光ファイバーケーブルを発明したのは誰ですか?世界を変えるテクノロジーの完全な歴史

光ファイバーケーブル 一人の人間によって発明されたものではありません。 このテクノロジーは 1 世紀以上にわたる科学的発見の積み重ねの結果ですが、最も重要な進歩は 1966 年に起こりました。 チャールズ・カオ 後にノーベル物理学賞を受賞したガラスファイバーは、電気通信に実用に耐えるほど低い信号損失で長距離にわたって光信号を伝送できることを実証しました。彼の研究は、1970 年に大手ガラス製造会社の研究者らによる低損失ガラス ファイバーの同時開発と合わせて、光ファイバーが現実世界の通信技術になった瞬間であると広くみなされています。

初期の基礎: 光ファイバー以前のライトガイド

背後にある科学的原理 光ファイバーケーブル — 全内部反射 — によって最初に説明されました。 ダニエル・コラドンとジャック・バビネ 実用的な通信ファイバーが製造される 130 年近く前の 1840 年代に。彼らの実験は、光が直線的に逃げるのではなく、水の流れに合わせて曲がって、湾曲した水流に沿って導かれることができることを示しました。

1870年にイギリスの物理学者が ジョン・ティンダル 彼は、タンクから流れる水のジェットを使用して太陽光線をその湾曲した経路に沿って導くという、この効果の有名な公開デモンストレーションを行いました。この実験は、今では教室の定番となっていますが、反射角によって光が内側に閉じ込められていれば、光は湾曲した媒体をたどることができることを証明しました。ティンダルの実証は、核となる光学原理を初めて実際に示したものとしてよく引用されます。 光ファイバー技術 可能です。

20 世紀初頭までに、発明者たちは医療用照明用の光を導くためにガラスと石英のロッドに糸を通す作業を始めました。 1926年に、 クラレンス・ハンセル は、ガラスロッドを使用して画像を送信するシステムの特許を申請しました。これは、光ファイバー画像バンドルの初期の先駆けです。同じ頃、 ハインリヒ・ラム ドイツの医学生である彼は、1930 年にガラス繊維の束を介して電球のフィラメントの画像を送信することに成功し、ファイバーの束を介して画像を送信した最初の人物になりました。

1950年代: クラッドファイバーと分野としてのファイバーオプティクスの誕生

本当の時代は、 光ファイバー この研究は 1950 年代に始まり、そのとき研究者は、単一のガラス棒では画像を送信することが不可能になっていた根本的な信号漏洩問題を解決しました。解決策となったのは、 クラッドファイバー — より低い屈折率を持つ 2 番目のガラス層で囲まれたガラスコア。これにより、内部全反射によって光がコア内に閉じ込められます。

ブライアン・オブライエンとクラッディングのコンセプト

ブライアン・オブライエン あmerican Optical Company は 1951 年に、ガラス ファイバーをより屈折率の低い 2 番目のガラスでコーティングすると、束になったファイバー間の光漏れが劇的に減少することを提案しました。この光学クラッドの概念は、あらゆる分野で使用されているものと構造的に同一です。 光ファイバーケーブル 今日製造されました。

ナリンダー・シン・カパニー: 光ファイバーに名前を付けた男

ナリンダー・シン・カパニー 1960 年のサイエンティフィック アメリカンの記事で「光ファイバー」という用語を作ったことは広く知られており、1950 年代半ばにハロルド ホプキンスと共同で行われたインペリアル カレッジ ロンドンでの研究により、鮮明な画像を伝送できる最初の実用的で柔軟な光ファイバーの束が生み出されました。 Nature 誌に掲載された 1954 年の論文では、クラッド ガラス繊維の束が曲線の周りにコヒーレントな画像を送信できることを実証し、医療用内視鏡検査とデータ送信への扉を同様に開きました。カパニーは後にこの分野で 100 を超える特許を取得し、次のように呼ばれることもあります。 「光ファイバーの父」。

チャールズ・カオ: The Nobel Prize Breakthrough That Made Fiber Optics a Global Network

チャールズ・カオ 1966 年に決定的な理論的進歩を遂げ、光ファイバーを研究室の好奇心から世界的なインターネットのバックボーンに変えました。英国ハーローの標準電気通信研究所で働いていた花王とその同僚のジョージ ホッカムは、当時ガラス繊維で観察された高い信号減衰は根本的な物理的限界ではなく、除去できるガラス中の不純物によって引き起こされたものであることを実証する画期的な論文を発表しました。

花王は、ガラスを精製して減衰を以下に抑えることができればと計算しました。 20 デシベル/キロメートル (dB/km) 、長距離にわたる光ファイバー通信は商業的に実現可能です。当時、入手可能な最高のグラスファイバーの減衰は約 1,000 dB/km でした。これは、信号が実質的に数メートル以内に消滅することを意味します。花王の理論的予測は非常に具体的で、非常に合理的であったため、超高純度ガラス繊維の製造競争が即座に世界規模で引き起こされました。

2009年に、 チャールズ・カオ was awarded the Nobel Prize in Physics 「光通信用ファイバーにおける光の伝送に関する画期的な成果に対して」彼は電気通信の歴史の中で最も重要な発明者の一人としてその栄誉を共有しています。

