Laser — ljus och kommunikationer

Från ”Vakna!”:s korrespondent i Storbritannien

HUR värdefullt och livsviktigt är inte ljuset för människan! Själva vårt liv är beroende av det, därför att om det inte kom något ljus från vårt solsystems stora kraftstation, solen, skulle allt liv på jorden så småningom upphöra. Det är helt visst på grund av ljusets obeskrivliga skönhet — dess oändliga variation i färg och form — som människan i alla tider har sökt få djupare insikt i ljusets beskaffenhet. Jämsides med detta har människan strävat efter att på ett effektivare sätt framställa och använda ljuset till större nytta för henne själv.

Under 1960-talet blev en av människans mest fascinerande idéer verklighet, vilket eggade fantasin hos många människor till och med utanför vetenskapens värld. Det var uppfinningen av lasern. I den första med framgång fungerande lasern, som kom år 1960, använde man en rubin som aktivt medium. Den lasern alstrade en röd stråle. I dag kan man emellertid använda många olika ämnen, t. ex. koldioxid, vatten, helium och argon. Vart och ett av dessa ämnen frambringar sin egen karakteristiska färg på ljuset.

Vilken skillnad är det mellan ljuset från en laser och ljuset från andra källor? Och vilka praktiska tillämpningar har lasern i våra dagar?

Den väsentligaste skillnaden är att lasern besitter två egenskaper som inga andra ljuskällor har i samma utsträckning. För det första sprider inte lasern ut sitt ljus i många riktningar som en elektrisk glödlampa gör, utan den samlar eller koncentrerar ljuset till en smal, intensiv, stiftformig stråle. För det andra är själva ljuset mycket rent eller ”koherent” — likt ljudet av en enda ren ton från ett musikinstrument till skillnad från ljudet av många toner samtidigt.

På grund av dessa speciella egenskaper har lasern fått många tillämpningar på olika områden. Eftersom laserljuset kan riktas i en smal stråle, har man kunnat använda det för att mäta avståndet från jorden till månen genom att rikta en stråle från ett teleskop med objektivdiametern 152 centimeter. Man kunde bestämma avståndet med en felmarginal på bara 25 millimeter! På grund av laserljusets höga intensitet kan man använda lasrar för att skära och svetsa. Man kan skära papper, tyg och till och med diamanter, och man kan mycket snabbt svetsa samman tjocka stålplåtar med hjälp av kraftiga koldioxidlasrar. På medicinens område finns nu laserskalpeller tillgängliga. Man kan hantera dem med större precision än vanliga kirurgiska knivar, och de har också den fördelen att själva laserstrålen får blodet att koagulera, så att man slipper använda kärlklämmor. I ögat svetsar man nu rutinmässigt fast en lossnad näthinna med hjälp av en argongaslaser, och som experiment har man med hjälp av laser utfört komplicerade operationer på stämbanden.

Men ett av de kanske mest spännande och mest vidsträckta användningsområdena för lasern och vissa andra slag av ljuskällor håller nu på att öppna sig. Forskare har redan utvecklat kommunikationssystem med ljusvågor. Man har redan tagit i bruk prototyper, i vilka man kan vidarebefordra telefonsamtal och TV-program med ljus längs glasfibrer i stället för med elektricitet genom metallkablar. Man förväntar i själva verket att man i början av 1980-talet i stor utsträckning skall kunna använda kommunikationssystem med ljusvågor inom telefontekniken.

Hur är det möjligt att kommunicera med hjälp av ljus? Vilka fördelar har den här metoden att erbjuda, och hur kommer den att påverka vårt dagliga liv? Låt oss i detalj granska hur kommunikationssystem med ljusvågor — optiska kommunikationssystem — har utvecklats. Till att börja med behöver vi helt kort undersöka ljusets fysiska beskaffenhet för att förstå att det i vissa avseenden är mycket likt de vågor som redan allmänt används för kommunikationsändamål.

