Photophone - Photophone

Image d'une plaque historique en laiton noirci avec une traînée de corrosion verte qui la descend, montée sur le côté extérieur d'un bâtiment en briques.
Une plaque historique sur le côté de l'école Franklin à Washington, DC qui marque l'un des points à partir desquels le photophone a été démontré
Un diagramme de l'un des papiers de Bell 1880

Le photophone est un appareil de télécommunication qui permet la transmission de la parole sur un faisceau lumineux . Il a été inventé conjointement par Alexander Graham Bell et son assistant Charles Sumner Tainter le 19 février 1880, au laboratoire de Bell au 1325 L Street à Washington, DC Tous deux deviendront plus tard associés à part entière dans la Volta Laboratory Association , créée et financée par Bell.

Le 3 juin 1880, l'assistant de Bell a transmis un message téléphonique vocal sans fil du toit de l' école Franklin à la fenêtre du laboratoire de Bell, à quelque 213 mètres (environ 700 pieds).

Bell croyait que le photophone était son invention la plus importante . Sur les 18 brevets accordés au seul nom de Bell, et les 12 qu'il a partagés avec ses collaborateurs, quatre concernaient le photophone, que Bell a qualifié de "plus grande réussite", déclarant à un journaliste peu avant sa mort que le photophone était "le plus grand invention [que j'ai] jamais faite, plus grande que le téléphone".

Le photophone était un précurseur des systèmes de communication à fibre optique qui ont atteint un usage populaire dans le monde entier à partir des années 1980. Le brevet principal du photophone ( brevet américain 235 199 d' appareils de signalisation et de communication, appelé photophone ) a été délivré en décembre 1880, plusieurs décennies avant que ses principes n'aient des applications pratiques.

Concevoir

Un récepteur de photophone et un casque, la moitié du système de télécommunication optique de Bell et Tainter de 1880

Le photophone était similaire à un téléphone contemporain, sauf qu'il utilisait la lumière modulée comme moyen de transmission sans fil tandis que le téléphone reposait sur l' électricité modulée transportée sur un circuit de fil conducteur .

La propre description de Bell du modulateur de lumière :

Nous avons découvert que la forme la plus simple d'appareil pour produire l'effet consiste en un miroir plan en matériau souple contre lequel la voix du locuteur est dirigée. Sous l'action de la voix le miroir devient alternativement convexe et concave et ainsi diffuse et condense alternativement la lumière.

L'éclat d'un faisceau de lumière réfléchi, tel qu'observé depuis l'emplacement du récepteur, variait donc en fonction des variations audiofréquences de la pression atmosphérique - les ondes sonores - qui agissaient sur le miroir.

Dans sa forme initiale, le récepteur de photophone était également non électronique, utilisant l'effet photoacoustique . Bell a découvert que de nombreuses substances pouvaient être utilisées comme transducteurs directs lumière-son. Lampblack s'est avéré exceptionnel. En utilisant un faisceau de lumière solaire entièrement modulé comme signal de test, une conception expérimentale de récepteur, n'utilisant qu'un dépôt de noir de fumée, a produit un son que Bell a décrit comme « douloureux » à une oreille pressée près de l'appareil.

Dans sa forme électronique ultime, le récepteur de photophone utilisait un simple photodétecteur à cellule de sélénium au foyer d'un miroir parabolique. La résistance électrique de la cellule (entre environ 100 et 300 ohms ) variait en sens inverse de la lumière tombant sur elle, c'est-à-dire que sa résistance était plus élevée lorsqu'elle était faiblement éclairée, plus faible lorsqu'elle était fortement éclairée. La cellule au sélénium a remplacé un microphone au carbone - également un dispositif à résistance variable - dans le circuit de ce qui était par ailleurs essentiellement un téléphone ordinaire, composé d'une batterie, d'un écouteur électromagnétique et de la résistance variable, tous connectés en série. Le sélénium modulait le courant circulant dans le circuit, et le courant était reconverti en variations de pression de l'air - le son - par l'écouteur.

Dans son discours à l'American Association for the Advancement of Science en août 1880, Bell attribue la première démonstration de transmission de la parole par la lumière à M. AC Brown de Londres à l'automne 1878.

