1880 júniusában különös, tükörrel felszerelt szerkezetet állítottak fel a washingtoni Franklin iskola tetején. Mintegy kétszáz méterrel távolabb Alexander Graham Bell laboratóriumának ablakánál, telefonhallgatóval várta a jelet. A két pont között nem húzódott vezeték: az emberi hang információját egy napsugárnak kellett átvinnie a városi utcák fölött.

A kísérlet sikerült. Bell munkatársa, Charles Sumner Tainter a jeladóba beszélt, a túloldalon pedig szavai ismét hallható hanggá alakultak. Ez volt az emberi hang vezeték nélküli továbbításának egyik első sikeres példája, évtizedekkel a rádiótelefon megjelenése előtt, amikor még sem lézerek, sem fotodiódák, sem optikai szálak nem léteztek.

A készüléket fotofonnak nevezték el. Nem vált olyan ismertté, mint a telefon, Bell mégis élete egyik legfontosabb eredményének tartotta a beszéd fény útján történő továbbítását.

## Vezeték helyett irányított fénysugár

Bell 1876-ban szabadalmaztatott telefonja a hangot váltakozó elektromos árammá alakította. A rendszer működött, de teljesen rá volt utalva az előfizetőket összekötő fémvezetékre. Bell ennél merészebb lehetőséget keresett: megtartható-e a beszédátvitel elve úgy, hogy a vezetéket irányított fénysugár váltja fel?

Fényt már korábban is használtak kommunikációra. Tükrözött napfénnyel, jelzőlámpákkal és heliográfokkal előre egyeztetett üzeneteket lehetett küldeni. Ezek azonban a Morse-kódhoz hasonlóan működtek: a kezelő kézzel szakította meg a sugarat, különálló felvillanásokat hozva létre. A hang továbbításához viszont a fényt folyamatosan és rendkívül gyorsan kellett változtatni úgy, hogy megmaradjanak a beszéd frekvenciái és hanglejtése.

Ehhez olyan adóra volt szükség, amely a hang ritmusában módosítja a fényt, valamint olyan vevőre, amely a fényerő változásait újra elektromos jellé alakítja.

## A szelén tette érzékelhetővé a fény változásait

A vevő kulcsa a szelén egyik, már az 1870-es években felismert tulajdonsága volt. A fény hatására megváltozik az anyag elektromos ellenállása, így megvilágítva másképp vezeti az áramot, mint sötétben. Ezt a jelenséget ma fotovezetésnek nevezzük.

A maga korában szinte ellentmondásosnak tűnhetett, hogy az elektromos áramkörrel közvetlenül nem érintkező fény szabályozhatja az áramerősséget. Ha a megvilágítás kellően gyorsan változott, az elektromos jel is követte. A fényérzékeny elemet ezért akkumulátorral és telefonhallgatóval kötötték össze.

Bell a fotofont Charles Sumner Tainterrel közösen fejlesztette. Tainter képzett konstruktőr és precíziós műszerek készítésében jártas szakember volt. Ő gyártotta a kísérleti alkatrészeket, tökéletesítette az optikai rendszert, és részt vett a számos adó- és vevőkialakítás kipróbálásában. A fotofon ezért kettejük közös mérnöki munkája volt, nem pusztán a telefon feltalálójának mellékes ötlete.

A korabeli szelénelemek lassan reagáltak, és gyenge jelet adtak, érzékenységük mégis elegendő volt ahhoz, hogy érzékeljék a napsugárban a beszéd hatására létrejövő változásokat.

## A beszéd megrezegtette a tükröt

A legismertebb adóváltozatban vékony, rugalmas tükröt használtak. A napfényt optikai rendszer gyűjtötte össze, majd a tükör fényvisszaverő felületére irányította. A beszélő a tükör hátoldalához vezetett csőbe szólt, a hanghullámok pedig alig észrevehető rezgésbe hozták a felületet.

A levegő nyomása felváltva meghajlította a tükröt, ezzel módosítva a visszavert sugarak irányát. A rezgés egyik szakaszában valamivel több, a másikban kevesebb fény jutott a távoli vevőre. Az emberi szem számára a fényerő állandónak tűnhetett, hiszen a változás másodpercenként több száz vagy akár több ezer alkalommal ismétlődött. A fényérzékeny elem viszont folyamatos jelként érzékelte.

Maga a hang tehát nem a napsugárral együtt haladt. A térben olyan fény terjedt, amelynek intenzitásváltozásai a hanghullám alakjáról hordoztak információt. Ezt nevezzük modulációnak. Az erős hang nagyobb, a halk kisebb változást idézett elő, a rezgés frekvenciája pedig megőrizte a hangmagasságot.

Bell és Tainter korai berendezéseiben átlátszó és átlátszatlan csíkokból álló mozgó rácsokat is alkalmaztak. Ezek beszéd közben elmozdultak, így változó mennyiségű fényt engedtek át, de a tükrös megoldás egyszerűbbnek bizonyult.

