange storbyer høster gagn av nye kommunikasjonssystemer som har stor kapasitet, men krever lite utstyr. Telefonsentraler som før fylte flere rom, kan nå erstattes av fiberoptisk utstyr som krever liten plass. Også avsidesliggende områder, for eksempel de amerikanske koralløyene Florida Keys, kan nå glede seg over støyfrie telefonsamtaler. Saltvannet rundt disse øyene og lignende områder forårsaker ofte kortslutninger og ødeleggelser på isolasjonen rundt kablene. Saltvannet forårsaker derimot minimale ødeleggelser på de fiberoptiske kablene.

Et blikk på framtiden

Framtiden ser svært lovende ut for denne nye teknikken. Omstillingen ser ut til å gå langt raskere enn de fleste hadde trodd. Det blir sagt at et av de største problemene er å velge et system som ikke allerede er foreldet når det blir installert.

◼ Lyd, bilder og data fra én terminal. Bladet High Technology for februar 1986 skrev under tittelen «Framtidsutsikter for bedrifter» at «fiberoptikken raskt er blitt det middel i USA som blir foretrukket når man skal overføre lyd, data og bilder — særlig når det er snakk om store avstander». Artikkelen fortsatte: «Vi har begynt å utvikle et fiberoptisk nett som vil strekke seg helt inn i hjemmet. En eneste terminal kan behandle lyd og bilder og . . . innhente opplysninger fra en database.» Dette åpner muligheten for at i det minste noen kan gjøre innkjøp, gjøre ærender i banken, kjøpe flybilletter og benytte seg av visse bibliotektjenester uten å forlate hjemmet. Det vil også bli mulig for dem å se vennene sine samtidig som de snakker med dem i telefonen — alt sammen ved hjelp av lys som beveger seg gjennom disse enestående glassfibrene.

[Bilder på side 11]

Lyset reflekteres i glassfiberen og forsvinner ikke ut gjennom fiberveggen

Holdbare kabler med metalltråder beskytter fibrene

Fibrene er isolert med glass- eller plastmateriale som minsker mengden av lys som slipper ut

[Bilde på side 13]

Den lille fiberoptiske kabelen overfører minst like mange telefonsamtaler som den store kabelen