Richard Hamming: Bab 21. Serat Optik

"Tujuan kursus ini adalah untuk mempersiapkan Anda untuk masa depan teknis Anda."

Hai, Habr. Ingat artikel yang luar biasa “Kamu dan Pekerjaanmu” (+219, 2394 ditandai, 380k terbaca)?

Jadi Hamming (ya, ya, memeriksa sendiri dan memperbaiki kode Hamming ) memiliki seluruh buku yang ditulis berdasarkan ceramahnya. Kami menerjemahkannya, karena lelaki itu berbicara bisnis.

Buku ini bukan hanya tentang IT, itu adalah buku tentang gaya berpikir orang yang sangat keren. “Ini bukan hanya muatan pemikiran positif; itu menggambarkan kondisi yang meningkatkan peluang melakukan pekerjaan dengan baik. ”

Kami telah menerjemahkan 20 (dari 30) bab. Dan kami sedang mengerjakan edisi kertas.

Bab 21. Serat Optik

(Terima kasih atas terjemahannya, Mikhail Gostev, yang menanggapi panggilan saya di "bab sebelumnya".) Siapa yang ingin membantu terjemahan, tata letak, dan penerbitan buku - tulis dalam email pribadi atau magisterludi2016@yandex.ru

Saya menyentuh topik serat optik karena perkembangannya sebagian besar mencakup waktu kehidupan ilmiah saya, yang berarti bahwa saya dapat bersaksi tentang bagaimana itu terlihat bagi saya ketika sedang terbentuk. Biarkan ini berfungsi sebagai contoh gaya yang saya gunakan untuk mendekati area baru yang memiliki nilai potensial besar. Faktanya, serat optik adalah bagian yang sepenuhnya independen. Dan akhirnya, ini adalah topik yang harus Anda hadapi sejauh masih memiliki waktu untuk berkembang di waktu Anda.

Ketika saya pertama kali mendengar tentang Bell Optik Optik Telepon Seminar, saya bertanya-tanya apakah saya harus pergi sama sekali - pada akhirnya, semua orang harus melakukan pekerjaan mereka, dan tidak bergaul dalam kuliah selama berhari-hari.

Pertama-tama, saya ingat bahwa frekuensi optik jauh lebih tinggi daripada yang listrik yang digunakan pada waktu itu, yang berarti bahwa koneksi serat optik memiliki rentang frekuensi yang jauh lebih luas, dan rentang frekuensi pada dasarnya adalah kecepatan transfer data (dalam bit per detik ...), yaitu, nama dan esensi permainan yang dimainkan perusahaan telepon, atasan saya.

Kedua, saya tahu bahwa Alexander Graham Bell pernah mengirim percakapan telepon menggunakan sinar - dia biasanya memiliki kecenderungan trik teknis sepanjang hidupnya. Jadi masalahnya mungkin, dan sudah lama dilakukan.

Ketiga, saya tahu tentang pantulan internal ketika bergerak dari medium refraksi tinggi ke medium refraksi rendah - ini bisa dilihat dalam air yang tenang, jika Anda melihatnya dari bawah: ada sudut di mana cahaya dipantulkan kembali sepenuhnya ke dalam air,



Gambar 21.I.

Jadi saya kurang lebih mengerti apa serat optik akan - meskipun secara umum mereka adalah ide yang cukup segar saat itu. Bagaimanapun, saya punya cukup pengalaman dari laboratorium universitas untuk menggambar kaca untuk memahami bagaimana menggunakan efek tegangan permukaan untuk menghasilkan serat dengan diameter yang cukup konstan, dan, sampai batas tertentu, peran tegangan permukaan kaca cair yang terkait dengannya. Jadi saya mengambil waktu untuk pergi dan mengeksplorasi usaha baru yang menjanjikan.

Di suatu tempat di awal laporan, pembicara menyatakan: "Tuhan menyukai pasir, Dia membuat begitu banyak dari itu." Di dalam diri saya, saya mendengar bahwa kita sekarang dipaksa untuk mengembangkan bijih tembaga berkualitas rendah dan hanya dapat mengharapkan harga yang lebih tinggi untuk tembaga berkualitas tinggi di masa depan, dan tidak ada bahan untuk kaca di mana-mana dan kekurangan tidak diharapkan.

