Richard Hamming: Capítulo 21. Fibra óptica

"El objetivo de este curso es prepararte para tu futuro técnico".

Hola Habr ¿Recuerdas el increíble artículo "Tú y tu trabajo" (+219, 2394 marcado, 380k lecturas)?

Entonces, Hamming (sí, sí, los códigos de Hamming que se autoverifican y corrigen a sí mismos) tiene un libro completo escrito basado en sus conferencias. Lo estamos traduciendo, porque el hombre está hablando de negocios.

Este libro no es solo sobre TI, es un libro sobre el estilo de pensamiento de personas increíblemente geniales. “Esto no es solo una carga de pensamiento positivo; describe condiciones que aumentan las posibilidades de hacer un gran trabajo ".

Ya hemos traducido 20 (de 30) capítulos. Y estamos trabajando en una edición en papel.

Capítulo 21. Fibra óptica

(Gracias por la traducción, Mikhail Gostev, quien respondió a mi llamado en el "capítulo anterior".) ¿Quién quiere ayudar con la traducción, el diseño y la publicación del libro? Escriba en un correo electrónico personal o magisterludi2016@yandex.ru

Toco el tema de la fibra óptica porque su desarrollo abarca en gran medida el tiempo de mi vida científica, lo que significa que puedo dar testimonio de cómo me pareció mientras tomaba forma. Deje que esto sirva como ejemplo del estilo con el que abordé nuevas áreas de gran valor potencial. De hecho, la fibra óptica es una sección completamente independiente, en sí misma. Y finalmente, este es un tema que tendrá que tratar en la medida en que todavía tiene tiempo para desarrollarse en su tiempo.

Cuando escuché por primera vez sobre el Seminario de Óptica Telefónica de Bell Optics, me pregunté si debería asistir, al final, todos deberían hacer su trabajo y no pasar el rato en conferencias durante días.

En primer lugar, recordé que las frecuencias ópticas son mucho más altas que las eléctricas que estaban en uso en ese momento, lo que significa que la conexión de fibra óptica tiene un rango de frecuencia mucho más amplio, y el rango de frecuencia es esencialmente la velocidad de transferencia de datos (en bits por segundo ...), es decir, el nombre y la esencia del juego que juega la compañía telefónica, mi empleador.

En segundo lugar, sabía que Alexander Graham Bell una vez transmitió una conversación telefónica utilizando un haz de luz: generalmente tenía una tendencia a los trucos técnicos toda su vida. Entonces el asunto fue posible, y se hizo hace mucho tiempo.

En tercer lugar, conocía la reflexión interna durante la transición de un medio con alta refracción a un medio con baja refracción; esto se puede ver en aguas tranquilas, si se mira desde abajo: hay ángulos en los que la luz se refleja completamente en el agua,



Figura 21.I.

Así que más o menos entendí qué sería la fibra óptica, aunque en general eran una idea bastante fresca en ese momento. En cualquier caso, tenía suficiente experiencia en el laboratorio universitario para el dibujo de vidrio para comprender cómo usar el efecto de la tensión superficial para producir fibras con un diámetro bastante constante y, en cierta medida, el papel de la tensión superficial del vidrio líquido asociado con él. Así que me tomé el tiempo para explorar la nueva empresa prometedora.

En algún lugar al comienzo del informe, el orador declaró: "Dios amaba la arena, hizo mucho de ella". Dentro de mí, escuché que ahora nos vemos obligados a desarrollar minerales de cobre de baja calidad y solo podemos esperar precios más altos para el cobre de alta calidad en el futuro, y no hay material para el vidrio en todas partes y no se espera escasez.

Ya sea en la conferencia en sí, o poco después, escuché una observación: “El espacio libre para tender cables telefónicos en Manhattan (Nueva York) está terminando y si la ciudad continúa creciendo a medida que crece, tendremos que tender nuevos cables, es decir, cavar las calles y aceras, pero si usamos fibra de vidrio, entonces debido al pequeño diámetro de los cables, podemos extraer cobre y colocar fibra óptica en su lugar ". Me di cuenta de que esto es suficiente para que el Laboratorio haga todo lo posible para desarrollar la transmisión de fibra óptica lo antes posible, y que será una fuente constante de tareas computacionales, lo que significa que debería estar a la vanguardia.

