Фотофон: Голосовая связь посредством света.

Введение

Устройство, использующее свет для передачи речи
Оптический телефон Александра Грэма Белла и Самнера Тейнтера

Фотофон – это телекоммуникационное устройство, позволяющее передавать речь посредством луча света. Он был изобретен совместно Александром Грэмом Беллом и его ассистентом Чарльзом Самнером Тейнтером 19 февраля 1880 года в лаборатории Белла по адресу: 1325 L Street, Вашингтон, округ Колумбия.

Белл считал фотофон своим самым важным изобретением. Из 18 патентов, выданных исключительно на имя Белла, и 12 патентов, которые он разделил со своими коллегами, четыре были связаны с фотофоном, который Белл называл своим "величайшим достижением". Незадолго до смерти он сказал журналисту, что фотофон – "величайшее изобретение, которое я когда-либо сделал, превосходящее телефон". Фотофон стал предшественником волоконно-оптических систем связи, получивших широкое распространение во всем мире, начиная с 1980-х годов. В своей окончательной электронной форме приемник фотофона использовал простой фотодетектор на основе селеновых элементов, расположенный в фокусе параболического зеркала. Белл некоторое время использовал это название, но его не следует путать с более поздним изобретением "радиофоном", использующим радиоволны.

Первая успешная беспроводная голосовая связь

Во время медового месяца в Европе со своей невестой Мейбл Хаббард, Белл, вероятно, прочитал о недавно открытом свойстве селена изменять сопротивление под воздействием света, в статье Роберта Сабина, опубликованной в журнале Nature 25 апреля 1878 года. В своих экспериментах Сабин использовал измерительный прибор, чтобы наблюдать влияние света на селен, включенный в цепь с батареей. Однако Белл предположил, что, добавив телефонный приемник в ту же цепь, он сможет услышать то, что Сабин мог только видеть. Поскольку бывший коллега Белла, Томас Уотсон, был полностью занят в качестве начальника производства в начинающей Bell Telephone Company в Бостоне, штат Массачусетс, Белл нанял Чарльза Самнера Тейнтера, мастера-инструментальщика, который ранее был назначен в Комиссию США по наблюдению за прохождением Венеры в 1874 году, для работы в своей новой лаборатории на улице "L" в Вашингтоне, с оплатой 15 долларов в неделю. 19 февраля 1880 года им удалось создать рабочий фотофон в своей новой лаборатории, прикрепив набор металлических решеток к диафрагме, при этом луч света прерывался движением решеток в ответ на произносимые звуки. Когда модулированный световой луч попадал на их селеновый приемник, Белл, в наушниках, отчетливо слышал, как Тейнтер поет "Auld Lang Syne". 1 апреля 1880 года в Вашингтоне, округ Колумбия, Белл и Тейнтер передали сообщение через переулок к заднему окну лаборатории. Затем, спустя несколько месяцев, 21 июня, им удалось четко передать сообщение на расстоянии около 213 метров (примерно 700 футов), используя обычный солнечный свет в качестве источника света, поскольку практическое электрическое освещение только что было внедрено в США Эдисоном. В их более поздних экспериментах передатчик отражал солнечный свет от поверхности очень тонкого зеркала, расположенного на конце воронки для речи; когда произносились слова, зеркало колебалось между выпуклой и вогнутой формой, изменяя количество света, отражаемого на приемник. Тейнтер, находившийся на крыше школы Франклина, говорил с Беллом, который был в своей лаборатории и слушал, и подавал Тейнтеру сигнал, энергично размахивая шляпой из окна, как и было оговорено.

While honeymooning in Europe with his bride Mabel Hubbard, Bell likely read of the newly discovered property of selenium having a variable resistance when acted upon by light, in a paper by Robert Sabine as published in Nature on 25 April 1878. In his experiments, Sabine used a meter to see the effects of light acting on selenium connected in a circuit to a battery. However Bell reasoned that by adding a telephone receiver to the same circuit he would be able to hear what Sabine could only see. As Bell's former associate, Thomas Watson, was fully occupied as the superintendent of manufacturing for the nascent Bell Telephone Company back in Boston, Massachusetts, Bell hired Charles Sumner Tainter, an instrument maker who had previously been assigned to the U. S. 1874 Transit of Venus Commission, for his new 'L' Street laboratory in Washington, at the rate of $15 per week. On February 19, 1880, the pair had managed to make a functional photophone in their new laboratory by attaching a set of metallic gratings to a diaphragm, with a beam of light being interrupted by the gratings movement in response to spoken sounds. When the modulated light beam fell upon their selenium receiver Bell, on his headphones, was able to clearly hear Tainter singing Auld Lang Syne. In an April 1, 1880, Washington, D. C., experiment, Bell and Tainter communicated some along an alleyway to the laboratory's rear window. Then a few months later on June 21 they succeeded in communicating clearly over a distance of some 213 meters (about 700 ft.), using plain sunlight as their light source, practical electrical lighting having only just been introduced to the U. S. by Edison. The transmitter in their latter experiments had sunlight reflected off the surface of a very thin mirror positioned at the end of a speaking tube; as words were spoken they cause the mirror to oscillate between convex and concave, altering the amount of light reflected from its surface to the receiver. Tainter, who was on the roof of the Franklin School, spoke to Bell, who was in his laboratory listening and who signaled back to Tainter by waving his hat vigorously from the window, as had been requested.

