Richard Hamming: Chapitre 21. Fibre optique

«Le but de ce cours est de vous préparer à votre avenir technique.»

Salut, Habr. Vous vous souvenez de l'article génial «Vous et votre travail» (+219, 2394 signet, 380k lectures)?

Hamming (oui, oui, les codes d' autocontrôle et d'autocorrection de Hamming ) a un livre entier écrit sur la base de ses conférences. Nous le traduisons, parce que l'homme parle d'affaires.

Ce livre n'est pas seulement sur l'informatique, c'est un livre sur le style de pensée des gens incroyablement cool. «Ce n'est pas seulement une charge de pensée positive; il décrit les conditions qui augmentent les chances de faire du bon travail. »

Nous avons déjà traduit 20 (sur 30) chapitres. Et nous travaillons sur une édition papier.

Chapitre 21. Fibre optique

(Merci pour la traduction, Mikhail Gostev, qui a répondu à mon appel dans le "chapitre précédent".) Qui veut aider à la traduction, la mise en page et la publication du livre - écrivez dans un e-mail personnel ou magisterludi2016@yandex.ru

Je touche au sujet de la fibre optique car son développement couvre largement le temps de ma vie scientifique, ce qui signifie que je peux témoigner de son aspect à mes yeux pendant qu'il prenait forme. Que cela serve d'exemple du style avec lequel j'ai abordé de nouveaux domaines de grande valeur potentielle. En fait, la fibre optique est une section complètement indépendante en soi. Et enfin, c'est un sujet que vous devrez traiter dans la mesure où il a encore le temps de se développer déjà à votre époque.

Quand j'ai entendu parler pour la première fois du séminaire sur l'optique téléphonique de Bell Optics, je me suis demandé si je devais y aller du tout - à la fin, tout le monde devrait faire son travail, et ne pas traîner dans les cours pendant des jours.

Tout d'abord, j'ai rappelé que les fréquences optiques sont beaucoup plus élevées que les fréquences électriques qui étaient utilisées à l'époque, ce qui signifie que la connexion par fibre optique a une plage de fréquences beaucoup plus large, et la plage de fréquences est essentiellement le taux de transfert de données (en bits par seconde ...), c'est-à-dire le nom et l'essence même du jeu auquel la compagnie de téléphone joue, mon employeur.

Deuxièmement, je savais qu'Alexander Graham Bell avait transmis une conversation téléphonique à l'aide d'un faisceau lumineux - il avait généralement tendance à faire des tours techniques toute sa vie. L'affaire était donc possible, et cela a été fait il y a longtemps.

Troisièmement, je connaissais la réflexion interne lors de la transition d'un milieu à haute réfraction à un milieu à faible réfraction - cela peut être vu dans l'eau calme, si vous regardez en dessous: il y a des angles sous lesquels la lumière est complètement réfléchie dans l'eau,



Figure 21.I.

J'ai donc plus ou moins compris ce que serait la fibre optique - bien qu'en général, c'était une idée assez nouvelle à l'époque. En tout cas, j'avais suffisamment d'expérience du laboratoire universitaire de dessin sur verre pour comprendre comment utiliser l'effet de la tension superficielle pour produire des fibres de diamètre assez constant et, dans une certaine mesure, le rôle de la tension superficielle du verre liquide qui y est lié. J'ai donc pris le temps d'aller explorer la nouvelle aventure prometteuse.

Quelque part au début du rapport, l'orateur a déclaré: "Dieu aimait le sable, il en a tellement fait". En moi-même, j'ai entendu dire que nous sommes maintenant obligés de développer des minerais de cuivre de faible qualité et que nous ne pouvons qu'attendre des prix plus élevés pour du cuivre de haute qualité à l'avenir, et il n'y a pas de matériau pour le verre partout et aucune pénurie n'est prévue.

Soit lors de la conférence elle-même, soit peu de temps après, j'ai entendu une observation: «L'espace libre pour la pose des fils téléphoniques à Manhattan (New York) se termine et si la ville continue de croître comme elle se développe maintenant, nous devrons poser de nouveaux câbles, c'est-à-dire creuser les rues et les trottoirs, mais si nous utilisons de la fibre de verre, en raison du petit diamètre des fils, nous pouvons extraire le cuivre et poser des fibres optiques à la place. » J'ai réalisé que cela suffisait pour que le Laboratoire fasse tout son possible pour développer la transmission par fibre optique dès que possible, et que ce sera une source constante de tâches de calcul, ce qui signifie que je devrais être à l'avant-garde.