Ljusets egenskaper

År 1864 lyckades James Clerk Maxwell, en skotsk fysiker, matematiskt kombinera lagarna för elektricitet och magnetism. Han fann att dessa lagar, då de var kombinerade på det här sättet, förutsade existensen av olika slag av vågrörelser. En av dessa vågrörelser identifierade man som ljus, men andra på den tiden okända vågrörelser upptäckte man senare, och de är nu kända som radiovågor, radarvågor och röntgenstrålar, vilka alla är osynliga.

Maxwells teori bevisade att alla de olika slagen av vågrörelser, ljus inbegripet, har liknande egenskaper; de består alla av elektriska och magnetiska fältstyrkor, som vibrerar eller svänger. Det som skiljer till exempel en ljusvåg från en radiovåg är endast svängningarnas antal per sekund eller ”frekvens”. I en ljusvåg vibrerar fältstyrkorna omkring 100 millioner gånger snabbare än i en vanlig radiovåg.

Precis som en radiovåg kan sända ut ljud- och bildsignaler i radio och television, kan man alltså få en ljusvåg att göra detsamma genom att utnyttja i stort sett samma principer och metoder. Men på grund av att ljuset har så hög frekvens, är det, när det är koherent, teoretiskt sett mycket överlägset. Ljuset skulle kunna överföra en stor mängd informationer — mycket mer än vad en radiovåg kan. Det var förhoppningen att kunna förverkliga denna möjlighet som sporrade vetenskapsmännen till att strax efter det att lasern uppfunnits börja utforska kommunikationssystem med ljusvågor.

Överföring av ljuset

Ett av de första stora problemen man stötte på i utvecklingen av ett praktiskt kommunikationssystem med ljusvågor var hur man skulle överföra ljuset från källan till mottagarna. Man insåg snart att det var varken driftsäkert eller praktiskt att sända en laserstråle direkt genom luften (som man gör med radiovågor). På långa sträckor kan dimma, regn, moln eller snö skingra eller blockera strålen, men också vid klart väder kan temperaturskillnader i atmosfären bryta eller böja strålen ur kurs. Det skulle dessutom behövas exakt inriktade speglar för att böja strålen runt hörn och för att leda den in i och ut ur byggnader.

År 1966 framförde de två brittiska ingenjörerna K. C. Kao och G. A. Hockham, som båda arbetar vid Standard Telecommunications Laboratories i England, förslag till en bättre lösning på problemet. Sedan många år hade man känt till att man kunde ”leda” ljus genom böjliga glasfibrer, som var så tunna som ett hårstrå från en människa, på samma sätt som man leder en elektrisk ström genom en metallkabel. Vid den här tiden var emellertid glaset, av vilket man tillverkade fibrerna, av dålig kvalitet. Det spred och dämpade ljuset så mycket att det redan efter en fiberlängd på 3 meter hade förlorat hälften av sin intensitet. Kao och Hockham framförde tanken att om man kunde åstadkomma en stor förbättring av glasets kvalitet, kunde man använda glasfibrer för att leda ljuset många kilometer.

Med detta förslag som grund riktade glasbruket Corning Glass Works och Bell-laboratorierna i USA, Nippon Sheet Glass Company i Japan och olika forskargrupper i Storbritannien samtliga sin uppmärksamhet på metoderna för tillverkning av glasfibrer. Den första framgången kom år 1970, då glasbruket Corning kom fram med en ny fiber med låg intensitetsförlust tillverkad av nästan rent kvartsglas. Kort därefter gjorde de andra forskargrupperna ytterligare framsteg, i det de utforskade nya slag av glas och utvecklade nya metoder för fibertillverkning. I dag framställer man rutinmässigt glasfibrer som kan leda ljuset 1,5 kilometer innan hälften av intensiteten har gått förlorad; i en del av de bästa fibrerna som man för närvarande framställer går bara en tredjedel av ljusets intensitet förlorad på den här sträckan.

