[Перевод] Ричард Хэмминг: Глава 21. Волоконная оптика05.06.2018 09:33

«Цель этого курса — подготовить вас к вашему техническому будущему.»

Привет, Хабр. Помните офигенную статью «Вы и ваша работа» (+219, 2394 в закладки, 380k прочтений)?

Так вот у Хэмминга (да, да, самоконтролирующиеся и самокорректирующиеся коды Хэмминга) есть целая книга, написанная по мотивам его лекций. Мы ее переводим, ведь мужик дело говорит.

Это книга не просто про ИТ, это книга про стиль мышления невероятно крутых людей. «Это не просто заряд положительного мышления; в ней описаны условия, которые увеличивают шансы сделать великую работу.»

Мы уже перевели 20 (из 30) глав. И ведем работу над изданием «в бумаге».

Глава 21. Волоконная оптика

(За перевод спасибо Mikhail Gostev, который откликнулся на мой призыв в «предыдущей главе».) Кто хочет помочь с переводом, версткой и изданием книги — пишите в личку или на почту magisterludi2016@yandex.ru

Я касаюсь темы волоконной оптики потому, что её разработка перекрывает в значительной мере время моей научной жизни, а значит, я могу свидетельствовать о том как она выглядела для меня, пока складывалась. Пусть это послужит примером стиля, с которым я подходил к новым областям, имеющим огромное потенциальное значение. Вообще-то волоконная оптика является вполне самостоятельным разделом, сама по себе. И наконец, это тема, с которой вам придется разбираться постольку поскольку она ещё успеет развиться уже в ваше время.

Когда я впервые прослышал о семинаре по волоконной оптике в Телефонной Лаборатории Бэлл, то задумался, стоит ли мне вообще на него идти — в конце концов, каждый должен заниматься своей работой, а не торчать на лекциях целыми днями.
Первым делом я припомнил, что оптические частоты намного выше электрических, которые были в ходу в то время, а значит у оптоволоконной связи намного шире частотный диапазон, а частотный диапазон это по сути — скорость передачи данных (в битах в секунду…), то есть само имя и суть игры, в которую играет телефонная компания, мой наниматель.

Во-вторых, я знал что Александр Грэм Бэлл однажды передал телефонный разговор с помощью светового луча — он вообще всю жизнь имел склонность к техническим трюкам. Значит дело было возможное, и проделано давным давно.

В-третьих, я знал про внутреннее отражение при переходе из среды с высоким преломлением в среду с низким преломлением — это можно увидеть в спокойной воде, если заглянуть в неё снизу: есть углы, на которых свет полностью отражается обратно в воду,

Рисунок 21.I.

Так что я более менее понимал, что будет представлять собой оптическое волокно — хотя вообще они были довольно свежей идеей на тот момент. У меня во всяком случае было достаточно опыта из университетской лаборатории по вытягиванию стекла, чтобы понимать как использовать эффект поверхностного натяжения для изготовления волокон с довольно постоянным диаметром, и, в какой-то мере, связанную с ним роль поверхностного натяжения жидкого стекла. Так что я выделил время чтобы пойти и изучить многообещающее новое предприятие.

Где-то в начале доклада, выступающий заявил: «Бог любил песок, Он столько всего сделал из него». Внутри же себя я услышал, что мы сейчас уже вынуждены разрабатывать низкокачественные медные руды и можем ожидать только роста цен на качественную медь в будущем, а материала для стекла везде полно и нехватки не ожидается.

То ли на самой лекции, или вскоре после неё я услышал наблюдение: «Свободное пространство для прокладки телефонных проводов в Манхэттене (Нью-Йорк) заканчивается и если город продолжит расти так, как он растет сейчас, нам придется укладывать новые кабели, то есть перекапывать улицы и тротуары, но если мы воспользуемся стекловолокном, то за счет малого диаметра проводов мы сможем извлечь медь и проложить оптоволокно вместо неё». Я смекнул, что этого уже достаточно, чтобы Лаборатория сделала все возможное, чтобы разработать оптоволоконную передачу как можно скорее, и что она будет постоянным источником вычислительных задач, а значит мне стоит быть на переднем крае.