Bien avant cela, quand j'ai décidé de rester dans le laboratoire, j'ai réalisé le manque de connaissances en électronique pratique, en relation avec cela j'ai acquis une paire de postes de radio amateur Heathkit et j'ai rassemblé leur expérience pour le plaisir. Cependant, les appareils résultants étaient assez fonctionnels. Ainsi, j'ai imaginé la quantité de bruit avec les fils et j'ai immédiatement souligné le problème: comment proposent-ils d'épisser ces minces poils de verre épais avec des cheveux tout en maintenant un flux de signal décent? La fibre de verre ne peut pas seulement être soudée les uns aux autres et espérer un transfert décent.

Soit dit en passant, pourquoi ces petits diamètres étaient-ils proposés? Cela deviendra apparent si vous regardez l'illustration de la façon dont la fibre optique de la figure 21.II.



Figure 21.II

Plus le diamètre est mince, plus la fibre peut être courbée sans perte pour le faisceau lumineux. C'est la principale justification de la réduction des diamètres, et pas du tout du coût ou du poids du câble. De plus, pour de nombreuses formes de transmission, un diamètre plus petit signifie moins de distorsion du signal à une distance donnée.

Bientôt, j'ai réalisé un autre avantage significatif. La fibre optique transmettait le signal si efficacement, c'est-à-dire qu'elle perdait si peu de photons pendant la transmission que la mise sur écoute devenait une réalisation extrêmement sérieuse. Pas si impossible, mais très difficile. À peu près à la même époque, j'ai réalisé (à propos des calculs que nous avons effectués avec un groupe de chimistes) que la fibre optique est bien protégée des interférences électromagnétiques - en particulier lorsqu'une bombe nucléaire explose dans la haute atmosphère ou sur le champ de bataille, et même des coups de foudre. Oui, des sommes importantes provenant des budgets militaires, ainsi que directement du budget du Laboratoire, seront consacrées à la recherche sur les fibres.

Bientôt, il y a eu un problème dont je m'attendais à l'apparence - il s'est avéré que l'enroulement de fibres minces peut localement affecter l'indice de réfraction et une partie de la lumière peut être perdue. Bien sûr, l'ajout d'une surface miroir supplémentaire résoudra le problème. Mais ils ont rapidement eu l'idée de recouvrir le cœur du verre à haute réfraction avec une coque à faible réfraction, en outre, sur des objets dont la taille est accessible à la manipulation humaine, puis d'étirer la structure résultante en fibres de l'épaisseur souhaitée.

Beaucoup plus tard, j'ai entendu parler d'assemblages multicouches dans lesquels une transition douce de l'indice de réfraction a été effectuée et j'ai réalisé qu'il s'agissait d'un analogue de la "focalisation forte" inventée plusieurs années auparavant pour les cyclotrons. Le gradient de réfraction a été obtenu par exposition chimique ou aux radiations. Au lieu de travailler avec des réflexions dures, il a été possible de renvoyer le faisceau au centre de la fibre en raison de la flexion progressive à mesure qu'elle s'éloigne du milieu,



Figure 21.III.

Je n'ai pas essayé de bien comprendre le différend entre les méthodes multimodales et unimodales de transmission de signaux, mais j'ai réussi à effectuer plusieurs séries de calculs informatiques pour les deux camps concurrents et j'ai commencé à pencher vers la transmission unimodale pour les mêmes raisons que nous avons préféré les systèmes binaires aux systèmes de calcul avec base plus élevée. En général, il s'agit d'un détail technique lié aux caractéristiques des récepteurs et des émetteurs, et non d'une caractéristique fondamentale de la transmission du signal optique.

Pendant tout ce temps, j'attendais constamment que les fibres épissent. Au fil du temps, quelqu'un a réussi à proposer et à essayer plusieurs astuces spirituelles, et la dispersion des alternatives m'a convaincu qu'il était possible de faire face à ce problème, qui a attiré mon attention, assez facilement - au moins, il ne sera pas fatal sur le terrain, où il devra être résolu par des techniciens, pas des experts dans des conditions de laboratoire contrôlées. J'ai bien compris la différence parce que j'ai observé divers projets (principalement d'autres sociétés) qui se sont heurtés au triste fait que les choses qui sont obtenues de manière stable dans les laboratoires ne sont pas tout à fait les mêmes que les résultats sur le terrain de techniciens qui travaillent à la hâte et dans des conditions qui peuvent être qualifiées au moins hostiles.