Baik di ceramah itu sendiri, atau tidak lama setelah itu, saya mendengar sebuah pengamatan: "Ruang bebas untuk meletakkan kabel telepon di Manhattan (New York) berakhir dan jika kota terus tumbuh seperti yang tumbuh sekarang, kita harus meletakkan kabel baru, yaitu, menggali jalanan dan trotoar, tetapi jika kita menggunakan fiberglass, maka karena diameter kabel yang kecil, kita dapat mengekstraksi tembaga dan meletakkan serat optik sebagai gantinya. " Saya menyadari bahwa ini cukup bagi Laboratorium untuk melakukan segala yang mungkin untuk mengembangkan transmisi serat optik sesegera mungkin, dan itu akan menjadi sumber konstan tugas komputasi, yang berarti bahwa saya harus berada di garis depan.

Jauh sebelum itu, ketika saya memutuskan untuk tetap bekerja di Laboratorium, saya menyadari kurangnya pengetahuan saya dalam elektronik praktis, sehubungan dengan ini saya memperoleh sepasang perangkat radio amatir Heathkit dan mengumpulkan pengalaman mereka demi. Namun, perangkat yang dihasilkan cukup fungsional. Jadi, saya membayangkan jumlah keributan dengan kabel dan segera menguraikan poin masalahnya: bagaimana mereka mengusulkan untuk menyambung serat kaca yang tipis dan setebal rambut ini dan masih mempertahankan aliran sinyal yang layak? Fiberglass tidak bisa disolder satu sama lain dan berharap transfer yang layak.

Ngomong-ngomong, mengapa diameter sekecil itu ditawarkan? Ini akan menjadi jelas jika Anda melihat ilustrasi bagaimana serat optik pada Gambar 21.II.



Gambar 21.II

Semakin tipis diameternya, semakin kuat serat dapat ditekuk tanpa kehilangan sinar. Ini adalah alasan utama untuk mengurangi diameter, dan tidak sama sekali biaya atau berat kabel. Selain itu, untuk banyak bentuk transmisi, diameter yang lebih kecil berarti lebih sedikit distorsi sinyal pada jarak tertentu.

Segera saya menyadari nilai tambah penting lainnya. Serat optik mentransmisikan sinyal dengan sangat efisien, yaitu kehilangan begitu sedikit foton selama transmisi sehingga “penyadapan” menjadi pencapaian yang sangat serius. Bukannya tidak mungkin, tetapi sangat sulit. Sekitar waktu yang sama, saya menyadari (sehubungan dengan perhitungan yang kami lakukan dengan sekelompok ahli kimia) bahwa serat optik terlindungi dengan baik dari interferensi elektromagnetik - terutama ketika bom nuklir meledak di atmosfer atas atau di medan perang, dan bahkan dari sambaran petir. Ya, sejumlah besar dari anggaran militer, serta langsung dari anggaran Laboratorium, akan dikhususkan untuk penelitian serat.

Segera ada masalah, penampilan yang saya harapkan - ternyata gulungan serat tipis secara lokal dapat mempengaruhi indeks bias dan bagian dari cahaya dapat hilang. Tentu saja, menambahkan permukaan cermin tambahan akan menyelesaikan masalah. Tetapi segera mereka datang dengan ide untuk menutupi inti dari kaca pembiasan tinggi dengan cangkang tahan api rendah, apalagi, pada benda yang ukurannya dapat diakses untuk manipulasi manusia, dan kemudian meregangkan struktur yang dihasilkan menjadi serat dengan ketebalan yang diinginkan.

Jauh kemudian, saya mendengar tentang majelis multilayer di mana transisi lembut indeks bias dilakukan dan menyadari bahwa itu adalah analog dari "fokus kuat" yang diciptakan beberapa tahun sebelumnya untuk siklotron. Gradien refraksi dicapai oleh paparan kimia atau radiasi. Alih-alih bekerja dengan pantulan keras, adalah mungkin untuk mengembalikan balok kembali ke pusat serat karena pembengkokan bertahap saat bergerak menjauh dari tengah,



Gambar 21.III.

