Fotófono

Una placa histórica en el lado de la Escuela Franklin en Washington, D.C. que marca uno de los puntos de donde se demostró el fotofono

Un diagrama de uno de los papeles de Bell 1880

El fotófono es un dispositivo de telecomunicaciones que permite la transmisión del habla sobre un haz de luz. Fue inventado conjuntamente por Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter el 19 de febrero de 1880, en el laboratorio de Bell en 1325 L Street en Washington, D.C. Posteriormente, ambos se convertirían en socios de pleno derecho en la Volta Laboratory Association, creada y financiado por Bell.

El 3 de junio de 1880, el asistente de Bell transmitió un mensaje telefónico de voz inalámbrico desde el techo de la Escuela Franklin a la ventana del laboratorio de Bell, a unos 213 metros (unos 700 pies) de distancia.

Bell creía que el fotófono era su invento más importante. De las 18 patentes otorgadas solo a nombre de Bell, y las 12 que compartió con sus colaboradores, cuatro fueron para el fotófono, al que Bell se refirió como su "mayor logro", contando a un periodista poco antes su muerte que el fotófono era "el mayor invento [que he] hecho jamás, más grande que el teléfono".

El fotófono fue un precursor de los sistemas de comunicación de fibra óptica que lograron un uso popular en todo el mundo a partir de la década de 1980. La patente principal para el fotófono (Patente de EE. UU. 235.199 Aparato de señalización y comunicación, llamado Fotófono) se emitió en diciembre de 1880, muchas décadas antes de que sus principios llegaran a tener aplicaciones prácticas.

Diseño

Receptor fotográfico y auricular, mitad del sistema de telecomunicación óptica de Bell y Tainter de 1880

El fotófono era similar a un teléfono contemporáneo, excepto que usaba luz modulada como medio de transmisión inalámbrica, mientras que el teléfono dependía de electricidad modulada transportada por un circuito de alambre conductor.

Descripción propia de Bell del modulador de luz:

Hemos encontrado que la forma más simple de aparato para producir el efecto consiste en un espejo plano de material flexible contra la parte posterior del cual se dirige la voz del orador. Bajo la acción de la voz el espejo se vuelve alternadamente convexo y cóncavo y por lo tanto dispersa alternativamente y condensa la luz.

El brillo de un haz de luz reflejado, observado desde la ubicación del receptor, variaba de acuerdo con las variaciones de audiofrecuencia en la presión del aire (las ondas sonoras) que actuaban sobre el espejo.

En su forma inicial, el receptor de fotófono tampoco era electrónico y utilizaba el efecto fotoacústico. Bell descubrió que muchas sustancias podrían usarse como transductores directos de luz a sonido. Lampblack demostró ser excepcional. Usando un haz de luz solar completamente modulado como señal de prueba, un diseño de receptor experimental, empleando solo un depósito de negro de humo, produjo un tono que Bell describió como "dolorosamente alto" a un oído presionado cerca del dispositivo.

En su forma electrónica definitiva, el receptor de fotófono usaba un fotodetector de celda de selenio simple en el foco de un espejo parabólico. La resistencia eléctrica de la celda (entre aproximadamente 100 y 300 ohmios) variaba inversamente con la luz que caía sobre ella, es decir, su resistencia era mayor cuando estaba tenuemente iluminada, menor cuando estaba muy iluminada. La celda de selenio ocupó el lugar de un micrófono de carbón, también un dispositivo de resistencia variable, en el circuito de lo que de otro modo sería esencialmente un teléfono ordinario, que constaba de una batería, un auricular electromagnético y la resistencia variable, todo conectado en serie. El selenio moduló la corriente que fluía a través del circuito, y la corriente se convirtió nuevamente en variaciones de la presión del aire (sonido) por el auricular.

En su discurso ante la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia en agosto de 1880, Bell dio crédito por la primera demostración de transmisión del habla por luz al Sr. A.C. Brown de Londres en el otoño de 1878.