1970: 光ファイバーケーブルが現実になった年 — マウラー、ケック、シュルツ

花王の理論的予測から 4 年後、3 人の研究者チームが — ロバート・マウラー、ドナルド・ケック、ピーター・シュルツ — 花王が正しかったことを証明する実用的なマイルストーンを達成しました。 1970 年、ニューヨークのガラス研究所で働いていた彼らは、最初のガラス製品を製造しました。 シングルモード光ファイバー チタンドープシリカコアを使用し、減衰量は 20 dB/km 未満です。これは、メートルではなくキロメートルで測定された距離にわたって電話信号を伝送できる史上初のファイバーでした。

2 年以内に、同じチームは減衰をさらに減少させ、 4dB/km ゲルマニウムをドープしたコアを使用しており、1970 年代半ばまでに商用光ファイバー システムが開発中です。マウラー、ケック、シュルツが受賞しました。 国家技術革新勲章 2000 年にこの研究のために設立され、現在運用されているすべての光ファイバー ネットワークを直接実現しました。

完全な年表: 光ファイバーの歴史の中で誰が何を発明したか

の 光ファイバーケーブルの発明 およそ 180 年にわたる科学の進歩に及びます。以下の表は、各重要なマイルストーンと責任者、および現在使用しているテクノロジーに対するその重要性をマッピングしています。

表 1: 光ファイバー ケーブル発明の歴史における主要なマイルストーン。各主要な貢献者、その具体的な発見、および技術に対する永続的な重要性をリストします。

光ファイバーケーブルの仕組み: 発明の背後にある物理学

A 光ファイバーケーブル と呼ばれる現象を使用して、髪の毛ほどの細い超純度のガラスまたはプラスチックの束を通して光のパルスを送信することによって機能します。 全内部反射 。光が密度の高い媒体 (ガラスコア) から密度の低い媒体 (クラッド) へ「臨界角」より大きい角度で伝わると、光は透過せずに完全に反射してコアに戻り、光を効果的に内部に閉じ込めてファイバーの長さに沿って導きます。

の Three Layers of a Modern Fiber Optic Cable

• コア: の light-carrying center, typically 8–62.5 microns in diameter, made from ultra-pure silica glass doped with germanium to raise the refractive index.
• クラッディング: 屈折率がわずかに低い周囲のガラス層により、全反射が確実にコア内に光を保ちます。通常、外径は 125 ミクロンです。
• コーティングとジャケット: 物理的損傷、湿気の侵入、マイクロベンディングによる信号損失を防ぐ保護ポリマー層。アウタージャケットは、屋内、屋外、空中、潜水艦などの設置環境によって異なります。

シングルモードファイバーとマルチモードファイバー: 主な違い

の two primary categories of 光ファイバーケーブル 最新のネットワークで使用されているものは、コア サイズ、光源、伝送距離、コストが異なります。

表 2: 6 つの主要な技術的パラメータおよび商用パラメータにわたるシングルモード光ファイバ ケーブルとマルチモード光ファイバ ケーブルの比較。

光ファイバーケーブルの発明が世界を変えた理由

の invention of 光ファイバーケーブル 銅線を導光ガラスに置き換えることで、世界の通信を根本的に変えました。信号損失と遅延を大幅に削減しながら、伝送容量を 100 万倍以上増加させました。この変化の規模を理解するには、現代の単一の シングルモード光ファイバーケーブル 引き継げる 1秒あたり100テラビットのデータ 実験室のデモンストレーションでは、100 メートルの距離での銅線ベースのギガビット イーサネットの最大速度は毎秒約 1 ギガビットです。

電気通信への影響

以前 光ファイバーケーブル 、大陸間の電話は高価な同軸銅ケーブルとマイクロ波中継局を経由して行われていました。 1988 年に初めての大西洋横断光ファイバー ケーブルである TAT-8 が導入され、同時に 40,000 の電話回線が提供されました。これは、以前の大西洋横断ケーブルをすべて合わせた数よりも多くなります。今日は終わり すべての国際データ トラフィックの 99% インターネット、金融取引、音声通話などは、海底光ファイバー ケーブルによって伝送されます。

医療への影響

の medical applications of 光ファイバー技術 カパニーとホプキンスの 1954 年の画像バンドルの研究に直接遡ります。米国だけでも年間 7,500 万件を超える手術で使用されている最新の内視鏡は、コヒーレントな光ファイバーの束を利用して、手術なしで人体内からリアルタイムのビデオ画像を送信します。光ファイバーは、低侵襲レーザー手術、がん治療のための光線力学療法、診断に使用される高精度光センサーも可能にします。

コンピューティングとインターネットへの影響

の modern internet would not exist in its current form without 光ファイバーケーブル 。グローバル インターネット バックボーン (大陸、国、データ センターを接続する大容量ネットワーク) は、ほぼ完全にシングルモード ファイバーで構築されています。クラウド コンピューティング、ビデオ ストリーミング、リモート ワーク、リアルタイム金融市場の台頭はすべて、並外れた帯域幅と低遅延に依存しています。 光ファイバー通信 世界規模で提供できる。

光ファイバーと銅線: 直接比較

理由を理解する 光ファイバーケーブル ほとんどの長距離および高帯域幅のアプリケーションで銅に取って代わられているため、ネットワーク エンジニアやインフラストラクチャ プランナーにとって最も重要な側面にわたって 2 つのテクノロジーを直接比較する必要があります。

表 3: 8 つの重要な性能、コスト、物理的特性における光ファイバー ケーブルと銅線の直接比較。

光ファイバーケーブルの発明に関するよくある質問

Q: 光ファイバーの発明者として最も多く認められているのは誰ですか?