Saya tidak mencoba untuk sepenuhnya memahami perselisihan antara metode transmisi sinyal multimodal dan unimodal, tetapi berhasil melakukan beberapa seri perhitungan komputer untuk kedua kubu yang bersaing dan mulai condong ke arah transmisi unimodal karena alasan yang sama bahwa kami lebih memilih sistem biner daripada sistem perhitungan dengan komputer. basis yang lebih tinggi. Secara umum, ini adalah detail teknis yang terkait dengan fitur penerima dan pemancar, dan bukan fitur mendasar dari transmisi sinyal optik.

Selama ini saya terus-menerus menunggu serat untuk disambung. Seiring berjalannya waktu, seseorang berhasil mengusulkan dan menguji beberapa trik jenaka, dan banyaknya alternatif meyakinkan saya bahwa mungkin untuk mengatasi masalah ini, yang menarik perhatian saya, relatif mudah - setidaknya tidak akan berakibat fatal di lapangan, di mana itu harus diselesaikan oleh teknisi, bukan ahli dalam kondisi laboratorium yang terkontrol. Saya memahami perbedaannya dengan cukup baik karena saya mengamati berbagai proyek (terutama dari perusahaan lain) yang menabrak fakta menyedihkan bahwa hal-hal yang diperoleh secara stabil di laboratorium tidak sama dengan hasil lapangan para teknisi yang bekerja dengan tergesa-gesa dan dalam kondisi yang bisa disebut setidaknya tidak ramah.

Sejauh yang saya ingat, tes pertama komunikasi serat optik melewati antara kantor pusat di Atlanta, Georgia. Tes berhasil (periode uji coba berlangsung tiga tahun). Sementara itu, orang luar dari bisnis kaca mulai memproduksi kaca yang sangat transparan, dan tepat pada frekuensi yang ingin kami gunakan - itu adalah pertanyaan tentang kisaran di mana laser dapat bekerja dengan andal. Mereka berpendapat bahwa jika lautan transparan seperti beberapa jenis kaca, dasar Pasifik dapat dilihat dengan mata telanjang!

Saya segera memperhatikan bahwa dalam serat optik kita: (1) menerima sinyal optik, (2) mengubahnya menjadi bentuk elektronik, (3) menguatkannya, (4) mengubahnya kembali menjadi bentuk optik. Sulit membayangkan arsitektur sistem terburuk. Di Laboratorium, seperti banyak yang lain, menjadi jelas bahwa saya harus bekerja secara serius untuk memperkuat sinyal optik. Setelah beberapa waktu, menjadi jelas bahwa ada beberapa kandidat untuk peran amplifier optik, yang berarti kemungkinan bahwa satu atau lebih dari mereka akan menjadi jenis peralatan standar di lapangan. Salah satu kelebihan soliton adalah kemungkinan amplifikasi tanpa mengubah bentuk (tidak merosot ketika melewati serat), sementara pulsa harus diregenerasi (ini mengubah bentuknya, dan secara umum, terlihat lebih rumit daripada amplifikasi sederhana).

Semua aspek praktis dari masalah tersusun cukup baik. Seperti yang Anda ketahui, sekarang kami menggunakan serat secara ekstensif. Saya mencoba menunjukkan pendekatan saya pada teknologi baru, apa yang saya lihat, apa yang saya harapkan, abaikan, lacak, pertimbangkan dengan serius. Saya tidak punya keinginan untuk menjadi ahli di bidang ini; Saya memiliki cukup komputer dan perkembangan pesat dalam perangkat keras dan perangkat lunak, ini merupakan tambahan terhadap bidang aplikasi yang terus berkembang. Setiap area baru yang muncul di masa depan Anda akan mengajukan pertanyaan serupa kepada Anda, dan Anda, pada dasarnya, akan menjawabnya dengan tindakan Anda.

