Prof. dr. Janez Strnad, Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani
Poleg tega njeni dosežki opredeljujejo naš pogled na naravo in vplivajo tudi na razmere na svetu. Zato je smiselno opozarjati na dosežke fizike in na njihovo rabo v vsakdanjem življenju.
Nekdaj je Radio Ljubljana oddajal na srednjih valovih pri valovni dolžini 202 metra, ki ji ustreza frekvenca poldrugi milijon nihajev na sekundo. Danes oddaja val 202 na primer pri frekvenci 93,5 milijona nihajev na sekundo, ki ji ustreza valovna dolžina nekaj več kot tri metre. Zakaj je radio prešel na krajšo valovno dolžino in večjo frekvenco? To je za prenašanje sporočil pomembno vprašanje.
Oddajna postaja oddaja radijske valove z določeno valovno dolžino in frekvenco. Na to frekvenco je uglašena sprejemna postaja, ko lovi to oddajno postajo. Učeno pravimo, da sta visokofrekvenčna tokova v sprejemnem in oddajnem nihajnem krogu v resonanci. Ob sprejemni postaji pa ne bi slišali nobenega glasu, če bi sprejemala le to nosilno valovanje. Nosilno valovanje samo ne prenaša sporočil.
Kot zvok slišimo gibanje zraka sem in tja s frekvenco na pasu od 16 nihajev na sekundo do 20 tisoč nihajev na sekundo. Na radijsko nosilno valovanje moramo naložiti sporočilo, ki ga vsebuje zvok. To naredimo tako, da s frekvenco zvoka spreminjamo izdatnost nosilnega valovanja. Opisano amplitudno modulacijo ali AM so uporabljali pri srednjih valovih. Zaradi amplitudne modulacije se frekvenca nosilnega valovanja spreminja na deset tisoč nihajev na sekundo širo kem pasu okoli frekvence nosilnega valovanja. Vsakemu takemu pasu ustreza kanal, kakor imenujemo možnost za prenos sporočil. Vsaki oddajni postaji na srednjih valovih je pripadal tak kanal okoli dodeljene frekvence nosilnega valovanja. Na kanale ne naletimo samo pri radijskem prenosu, ampak tudi na primer pri telefoniranju.
Večja frekvenca –
manjši doseg
Pri današnjem Valu 202 pa s frekvenco zvoka spreminjajo frekvenco nosilnega valovanja. Ta frekvenčna modulacija ali FM je nekoliko bolj zapletena in zahteva kanal s širino dvesto tisoč nihajev na sekundo. S frekvenčno modulacijo se izognemo številnim mo tnjam. Ker mora biti širina kanala majhna v primerjavi s frekvenco nosilnega valovanja, zahteva to večjo frekvenco nosilnega valovanja. Zdaj razumemo, zakaj danes Val 202 oddaja pri večji frekvenci. To pa plača z dosegom. Srednji valovi se ukrivijo po zemeljskem površju in jih je mogoče loviti na precejšnji razdalji od oddajne postaje. Valovi z večjo frekvenco pa potujejo v ravni črti, tako da postaja pokrije le krog s polmerom dobrih petdeset kilometrov.
Televizija prenaša zvok in sliko v treh barvah. Sliko prenaša amplitudno modulirano valovanje, zvok pa frekvenčno modulirano valovanje. Oba signala združijo na frekvenčni pas s širino do dvajset milijonov nihajev na sekundo. Tako smo spoznali, da je mogoče z valovanjem z večjo frekvenco uspešneje prenašati sporočila. Večja frekvenca nosilnega valovanja dopušča več kanalov.
Od srednjih radijskih valov s frekvenco več milijonov nihajev na sekundo so postopno prešli na ultrakratke radijske valove s fre kvenco okoli sto milijonov nihajev na sekundo. Nazadnje so vključili svetlobo z veliko večjo frekvenco, več sto bilijonov nihajev na sekundo. Ta prehod ni bil ne preprost ne hiter. Med njim je bilo treba prebroditi več resnih težav.
Že več kot poldrugo stoletje je znano, da svetloba potuje po vodnih curkih in steklenih palicah, če niso preveč ukrivljeni. Kdo še ni občudoval vodometov, ki so v mestih ponoči razkošno osvetljeni? V njih vodni curki vodijo svetlobo. Svetloba po prozorni snovi potuje počasneje kot po praznem prostoru. Razmerje med hitrostjo v praznem prostoru in v snovi je lomni količnik. Svetloba, ki pri prehodu iz snovi z dovolj velikim lomnim ko ličnikom v zrak ali prazen prostor pade na mejo pod dovolj velikim kotom proti pravokotnici, se sploh ne lomi, ampak se v celoti odbije nazaj v snov. To je totalni odboj. Pojav so nekdaj izkoriščali zdravniki in zobozdravniki, da so po steklenih ali plastičnih palicah osvetljevali telesne votline.