チャールズ・カオ 彼の 1966 年の理論論文が低損失ガラス ファイバーの開発の直接のきっかけとなり、2009 年のノーベル物理学賞を受賞したため、実用的な光ファイバー通信の主要な発明者として認められることが最も多いです。 ナリンダー・シン・カパニー も頻繁に引用され、この用語を作り、1950 年代に最初の柔軟なコヒーレント ファイバー バンドルを開発したことから「光ファイバーの父」と呼ばれることもあります。

Q: 最初に光ファイバーケーブルが公共使用のために敷設されたのはいつですか?

の first commercial installation of a 光ファイバー電話ケーブル 1977 年にイリノイ州シカゴで公共利用が行われ、毎秒 45 メガビットの生電話トラフィックが伝送されました。 1980 年代初頭までに、光ファイバー幹線が米国とヨーロッパに敷設され、1988 年には最初の大西洋横断光ファイバー ケーブル (TAT-8) が米国、英国、フランスを接続しました。

Q: 光ファイバーケーブルはどのような素材で作られていますか?

ほとんど 光ファイバーケーブル 電気通信で使用される超高純度の材料から作られています。 石英ガラス （二酸化ケイ素）。コアには少量の二酸化ゲルマニウムがドープされ、クラッドに対する屈折率が増加します。プラスチック光ファイバー (POF) は、最大帯域幅や距離よりも柔軟性と低コストが重要な一部の短距離民生および自動車用途で使用されます。

Q: チャールズ・カオは光ファイバーの発明でノーベル賞を受賞しましたか?

はい。 チャールズ・カオ was awarded half of the 2009 Nobel Prize in Physics ガラスファイバーを介した低損失の光伝送が達成可能であることを実証した画期的な理論的研究に対して。賞の残りの半分は、電荷結合素子 (CCD) イメージ センサーの発明に対してウィラード ボイルとジョージ スミスに贈られました。花王氏がこの賞を受賞したのは、1966 年の論文の数十年後であり、その時までに彼が可能にした光ファイバー ネットワークはすでに世界的なインターネットの基盤となっていました。

Q: 現在、光ファイバー ケーブルはどのくらいの速度でデータを送信できますか?

商用展開では、単一の 光ファイバーケーブル 高密度波長分割多重 (DWDM) を使用すると、伝送可能 毎秒数テラビット — 一般的なバックボーン リンクは、ファイバあたり数十から数百の波長で、波長あたり 100 Gbps ～ 400 Gbps で動作します。研究者らは実験室での実験で、 22.9ペタビット/秒 高度なマルチコアおよびマルチモード技術を使用して単一のファイバー上で伝送され、毎秒約 22,900,000 ギガビットを表します。

Q: 理論から実際の光ファイバーケーブルが完成するまでにこれほど長い時間がかかったのはなぜですか?

の gap between John Tyndall's 1870 demonstration and the 1970 manufacture of low-loss fiber reflects two enormous engineering challenges: producing 十分に純粋なガラス 吸収損失を最小限に抑え、連続データ伝送に十分信頼できるレーザー光源を開発します。花王の 1966 年の計算で目標が設定された後でも、シリカを必要な 10 億分の 1 レベルまで精製するには、全く新しいガラス製造プロセス、特に化学蒸着技術が必要でした。 1960 年代後半の半導体レーザーの並行開発により、これらのケーブルを実用的なデータ速度で駆動するために必要なコヒーレント光源が提供されました。

結論: 1 世紀にわたる発明の積み重ね

の question of 光ファイバーケーブルを発明したのは誰ですか このテクノロジーは、130 年にわたる少なくとも 7 つの異なる科学的進歩の産物であるため、単一の答えはありません。 1840 年代のコラドンのウォーター ジェット光実験から 1960 年のカパニーによるこの分野の命名まで、1966 年のノーベル賞を受賞した花王の理論的予測から 1970 年の最初の実行可能な繊維の製造に至るマウラー、ケック、シュルツに至るまで、それぞれの貢献は不可欠でした。

何がそうさせるのか 光ファイバーケーブルの発明 注目に値するのは、テクノロジーそのものだけではなく、それが実験室でのデモンストレーションから人間の一生のうちに現代世界の文字通りのインフラに変わったという事実です。世界的なインターネット、国際電話ネットワーク、最新の医療診断、クラウド コンピューティングはすべて、人間の髪の毛よりも薄いガラスの束の上にあり、データでエンコードされた光を銅線の発明者が想像もできなかった速度で運びます。