Задолго до этого, когда я решил остаться работать в Лаборатории, то осознал недостаток своих знаний в практической электронике, в связи с этим я приобрел пару наборов радиолюбителя «Heathkit» и собрал их опыта ради. Впрочем, получившиеся приборы оказались вполне работоспособны. Таким образом, я представлял себе количество возни с проводами и немедленно наметил проблемную точку: как они предлагают сращивать эти тонкие, с волос толщиной, стекольные волокна и при этом сохранять приличное прохождение сигнала? Стекловолокно нельзя просто припаять друг к другу и надеяться на сносную передачу.

Кстати, почему предлагались такие маленькие диаметры? Это станет очевидным если вы рассмотрите иллюстрацию того, как работает оптическое волокно на Рисунке 21.II.

Рисунок 21.II

Чем тоньше диаметр, тем сильнее можно изгибать волокно, без потерь для светового пучка. Это главное обоснование для уменьшения диаметров, а вовсе не стоимость или вес кабеля. К тому же, для многих форм передачи, меньший диаметр означает снижение искажений сигнала на данной дистанции.

Вскоре я осознал ещё один существенный плюс. Оптоволокно настолько эффективно передавало сигнал, то есть теряло настолько мало фотонов при передаче, что «прослушка линии» становилась крайне серьезным достижением. Не то чтобы невозможным, но очень сложным. Примерно в это же время я понял (в связи с расчетами, которые мы проводили с группой химиков), что оптическое волокно неплохо защищено от электромагнитных помех — особенно при взрыве ядерной бомбы в верхних слоях атмосферы или на поле боя, и даже от ударов молнии. Да, исследованию волокон будут посвящены крупные суммы из военных бюджетов, а так же напрямую из бюджета Лаборатории.

Вскоре возникла проблема, появления которой я ожидал — оказалось, что обмотка тонких волокон может локально влиять на коэффициент преломления и часть света может теряться. Конечно, добавление дополнительной зеркальной поверхности позволит решить проблему. Но вскоре придумали покрывать ядро из высокопреломляющего стекла оболочкой из низкопреломляющего, причем на объектах, размер которых доступен для человеческих манипуляций, а затем растягивать получившуюся конструкцию в волокна нужной толщины.

Намного позже я услышал о многослойных сборках, в которых осуществлялся мягкий переход коэффициента преломления и понял, что это аналог _сильного фокусирования_, который придумали за несколько лет до этого для циклотронов. Градиент преломления достигался с помощью химического или радиационного воздействия. Вместо того, чтобы работать с жесткими отражениями, оказалось возможным возвращать луч обратно на центра волокна за счет постепенного искривления по мере отдаления от середины,

Рисунок 21.III.

Я не пытался досконально разобраться в споре между мультимодальными и унимодальными методами передачи сигнала, но успел провести несколько серий расчетов на ЭВМ для обоих соперничающих лагерей и начал склоняться к унимодальной передаче по тем же причинам, по которым в вычислительных машинах мы предпочли двоичную систему системам исчисления с более высоким основанием. Вообще, речь технической подробности, связанной с особенностями приемников и передатчиков, а не фундаментальная черта оптической передачи сигнала.

Все это время я постоянно ждал, когда же начнут сращивать волокна. Время шло, кто-то успел предложить и опробовать несколько остроумных приемов, а сам разброс альтернатив убедил меня в том, что _возможно_ именно с этой проблемой, которая привлекла мое внимание, справятся сравнительно легко — по крайней мере она не будет фатальной в полевых условиях, где её решать придется техникам, а не экспертам в контролируемых лабораторных условиях. Я неплохо понимал разницу потому что наблюдал разнообразные проекты (в основном, других компаний), которые уперлись в тот печальный факт, что вещи, которые стабильно получаются в лабораториях, это не совсем то же самое, что полевые результаты техников, которые работают в спешке и в условиях, которые можно назвать, как минимум, недружественными.