Mucho antes de eso, cuando decidí seguir trabajando en el Laboratorio, me di cuenta de la falta de mi conocimiento en electrónica práctica, en relación con esto adquirí un par de equipos de radio aficionados Heathkit y reuní su experiencia por el bien de ellos. Sin embargo, los dispositivos resultantes eran bastante funcionales. Por lo tanto, imaginé la cantidad de alboroto con los cables e inmediatamente describí el punto del problema: ¿cómo proponen unir estas fibras de vidrio delgadas y gruesas y mantener un flujo de señal decente? La fibra de vidrio no se puede soldar entre sí y esperar una transferencia decente.

Por cierto, ¿por qué se ofrecieron diámetros tan pequeños? Esto se hará evidente si observa la ilustración de cómo funciona la fibra óptica en la Figura 21.II.



Figura 21.II

Cuanto más delgado es el diámetro, más fuerte se puede doblar la fibra sin perder el haz de luz. Esta es la razón principal para reducir los diámetros, y no el costo o el peso del cable. Además, para muchas formas de transmisión, un diámetro más pequeño significa menos distorsión de la señal a una distancia dada.

Pronto me di cuenta de otra ventaja significativa. La fibra óptica transmitió la señal de manera tan eficiente, es decir, perdió tan pocos fotones durante la transmisión que las "escuchas telefónicas" se convirtieron en un logro extremadamente serio. No es imposible, pero muy difícil. Casi al mismo tiempo, me di cuenta (en relación con los cálculos que realizamos con un grupo de químicos) que la fibra óptica está bien protegida contra la interferencia electromagnética, especialmente cuando una bomba nuclear explota en la atmósfera superior o en el campo de batalla, e incluso de los rayos. Sí, grandes cantidades de los presupuestos militares, así como directamente del presupuesto del Laboratorio, se dedicarán a la investigación de la fibra.

Pronto hubo un problema, cuya apariencia esperaba: resultó que el devanado de fibras delgadas puede afectar localmente el índice de refracción y se puede perder parte de la luz. Por supuesto, agregar una superficie de espejo adicional resolverá el problema. Pero pronto se les ocurrió la idea de cubrir el núcleo de vidrio de alta refracción con una carcasa de bajo refractario, además, en objetos cuyo tamaño es accesible para la manipulación humana, y luego estirar la estructura resultante en fibras del grosor deseado.

Mucho más tarde, escuché sobre ensamblajes multicapa en los que se realizó una transición suave del índice de refracción y me di cuenta de que era un análogo del "enfoque fuerte" que se inventó varios años antes para los ciclotrones. El gradiente de refracción se logró por exposición química o a la radiación. En lugar de trabajar con reflejos intensos, fue posible devolver el haz al centro de la fibra debido a la flexión gradual a medida que se aleja del centro,



Figura 21.III.

No traté de comprender a fondo la disputa entre los métodos de transmisión de señales multimodales y unimodales, pero logré realizar varias series de cálculos por computadora para ambos campos competidores y comencé a inclinarme hacia la transmisión unimodal por las mismas razones por las que preferimos los sistemas binarios a los sistemas de cálculo con computadoras base más alta En general, es un detalle técnico relacionado con las características de los receptores y transmisores, y no una característica fundamental de la transmisión de señal óptica.

Todo este tiempo estaba constantemente esperando que las fibras se empalmaran. Con el paso del tiempo, alguien logró proponer y probar varios trucos ingeniosos, y la dispersión de alternativas me convenció de que es posible hacer frente a este problema, que atrajo mi atención, con relativa facilidad, al menos no será fatal en el campo, donde deberá ser resuelto por técnicos, no expertos en condiciones controladas de laboratorio. Entendí la diferencia bastante bien porque vi varios proyectos (principalmente de otras compañías) que se toparon con el triste hecho de que las cosas que se obtienen de manera estable en los laboratorios no son exactamente lo mismo que los resultados de campo de los técnicos que trabajan con prisa y en condiciones que se pueden llamar al menos hostiles.