Parce que l'appareil utilisait de l'énergie rayonnante , le scientifique français Ernest Mercadier a suggéré que l'invention ne devrait pas être nommée "photophone", mais "radiophone", car ses miroirs reflétaient l'énergie rayonnante du Soleil dans plusieurs bandes, y compris la bande infrarouge invisible . Bell a utilisé le nom pendant un certain temps, mais il ne faut pas le confondre avec l'invention ultérieure de « radiophone » qui utilisait des ondes radio .

Premières communications vocales sans fil réussies

Illustration d'un émetteur de photophone, montrant le chemin de la lumière solaire réfléchie, avant et après avoir été modulée
Illustration d'un récepteur de photophone, illustrant la conversion de la lumière modulée en son, ainsi que sa source d'alimentation électrique (P)

Lors d'une lune de miel en Europe avec son épouse Mabel Hubbard , Bell a probablement lu la propriété nouvellement découverte du sélénium ayant une résistance variable lorsqu'elle est actionnée par la lumière, dans un article de Robert Sabine publié dans Nature le 25 avril 1878. Dans ses expériences, Sabine utilisé un compteur pour voir les effets de la lumière agissant sur le sélénium connecté dans un circuit à une batterie. Cependant, Bell a estimé qu'en ajoutant un récepteur téléphonique au même circuit, il pourrait entendre ce que Sabine ne pouvait que voir.

En tant qu'ancien associé de Bell, Thomas Watson , était entièrement occupé en tant que surintendant de la fabrication de la Bell Telephone Company naissante à Boston, Massachusetts, Bell a embauché Charles Sumner Tainter , un facteur d'instruments qui avait déjà été affecté à la Commission américaine de 1874 Transit of Venus , pour son nouveau laboratoire 'L' Street à Washington , au tarif de 15 $ par semaine.

Le 19 février 1880, le couple avait réussi à fabriquer un photophone fonctionnel dans leur nouveau laboratoire en attachant un ensemble de grilles métalliques à un diaphragme, un faisceau lumineux étant interrompu par le mouvement des grilles en réponse aux sons parlés. Lorsque le faisceau lumineux modulé est tombé sur leur récepteur de sélénium, Bell, sur ses écouteurs, a pu clairement entendre Tainter chanter Auld Lang Syne .

Lors d'une expérience du 1er avril 1880 à Washington, DC , Bell et Tainter ont communiqué sur quelque 79 mètres (259 pieds) le long d'une ruelle jusqu'à la fenêtre arrière du laboratoire. Puis quelques mois plus tard, le 21 juin, ils réussirent à communiquer clairement sur une distance d'environ 213 mètres (environ 700 pieds), en utilisant la lumière du soleil comme source lumineuse, l'éclairage électrique pratique venant tout juste d'être introduit aux États-Unis par Edison . L'émetteur dans leurs dernières expériences avait la lumière du soleil réfléchie sur la surface d'un miroir très mince placé à l'extrémité d'un tube parlant ; au fur et à mesure que les mots sont prononcés, ils font osciller le miroir entre convexe et concave, modifiant la quantité de lumière réfléchie de sa surface vers le récepteur. Tainter, qui était sur le toit de l' école Franklin , a parlé à Bell, qui était dans son laboratoire en train d'écouter et qui a fait signe à Tainter en agitant vigoureusement son chapeau par la fenêtre, comme cela lui avait été demandé.

Le récepteur était un miroir parabolique avec des cellules de sélénium à son point focal. Mené du toit de l'école Franklin au laboratoire de Bell au 1325 'L' Street, il s'agissait de la première communication téléphonique sans fil formelle au monde (loin de leur laboratoire), faisant ainsi du photophone le premier système de téléphonie sans fil vocal connu au monde , au moins 19 années avant les premières transmissions d'ondes radio parlées. Avant que Bell et Tainter n'aient terminé leurs recherches afin de passer au développement du Graphophone , ils avaient conçu une cinquantaine de méthodes différentes de modulation et de démodulation des faisceaux lumineux pour la téléphonie optique.

Accueil et adoption

Le téléphone lui-même était encore une nouveauté et la radio était à des décennies de la commercialisation. La résistance sociale à la forme de communication futuriste du photophone pouvait être vue dans un commentaire du New York Times d' août 1880 :

L'homme ordinaire... aura un peu de mal à comprendre comment les rayons du soleil doivent être utilisés. Le professeur Bell a-t-il l'intention de relier Boston et Cambridge ... avec une ligne de rayons solaires accrochés à des poteaux télégraphiques , et, si oui, quel diamètre les rayons solaires doivent-ils avoir .... [et] sera-t-il nécessaire de les isoler contre le temps ... jusqu'à ce que (le public) voie un homme parcourir les rues avec une bobine de rayons de soleil n ° 12 sur l'épaule et les suspendre d'un pôle à l'autre, il y aura un sentiment général qu'il y a quelque chose à propos de la vie du professeur Bell photophone qui met à rude épreuve la crédulité humaine.