Насколько я помню, первое испытание волоконно-оптической связи прошло между центральными офисами в Атланте, Джорджия. Испытания прошли успешно (опытный период длился три года). Тем временем аутсайдеры стекольного бизнеса начали изготавливать исключительно прозрачное стекло, причем как раз на тех частотах, которые мы хотели задействовать — речь о диапазоне, в котором могут надежно работать лазеры. Они утверждали, что если бы океаны были столь же прозрачные, как некоторые виды их стекол, дно Тихого океана можно было рассматривать невооруженным глазом!

Вскоре я заметил, что в волоконной оптике мы: (1) принимаем оптические сигналы, (2) преобразуем их в электронную форму, (3) усиливаем их, (4) трансформируем их обратно в оптическую форму. Сложно представить себе худшую архитектуру системы. В Лаборатории мне, как и многим другим, стало очевидно, что предстоит всерьез поработать над усилением оптического сигнала. По прошествии некоторого времени стало ясно, что существует несколько кандидатов на роль оптических усилителей, а значит _вероятно_, один или несколько из них станет стандартным видом оборудования в полевых условиях. Одним из достоинств солитонов является возможность усиления без изменения формы (она не деградирует по мере прохождения по волокну), в то время как импульсы приходится регенерировать (это меняет их форму, и вообще, выглядит более сложной операцией, чем простое усиление).

Все практические аспекты проблемы выстраивались довольно неплохо. Как вы знаете, теперь мы широко используем оптоволокно. Я постарался показать свой подход к новой технологии, на что я смотрел, чего ждал, что игнорировал, что отслеживал, что всерьез обдумывал. У меня не было желания становиться экспертом в данной области; мне хватало компьютеров и их стремительного развития в аппаратной и программной части, это помимо непрерывно расширяющейся области приложений. Каждая новая область, которая появится в вашем будущем поставит перед вами похожие вопросы, и вы, в сущности, ответите на них своими действиями.

Существующая ныне область применения волоконной оптики крайне широка. Пока шло время, я успел сообразить, что история со спутниковой связью, например, чревата множеством проблем. Стационарные спутники связи нужно располагать вдоль экватора, других позиций для них тогда не было. Множество экваториальных стран с первых дней заявляли, что мы вторгаемся в их воздушно-космическое пространство и должны платить за его использование. До сих пор им не удавалось подтвердить свои претензии силой, продвинутые страны просто продолжали пользоваться пространством бесплатно. Предоставляю вам самим посудить о ситуации: (1) неприкрытое игнорирование требований стран, (2) вне зависимости от обоснованности их требований, и (3) учитывая, что они не все на данный момент могут пользоваться своим космосом, все остальные должны подождать, пока (и если вообще) они достигнут нужного уровня! Это нетривиальный вопрос международных отношений, и правда есть у каждой из сторон.

Сейчас спутники размещены примерно на каждом 4-м градусе и хотя мы можем расставить их через 2°, нам придется использовать намного более точные антенны наземных передатчиков (увеличить радиус тарелок?), чтобы передавать на них сигнал так, чтобы он не задевал соседние спутники. Мы можем даже расширить полосу частот передачи сигнала и кратно увеличить объем передаваемых данных, но необходимость прохождения атмосферы накладывает ограничения. С другой стороны, оптоволокно можно укладывать на земле такой плотностью, какую мы сами пожелаем. Волоконные кабели легко изготавливать и совокупная пропускная способность просто не умещается в голове. Применение спутников означает широкое _вещание_ сигнала, кабели же предоставляют определенный уровень _приватности_ и возможность заставить пользователя платить, а не «ездить зайцем».

У спутников и у оптического волокна есть достоинства и недостатки. Сейчас спутники используют для того, что в сущности является конфиденциальными коммуникациями, а не вещанием. Думаю, время перераспределит материю так, чтобы каждый из методов применялся наилучшим соответствии со своими сильными сторонами.

