7.1. Az optikai szálak története

Képzeljünk el egy olyan optikai rendszert, mely fényjelet továbbít egyik pontból a másikba. A rendszer jó reflexiójú ezüstlemezeken (R~0,95) való fényvisszaverődésekkel biztosítja a fényjel célba jutását. Egységnyi fényerősségű fényjelet indítunk. Nagyon kis számú visszaverődésnél (<13) a célba jutó fényjel intenzitása még az eredetinek több, mint az 50%-a (I=I₀∙0,95¹³=0,51). Ekkor feltételezzük, hogy az ezüstlemezen történő elnyelésen és szóródáson kívül más veszteség nem lép föl. Vegyünk azonban olyan esetet, amikor kilométeres nagyságrendben kell a fényjelet továbbítani, legyen az ütközések száma 1000! Ekkor a beérkező fényjel intenzitása az eredetinek a 0,95¹⁰⁰⁰= 5,3∙10^-23-szeresére csökken, tehát az indított fényjel valószínűleg már nem is detektálható. Mindebből nyilvánvaló, hogy a legjobban megmunkált tükör esetén sem továbbítható nagy távolságokra a fényjel, más berendezésre van szükség a feladat teljesítéséhez. A problémát a teljes visszaverődés (totális reflexió) jelenségén alapuló optikai szálak megalkotása oldotta meg, melyekben valamely fénysugár méterenként akár 15000 reflexiót is elszenvedhet.

Az optikai szálak kialakulásához vezető megfigyelések a XIX századig nyúlnak vissza, melyek közül több is az orvostudományhoz köthető. Az 1840-es években Daniel Collodon és Jacques Babinet megmutatták, hogy egy vízsugár képes hosszában a fényt vezetni. Kimutatták, hogy a jelenség hátterében a teljes visszaverődés áll: a víz törésmutatója nagyobb, mint a környezetében levő levegőé. 1888-ban Roth és Reuss, bécsi orvosok hajlított üvegrudakat használtak nehezen hozzáférhető testrészek megvilágítására. Az 1890-es években Alexander Graham Bell hosszas kísérletekbe kezdett a fénytelefon („Photophon”) kifejlesztésére. Olyan berendezésről volt szó, amely a hangot nem az elektromos áram, hanem fény segítségével továbbította volna. Lencsékkel, tükrökkel, fényérzékelőkkel felszerelt bonyolult kísérleti eszköze képes volt mintegy 150-200 m távolságra hangokat továbbítani a természetes napfény felhasználásával. A fénytelefon fejlesztése azonban ezen a ponton elakadt, az adott kor műszaki lehetőségei nem nyújtottak megfelelő fényforrást és fénytovábbító megoldást. 1898-ban David Smith szabadalmaztatta hajlított üveget felhasznált fogorvosi világító eszközét. Az 1920-as években John Logie Baird és Clarence Hansall szabadalmaztatták ötletüket, miszerint hajlított üvegrudakat vagy kvarcrudakat használnának képátvitelhez, televíziós rendszerekhez. Üvegszálak kötegét elsőként Heinrich Lamm orvostanhallgató készítette el 1930-ban, a test hozzáférhetetlen részeinek megtekintéséhez. Egy izzólámpáról sikerült képet létrehoznia, melynek minősége még gyenge volt.

	7.1. ábra   Megvilágításra alkalmazott  5 mm átmérőjű optikai szál köteg.

Az optikai szálak iránti érdeklődés 1954-ben nőtt meg, amikor Abraham van Heel ill. Harold H. Hopkins és Narinder Kapany külön-külön bemutatták a fényvezetőkből álló nyalábok általi képfeldolgozás technikáját a Nature folyóiratban. Van Heel forradalmi újítást vezetett be. Az összes korábban alkalmazott optikai szál csupasz volt, a teljes visszaverődés az optikai szál és a körülötte levő levegő határfelületén játszódott le. Van Heel azonban átlátszó, az optikai szál anyagánál kisebb törésmutatójú nagy tisztaságú üveg vagy műanyag védőburkolattal vonta be azt. Ez a védőburkolat biztosítja a teljes visszaverődést, véd a szennyeződésektől, és jelentősen lecsökkenti az optikai szálak közötti áthallást. 1956-ban Lawrence Curtiss, olyan endoszkópot kezdett építeni, amely jóval humánusabb megoldásnak tűnt, mint az addig alkalmazott technika. Munkájához vékony, hajlítható üvegszálat használt. Észrevette, hogy az egyes szálak képesek kicsiny képet közvetíteni.

Az optikai szálak egyik legfontosabb tulajdonsága a csillapítás, mértékegysége a dB/km. A dB-ben (decibell) kifejezett csillapítást a 10lg(I_be/I_ki) összefüggés adja meg. Az 1960-as évekre az üvegburkolású optikai szálak csillapítását sikerült 1 decibel/méter (1000 decibel/kilométer) körüli értékre csökkenteni, amely bár orvosi célokra már alkalmazható volt, ez az érték túl magas volt a telekommunikációs alkalmazásokhoz. Az optikai kommunikáció igazi lehetőségeinek felkutatásához várni kellett a folytonos He-Ne lézer megépítéséig. A cél az volt, hogy a csillapítást 20 decibel/km alá csökkentsék, csak ebben az esetben lehetséges a nagy hatótávolságú kommunikációs alkalmazás.

1970-ben Robert Maurer, Donald Keck and Peter Schultz, a Corning Glas Works munkatársai olvasztott szilícium-dioxiddal, adalékanyagként titán-dioxiddal kísérleteztek, elérték a 17 dB/km értéket, mellyel megnyílt az út az száloptikai kommunikáció előtt. 1975-ben az USA kormánya úgy döntött, hogy optikai szálakkal kapcsolja össze a Cheyenne-hegységben működő NORAD légvédelmi és légiirányító központ számítógépeit, hogy csökkentsék a vételi zavart. 1977 az első, kb. 1,5 mérföldes optikai telefonos távközlési rendszert Chicago belvárosa alatt telepítették. 2005-ben az optikai szálak világtermelése már 68 millió kilométer volt. Igaz, hogy ezen mennyiség legnagyobb részét telekommunikációs célokra használták fel, de az optikai szálak napjainkra az orvostudományban is nélkülözhetetlenné váltak.