Fibrerna tillverkas genom att glas matas genom en ugn och dras till önskad diameter. Genom att därefter linda upp de fina fibrerna på en trumma kan man tillverka flera kilometer långa sammanhängande fibrer. För att man sedan skall kunna använda fibern förser man den med ett skyddande plasthölje och lägger samman 100 eller fler sådana enkla fibrer tillsammans med lämpliga stödtrådar och en yttre skyddsbeläggning till ett knippe, som bildar en ”fiberoptisk kabel”. Sådana kablar, i vilka varje fiber utgör en särskild kanal, är nu huvudkomponenterna i de optiska kommunikationssystemen.

Hur leder en glasfiber ljus? Svaret ligger i den princip inom fysiken som är känd som ”total inre reflexion”. När en ljusstråle med spetsig eller liten infallsvinkel träffar en gränsyta mellan två glas av olika optisk täthet och glaset med den inkommande ljusstrålen är optiskt tätare, släpps en del av ljuset igenom, medan en del reflekteras. (Se bilden.) Om emellertid infallsvinkeln är tillräckligt stor eller trubbig, reflekteras allt ljuset som om gränsytan vore en spegel. Detta kallas ”total inre reflexion”. Det inre, kärnan, av fibern består av ett tätare glas omgivet av ett mindre tätt glas. Man leder sedan ljusstrålar med lämpliga infallsvinklar inuti fiberkärnan, så att de totalreflekteras i sicksack genom fibern.

Nya lasrar

Parallellt med glasfiberforskningen under det gångna årtiondet har man också inriktat ansträngningarna på att utveckla och förbättra de andra komponenterna i systemet. De första lasrarna var klumpiga och ineffektiva. Man behövde tillverka nya lasrar med lång livstid, vilka skulle vara kombinerbara med fibrerna. Det var dessutom nödvändigt att utforma effektiva metoder för att vid sändaren koda laserljuset med de elektriska signalerna och för avkodning vid mottagarna.

Det finns i dag små lasrar — mindre än ett knappnålshuvud — tillverkade av legeringar av aluminium, gallium och arsenik som har en livstid på över ett år. Dessa lasrar frambringar en ljusstråle, när en elektrisk ström sänds genom apparaten. De kallas ”diodlasrar”. Av samma ämnen kan man på ett enklare sätt konstruera lysdioder (LED), som ofta används i elektroniska miniräknare. Även om det ljus, som lysdioderna sänder ut, inte är koherent, har de ändå stor betydelse för optiska system med lägre kapacitet.

I diodlasrar och lysdioder kan ljusstrålen på elektronisk väg kopplas på och av många millioner gånger i sekunden. Likt en mycket snabb morsekod kan man alltså vidarebefordra telefonsamtal och TV-program som en kodad följd av ljusblixtar eller ”ljuspulser” genom en glasfiber. Vid mottagaränden av fibern omvandlar speciella ljusdetektorer tillverkade av kisel det snabba flödet av ljuspulser tillbaka till elektriska signaler.

Prototyper

Hur långt forskningen har framskridit framgår tydligt av det förhållandet att många optiska kommunikationssystem redan på försök är i bruk, medan mera avancerade system för närvarande prövas i många länder — framför allt i Storbritannien, USA, Västtyskland, Frankrike och Japan.

Sedan mars 1976 har TV-programmen för omkring 34.000 tittare i området kring staden Hastings i England sänts via en 1,4 kilometer lång fiberoptisk kabel. De elektriska signalerna befordras med ljus, som frambringas av en lysdiod.

Vid Bell-laboratoriernas anläggning i Atlanta i USA har man grundligt testat en prototyp av ett optiskt kommunikationssystem. I systemet använder man en diodlaser och två 600 meter långa fiberoptiska kablar, som vardera innehåller 144 enskilda glasfibrer. Om man utnyttjar alla fibrerna, kan en kabel förmedla mer än 40.000 röster samtidigt! Man installerade kablarna i underjordiska gångar för att uppnå likheten med ett typiskt telefonnät i en stad. Inte en enda fiber bröts av under installationen.

I München i Västtyskland har man på försök installerat en fiberoptisk kabel för överföring av telefonsamtal och TV-program. Sedan augusti 1976 har systemet med framgång varit i drift 12 timmar om dagen utan några störningar.