Hasta donde recuerdo, la primera prueba de comunicaciones de fibra óptica pasó entre las oficinas centrales en Atlanta, Georgia. Las pruebas fueron exitosas (el período de prueba duró tres años). Mientras tanto, las personas ajenas al negocio del vidrio comenzaron a producir vidrio excepcionalmente transparente, y fue precisamente a las frecuencias que queríamos usar: se trataba de un rango en el que los láseres podían funcionar de manera confiable. Argumentaron que si los océanos fueran tan transparentes como algunos tipos de vidrio, ¡el fondo del Pacífico podría verse a simple vista!

Pronto noté que en fibra óptica nosotros: (1) recibimos señales ópticas, (2) las convertimos a forma electrónica, (3) las amplificamos, (4) las transformamos nuevamente en forma óptica. Es difícil imaginar la peor arquitectura del sistema. En el laboratorio, como muchos otros, se hizo evidente que tenía que trabajar seriamente en amplificar la señal óptica. Después de un tiempo, quedó claro que hay varios candidatos para el papel de los amplificadores ópticos, lo que significa que es probable que uno o más de ellos se conviertan en el tipo estándar de equipo en el campo. Una de las ventajas de los solitones es la posibilidad de amplificación sin cambiar la forma (no se degrada a medida que pasa a través de la fibra), mientras que los pulsos deben regenerarse (esto cambia su forma y, en general, parece más complicado que la simple amplificación).

Todos los aspectos prácticos del problema se alinearon bastante bien. Como saben, ahora hacemos un uso extensivo de la fibra. Traté de mostrar mi enfoque a la nueva tecnología, lo que veía, lo que esperaba, ignorado, rastreado, considerado seriamente. No deseaba convertirme en un experto en este campo; Tenía suficientes computadoras y su rápido desarrollo en hardware y software, esto se suma al campo de aplicaciones en constante expansión. Cada área nueva que aparezca en su futuro le planteará preguntas similares, y usted, en esencia, las responderá con sus acciones.

El campo de aplicación actual de la fibra óptica es extremadamente amplio. Mientras pasaba el tiempo, me las arreglé para darme cuenta de que la historia con las comunicaciones por satélite, por ejemplo, está llena de muchos problemas. Los satélites de comunicaciones fijos debían ubicarse a lo largo del ecuador; entonces no había otras posiciones para ellos. Muchos países ecuatoriales han declarado desde los primeros días que estamos invadiendo su sector aeroespacial y debemos pagar por su uso. Hasta ahora, no habían podido confirmar sus reclamos por la fuerza, los países avanzados simplemente continuaron utilizando el espacio de forma gratuita. Les dejo juzgar la situación: (1) ignorar abiertamente los requisitos de los países, (2) independientemente de la validez de sus requisitos, y (3) dado que actualmente no todos pueden usar su espacio, todos los demás deben esperar hasta ( y si es que lo alcanzarán) ¡alcanzarán el nivel deseado! Este es un tema no trivial en las relaciones internacionales, y cada una de las partes tiene la verdad.

Ahora los satélites están ubicados aproximadamente a cada 4º grado y, aunque podemos configurarlos a 2 °, tendremos que usar antenas mucho más precisas de transmisores terrestres (¿aumentar el radio de los platos?) Para transmitirles una señal de modo que no afecte a los satélites vecinos. Incluso podemos expandir la banda de frecuencia de la transmisión de la señal y aumentar la cantidad de datos transmitidos varias veces, pero la necesidad de atravesar la atmósfera impone restricciones. Por otro lado, la fibra óptica se puede colocar en el suelo con la densidad que deseamos. Los cables de fibra son fáciles de fabricar y el ancho de banda agregado simplemente no cabe en su cabeza. El uso de satélites significa una amplia transmisión de señal, mientras que los cables proporcionan un cierto nivel de privacidad y la capacidad de hacer que el usuario pague, en lugar de "montar una liebre".

Los satélites y la fibra óptica tienen ventajas y desventajas. Ahora los satélites están utilizando lo que es esencialmente comunicaciones confidenciales, no difusión. Creo que el tiempo redistribuirá la materia para que cada uno de los métodos se aplique de la mejor manera posible de acuerdo con sus puntos fuertes.