Bidang aplikasi serat optik saat ini sangat luas. Sementara waktu berlalu, saya berhasil mengetahui bahwa cerita dengan komunikasi satelit, misalnya, penuh dengan banyak masalah. Satelit komunikasi tetap perlu ditempatkan di sepanjang khatulistiwa; tidak ada posisi lain untuk mereka saat itu. Banyak negara khatulistiwa telah menyatakan dari hari-hari pertama bahwa kita sedang menginvasi kedirgantaraan mereka dan harus membayar untuk penggunaannya. Sampai sekarang, mereka belum dapat mengkonfirmasi klaim mereka dengan paksa, negara-negara maju hanya terus menggunakan ruang secara gratis. Saya menyerahkan kepada Anda untuk menilai situasi: (1) mengabaikan secara terbuka persyaratan negara, (2) terlepas dari validitas persyaratan mereka, dan (3) mengingat bahwa tidak semua dari mereka dapat menggunakan ruang mereka saat ini, semua orang harus menunggu sampai ( dan jika ada) mereka akan mencapai level yang diinginkan! Ini adalah masalah non-sepele dalam hubungan internasional, dan masing-masing pihak memiliki kebenaran.

Sekarang satelit terletak pada kira-kira setiap 4 derajat dan meskipun kita dapat mengaturnya pada 2 °, kita harus menggunakan antena pemancar berbasis darat yang jauh lebih akurat (menambah jari-jari piringan?) Untuk mengirimkan sinyal kepada mereka sehingga tidak mempengaruhi satelit tetangga. Kita bahkan dapat memperluas pita frekuensi dari transmisi sinyal dan meningkatkan jumlah data yang dikirimkan beberapa kali, tetapi kebutuhan untuk melewati atmosfer memaksakan pembatasan. Di sisi lain, serat optik dapat diletakkan di tanah dengan kepadatan seperti yang kita inginkan. Kabel serat mudah dibuat dan agregat bandwidth tidak pas di kepala Anda. Penggunaan satelit berarti siaran sinyal yang luas, sementara kabel memberikan tingkat privasi tertentu dan kemampuan untuk membuat pengguna membayar, alih-alih “mengendarai kelinci”.

Satelit dan serat optik memiliki kelebihan dan kekurangan. Sekarang satelit menggunakan apa yang pada dasarnya komunikasi rahasia, bukan penyiaran. Saya pikir waktu akan mendistribusikan kembali materi sehingga masing-masing metode diterapkan dengan cara sebaik mungkin sesuai dengan kekuatannya.

Di mana kita sekarang? Kabel transoceanic dengan serat optik telah muncul sebagai pengganti pandu gelombang koaksial, dengan harga yang jauh lebih rendah dan bandwidth yang jauh lebih besar. Sekarang (1993), masalah beralih ke sistem transmisi sinyal soliton yang baru dikembangkan alih-alih yang berdenyut klasik, ketika berkomunikasi melalui Samudra Pasifik dengan Jepang, sedang diselesaikan. Menurut pendapat saya, ini adalah subjek pertimbangan teknik - jarak yang jauh, soliton akan diambil di atas pulsa. Saya sarankan Anda mengikuti perubahan teknologi besar - jika transfer informasi pada soliton mengalahkan sistem pulsa saat ini, maka pada dasarnya metode baru analisis sinyal akan muncul, dan Anda sebaiknya menyadari kapan ini akan terjadi, agar tidak ketinggalan, bersama dengan banyak orang lain.

Saya membaca bahwa di Angkatan Laut, dan tentu saja, di Angkatan Udara dan perjalanan udara komersial, pengurangan berat badan berarti penghematan besar dalam sumber daya yang dapat dihabiskan untuk hal-hal lain. Selama kunjungan ke Enterprise kapal induk sekitar 14 tahun yang lalu, karena sudah sangat menyadari tren serat optik, saya memeriksa kabel dengan perhatian khusus dan memutuskan bahwa serat akan menggantikan semua kabel yang terhubung dengan mengirimkan informasi. Transfer _energy_ adalah topik yang sama sekali berbeda. Namun, apakah jaringan listrik terpusat akan tetap menjadi metode utama, atau akankah jaringan listrik terdesentralisasi lebih disukai sehubungan dengan kondisi pertempuran? Akan lebih baik bagi mereka untuk terhubung dengan sistem serat optik yang jelas berlebihan, yang tidak diragukan lagi akan menetapkan setidaknya pertimbangan keamanan mereka. Tetapi kapal perang tidak jauh berbeda dengan gedung pencakar langit kantor, seperti World Trade Center.