Pour autant que je m'en souvienne, le premier test des communications par fibre optique a été passé entre les bureaux centraux d'Atlanta, en Géorgie. Les tests ont été concluants (la période d'essai a duré trois ans). Pendant ce temps, les étrangers de l'industrie du verre ont commencé à produire du verre exceptionnellement transparent, et c'est précisément aux fréquences que nous voulions utiliser - il s'agissait d'une gamme dans laquelle les lasers pouvaient fonctionner de manière fiable. Ils ont fait valoir que si les océans étaient aussi transparents que certains types de verre, le fond du Pacifique pourrait être vu à l'œil nu!

J'ai rapidement remarqué qu'en fibre optique, nous: (1) recevons des signaux optiques, (2) les convertissons sous forme électronique, (3) les amplifions, (4) les retransformons en forme optique. Il est difficile d'imaginer la pire architecture système. Au Laboratoire, comme beaucoup d'autres, il est devenu évident que je devais sérieusement travailler sur l'amplification du signal optique. Après un certain temps, il est devenu clair qu'il existe plusieurs candidats pour le rôle d'amplificateurs optiques, ce qui signifie qu'il est probable qu'un ou plusieurs d'entre eux deviendront le type d'équipement standard dans le domaine. L'un des avantages des solitons est la possibilité d'amplification sans changer la forme (elle ne se dégrade pas lorsqu'elle passe à travers la fibre), tandis que les impulsions doivent être régénérées (cela change leur forme et, en général, semble plus compliqué qu'une simple amplification).

Tous les aspects pratiques du problème s'alignaient assez bien. Comme vous le savez, nous utilisons désormais largement la fibre. J'ai essayé de montrer mon approche de la nouvelle technologie, ce que j'ai regardé, ce que j'attendais, ignoré, suivi, sérieusement considéré. Je n'avais aucune envie de devenir un expert dans ce domaine; J'avais assez d'ordinateurs et leur développement rapide en matériel et en logiciel, ceci s'ajoute au champ d'applications en constante évolution. Chaque nouveau domaine qui apparaîtra dans votre avenir vous posera des questions similaires, et vous y répondrez essentiellement par vos actions.

Le domaine d'application actuel de la fibre optique est extrêmement large. Tandis que le temps passait, j'ai réussi à comprendre que l'histoire des communications par satellite, par exemple, posait de nombreux problèmes. Les satellites de communication fixes devaient être situés le long de l'équateur; il n'y avait alors aucune autre position pour eux. De nombreux pays équatoriaux ont déclaré dès les premiers jours que nous envahissions leur aérospatiale et devons payer pour son utilisation. Jusqu'à présent, ils n'ont pas pu confirmer leurs revendications par la force, les pays avancés ont simplement continué à utiliser l'espace gratuitement. Je vous laisse le soin de juger de la situation: (1) un mépris manifeste pour les exigences des pays, (2) quelle que soit la validité de leurs exigences, et (3) étant donné qu'ils ne sont pas tous actuellement en mesure d'utiliser leur espace, tout le monde devrait attendre ( et le cas échéant) ils atteindront le niveau souhaité! Il s'agit d'une question non triviale dans les relations internationales, et chacune des parties a la vérité.

Maintenant, les satellites sont situés à environ tous les 4 degrés et bien que nous puissions les régler à 2 °, nous devrons utiliser des antennes beaucoup plus précises d'émetteurs au sol (augmenter le rayon des antennes paraboliques?) Pour leur transmettre un signal afin qu'il n'affecte pas les satellites voisins. On peut même élargir la bande de fréquence de la transmission du signal et augmenter la quantité de données transmises plusieurs fois, mais la nécessité de traverser l'atmosphère impose des restrictions. D'autre part, la fibre optique peut être posée sur le sol avec la densité que nous souhaitons nous-mêmes. Les câbles en fibre sont faciles à fabriquer et la bande passante globale ne tient tout simplement pas dans votre tête. L'utilisation de satellites signifie une large diffusion du signal, tandis que les câbles offrent un certain niveau d'intimité et la possibilité de faire payer l'utilisateur, plutôt que de «chevaucher un lièvre».

Les satellites et la fibre optique ont des avantages et des inconvénients. Aujourd'hui, les satellites utilisent pour ce qui est essentiellement des communications confidentielles, pas pour la radiodiffusion. Je pense que le temps va redistribuer la matière afin que chacune des méthodes soit appliquée de la meilleure façon possible selon ses forces.

