Hoe glasvezel is uitgevonden

Glasvezel is de ingesloten transmissie van licht door lange vezelstaven van glas of kunststof. Het licht reist door een proces van interne reflectie. Het kernmedium van de staaf of kabel reflecteert meer dan het materiaal dat de kern omgeeft. Dat zorgt ervoor dat het licht terug in de kern wordt gereflecteerd, waar het door de vezel kan blijven reizen. Glasvezelkabels worden gebruikt voor het verzenden van spraak, afbeeldingen en andere gegevens met bijna de snelheid van het licht.

Wie heeft glasvezel bedacht?

Corning Glass-onderzoekers Robert Maurer, Donald Keck en Peter Schultz bedachten glasvezeldraad of "Optical Waveguide Fibers" (patent # 3.711.262) die 65.000 keer meer informatie kunnen dragen dan koperdraad, waardoor informatie die door een patroon van lichtgolven wordt gedragen gedecodeerd op een bestemming zelfs duizend kilometer verderop. 

Glasvezelcommunicatiemethoden en door hen uitgevonden materialen openden de deur naar de commercialisering van glasvezel. Van interlokale telefoondiensten tot internet en medische apparaten zoals de endoscoop, glasvezel is nu een belangrijk onderdeel van het moderne leven. 

Tijdlijn

• 1854: John Tyndall demonstreerde aan de Royal Society dat licht door een gebogen stroom water kon worden geleid, waaruit bleek dat een lichtsignaal kon worden gebogen.
• 1880: Alexander Graham Bell vond zijn 'Photophone' uit, die een spraaksignaal op een lichtstraal uitzond. Bell concentreerde zonlicht met een spiegel en sprak toen in een mechanisme dat de spiegel trilde. Aan de ontvangende kant nam een ​​detector de trillende straal op en decodeerde deze terug in een stem op dezelfde manier als een telefoon deed met elektrische signalen. Veel dingen - een bewolkte dag bijvoorbeeld - kunnen de fotofoon verstoren, waardoor Bell verder onderzoek met deze uitvinding stopt.
• 1880: William Wheeler vond een systeem van lichtbuizen uit, bekleed met een sterk reflecterende coating die huizen verlichtte met behulp van licht van een elektrische booglamp die in de kelder werd geplaatst en het licht rondom het huis met de pijpen aanstuurde.
• 1888: Het medische team van Roth en Reuss uit Wenen gebruikte gebogen glazen staven om lichaamsholten te verlichten.
• 1895: De Franse ingenieur Henry Saint-Rene ontwierp een systeem van gebogen glazen staven voor het geleiden van lichtbeelden in een poging tot vroege televisie.
• 1898: Amerikaan David Smith vroeg patent aan op een gebogen glazen staaf om te worden gebruikt als chirurgische lamp.
• Jaren 1920: de Engelsman John Logie Baird en de Amerikaan Clarence W. Hansell patenteerden het idee om arrays van transparante staven te gebruiken voor het verzenden van beelden voor respectievelijk televisie en fax.
• 1930: De Duitse student geneeskunde Heinrich Lamm was de eerste persoon die een bundel optische vezels assembleerde om een ​​afbeelding te dragen. Het doel van Lamm was om naar ontoegankelijke delen van het lichaam te kijken. Tijdens zijn experimenten meldde hij dat hij het beeld van een gloeilamp uitzond. Het beeld was echter van slechte kwaliteit. Zijn poging om een ​​patent in te dienen werd geweigerd vanwege het Britse patent van Hansell.
• 1954: Nederlandse wetenschapper Abraham Van Heel en Britse wetenschapper Harold H. Hopkins schreven afzonderlijk artikelen over beeldvormingsbundels. Hopkins rapporteerde over beeldvorming van bundels van niet-beklede vezels, terwijl Van Heel rapporteerde over eenvoudige bundels van beklede vezels. Hij bedekte een kale vezel met een transparante bekleding met een lagere brekingsindex. Dit beschermde het vezelreflectieoppervlak tegen externe vervorming en sterk verminderde interferentie tussen vezels. Het grootste obstakel voor een haalbaar gebruik van glasvezel was destijds het laagste signaal (licht) verlies.
• 1961: Elias Snitzer van American Optical publiceerde een theoretische beschrijving van single-mode vezels, een vezel met een kern die zo klein is dat hij licht kon dragen met slechts één golfgeleidermodus. Snitzer's idee was goed voor een medisch instrument dat in de mens keek, maar de vezel had een lichtverlies van één decibel per meter. Communicatieapparatuur moest over veel langere afstanden werken en vereiste een lichtverlies van niet meer dan tien of 20 decibel (een meting van het licht) per kilometer.
• 1964: Een kritische (en theoretische) specificatie werd geïdentificeerd door Dr. C.K. Kao voor langeafstandscommunicatie-apparaten. De specificatie was tien of 20 decibel lichtverlies per kilometer, waarmee de norm werd vastgesteld. Kao illustreerde ook de behoefte aan een zuiverdere vorm van glas om lichtverlies te helpen verminderen.
• 1970: Een team van onderzoekers begon te experimenteren met gesmolten silica, een materiaal dat in staat is tot extreme zuiverheid met een hoog smeltpunt en een lage brekingsindex. Corning Glass-onderzoekers Robert Maurer, Donald Keck en Peter Schultz vonden glasvezeldraad of "Optical Waveguide Fibers" (patent # 3.711.262) uit die 65.000 keer meer informatie kan bevatten dan koperdraad. Met deze draad kon informatie die werd meegevoerd door een patroon van lichtgolven worden gedecodeerd op een bestemming, zelfs op duizend mijl afstand. Het team had de problemen van Dr. Kao opgelost.
• 1975: De regering van de Verenigde Staten besloot de computers op het NORAD-hoofdkantoor in Cheyenne Mountain te verbinden met behulp van glasvezel om interferentie te verminderen.
• 1977: Het eerste optische telefooncommunicatiesysteem werd ongeveer 2,5 kilometer onder Chicago geïnstalleerd. Elke optische vezel droeg het equivalent van 672 spraakkanalen.
• Tegen het einde van de eeuw werd meer dan 80 procent van 's werelds langeafstandsverkeer via optische vezelkabels en 25 miljoen kilometer van de kabel getransporteerd. Door Maurer, Keck en Schultz ontworpen kabels zijn wereldwijd geïnstalleerd.