Donde estamos ahora Ya han aparecido cables transoceánicos con fibra óptica en lugar de guías de onda coaxiales, por un precio mucho más bajo y un ancho de banda mucho mayor. Ahora (1993), el problema de cambiar a un sistema de transmisión de señal de solitones desarrollado recientemente en lugar del clásico de pulsos, cuando se comunica a través del Océano Pacífico con Japón, se está resolviendo. En mi opinión, este es el tema de consideración de ingeniería: a larga distancia, los solitones se tomarán por encima de los pulsos. Le recomiendo que siga los principales cambios tecnológicos: si la transferencia de información en solitones derrota el sistema de pulso actual, aparecerán métodos fundamentalmente nuevos de análisis de señal, y será mejor que sepa cuándo ocurrirá esto, para no quedarse atrás, junto con muchas otras personas.

Leí que en la Marina, así como, obviamente, en la Fuerza Aérea y los viajes aéreos comerciales, la reducción de peso significa grandes ahorros en recursos que se pueden gastar en otras cosas. Durante una visita al portaaviones Enterprise hace unos 14 años, ya consciente de la tendencia de la fibra óptica, examiné el cableado con especial atención y decidí que la fibra reemplazaría todos los cables _ conectados al transmitir información. La transferencia de _energía_ es un tema completamente diferente. Y, sin embargo, ¿seguirá siendo una red de energía centralizada el método principal, o se preferirán las redes de energía descentralizadas en relación con las condiciones de combate? Sería bueno para ellos conectarse con sistemas de fibra óptica obviamente redundantes, lo que sin duda establecerá al menos sus consideraciones de seguridad. Pero los buques de guerra no son tan diferentes de los rascacielos de oficinas, como el World Trade Center.

Ya tenemos fibra óptica a nuestra disposición, tan fuerte que los camiones pueden viajar en ella, tan liviana que los cohetes pueden lanzarse con un cable desenrollado conectado durante todo el vuelo, y esto significa comunicación bidireccional, como para controlar un misil, apuntarlo a un objetivo , y para recibir datos de un cohete, lo que ve durante un vuelo.

Al estar conectado con las computadoras, naturalmente me pregunté cómo todo esto puede afectar y afectar el diseño de las computadoras. Probablemente sepa que ahora (1993) a menudo conectamos elementos grandes de sistemas informáticos con fibra óptica. En mi opinión, reemplazar la mayor parte del cableado interno con fibra es solo cuestión de tiempo. ¿Nadie puede, con el tiempo, hacer "placas base" en las que las placas integradas estén conectadas con fibra óptica? Esto no parece irrazonable en absoluto, dado el estado actual de la ciencia de los materiales. ¿Cuándo llegarán las fibras ópticas a los chips individuales? ¡Al final, el rango de frecuencia de la óptica significa mayores velocidades de conmutación! Entonces, ¿acaso no podemos hacer microcircuitos ópticos y poner una fuente de luz común sobre la fotocélula en la placa de circuito (como en algunas calculadoras de mano) para alimentar todo el circuito y alejarnos de los cables para distribuir electricidad en el sistema?



Figura 21.IV.

Pero, ¿podemos incluso reemplazar el cableado con rayos de luz? Los rayos de luz pueden atravesarse sin interferencia (si la intensidad no es demasiado alta), esto solo los coloca por encima de los cables,



Figura 21.V.

Esto nos lleva al problema del cambio. ¿Es posible hacer que un interruptor de matriz sea óptico en lugar de electrónico? ¿Bell Telephone Lab y otros no tendrían que desarrollarlos activamente? Si tiene éxito, ¿es verdad cambiar el resultado, y cuál ha sido tradicionalmente la parte más cara de la computadora no será la más barata? Primero, la parte más cara de la computadora fue la memoria, luego aparecieron los discos magnéticos, luego los sistemas de almacenamiento electrónico a precios increíblemente bajos, y el diseño de las computadoras cambió notablemente. Con una reducción significativa en el precio de la unidad de conmutación, ¿cómo diseñará las computadoras? ¿Sobrevivirá el diseño básico de von Neumann? ¿Cuál será el diseño de las computadoras con una nueva estructura del costo de los elementos?