Andra tidiga tillämpningar av liknande system gjorde man på förbindelser på flygplan och på båtar och mellan dataenheter. Eftersom denna nya teknik och de för skarvning och anslutning av glasfibrer erforderliga färdigheterna ständigt förbättras, förväntar man att fiberoptiska kablar kommer att ersätta många metallkablar på kommunikationens område.

Vilka blir fördelarna av att använda ljus och fiberoptiska kablar? Och hur kommer allt detta att påverka vårt dagliga liv?

Fördelarna och framtiden

Användningen av glasfibrer för kommunikation erbjuder många fördelar framför vanliga koppartrådar. Eftersom det inte finns någon metall i fibrerna, förekommer det inga elektriska störningar. Fibrer och fiberoptiska kablar har en relativt liten diameter — en faktor av stort värde när det gäller städernas telefonnät, vars underjordiska kabelrännor har begränsat utrymme. Glasfibrer är lättare än kopparledningar — en stor fördel när det gäller flygplan och satelliter, i vilka man måste hålla nere vikten. Och till slut det allra viktigaste: fibrerna är billiga att framställa.

Till att börja med ser man fiberoptiska kablar som en möjlighet att hålla jämna steg med utvidgningen av de redan existerande kommunikationsnäten. För den vanlige medborgaren kan detta innebära att telefonavgifterna inte höjs lika snabbt och att det kanske blir lättare att telefonera.

Men fördelarna på längre sikt är mycket mera spännande och intressanta. De grundar sig på den enorma informationsöverföringskapacitet, som är möjlig tack vare koherent ljus och som ännu inte är till fullo utforskad. För att ta vara på dessa slumrande möjligheter uppstod år 1969 en ny vetenskapsgren, som kallas ”integrerad optik”. Inom den integrerade optiken arbetar man med helt miniatyriserade lasrar och mycket små ljuskretsar, som förbinder de optiska komponenterna.

Man utmålar för sig nya och fascinerande kommunikationsmöjligheter. Privata hem och kontor, som är anslutna till fiberoptiska kablar i stället för till telefonledningar, skulle då kunna ha direkt televisionskontakt med nya centraliserade serviceinrättningar, sådana som datoriserade bibliotek, utbildningscentraler, banker, medicinska institutioner, varuhus osv. Med denna anläggning skulle man från sitt eget hem kunna ringa upp det datoriserade biblioteket, välja ut en bok och sedan läsa den på TV-skärmen. Eller också skulle man kunna sätta sig i förbindelse med banken och be att få se dagsställningen på ens konto. Om en hemmafru för tillfället inte kan lämna hemmet, skulle hon kunna använda en teleprinter för att göra upp sin inköpslista på TV-skärmen och sedan sända beställningen till stormarknaden genom att trycka på en knapp. Bildtelefoner kan göra det möjligt att se den person man telefonerar till!

Det står alltså klart att ljusets enorma kapacitet när det gäller kommunikationer erbjuder många nya framtidsutsikter. Allteftersom optiska kommunikationssystem lämnar experimentstadiet och kommer till praktisk användning, kan många fördelar bli resultatet. När vi tänker på allt detta, inser och uppskattar vi helt visst ljusets fantastiska och invecklade beskaffenhet. Människans fantasi och inre kunskapstörst blir i sanning tillgodosedda i skapelsens outtömliga skattkammare. — Ps. 145:16, NW.

[Tabell på sidan 18]

(För formaterad text, se publikationen)

PRINCIPEN FÖR TOTAL INRE REFLEXION

GLAS

släpps igenom delvis

OPTISKT TÄTARE GLAS

ljusstråle med liten infallsvinkel

reflekteras helt

GLAS

OPTISKT TÄTARE GLAS

ljusstråle med stor infallsvinkel

reflekteras delvis

HUR EN GLASFIBER LEDER LJUS

ljusstrålar med stor infallsvinkel fortplantar sig i sicksack genom kärnan i glasfibern

optiskt tunnare glas omsluter

den optiskt tätare kärnan i glasfibern