U.S. Army Signal Corp

De volgende informatie is verstrekt door Richard Sturzebecher. Het werd oorspronkelijk gepubliceerd in de Army Corp-publicatie "Monmouth Message".

In 1958 haatte de manager van Copper Cable and Wire bij de U.S. Army Signal Corps Labs in Fort Monmouth, New Jersey, een hekel aan de problemen met de signaaloverdracht veroorzaakt door bliksem en water. Hij moedigde Manager Materiaalonderzoek Sam DiVita aan om een ​​vervanger voor koperdraad te vinden. Sam dacht dat glas-, glasvezel- en lichtsignalen zouden kunnen werken, maar de ingenieurs die voor Sam werkten, vertelden hem dat een glasvezel zou breken.

In september 1959 vroeg Sam DiVita 2e luitenant Richard Sturzebecher of hij wist hoe hij de formule moest schrijven voor een glasvezel die lichtsignalen kan overbrengen. DiVita had geleerd dat Sturzebecher, die naar de Signal School ging, drie triaxiale glassystemen met SiO2 had gesmolten voor zijn senior scriptie aan de Alfred University in 1958.

Sturzebecher wist het antwoord. Tijdens het gebruik van een microscoop om de brekingsindex op SiO2-glazen te meten, ontwikkelde Richard ernstige hoofdpijn. De 60% en 70% SiO2-glaspoeders onder de microscoop lieten steeds grotere hoeveelheden helder wit licht door de microscoopglaasjes in zijn ogen komen. Herinnerend aan de hoofdpijn en het schitterende witte licht van hoog SiO2-glas, wist Sturzebecher dat de formule ultrazuiver SiO2 zou zijn. Sturzebecher wist ook dat Corning SiO2-poeder met een hoge zuiverheid maakte door zuiver SiCl4 te oxideren tot SiO2. Hij suggereerde dat DiVita zijn macht gebruikte om een ​​federaal contract aan Corning te gunnen om de vezel te ontwikkelen.

DiVita had al met Corning-onderzoeksmensen gewerkt. Maar hij moest het idee openbaar maken omdat alle onderzoekslaboratoria het recht hadden op een federaal contract te bieden. Dus in 1961 en 1962 werd het idee om SiO2 met een hoge zuiverheid te gebruiken voor een glasvezel om licht door te laten openbaar gemaakt in een offerte-aanvraag aan alle onderzoekslaboratoria. Zoals verwacht, heeft DiVita het contract in 1962 gegund aan Corning Glass Works in Corning, New York. De federale financiering voor glasvezeloptiek bij Corning bedroeg tussen 1963 en 1970 ongeveer $ 1.000.000. waardoor deze industrie wordt opgezet en de industrie van vandaag de miljarden dollars die koperdraad in communicatie elimineert, werkelijkheid wordt.

DiVita bleef aan het eind van de jaren tachtig dagelijks werken bij het U.S. Army Signal Corps en werkte tot zijn dood op 97-jarige leeftijd in 2010 als consultant voor nanowetenschap..