Debido a que el dispositivo usaba energía radiante, el científico francés Ernest Mercadier sugirió que la invención no debería llamarse 'fotófono', sino 'radiófono', ya que sus espejos reflejaban la energía radiante del Sol en múltiples bandas, incluida la banda infrarroja invisible. Bell usó el nombre durante un tiempo, pero no debe confundirse con la invención posterior "radiophone" que utilizaba ondas de radio.

Primeras comunicaciones de voz inalámbricas exitosas

Ilustración de un transmisor fotográfico, mostrando el camino de la luz solar reflejada, antes y después de ser modulado

Ilustración de un receptor de fotofono, que representa la conversión de luz modulada al sonido, así como su fuente de energía eléctrica (P)

Mientras estaba de luna de miel en Europa con su novia Mabel Hubbard, Bell probablemente leyó sobre la propiedad recién descubierta del selenio que tiene una resistencia variable cuando la luz actúa sobre él, en un artículo de Robert Sabine publicado en Nature el 25 de abril de 1878. En sus experimentos, Sabine usó un medidor para ver los efectos de la luz que actúa sobre el selenio conectado en un circuito a una batería. Sin embargo, Bell razonó que al agregar un receptor de teléfono al mismo circuito, podría escuchar lo que Sabine solo podía ver.

Como el antiguo socio de Bell, Thomas Watson, estaba totalmente ocupado como superintendente de fabricación de la naciente Bell Telephone Company en Boston, Massachusetts, Bell contrató a Charles Sumner Tainter, un fabricante de instrumentos que había sido asignado previamente a la Comisión de Tránsito de Venus de EE. UU. de 1874, por su nuevo 'L' Laboratorio callejero en Washington, a razón de $15 por semana.

El 19 de febrero de 1880, la pareja logró fabricar un fotófono funcional en su nuevo laboratorio al unir un conjunto de rejillas metálicas a un diafragma, con un haz de luz interrumpido por el movimiento de las rejillas en respuesta a los sonidos hablados. Cuando el haz de luz modulado cayó sobre su receptor de selenio, Bell, en sus auriculares, pudo escuchar claramente a Tainter cantando Auld Lang Syne.

En un experimento del 1 de abril de 1880 en Washington, D.C., Bell y Tainter se comunicaron unos 79 metros (259 pies) a lo largo de un callejón hasta la ventana trasera del laboratorio. Luego, unos meses más tarde, el 21 de junio, lograron comunicarse claramente a una distancia de unos 213 metros (unos 700 pies), utilizando la luz del sol como fuente de luz, ya que Edison acababa de introducir la práctica iluminación eléctrica en los EE. UU. El transmisor en sus últimos experimentos tenía la luz del sol reflejada en la superficie de un espejo muy delgado colocado al final de un tubo parlante; a medida que se pronuncian las palabras, hacen que el espejo oscile entre convexo y cóncavo, alterando la cantidad de luz reflejada desde su superficie hacia el receptor. Tainter, que estaba en el techo de la Escuela Franklin, habló con Bell, que estaba en su laboratorio escuchando y quien le devolvió la señal agitando su sombrero vigorosamente desde la ventana, como se le había pedido.

El receptor era un espejo parabólico con celdas de selenio en su punto focal. Realizado desde el techo de la Escuela Franklin hasta el laboratorio de Bell en 1325 'L' Street, esta fue la primera comunicación telefónica inalámbrica formal del mundo (lejos de su laboratorio), lo que convirtió al fotófono en el sistema telefónico inalámbrico de voz más antiguo conocido del mundo, al menos 19 años antes de la primera onda de radio hablada. transmisiones Antes de que Bell y Tainter concluyeran su investigación para pasar al desarrollo del Graphophone, habían ideado unos 50 métodos diferentes de modulación y demodulación de haces de luz para telefonía óptica.