Où en sommes-nous maintenant? Des câbles transocéaniques à fibre optique sont déjà apparus à la place des guides d'ondes coaxiaux, pour un prix beaucoup plus bas et une bande passante beaucoup plus grande. Maintenant (1993), la question du passage à un système de transmission de signaux à soliton récemment développé au lieu du système pulsé classique, lors de la communication via l'océan Pacifique avec le Japon, est en train d'être résolue. À mon avis, cela fait l'objet d'une réflexion technique - sur une longue distance, les solitons seront absorbés au-dessus des impulsions. Je vous recommande de suivre les changements technologiques majeurs - si le transfert d'informations sur les solitons défait le système d'impulsions actuel, alors de nouvelles méthodes d'analyse des signaux apparaîtront, et vous feriez mieux de savoir quand cela se produira, afin de ne pas être laissé pour compte, ainsi que de nombreuses autres personnes.

J'ai lu que dans la Marine, ainsi que, évidemment, dans l'Air Force et les voyages commerciaux en avion, la réduction de poids signifie des économies énormes de ressources qui peuvent être dépensées pour d'autres choses. Lors d'une visite au porte-avions Enterprise il y a environ 14 ans, étant déjà bien conscient de la tendance de la fibre optique, j'ai examiné le câblage avec une attention particulière et décidé que la fibre remplacerait tous les fils _ connectés en transmettant des informations. Le transfert de _energy_ est un sujet complètement différent. Et pourtant, un réseau électrique centralisé restera-t-il la méthode principale, ou des réseaux électriques décentralisés seront-ils préférés en fonction des conditions de combat? Il serait bon pour eux de se connecter avec des systèmes de fibre optique manifestement redondants, qui établiront sans aucun doute au moins leurs considérations de sécurité. Mais les navires de guerre ne sont pas si différents des gratte-ciel de bureau, comme le World Trade Center.

Nous avons déjà une fibre optique à notre disposition, si solide que les camions peuvent rouler dessus, si légère que les fusées peuvent être lancées avec un fil déroulant attaché tout au long du vol - et cela signifie une communication bidirectionnelle, comme pour contrôler un missile, le pointer vers une cible , et pour recevoir des données d'une fusée - ce qu'elle voit pendant un vol.

Étant connecté aux ordinateurs, je me suis naturellement demandé comment tout cela pouvait affecter et affecter la conception des ordinateurs. Vous savez probablement que maintenant (1993) nous connectons souvent de grands éléments de systèmes informatiques à l'aide de fibres optiques. À mon avis, remplacer la plupart du câblage interne par de la fibre n'est qu'une question de temps. Est-ce que personne ne peut, au fil du temps, créer des «cartes mères» dans lesquelles les cartes intégrées sont connectées à la fibre optique? Cela ne semble pas du tout déraisonnable, étant donné l'état actuel de la science des matériaux. Quand la fibre optique parviendra-t-elle aux puces individuelles? Au final, la plage de fréquence de l'optique signifie des vitesses de commutation accrues! Ensuite, ne pouvons-nous pas créer des circuits optiques au fil du temps et mettre une source lumineuse commune sur la cellule photoélectrique dans la carte de circuit imprimé (comme sur certaines calculatrices portables) pour alimenter l'ensemble du circuit et nous éloigner des fils pour distribuer l'électricité dans le système?



Figure 21.IV.

Mais peut-on même remplacer le câblage par des rayons lumineux? Les rayons lumineux peuvent se traverser sans interférence (si l'intensité n'est pas trop élevée), cela seul les place au-dessus des fils,



Figure 21.V.

Cela nous amène au problème de la commutation. Est-il possible de faire un commutateur matriciel optique au lieu d'électronique? Le Bell Telephone Lab et d'autres n'auraient-ils pas à les développer activement? Si cela réussit, est-ce vrai de changer le résultat, et ce qui a toujours été la partie la plus chère de l'ordinateur ne sera pas le moins cher? Tout d'abord, la partie la plus chère de l'ordinateur était la mémoire, puis des disques magnétiques sont apparus, puis des systèmes de stockage électroniques à des prix incroyablement bas, et la conception des ordinateurs a considérablement changé. Avec une réduction significative du prix de l'unité de commutation, comment allez-vous concevoir les ordinateurs? Le design de base de von Neumann survivra-t-il à tout cela? Quelle sera la conception des ordinateurs avec une nouvelle structure du coût des éléments?