Прием и усыновление

Телефон по-прежнему был в новинку, а радио еще не было коммерциализировано. Общественное сопротивление футуристической форме связи фотофона проявилось в комментарии газеты "Нью-Йорк Таймс" за август 1880 года:

"Обычному человеку будет нелегко понять, как использовать солнечные лучи. Профессор Белл намерен ли соединить Бостон и Кембридж линией солнечных лучей, подвешенных к телеграфным столбам, и если да, то каков должен быть диаметр этих лучей [и] потребуется ли их изолировать от непогоды, пока (общественность) не увидит человека, идущего по улице со спиралью из лучей №12 на плече, подвешивая их от столба к столбу? В таком случае возникнет общее ощущение, что в фотофоне профессора Белла есть что-то, что сильно подвергает сомнению человеческую доверчивость. Однако, в момент их прорыва в феврале 1880 года, Белл был чрезвычайно горд этим достижением и даже хотел назвать свою вторую дочь "Фотофон", что его жена Мейбл Белл деликатно не поддержала (вместо этого они выбрали "Мариан", а "Дейзи" стало ее прозвищем). Он писал с большим энтузиазмом:

"Я слышал членораздельную речь, переданную солнечным светом! Я слышал, как солнечный луч смеется, кашляет и поет! Я слышал тень и даже уловил слухом прохождение облака по солнечному диску. Ты – прадед фотофона, и я хочу поделиться с тобой своей радостью от успеха!" – Александр Грэм Белл в письме своему отцу Александру Мелвиллу Беллу от 26 февраля 1880 года.

В мае 1880 года Белл передал права на интеллектуальную собственность фотофона American Bell Telephone Company. Хотя Белл надеялся, что его новый фотофон можно будет использовать на кораблях в море и заменить множество телефонных линий, проложенных вдоль оживленных городских бульваров, такие факторы, как погода и недостаток освещения, препятствовали использованию его изобретения. Вскоре после изобретения лаборатории Bell System продолжили совершенствовать фотофон, надеясь, что он сможет дополнить или заменить дорогостоящие традиционные телефонные линии. Его первое неэкспериментальное применение было в военных системах связи во время Первой и Второй мировых войн, ключевым преимуществом которых была невозможность перехвата световых передач противником. Белл размышлял о возможном научном применении фотофона в спектральном анализе искусственных источников света, звезд и солнечных пятен. Позже он также предполагал его возможные будущие применения, хотя и не предвидел ни лазеров, ни оптоволоконной связи. Хотя исследователи Bell Telephone внесли несколько незначительных улучшений в конструкцию Белла и Тейнтера, радиопередачи Маркони уже в 1897 году значительно превзошли максимальную дальность фотофона, демонстрируя одинаково успешную работу днем и ночью. Он продолжил свои эксперименты в Берлине вплоть до 1904 года, в сотрудничестве с немецким флотом, который предоставлял мощные прожекторы для передачи сигналов. Немецкая компания Siemens & Halske увеличила дальность действия фотофона, используя современные угольные дуговые лампы с модуляцией тока, обеспечивающие полезную дальность примерно в 300 метров. Они производили устройства для немецкого флота, которые были дополнительно адаптированы для увеличения дальности действия с использованием судовых прожекторов с голосовой модуляцией. К 1935 году немецкая компания Carl Zeiss начала производство инфракрасных фотофонов для танковых батальонов немецкой армии, используя вольфрамовые лампы с инфракрасными фильтрами, модулируемыми вибрирующими зеркалами или призмами. Они также использовали приемники с детекторами из сульфида свинца и усилителями, увеличивая дальность действия до оптимальных условий. Японская и итальянская армии также пытались разработать аналогичные системы световой связи до 1945 года.

Bell transferred the photophone's intellectual property rights to the American Bell Telephone Company in May 1880. While Bell had hoped his new photophone could be used by ships at sea and to also displace the plethora of telephone lines that were blooming along busy city boulevards, Factors such as the weather and the lack of light inhibited the use of Bell's invention. Not long after its invention laboratories within the Bell System continued to improve the photophone in the hope that it could supplement or replace expensive conventional telephone lines. Its earliest non experimental use came with military communication systems during World War I and II, its key advantage being that its light based transmissions could not be intercepted by the enemy. Bell pondered the photophone's possible scientific use in the spectral analysis of artificial light sources, stars and sunspots. He later also speculated on its possible future applications, though he did not anticipate either the laser or fiber optic telecommunications:]]
Although Bell Telephone researchers made several modest incremental improvements on Bell and Tainter's design, Marconi's radio transmissions started to far surpass the maximum range of the photophone as early as 1897 with equal success during the day and at night. He continued his experiments around Berlin through 1904, in conjunction with the German Navy, which supplied high powered searchlights for use in the transmissions. The German Siemens & Halske Company boosted the photophone's range by utilizing current modulated carbon arc lamps which provided a useful range of approximately They produced units commercially for the German Navy, which were further adapted to increase their range to using voice modulated ship searchlights. By 1935 the German Carl Zeiss Company had started producing infra red photophones for the German Army's tank battalions, employing tungsten lamps with infra red filters which were modulated by vibrating mirrors or prisms. These also used receivers which employed lead sulfide detector cells and amplifiers, boosting their range to under optimal conditions. The Japanese and Italian armies also attempted similar development of lightwave telecommunications before 1945.