Recepción y adopción

El teléfono en sí todavía era una novedad, y la radio estaba a décadas de ser comercializada. La resistencia social a la forma futurista de comunicación del fotófono se podía ver en un comentario del New York Times de agosto de 1880:

El hombre común... encontrará una pequeña dificultad para comprender cómo se van a utilizar los rayos de sol. ¿El Prof. Bell tiene la intención de conectar Boston y Cambridge... con una línea de rayos solares colgados en postes de telégrafo, y, si es así, qué diámetro son los rayos del sol...[y] será necesario aislarlos contra el tiempo... hasta que (el público) vea a un hombre pasando por las calles con una bobina de los rayos del sol número 12 en su hombro, y suspenderlos de la tensión del poste a la polen, habrá un sentimiento general de profesor.

Sin embargo, en el momento de su gran avance en febrero de 1880, Bell estaba inmensamente orgulloso del logro, hasta el punto de que quería llamar a su nueva segunda hija 'Photophone', algo que su esposa Mabel desalentó sutilmente. Bell (en su lugar, eligieron "Marian", con "Daisy" como su apodo). Escribió con algo de entusiasmo:

¡He oído hablar articulado por la luz del sol! He oído un rayo del sol reírse y toser y cantar!... He sido capaz de escuchar una sombra e incluso he percibido por oído el paso de una nube a través del disco del sol. Eres el abuelo del Photophone y quiero compartir mi deleite con mi éxito.

—Alexander Graham Bell, en una carta a su padre Alexander Melville Bell, fechada el 26 de febrero de 1880

Bell transfirió los derechos de propiedad intelectual del fotófono a American Bell Telephone Company en mayo de 1880. Si bien Bell esperaba que su nuevo fotófono pudiera ser utilizado por barcos en el mar y también desplazar la plétora de líneas telefónicas que florecían a lo largo de los ajetreados bulevares de la ciudad, su diseño no pudo proteger sus transmisiones de interferencias exteriores como nubes, niebla, lluvia, nieve y otras, que podrían interrumpir fácilmente la transmisión de la luz. Factores como el clima y la falta de luz inhibieron el uso del invento de Bell. Poco después, sus laboratorios de invención dentro de Bell System continuaron mejorando el fotófono con la esperanza de que pudiera complementar o reemplazar las costosas líneas telefónicas convencionales. Su primer uso no experimental se produjo con los sistemas de comunicación militar durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial, y su principal ventaja es que el enemigo no podía interceptar sus transmisiones basadas en la luz.

Bell reflexionó sobre el posible uso científico del fotófono en el análisis espectral de fuentes de luz artificial, estrellas y manchas solares. Más tarde también especuló sobre sus posibles aplicaciones futuras, aunque no anticipó ni el láser ni las telecomunicaciones de fibra óptica:

Puede imaginarse lo que el futuro de esta invención es ser!... Podemos hablar por luz a cualquier distancia visible sin ningún cable de conducción.... En la ciencia general, los descubrimientos serán realizados por el Photophone que no están soñados de ahora mismo.

Más desarrollo

Ernst Ruhmer en su estación de teléfono óptico "foto-eléctrico". (1905)

Aunque los investigadores de Bell Telephone realizaron varias mejoras graduales modestas en el diseño de Bell y Tainter, las transmisiones de radio de Marconi comenzaron a superar con creces el rango máximo del fotófono ya en 1897 y se siguió desarrollando el fotófono. en gran parte detenido hasta que comenzaron los experimentos germano-austríacos a principios del siglo XX.

El físico alemán Ernst Ruhmer creía que la mayor sensibilidad de sus células de selenio mejoradas, combinada con las capacidades de recepción superiores del 'arco de habla' del profesor H. T. Simon, haría que el fotófono fuera práctico durante más tiempo. distancias de señalización. Ruhmer llevó a cabo una serie de transmisiones experimentales a lo largo del río Havel y en el lago Wannsee de 1901 a 1902. Informó haber logrado distancias de envío en buenas condiciones de 15 kilómetros (9 millas), con igual éxito durante el día y la noche. Continuó sus experimentos en Berlín hasta 1904, junto con la Marina alemana, que suministró reflectores de alta potencia para usar en las transmisiones.