Где мы сейчас? Уже появились трансокеанские кабели с оптическим волокном вместо коаксиальных волноводов, за намного меньшую цену и намного большей полосой пропускания. Сейчас (1993) решается вопрос о переходе на недавно разработанную солитонную систему передачи сигнала вместо классической импульсной, при связи через Тихий океан с Японией. На мой взгляд, это предмет инженерного рассмотрения — на длинной дистанции солитоны возьмут вверх над импульсами. Рекомендую следить за крупными технологическими изменениями — если передача информации на солитонах победит нынешнюю импульсную систему, то появятся фундаментально новые методы анализа сигнала, и вам лучше бы быть в курсе, когда это произойдет, чтобы не оказаться позади, вместе со множеством других людей.

Я читаю, что в военно-морском флоте, так же как, очевидно, в ВВС и коммерческих авиаперевозках, снижение веса означает огромную экономию ресурсов, которые можно потратить на другие вещи. В время посещения авианосца Энтерпрайз около 14 лет назад, будучи уже неплохо осведомлен о тренде на оптическое волокно, я с особым вниманием разглядывал проводку и решил, что волокно заменит все провода _связанные передачей информации_. Передача _энергии_ — совершенно другая тема. И все же, централизованная силовая сеть останется основным методом, или в связи с боевыми условиями, будет отдано предпочтение децентрализованным силовым сетям? Хорошо бы им соединиться с явно избыточными волоконно-оптическими системами, которые несомненно установят хотя бы их соображений безопасности. А ведь боевые корабли не так уж сильно отличаются от офисных небоскребов, типа Всемирного Торгового Центра.

В нашем распоряжении уже есть оптическое волокно, настолько крепкое, что по нему могут ездить грузовики, настолько легкое, что можно запускать ракеты с разматывающимся проводом, прикрепленным на протяжении всего полета –, а это означает двустороннюю связь, как для управления ракетой, наведения её на цель, так и для получения данных с ракеты — что она видит во время полета.

Будучи связан с компьютерами, я естественно спросил себя, как это все может сказаться и скажется на конструкции компьютеров. Вы наверное знаете, что сейчас (1993) мы часто соединяем крупные элементы вычислительных систем с помощью оптоволокна. По-моему, замена большей части внутренней проводки на оптоволокно — это просто вопрос времени. Разве не может кто-нибудь со временем сделать «материнские платы» в которых встроенные платы соединены оптическим волокном? Это вовсе не кажется неразумным, учитывая нынешнее состояние наук о материалах. Когда волоконная оптика доберется до отдельных микросхем? В конце концов, частотный диапазон оптики означает повышение скоростей переключения! Потом, разве мы не можем со временем сделать оптические микросхемы и поставить общий источник света над фотоэлементом в плате (как на некоторых ручных калькуляторах) чтобы запитать всю схему и уйти от проводов для распределения электроэнергии в системе?

Рисунок 21.IV.

А можем ли мы вообще заменить проводку световыми лучами? Световые лучи могут проходить друг сквозь друга без интерференции (если интенсивность не слишком велика), уже одно это ставит их выше проводов,

Рисунок 21.V.

Это подводит нас к проблеме коммутации. Можно ли сделать матричный коммутатор оптическим, вместо электронного? Разве Телефонная Лаборатория Бэлл и другим не придется активно заниматься их разработкой? Если удастся, разве будет результатом истинная коммутация, а то, что традиционно было самой дорогой частью компьютера не станет самой дешевой? Сначала самой дорогой частью компьютера была память, затем появились магнитные диски, потом электронные системы хранения по фантастически низким ценам и конструкция компьютеров заметно изменилась. При существенном снижении цены на коммутирующий блок, как _вы_ будете конструировать компьютеры? Переживет ли базовый дизайн фон Неймана все это дело? Какими станут конструкции компьютеров при новой структуре стоимости элементов?

