Richard Hamming: Capítulo 21. Fibra Óptica

"O objetivo deste curso é prepará-lo para o seu futuro técnico."

Oi Habr. Lembre-se do incrível artigo "Você e seu trabalho" (+219, 2394 marcado, 380k leituras)?

Portanto, Hamming (sim, sim, códigos de Hamming com auto-verificação e auto-correção) tem um livro inteiro escrito com base em suas palestras. Estamos traduzindo, porque o homem está falando de negócios.

Este livro não é apenas sobre TI, é um livro sobre o estilo de pensamento de pessoas incrivelmente legais. “Isso não é apenas uma carga de pensamento positivo; descreve condições que aumentam as chances de fazer um ótimo trabalho. ”

Já traduzimos 20 (de 30) capítulos. E estamos trabalhando em uma edição em papel.

Capítulo 21. Fibra Óptica

(Obrigado pela tradução, Mikhail Gostev, que respondeu à minha ligação no "capítulo anterior".) Quem quiser ajudar com a tradução, o layout e a publicação do livro - escreva em um e-mail pessoal ou magisterludi2016@yandex.ru

Eu toco no tópico da fibra ótica porque seu desenvolvimento cobre amplamente o tempo da minha vida científica, o que significa que posso testemunhar como ela me parecia enquanto tomava forma. Deixe isso servir como um exemplo do estilo com o qual abordei novas áreas de grande valor potencial. De fato, a fibra óptica é uma seção completamente independente, por si só. E, finalmente, este é um tópico com o qual você terá que lidar, pois ainda há tempo para se desenvolver no seu tempo.

Quando ouvi pela primeira vez sobre o Seminário sobre Óptica por Telefone da Bell Optics, fiquei imaginando se deveria fazê-lo - no final, todos deveriam fazer seu trabalho, e não ficarem em palestras por dias a fio.

Antes de tudo, lembrei que as frequências ópticas são muito mais altas do que as elétricas usadas naquela época, o que significa que a conexão de fibra óptica tem uma faixa de frequências muito mais ampla e a faixa de frequência é essencialmente a taxa de transferência de dados (em bits por segundo ...), isto é, o próprio nome e a essência do jogo que a companhia telefônica joga, meu empregador.

Em segundo lugar, eu sabia que Alexander Graham Bell uma vez transmitiu uma conversa por telefone usando um feixe de luz - ele geralmente tinha uma tendência a truques técnicos a vida toda. Então, o assunto era possível, e foi feito há muito tempo.

Em terceiro lugar, eu sabia sobre a reflexão interna durante a transição de um meio com alta refração para um meio com baixa refração - isso pode ser visto em águas calmas, se você olhar por baixo: existem ângulos em que a luz é completamente refletida de volta na água,



Figura 21.I.

Então, eu entendi mais ou menos o que seria fibra óptica - embora, em geral, elas fossem uma ideia relativamente nova na época. De qualquer forma, eu tinha experiência suficiente no laboratório da universidade para desenhar vidro para entender como usar o efeito da tensão superficial para produzir fibras com um diâmetro bastante constante e, até certo ponto, o papel da tensão superficial do vidro líquido associado a ele. Então aproveitei o tempo para explorar o novo empreendimento promissor.

Em algum lugar no início do relatório, o orador declarou: "Deus amou a areia, fez muito disso". Dentro de mim, ouvi dizer que agora somos forçados a desenvolver minérios de cobre de baixa qualidade e só podemos esperar preços mais altos para o cobre de alta qualidade no futuro, e não há material para vidro em todos os lugares e escassez não é esperada.

Na própria palestra, ou logo após, ouvi uma observação: “O espaço livre para a instalação de cabos telefônicos em Manhattan (Nova York) está terminando e se a cidade continuar crescendo à medida que cresce agora, teremos que colocar novos cabos, ou seja, cavar ruas e calçadas, mas se usarmos fibra de vidro, devido ao pequeno diâmetro dos fios, poderemos extrair cobre e colocar fibra óptica ”. Percebi que isso é suficiente para o Laboratório fazer todo o possível para desenvolver a transmissão de fibra óptica o mais rápido possível, e que será uma fonte constante de tarefas computacionais, o que significa que eu deveria estar na vanguarda.