Kami sudah memiliki serat optik yang siap digunakan, begitu kuatnya sehingga truk dapat mengendarainya, begitu ringan sehingga roket dapat diluncurkan dengan kabel yang tidak bisa dililitkan yang terpasang di seluruh penerbangan - dan ini berarti komunikasi dua arah, baik untuk mengendalikan rudal dan mengarahkannya ke target. , dan untuk menerima data dari roket - apa yang dilihatnya selama penerbangan.

Terhubung dengan komputer, saya bertanya pada diri sendiri bagaimana semua ini dapat mempengaruhi dan mempengaruhi desain komputer. Anda mungkin tahu bahwa sekarang (1993) kita sering menghubungkan elemen besar sistem komputer menggunakan serat optik. Menurut pendapat saya, mengganti sebagian besar kabel internal dengan serat hanya masalah waktu. Tidak bisakah orang, dari waktu ke waktu, membuat "motherboard" di mana papan bawaan terhubung dengan serat optik? Ini tampaknya tidak masuk akal sama sekali, mengingat keadaan ilmu material saat ini. Kapan serat optik mencapai chip individu? Pada akhirnya, rentang frekuensi optik berarti peningkatan kecepatan switching! Lalu, tidak bisakah kita membuat sirkuit optik dari waktu ke waktu dan meletakkan sumber cahaya yang sama pada fotosel di papan sirkuit (seperti pada beberapa kalkulator genggam) untuk memberi daya ke seluruh rangkaian dan menjauh dari kabel untuk mendistribusikan listrik dalam sistem?



Gambar 21.IV.

Tapi bisakah kita mengganti kabel dengan sinar? Sinar cahaya dapat melewati satu sama lain tanpa gangguan (jika intensitasnya tidak terlalu tinggi), ini saja menempatkan mereka di atas kabel,



Gambar 21.V.

Ini membawa kita ke masalah peralihan. Apakah mungkin untuk membuat saklar matrik optik daripada elektronik? Apakah Bell Telephone Lab dan yang lainnya tidak harus secara aktif mengembangkannya? Jika berhasil, apakah benar mengganti hasilnya, dan apa yang secara tradisional menjadi bagian paling mahal dari komputer tidak akan menjadi yang termurah? Pertama, bagian komputer yang paling mahal adalah memori, kemudian cakram magnetik muncul, kemudian sistem penyimpanan elektronik dengan harga yang sangat rendah, dan desain komputer berubah secara nyata. Dengan penurunan harga unit switching yang signifikan, bagaimana Anda mendesain komputer? Akankah desain dasar von Neumann bertahan dari semuanya? Apa yang akan menjadi desain komputer dengan struktur baru dari biaya elemen?

Anda dapat, seperti yang saya sebutkan sebelumnya, tetap kurang lebih setara dengan peristiwa jika Anda secara aktif mengantisipasi cara-cara di mana hal-hal dan ide-ide dapat berkembang, dan kemudian membandingkan harapan Anda dengan apa yang sebenarnya terjadi. Antisipasi aktif berarti Anda jauh, jauh lebih siap untuk menerima hal-hal baru daripada jika Anda secara pasif duduk atau dengan lesu menyeret kemajuan. "Keberuntungan menyertai pikiran yang terlatih."

Arti dari laporan ini adalah untuk menunjukkan bagaimana seseorang mencoba mempersiapkan perubahan teknologi sementara yang akan memengaruhi penelitian dan pekerjaannya. Tidak mungkin untuk berada di ujung tombak langsung di semua bidang masyarakat teknologi tinggi kami, tetapi Anda tidak mampu untuk tetap di belakang, di belakang perkembangan baru - apa yang terjadi dalam praktik dengan banyak orang.