Cependant, au moment de leur percée en février 1880, Bell était immensément fier de l'accomplissement, au point qu'il a voulu nommer sa nouvelle deuxième fille "Photophone", ce qui a été subtilement découragé par sa femme Mabel Bell (ils ont plutôt choisi "Marian" , avec "Daisy" comme surnom ). Il a écrit avec un peu d'enthousiasme :

J'ai entendu un discours articulé par la lumière du soleil ! J'ai entendu un rayon de soleil rire, tousser et chanter ! ... J'ai pu entendre une ombre et j'ai même perçu à l'oreille le passage d'un nuage à travers le disque solaire. Vous êtes le grand-père du Photophone et je veux partager ma joie de mon succès.

—  Alexander Graham Bell , dans une lettre à son père Alexander Melville Bell , datée du 26 février 1880

Bell a transféré les droits de propriété intellectuelle du photophone à l' American Bell Telephone Company en mai 1880. Alors que Bell avait espéré que son nouveau photophone pourrait être utilisé par les navires en mer et également déplacer la pléthore de lignes téléphoniques qui fleurissaient le long des boulevards animés de la ville, sa conception n'a pas protégé ses transmissions contre les interférences extérieures telles que les nuages, le brouillard, la pluie, la neige et autres, qui pourraient facilement perturber la transmission de la lumière. Des facteurs tels que le temps et le manque de lumière ont inhibé l'utilisation de l'invention de Bell. Peu de temps après son invention, les laboratoires du système Bell ont continué à améliorer le photophone dans l'espoir qu'il puisse compléter ou remplacer les lignes téléphoniques conventionnelles coûteuses . Sa première utilisation non expérimentale est venue des systèmes de communication militaires pendant la Première et la Seconde Guerre mondiale, son principal avantage étant que ses transmissions basées sur la lumière ne pouvaient pas être interceptées par l'ennemi.

Bell a réfléchi à l'utilisation scientifique possible du photophone dans l' analyse spectrale des sources lumineuses artificielles, des étoiles et des taches solaires . Plus tard, il spécula également sur ses possibles applications futures, bien qu'il n'anticipe ni les télécommunications par laser ni par fibre optique :

L'imagination peut-elle imaginer ce que sera l'avenir de cette invention !... Nous pouvons parler par la lumière à n'importe quelle distance visible sans aucun fil de conduction... En science générale, des découvertes insoupçonnées seront faites par le photophone. maintenant.

La poursuite du développement

Ernst Ruhmer à sa station de système téléphonique optique "photo-électrique". (1905)

Bien que les chercheurs de Bell Telephone aient apporté plusieurs améliorations incrémentielles modestes à la conception de Bell et Tainter, les transmissions radio de Marconi ont commencé à dépasser de loin la portée maximale du photophone dès 1897 et le développement ultérieur du photophone a été en grande partie arrêté jusqu'à ce que les expériences germano-autrichiennes commencent au tournant du 20e siècle.

Le physicien allemand Ernst Ruhmer croyait que la sensibilité accrue de ses cellules au sélénium améliorées, combinée aux capacités de réception supérieures de "l'arc parlant" du professeur HT Simon, rendrait le photophone pratique sur de plus longues distances de signalisation. Ruhmer a effectué une série de transmissions expérimentales le long de la rivière Havel et sur le lac Wannsee de 1901 à 1902. Il a rapporté avoir atteint des distances d'envoi dans de bonnes conditions de 15 kilomètres (9 miles), avec un succès égal de jour comme de nuit. Il a poursuivi ses expériences autour de Berlin jusqu'en 1904, en collaboration avec la marine allemande, qui a fourni des projecteurs de haute puissance à utiliser dans les transmissions.

La société allemande Siemens & Halske a augmenté la portée du photophone en utilisant des lampes à arc au carbone modulées en courant qui ont fourni une portée utile d'environ 8 kilomètres (5,0 mi). Ils ont produit des unités commercialement pour la marine allemande , qui ont été adaptées pour augmenter leur portée à 11 kilomètres (6,8 mi) à l'aide de projecteurs de navires à modulation vocale .