Muito antes disso, quando decidi continuar trabalhando no laboratório, percebi a falta de meu conhecimento em eletrônica prática; em conexão com isso, adquiri um par de aparelhos de rádio amadores Heathkit e reuni suas experiências para o bem. No entanto, os dispositivos resultantes eram bastante funcionais. Assim, imaginei a quantidade de confusão com os fios e descrevi imediatamente o ponto do problema: como eles se propõem a unir essas fibras de vidro finas e grossas e manter um fluxo de sinal decente? A fibra de vidro não pode ser soldada uma à outra e esperar uma transferência decente.

A propósito, por que foram oferecidos diâmetros tão pequenos? Isso ficará evidente se você observar a ilustração de como a fibra óptica na Figura 21.II.



Figura 21.II

Quanto mais fino o diâmetro, mais forte a fibra pode ser dobrada sem perda do feixe de luz. Essa é a principal justificativa para a redução de diâmetros, e não o custo ou o peso do cabo. Além disso, para muitas formas de transmissão, um diâmetro menor significa menos distorção do sinal a uma determinada distância.

Logo percebi outra vantagem significativa. A fibra óptica transmitia o sinal com tanta eficiência, ou seja, perdia tão poucos fótons durante a transmissão que a "escuta telefônica" se tornava uma conquista extremamente séria. Não é impossível, mas muito difícil. Na mesma época, percebi (em conexão com os cálculos que realizamos com um grupo de químicos) que a fibra óptica está bem protegida contra interferências eletromagnéticas - especialmente quando uma bomba nuclear explode na atmosfera superior ou no campo de batalha e até mesmo contra raios. Sim, grandes quantidades de orçamentos militares, bem como diretamente do orçamento do Laboratório, serão dedicadas à pesquisa de fibras.

Logo houve um problema, cuja aparência eu esperava - acabou que o enrolamento de fibras finas pode afetar localmente o índice de refração e parte da luz pode ser perdida. Obviamente, adicionar uma superfície de espelho adicional resolverá o problema. Mas logo eles tiveram a ideia de cobrir o núcleo do vidro de alta refração com uma concha pouco refratária, além disso, em objetos cujo tamanho é acessível para manipulação humana e, em seguida, esticar a estrutura resultante em fibras da espessura desejada.

Muito tempo depois, ouvi falar de montagens multicamadas nas quais foi realizada uma transição suave do índice de refração e percebi que era um análogo do "foco forte" que foi inventado vários anos antes para os ciclotrons. O gradiente de refração foi alcançado por exposição química ou à radiação. Em vez de trabalhar com reflexões duras, foi possível retornar o feixe de volta ao centro da fibra devido à flexão gradual à medida que ela se afasta do meio,



Figura 21.III.

Não tentei entender completamente a disputa entre os métodos de transmissão de sinal multimodal e unimodal, mas consegui realizar várias séries de cálculos por computador para os dois campos concorrentes e comecei a inclinar-me para a transmissão unimodal pelas mesmas razões pelas quais preferíamos os sistemas binários ao calcular sistemas com computadores. base mais alta. Em geral, é um detalhe técnico relacionado aos recursos de receptores e transmissores, e não um recurso fundamental da transmissão de sinal óptico.

Todo esse tempo eu estava constantemente esperando que as fibras fossem emendadas. Com o passar do tempo, alguém conseguiu propor e testar vários truques espirituosos, e a dispersão de alternativas me convenceu de que é possível lidar com esse problema, que atraiu minha atenção com relativa facilidade - pelo menos não será fatal em campo, onde terá que ser resolvido por técnicos, não especialistas em condições controladas de laboratório. Entendi bem a diferença porque observei vários projetos (principalmente de outras empresas) que esbarravam no fato triste de que as coisas que são obtidas de maneira estável em laboratórios não são exatamente iguais aos resultados de campo de técnicos que trabalham com pressa e em condições que podem ser consideradas pelo menos hostis.

Tanto quanto me lembro, o primeiro teste de comunicações por fibra ótica passou entre os escritórios centrais em Atlanta, Geórgia. Os testes foram bem sucedidos (o período de teste durou três anos). Enquanto isso, pessoas de fora do setor de vidro começaram a produzir vidro excepcionalmente transparente e precisamente nas frequências que queríamos usar - esse é o intervalo no qual os lasers podem operar de maneira confiável. Eles argumentaram que, se os oceanos fossem tão transparentes quanto alguns tipos de vidro, o fundo do Pacífico poderia ser visto a olho nu!