Berkali-kali, saya menegaskan dalam buku ini bahwa tugas saya sebagai profesor adalah meningkatkan kemungkinan bahwa Anda akan memberikan kontribusi yang signifikan kepada masyarakat kita, dan saya tidak dapat memikirkan cara yang lebih baik daripada mengembangkan dalam diri Anda kebiasaan mengantisipasi fenomena, memimpin, daripada mengikuti secara pasif. Tampak bagi saya bahwa, untuk memenuhi tanggung jawab saya kepada Anda dan lembaga kami, saya harus memindahkan Anda sebanyak mungkin dari kepasifan ke posisi yang mengantisipasi dan mengantisipasi secara aktif.

Dalam bab hari ini, seperti yang Anda lihat, saya tidak berbicara tentang pentingnya kontribusi saya, tetapi setidaknya saya siap dan membantu orang lain, yang jauh lebih dalam terbenam dalam topik, dengan membuat perhitungan yang tepat, dan bukan yang sedikit tidak pantas yang sering melakukannya. Saya percaya bahwa saya sering menyediakan layanan Bell Telephone Lab jenis ini dalam 30 tahun sebelum saya pensiun. Di bidang serat optik, saya katakan beberapa detail dan bagaimana saya datang kepada mereka.

Sekarang izinkan saya beralih ke perkiraan untuk waktu dekat. Cukup jelas bahwa kabel "dari pilar ke rumah" (dalam bahasa Inggris disebut garis "menggantung", bahkan jika itu terkubur di tanah) akan menjadi serat optik. Setelah memasang serat optik, Anda memiliki potensi akses ke semua informasi yang mungkin, pada prinsipnya Anda inginkan, termasuk televisi, radio, dan, mungkin, artikel surat kabar, yang dipilih sesuai dengan profil minat Anda (Anda membayar berlangganan dengan tagihan individu, yang dikirimkan ke rumah Anda). Kebutuhan akan saluran informasi yang terpisah untuk sebagian besar tidak akan sama sekali. Di sisi Anda kabel serat optik adalah satu atau lebih filter digital. Saluran yang Anda butuhkan, telepon,Radio atau televisi dipilih kira-kira seperti sekarang - dengan memasukkan angka yang sesuai ke dalam filter - dan menjadi universal. Anda akan membutuhkan filter untuk setiap saluran yang akan Anda gunakan per unit waktu (mungkin ini akan menjadi satu filter, dengan pembagian waktu), dan setiap filter akan memiliki desain standar. Atau sebaliknya, filter akan dikirimkan langsung dengan peralatan, setelah pembelian.

Apakah semua ini akan terjadi? Penting untuk menilai kondisi politik, ekonomi dan sosial sebelum mengatakan bahwa apa yang mungkin dari sudut pandang teknis akan benar-benar terjadi. Apakah pemerintah ingin mengizinkan satu perusahaan tunggal untuk mengelola distribusi jumlah informasi ini? Akankah penyedia kabel modern ingin berbagi dengan penyedia telepon dan, mungkin, kehilangan sebagian dari pendapatan mereka karena hal ini, terlepas dari kenyataan bahwa mereka pasti akan menghadapi peningkatan regulasi oleh negara? Dan secara umum, apakah kita, sebagai masyarakat, ingin semuanya menjadi seperti itu?

Salah satu topik yang sering muncul dalam buku ini adalah pembatasan yang memaksakan kondisi politik, hukum, sosial atau ekonomi pada sesuatu yang secara teknologi memungkinkan, dan bahkan layak secara ekonomi. Jika sesuatu dapat dilakukan karena alasan ekonomi, tidak berarti bahwa itu perlu dilakukan. Dan jika Anda tidak memiliki pemahaman yang jelas tentang aspek-aspek ini, maka sebagai seorang visioner yang mempraktikkan masa depan dalam bidang spesialisasi Anda, Anda akan membuat banyak ramalan yang tidak akurat dan Anda harus dengan susah payah menghindari menjelaskan mengapa semuanya berjalan salah.

Untuk dilanjutkan ...

Siapa yang ingin membantu dengan terjemahan, tata letak, dan penerbitan buku - tulis dalam email pribadi atau e-mail magisterludi2016@yandex.ru

Ngomong-ngomong, kami juga meluncurkan terjemahan buku keren lain -"Mesin Impian: Sejarah Revolusi Komputer" )