Puede, como indiqué anteriormente, mantenerse más o menos a la par con los eventos si anticipa activamente las formas en que las cosas y las ideas pueden desarrollarse, y luego compara sus expectativas con lo que realmente sucedió. La anticipación activa significa que estás mucho, mucho mejor preparado para aceptar cosas nuevas que si estás sentado pasivamente o arrastrando lánguidamente el progreso. "La suerte acompaña a una mente entrenada".

El significado de este informe es mostrar cómo alguien intentó prepararse para los cambios tecnológicos transitorios que afectarán su investigación y trabajo. Es imposible estar a la vanguardia de inmediato en todas las áreas de nuestra sociedad de alta tecnología, pero no puede permitirse quedarse atrás, detrás de los nuevos desarrollos, lo que sucedió en la práctica con mucha gente.

Una y otra vez, afirmo en este libro que mi deber como profesor es aumentar la probabilidad de que hagas una contribución significativa a nuestra sociedad, y no puedo pensar en una mejor manera que desarrollar en ti el hábito de anticipar fenómenos, de liderar, en lugar de seguir pasivamente. Me parece que, para cumplir con mis responsabilidades hacia usted y nuestra institución, debo transferir la mayor cantidad posible de ustedes de la pasividad a una posición de anticipación activa.

En el capítulo de hoy, como puede ver, no estoy hablando de la importancia de mi contribución, pero al menos estaba preparado y ayudé a otros, mucho más profundamente inmersos en el tema, haciendo los cálculos correctos, y no aquellos ligeramente inapropiados que hacen tan a menudo. Creo que a menudo he brindado este tipo de servicio de Bell Telephone Lab en los 30 años anteriores a mi jubilación. En el campo de la fibra óptica, te conté algunos detalles y cómo llegué a ellos.

Ahora déjenme pasar a los pronósticos para el futuro cercano. Es bastante obvio que el cableado "del pilar a la casa" (en inglés se llama línea "colgante", incluso si está enterrado en el suelo) se convertirá en fibra óptica. Después de instalar la fibra óptica, tiene acceso potencial a toda la información que, en principio, podría desear, incluyendo televisión, radio y, posiblemente, artículos periodísticos, seleccionados de acuerdo con su perfil de intereses (paga una suscripción en una factura individual, que se entrega a tu casa). La necesidad de canales de información separados en su mayor parte no será en absoluto. A su lado del cable de fibra óptica hay uno o más filtros digitales. El canal que necesitas, el teléfono,La radio o la televisión se eligen aproximadamente como es ahora, al introducir los números apropiados en el filtro, y se vuelve universal. Necesitará un filtro para cada canal que vaya a utilizar por unidad de tiempo (tal vez sea un filtro, con división de tiempo), y cada filtro tendrá un diseño estándar. O viceversa, los filtros se entregarán directamente con el equipo, luego de la compra.

¿Sucederá todo esto? Es necesario evaluar las condiciones políticas, económicas y sociales antes de decir que lo que es posible desde un punto de vista técnico sucederá realmente. ¿El gobierno querría permitir que una sola compañía administre la distribución de esta cantidad de información? ¿Querrán los proveedores de cable modernos compartir con los proveedores de teléfono y, posiblemente, perder parte de sus ganancias en esto, a pesar del hecho de que inevitablemente encontrarán una mayor regulación por parte del estado? Y en general, ¿nosotros, como sociedad, queremos que todo se convierta de esa manera?

Uno de los temas que a menudo aparecen en este libro son las restricciones que imponen condiciones políticas, legales, sociales o económicas sobre algo tecnológicamente posible e incluso económicamente viable. Si algo se puede hacer por razones económicas, no significa que deba hacerse. Y si no tiene una comprensión clara de estos aspectos, entonces, como visionario practicante del futuro en su especialidad, hará muchas predicciones inexactas y tendrá que esquivar dolorosamente explicando por qué todo salió mal.

Continuará ...

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Por cierto, también lanzamos la traducción de otro libro genial:"La máquina de los sueños: una historia de la revolución informática" )