Вы можете, как я указал ранее, держаться более-менее наравне с событиями, если будете активно предвосхищать пути, по которым вещи и идеи могут развиваться, и затем сравнивать свои ожидания с тем, что получилось на самом деле. Активное предвосхищение означает, что вы намного, намного лучше подготовлены к восприятию новых вещей, чем если вы пассивно сидите или вяло тащитесь за прогрессом. «Удача сопутствует подготовленному уму».

Смысл этого доклада — показать как некто постарался предуготовиться к скоротечным технологическим изменениям, которые повлияют на его исследования и работу. Невозможно быть на острие сразу во всех областях нашего высокотехнологичного общества, но нельзя позволить себе остаться за бортом, позади новых разработок — что произошло на практике со множеством людей.

Раз за разом я твержу в этой книге, что моя обязанность как профессора состоит в том, чтобы повысить вероятность того, что вы внесете значительный вклад в наше общество, и я не могу придумать лучшего способа, чем выработать в вас привычку предвосхищать явления, вести, а не пассивно следовать. Мне кажется, я должен для выполнения моих обязанностей перед вами и перед нашим учреждением, перевести как можно большую часть вас от пассивности к активно ожидающей, предвосхищающей позиции.

В сегодняшней главе, как видите я не рассказываю о значимости своего вкладе, но я хотя бы был предуготовлен и помог другим, намного глубже погруженным в тему, за счет проведения правильных расчетов, а не тех, слегка неуместных, которые так часто делают. Полагаю, что я часто оказывал такого рода услуги Телефонной Лаборатории Бэлл за 30 лет, прошедших до моего выхода на пенсию. В области волоконной оптики я сообщил вам некоторые подробности и то, как я к ним пришел.

Теперь разрешите мне перейти к прогнозам на ближайшее будущее. Довольно очевидно, что разводка «от столба к дому» (по-английски её называют «висячей» линией, даже если она зарыта в землю) станет оптоволоконной. После установки оптического волокна, у вас появляется потенциальный доступ ко всей информации, которую вы в принципе можете захотеть, включая телевидение, радио, и, возможно, газетные статьи, избранные в соответствии с вашим профилем интересов (вы оплачиваете подписку по индивидуальному счету, который доставляется к вам домой). Нужды в отдельных каналах информации по большей части не будет вовсе. На вашей стороне оптоволоконного кабеля находится один или несколько цифровых фильтров. Канал который вам нужен, телефон, радио или телевидение выбирается примерно как сейчас — путем введения соответствующих цифр в фильтр — и он становится универсальным. Вам понадобится по фильтру на каждый канал, которым вы собираетесь пользоваться в единицу времени (возможно это будет один фильтр, с разделением по времени), и каждый фильтр будет стандартной конструкции. Или наоборот, фильтры будут поставляться непосредственно с оборудованием, при покупке.

Произойдет ли все это? Нужно оценить политические, экономические и социальные условия перед тем как говорить, что то, что возможно с технической точки зрения, случится на самом деле. Захочет ли государство допустить, чтобы распределением такого объема информации ведала одна единственная компания? Захотят ли современные кабельные провайдеры делиться с телефонными и, возможно, терять часть заработка на этом, притом, что они неизбежно столкнуться с усилением регуляции со стороны государства? И вообще, хотим ли мы, как общество, чтобы все стало именно так?

Одной из тем, которые часто всплывают в этой книге, являются ограничения, которые накладывают политические, юридические, социальные или экономические условия на нечто технологически возможное, и даже экономически выгодное. Если что-то можно сделать по экономическим соображениям, не означает, что это нужно делать. А если у вас нет четкого понимания этих аспектов, то как практикующий провидец грядущего в своей специальности, вы будете делать множество неточных прогнозов и вам придется мучительно изворачиваться объясняя, почему же все пошло не так.

Продолжение следует…

Кто хочет помочь с переводом, версткой и изданием книги — пишите в личку или на почту magisterludi2016@yandex.ru

Кстати, мы еще запустили перевод еще одной крутейшей книги — «The Dream Machine: История компьютерной революции»)

© Habrahabr.ru