Logo notei que em fibras ópticas: (1) recebemos sinais ópticos, (2) os convertemos para a forma eletrônica, (3) os amplificamos, (4) os transformamos novamente em forma óptica. É difícil imaginar a pior arquitetura do sistema. No laboratório, como muitos outros, ficou óbvio que eu tinha que trabalhar seriamente na amplificação do sinal óptico. Depois de algum tempo, ficou claro que existem vários candidatos para o papel de amplificadores ópticos, o que significa que é provável - que um ou mais deles se tornem o tipo padrão de equipamento em campo. Uma das vantagens dos solitons é a possibilidade de amplificação sem alterar a forma (ela não se degrada à medida que passa pela fibra), enquanto os pulsos precisam ser regenerados (isso muda sua forma e, em geral, parece mais complicado que a simples amplificação).

Todos os aspectos práticos do problema se alinharam muito bem. Como você sabe, agora fazemos amplo uso de fibra. Tentei mostrar minha abordagem à nova tecnologia, o que olhei, o que esperava, ignorado, rastreado, seriamente considerado. Eu não tinha vontade de me tornar um especialista nesse campo; Eu tinha computadores suficientes e seu rápido desenvolvimento em hardware e software, isso é um acréscimo ao campo cada vez maior de aplicativos. Cada nova área que aparecer no seu futuro fará perguntas semelhantes a você e você, em essência, responderá a elas com suas ações.

O atual campo de aplicação de fibra ótica é extremamente amplo. Com o passar do tempo, consegui descobrir que a história das comunicações via satélite, por exemplo, está repleta de muitos problemas. Os satélites de comunicações fixas precisavam ser localizados ao longo do equador; então não havia outras posições para eles. Muitos países equatoriais declararam, desde os primeiros dias, que estamos invadindo sua área aeroespacial e devemos pagar pelo seu uso. Até agora, eles não foram capazes de confirmar suas reivindicações pela força, os países avançados simplesmente continuaram a usar o espaço gratuitamente. Deixo a você julgar a situação: (1) desconsideração evidente dos requisitos dos países, (2) independentemente da validade de seus requisitos, e (3) dado que nem todos eles podem usar seu espaço no momento, todos os outros devem esperar até ( e se for o caso) eles atingirão o nível desejado! Esta é uma questão não trivial nas relações internacionais, e cada uma das partes tem a verdade.

Agora, os satélites estão localizados a cada quarto grau e, embora possamos defini-los em 2 °, teremos que usar antenas muito mais precisas de transmissores terrestres (aumentar o raio dos pratos?) Para transmitir um sinal a eles para que não afete os satélites vizinhos. Podemos até expandir a faixa de frequência da transmissão do sinal e aumentar a quantidade de dados transmitidos várias vezes, mas a necessidade de atravessar a atmosfera impõe restrições. Por outro lado, a fibra óptica pode ser colocada no chão com a densidade que desejamos. Os cabos de fibra são fáceis de fabricar e a largura de banda agregada simplesmente não cabe na sua cabeça. O uso de satélites significa ampla transmissão de sinal, enquanto os cabos fornecem um certo nível de privacidade e a capacidade de fazer o usuário pagar, em vez de “andar de lebre”.

Satélites e fibra óptica têm vantagens e desvantagens. Agora, os satélites estão usando o que é essencialmente comunicações confidenciais, não transmitindo. Penso que o tempo redistribuirá a matéria para que cada um dos métodos seja aplicado da melhor maneira possível, de acordo com seus pontos fortes.

Onde estamos agora? Cabos transoceânicos com fibra óptica já apareceram em vez de guias de onda coaxiais, por um preço muito mais baixo e uma largura de banda muito maior. Agora (1993), está sendo resolvida a questão da mudança para o sistema de transmissão de sinal soliton recentemente desenvolvido, em vez do sistema pulsado clássico, quando se comunica pelo Japão com o Japão e o Oceano Pacífico. Na minha opinião, este é o assunto da consideração da engenharia - a longa distância, os solitons serão ocupados acima dos pulsos. Eu recomendo que você siga as principais mudanças tecnológicas - se a transferência de informações nos solitons derrotar o sistema de pulsos atual, então novos métodos de análise de sinal aparecerão fundamentalmente, e é melhor você estar ciente de quando isso acontecerá, para não ficar para trás, junto com muitas outras pessoas.