Les recherches de l' Amirauté britannique pendant la Première Guerre mondiale ont abouti au développement d'un modulateur à miroir vibrant en 1916. Des cellules réceptrices en molybdénite plus sensibles , qui avaient également une plus grande sensibilité aux rayonnements infrarouges, ont remplacé les anciennes cellules au sélénium en 1917. Les gouvernements américain et allemand ont également travaillé sur les améliorations techniques au système de Bell.

En 1935, la société allemande Carl Zeiss avait commencé à produire des photophones infrarouges pour les bataillons de chars de l' armée allemande , utilisant des lampes au tungstène avec des filtres infrarouges modulés par des miroirs ou des prismes vibrants. Ceux-ci utilisaient également des récepteurs qui utilisaient des cellules de détection de sulfure de plomb et des amplificateurs, augmentant leur portée à 14 kilomètres (8,7 mi) dans des conditions optimales. Les armées japonaise et italienne ont également tenté un développement similaire des télécommunications par ondes lumineuses avant 1945.

Plusieurs laboratoires militaires, dont ceux des États-Unis, ont poursuivi leurs efforts de R&D sur le photophone jusque dans les années 1950, expérimentant des lampes à vapeur à haute pression et à arc au mercure d'une puissance comprise entre 500 et 2 000 watts.

Commémorations

DU DERNIER ÉTAGE DE CE BÂTIMENT
A ÉTÉ ENVOYÉ LE 3 JUIN 1880
SUR UN FAISCEAU DE LUMIÈRE AU 1325 RUE 'L'
LE PREMIER MESSAGE TÉLÉPHONIQUE SANS FIL DE
L'HISTOIRE DU MONDE.
L'APPAREIL
UTILISÉ POUR L'ENVOI DU MESSAGE ÉTAIT LE PHOTOPHONE INVENTÉ PAR
ALEXANDER GRAHAM BELL
INVENTEUR DU TÉLÉPHONE
CETTE PLAQUE A ÉTÉ PLACÉE ICI PAR
ALEXANDER GRAHAM BELL CHAPITRE
PIONNIERS TÉLÉPHONIQUES D'AMÉRIQUE
LE 3 MARS 1947
LE CENTENAIRE DU DR. NAISSANCE DE BELL

Marqueur sur l'école Franklin commémorant le premier procès formel

Le 3 mars 1947, jour du centenaire de la naissance d' Alexander Graham Bell , les Telephone Pioneers of America ont consacré un marqueur historique sur le côté de l'un des bâtiments, la Franklin School , que Bell et Sumner Tainter ont utilisé pour leur premier procès formel impliquant une distance considérable. Tainter s'était initialement tenu sur le toit du bâtiment de l'école et avait transmis à Bell à la fenêtre de son laboratoire. Le marqueur ne reconnaissait pas les contributions scientifiques et techniques de Tainter.

Le 19 février 1980, exactement 100 ans jour pour jour après la première transmission par photophone de Bell et Tainter dans leur laboratoire, le personnel de la Smithsonian Institution , de la National Geographic Society et des Bell Labs d' AT&T se sont réunis à l'emplacement de l'ancien 1325 'L' Street Volta de Bell. Laboratoire à Washington, DC pour une commémoration de l'événement.

La commémoration du centenaire du photophone avait d'abord été proposée par le chercheur en électronique et écrivain Forrest M. Mims , qui l'avait suggérée au Dr Melville Bell Grosvenor , le petit-fils de l'inventeur, lors d'une visite à son bureau à la National Geographic Society. Le groupe historique a ensuite observé le centenaire de la première transmission réussie du photophone en laboratoire en utilisant le photophone de démonstration fabriqué à la main par Mim, qui fonctionnait de la même manière que le modèle de Bell et Tainter.

Mims a également construit et fourni une paire d' émetteurs - récepteurs LED portables modernes alimentés par batterie connectés par 100 yards (91 m) de fibre optique . Richard Gundlach des Bell Labs et Elliot Sivowitch du Smithsonian ont utilisé l'appareil lors de la commémoration pour montrer l'un des descendants modernes du photophone. La National Geographic Society a également monté une exposition éducative spéciale dans son Explorer's Hall, mettant en évidence l'invention du photophone avec des objets originaux empruntés à la Smithsonian Institution.

Voir également

Les références

Notes de bas de page

Citations

Bibliographie

Lectures complémentaires

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Liens externes