La empresa alemana Siemens & Halske Company aumentó el alcance del fotófono al utilizar lámparas de arco de carbono de corriente modulada que proporcionaron un alcance útil de aproximadamente 8 kilómetros (5,0 mi). Produjeron unidades comercialmente para la Armada alemana, que se adaptaron aún más para aumentar su alcance a 11 kilómetros (6,8 mi) utilizando reflectores de barcos modulados por voz.

La investigación del Almirantazgo Británico durante la Primera Guerra Mundial resultó en el desarrollo de un modulador de espejo vibratorio en 1916. Las celdas receptoras de molibdenita más sensibles, que también tenían una mayor sensibilidad a la radiación infrarroja, reemplazaron las celdas de selenio más antiguas en 1917. Los Estados Unidos y Alemania Los gobiernos también trabajaron en mejoras técnicas al sistema de Bell.

En 1935, la empresa alemana Carl Zeiss había comenzado a producir fotófonos infrarrojos para los batallones de tanques del ejército alemán, empleando lámparas de tungsteno con filtros infrarrojos modulados por prismas o espejos vibratorios. Estos también utilizaron receptores que emplearon amplificadores y células detectoras de sulfuro de plomo, lo que aumentó su alcance a 14 kilómetros (8,7 millas) en condiciones óptimas. Los ejércitos japonés e italiano también intentaron un desarrollo similar de las telecomunicaciones de ondas de luz antes de 1945.

Varios laboratorios militares, incluidos los de Estados Unidos, continuaron sus esfuerzos de I+D en el fotófono hasta la década de 1950, experimentando con vapor de alta presión y lámparas de arco de mercurio de entre 500 y 2000 vatios de potencia.

Conmemoraciones

El 3 de marzo de 1947, el centenario del nacimiento de Alexander Graham Bell, los Pioneros Telefónicos de América dedicaron un hito histórico en el costado de uno de los edificios, la Escuela Franklin, que Bell y Sumner Tainter usaron para su primer juicio formal que implicaba una distancia considerable. Tainter originalmente se había parado en el techo del edificio de la escuela y transmitió a Bell en la ventana de su laboratorio. El marcador no reconoció las contribuciones científicas y de ingeniería de Tainter.

El 19 de febrero de 1980, exactamente 100 años después de la primera transmisión con fotófono de Bell y Tainter en su laboratorio, el personal de la Institución Smithsonian, la National Geographic Society y los Bell Labs de AT&T reunidos en la ubicación de la antigua 1325 'L' Laboratorio Street Volta en Washington, D.C. para una conmemoración del evento.

La conmemoración del centenario del fotófono había sido propuesta por primera vez por el investigador y escritor de electrónica Forrest M. Mims, quien se la sugirió al Dr. Melville Bell Grosvenor, nieto del inventor, durante una visita a su oficina en la National Geographic Society.. Más tarde, la agrupación histórica observó el centenario de la primera transmisión de laboratorio exitosa del fotófono utilizando el fotófono de demostración hecho a mano de Mim, que funcionaba de manera similar al modelo de Bell y Tainter.

Mims también construyó y proporcionó un par de modernos transceptores LED alimentados por batería y portátiles conectados por 100 yardas (91 m) de fibra óptica. Los laboratorios Bell' Richard Gundlach y Elliot Sivowitch del Smithsonian utilizaron el dispositivo en la conmemoración para demostrar uno de los descendientes modernos del fotófono. La National Geographic Society también montó una exhibición educativa especial en su Explorer's Hall, destacando la invención del fotófono con elementos originales prestados de la Institución Smithsonian.