Li que, na Marinha e, obviamente, na Força Aérea e nas viagens aéreas comerciais, a redução de peso significa uma enorme economia de recursos que podem ser gastos em outras coisas. Durante uma visita à empresa porta-aviões Enterprise há cerca de 14 anos, já conhecendo bem a tendência das fibras ópticas, examinei a fiação com atenção especial e decidi que a fibra substituiria todos os fios conectados através da transmissão de informações. A transferência de _energia_ é um tópico completamente diferente. E, no entanto, uma rede de energia centralizada continuará sendo o método principal ou as redes de energia descentralizadas serão preferidas em conexão com condições de combate? Seria bom que eles se conectassem com sistemas de fibra ótica obviamente redundantes, que sem dúvida estabelecerão pelo menos suas considerações de segurança. Mas os navios de guerra não são tão diferentes dos arranha-céus de escritórios, como o World Trade Center.

Já temos fibra óptica à nossa disposição, tão forte que os caminhões podem andar nela, tão leves que os foguetes podem ser lançados com um fio desenrolador preso durante todo o vôo - e isso significa comunicação bidirecional, tanto para controlar um míssil quanto para apontá-lo para um alvo. e para receber dados de um foguete - o que ele vê durante um voo.

Por estar conectado aos computadores, naturalmente me perguntei como tudo isso pode afetar e afetar o design dos computadores. Você provavelmente sabe que agora (1993) freqüentemente conectamos grandes elementos de sistemas de computador usando fibra óptica. Na minha opinião, substituir a maior parte da fiação interna por fibra é apenas uma questão de tempo. Com o tempo, ninguém pode criar "placas-mãe" nas quais as placas integradas estão conectadas com fibra óptica? Isso não parece irracional, dado o estado atual da ciência dos materiais. Quando as fibras ópticas chegarão a chips individuais? No final, a faixa de frequência da ótica significa maiores velocidades de comutação! Então, não podemos fabricar circuitos ópticos ao longo do tempo e colocar uma fonte de luz comum sobre a célula fotoelétrica na placa de circuito (como em algumas calculadoras de mão) para alimentar todo o circuito e nos afastar dos fios para distribuição de eletricidade no sistema?



Figura 21.IV.

Mas podemos até substituir a fiação por raios de luz? Os raios de luz podem passar um pelo outro sem interferência (se a intensidade não for muito alta), apenas isso os coloca acima dos fios,



Figura 21.V.

Isso nos leva ao problema de mudar. É possível fazer um comutador de matriz óptico em vez de eletrônico? O Bell Telephone Lab e outros não precisariam desenvolvê-los ativamente? Se for bem-sucedido, é verdade mudar o resultado, e qual tem sido tradicionalmente a parte mais cara do computador não será a mais barata? Primeiro, a parte mais cara do computador era a memória, depois os discos magnéticos apareceram, os sistemas de armazenamento eletrônico a preços incrivelmente baixos, e o design dos computadores mudou acentuadamente. Com uma redução significativa no preço da unidade de comutação, como você projetará computadores? O projeto básico de von Neumann sobreviverá a tudo isso? Qual será o design dos computadores com uma nova estrutura do custo dos elementos?

Você pode, como indiquei anteriormente, ficar mais ou menos a par dos eventos se antecipar ativamente as maneiras pelas quais as coisas e as idéias podem se desenvolver e depois comparar suas expectativas com o que realmente aconteceu. Antecipação ativa significa que você está muito, muito melhor preparado para aceitar coisas novas do que se estiver sentado passivamente ou arrastando languidamente o progresso. "A sorte acompanha uma mente treinada."

O significado deste relatório é mostrar como alguém tentou se preparar para mudanças tecnológicas transitórias que afetarão sua pesquisa e trabalho. É impossível estar na vanguarda imediatamente em todas as áreas da nossa sociedade de alta tecnologia, mas você não pode ficar para trás, para trás de novos desenvolvimentos - o que aconteceu na prática com muitas pessoas.

Repetidamente, neste livro, afirmo que meu dever como professor é aumentar a probabilidade de que você faça uma contribuição significativa à nossa sociedade, e não consigo pensar em uma maneira melhor do que desenvolver em você o hábito de antecipar fenômenos, de liderar, ao invés de seguir passivamente. Parece-me que, para cumprir minhas responsabilidades com você e nossa instituição, devo transferir o máximo possível de vocês da passividade para uma posição de antecipação ativa e antecipação.

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