Vous pouvez, comme je l'ai indiqué plus tôt, rester plus ou moins à égalité avec les événements si vous anticipez activement la manière dont les choses et les idées peuvent évoluer, puis comparez vos attentes avec ce qui s'est réellement passé. L'anticipation active signifie que vous êtes beaucoup, beaucoup mieux préparé à accepter de nouvelles choses que si vous êtes assis passivement ou traînez langoureusement sur les progrès. "La chance accompagne un esprit entraîné."

Le sens de ce rapport est de montrer comment quelqu'un a essayé de se préparer à des changements technologiques transitoires qui affecteront ses recherches et ses travaux. Il est impossible d'être immédiatement à la pointe dans tous les domaines de notre société de haute technologie, mais vous ne pouvez pas vous permettre de rester derrière, derrière les nouveaux développements - ce qui s'est passé dans la pratique avec beaucoup de gens.

À maintes reprises, j'affirme dans ce livre que mon devoir en tant que professeur est d'augmenter la probabilité que vous apportiez une contribution significative à notre société, et je ne peux pas penser à une meilleure façon que de développer en vous l'habitude d'anticiper les phénomènes, de diriger, plutôt que de suivre passivement. Il me semble que, pour remplir mes responsabilités envers vous et notre institution, je dois transférer autant que possible de vous de la passivité à une position d'anticipation active.

Dans le chapitre d'aujourd'hui, comme vous pouvez le voir, je ne parle pas de l'importance de ma contribution, mais au moins j'étais préparé et j'ai aidé d'autres, beaucoup plus profondément plongés dans le sujet, en faisant les bons calculs, et pas ceux légèrement inappropriés qui le font si souvent. Je crois que j'ai souvent offert ce type de service au Bell Telephone Lab au cours des 30 années précédant ma retraite. Dans le domaine de la fibre optique, je vous ai expliqué quelques détails et comment je suis arrivé à eux.

Permettez-moi maintenant de passer aux prévisions pour un avenir proche. Il est assez évident que le câblage "du pilier à la maison" (en anglais, il est appelé la ligne "suspendue", même s'il est enfoui dans le sol) deviendra une fibre optique. Après avoir installé la fibre optique, vous avez un accès potentiel à toutes les informations que vous souhaiteriez, en principe, y compris la télévision, la radio et, éventuellement, des articles de journaux, sélectionnés en fonction de votre profil d'intérêt (vous payez un abonnement sur une facture individuelle, qui est livrée à votre domicile). La nécessité de canaux d'information séparés pour la plupart ne sera pas du tout. De votre côté du câble à fibre optique se trouve un ou plusieurs filtres numériques. La chaîne dont vous avez besoin, le téléphone,La radio ou la télévision est choisie approximativement telle qu'elle est actuellement - en introduisant les numéros appropriés dans le filtre - et elle devient universelle. Vous aurez besoin d'un filtre pour chaque canal que vous allez utiliser par unité de temps (ce sera peut-être un filtre, avec une division temporelle), et chaque filtre sera de conception standard. Ou vice versa, les filtres seront livrés directement avec l'équipement, lors de l'achat.

Est-ce que tout cela arrivera? Il est nécessaire d'évaluer les conditions politiques, économiques et sociales avant de dire que ce qui est possible d'un point de vue technique se produira réellement. Le gouvernement voudrait-il permettre à une seule entreprise de gérer la distribution de cette quantité d'informations? Les câblodistributeurs modernes voudront-ils partager avec les fournisseurs de téléphonie et, éventuellement, perdre une partie de leurs revenus à ce sujet, malgré le fait qu'ils seront inévitablement confrontés à une réglementation accrue de la part de l'État? Et en général, voulons-nous, en tant que société, que tout devienne ainsi?

L'un des sujets qui revient souvent dans ce livre est les restrictions qui imposent des conditions politiques, juridiques, sociales ou économiques à quelque chose de technologiquement possible, et même économiquement viable. Si quelque chose peut être fait pour des raisons économiques, cela ne signifie pas qu'il doit être fait. Et si vous n'avez pas une compréhension claire de ces aspects, alors en tant que visionnaire du futur pratiquant dans votre spécialité, vous ferez de nombreuses prévisions inexactes et vous devrez douloureusement esquiver en expliquant pourquoi tout s'est mal passé.

À suivre ...

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Au fait, nous avons également lancé la traduction d'un autre livre cool -«La machine à rêves: une histoire de la révolution informatique» )