Optični valovni vodnik
Ali bi bilo mogoče svetlobo kot v vodnih curkih ali steklenih in plastičnih palicah voditi po vlaknih prozorne snovi, da bi z njo prenašali sporočila? Sredi prejšnjega stoletja so si vprašanje postavili v zvezi s prenosom sporočil. Leta 1966 je Charles K. Kao na strokovnem sestanku v Londonu napovedal, da bo optični valovni vodnik prenesel toliko podatkov »kot dvesto televizijskih kanalov ali več kot dvesto tisoč telefonskih«. Tega leta sta s sodelavcem v članku o svetlobnih vodnikih iz prozornih izolatorjev zapisala: »Vlakno steklene snovi s plastovito zgradbo je mogoč praktičen svetlobni vodnik s pomembnimi možnostmi kot nova oblika za prenos podatkov. V primerjavi s sedanjimi koaksialnimi vodniki in radiem taka oblika vodnika lahko prenese več podatkov in utegne imeti prednosti pri osnovni ceni.« Tedanja vlakna pa za kaj takega še niso bila uporabna. Preveč so oslabila tok svetlobe, ker snovi v njih niso bile dovolj čiste.
K razvoju so prispevali še drugi dosežki. Razvili so laserje, ki dajejo zelo ozke, zelo enobarvne in zelo močne svetlobne curke. Posebej pomembni so bili polprevodniški laserji. Sprva jih je bilo treba hladiti, pa še takrat so delovali le v sunkih. Potem so spoznali, kako je mogoče v plasteh laserja spreminjati sestavo polprevodnika. Namesto silicija in germanija so kot polprevodnike uporabili spojine, na primer galija in dušika ali aluminija, galija, indija in fosforja ali aluminija, galija in arzena. Zelo majhni laserji, laserske diode, s temi spojinami delujejo neprekinjeno pri sobni temperaturi. Uporabljajo jih kot oddajnike pri prenašanju sporočil v optičnih vlaknih.
Že med obema vojnama so začeli na veliko izdelovati steklena vlakna. Pojavila se je zamisel o vlaknih s prevleko iz snovi z manjšim lomnim količnikom. Prvič so jo uresničili leta 1951. V tem primeru ne pride do totalnega odboja sko kovito le na površju, ampak se to dogaja postopno v prevleki s pojemajočim lomnim količnikom. Kao je s sodelavci v člankih v letih 1968 in 1969 poročal o oslabitvi valova nja v steklenih vlaknih in vlaknih iz raznih prozornih snovi. Ugotovili so, da ima nekristalni kremen najboljše lastnosti. Pozneje so začeli uporabljati kremenova vlakna, v katerih se je lomni količnik z razdaljo od osi za malenkost zmanjšal, na primer vlakna s primesjo titana v sredici in s čistim kremenom na površju. Danes veliko uporabljajo svetlobne vodnike ali, kot jih tudi imenujejo, optična vlakna. Tipično vlakno ima sredico s premerom 8 tisočink milimetra, plast s spremenljivim lomnim količnikom s premerom 115 tisočink milimetra, izravnalno plast s premerom 250 tisočink milimetra in ovoj s premerom 400 tisočink milimetra, to je 4 desetinke milimetra. Nekatera vlakna imajo nekaj debelejšo sredico. Optični kabel sestavlja več vlaken, na primer deset. Po enem vlaknu lahko poteka sočasno več sto tisoč telefonskih pogovorov. Pri tem uporabijo poseben postopek, da signale razdelijo po frekvenci ali po času. Podmorski optični kabel je zgrajen posebno skrbno.
Zmaga optičnih vlaken
Najprej so po optičnih vlaknih prenašali vidno svetlobo. Potem so ugotovili, da je ugodneje prenašati infrardečo svetlobo z malo manjšo frekvenco in malo večjo valovno dolžino. Tako so postopno prešli na najugodnejše »okno« z valovno dolžino nekaj več kot poldrugo tisočinko milimetra. Na začetku so vlakna še slabo prepuščala valovanje. Toda prepustnost vlaken se je s časom izboljšala. Sedanja v navedenem »oknu« oslabijo energijski tok le za tri desetinke odstotka na kilometer. Visokofrekvenčni tok v optičnem vlaknu lahko neposredno v vlaknu ojačijo, da na dolgi poti ne oslabi.
Prve optične telefone so v Veliki Britaniji in ZDA začeli uvajati leta 1977. Leta 1982 so položili svetlobni kabel med New Yorkom in Washingtonom, leta 1986 čez Rokavski preliv in leta 1988 čez Atlantik. Zdaj je vse površje Zemlje prepredeno s svetlobnimi kabli, ki omogočajo tudi delovanje svetovnega spleta. Prizadevajo si, da bi optični kabel »prišel v vsak dom«.
Iz četrtkove tiskane izdaje Dela