## Így lett a fényből ismét hang

A vevőoldalon homorú tükör gyűjtötte össze a nagyobb területről érkező gyenge fényt, és a szelénelemre fókuszálta. Ezt akkumulátorral és telefonhallgatóval együtt elektromos áramkörbe kötötték.

Amikor több fény érkezett, a szelén ellenállása csökkent, az áram erősödött. Kevesebb fény hatására gyengült. Az áramingadozás követte az eredeti hang változásait, a hallgató elektromágnese pedig vékony membránt mozgatott. A fül melletti levegő újra rezgésbe jött, így a hallgató beszédet hallott.

A folyamat egymásra épülő átalakulásokból állt: a hang megmozdította a tükröt, a tükör modulálta a fényt, a szelén szabályozta az áramot, az áram pedig mozgásba hozta a hallgató membránját.

Ugyanez az alapelv ma lézerrel, rezgő tükörrel és mikrofonnal is bemutatható. A hangszóróhoz kapcsolt tükör a hangjelnek megfelelően téríti el a visszavert sugarat, a vevőoldali érzékelő pedig a fény változásait hallható jellé alakítja. A mai alkatrészek jóval használhatóbbak a 19. századi eszközöknél, de az alapgondolat változatlan: a beszédet a fényáram változásai kódolják.

## 213 méteres vezeték nélküli beszélgetés

A fotofon működőképes változata 1880 februárjában készült el Bell laboratóriumában. Az egyik korai kísérlet során Tainter dalt továbbított a modulált fénysugárral, Bell pedig felismerte azt a hallgatóban. A beltéri siker után fokozatosan növelték a távolságot.

A legfontosabb bemutatóra 1880. június 3-án került sor Washingtonban. Az adót a Franklin iskola tetején állították fel, a vevő pedig Bell L utcai laboratóriumának ablakánál volt. A két pontot mintegy 213 méter választotta el. Tainter a napfényt visszaverő készülékbe beszélt, Bell pedig a túloldalon hallotta a hangját.

A távolság ma csekélynek tűnhet, a kísérlet azonban bizonyította, hogy lehetséges vezeték nélkül, valós időben felismerhető emberi beszédet továbbítani. Nem egyezményes felvillanások sorozatáról volt szó, hanem valódi hangátvitelről. Mivel a mai értelemben vett rádiókommunikáció még nem létezett, a fotofon az első olyan készülékek egyike lett, amelyekkel az emberi hang kábel nélkül haladhatott át nyílt téren.

A minőség ugyanakkor gyenge maradt: a jel torzult, a hangerő alacsony volt, és a pontos irányzás is befolyásolta az érthetőséget. A hallgatóból mégsem kódolt jelzések, hanem felismerhető szavak szóltak.

## Miért nem terjedt el a fotofon?

A sikeres bemutató még nem tette alkalmassá a készüléket a mindennapi kommunikációra. Az adó és a vevő között közvetlen rálátásra volt szükség. Egy épület, fa vagy elhaladó fogat is elzárhatta a sugarat. Már a tükör kis elmozdulása is eltérítette a fényt, ezért mindkét berendezést gondosan be kellett állítani.

A legnagyobb gondot az időjárás jelentette. A felhők csökkentették a napsütés erejét, a köd és az eső szétszórta a fényt, a légmozgás pedig remegést okozott a sugárban. Éjszaka teljesen eltűnt a természetes fényforrás. Elektromos lámpák már léteztek, de nem állítottak elő olyan keskeny és erős, irányított fénynyalábot, amilyet később a lézerek biztosítottak.

A telefonvezeték nehézkes megoldásnak tűnhetett, viszont sötétben és rossz időben is működött. Később a rádió nagy távolságokat tett áthidalhatóvá anélkül, hogy két készüléket ennyire pontosan egymásra kellett volna irányítani.

A fotofon túl érzékeny volt ahhoz, hogy korának tömegkommunikációs rendszerévé váljon. Hiányzott a stabil fényforrás, a gyors fényérzékelő, a pontos optika és a külső hatásoktól védett átviteli közeg. A későbbi technológia minden fontos eleme jelen volt már, de teljesítményük még nem tette lehetővé megbízható kereskedelmi termék létrehozását.

## A kísérletekből született a fotoakusztika is

Bell és Tainter a munka során egy még különösebb hatást is felfedezett. Ha a gyorsan megszakított fénysugarat bizonyos anyagokra irányították, azok a szelént használó elektromos áramkör nélkül is hangot adtak. Különösen erősen reagáltak a sötét, jó fényelnyelő felületek.

Az elnyelt energia enyhén felmelegítette az anyagot. A megvilágítás ritmikus változásával együtt a hőmérséklet és a környező levegő nyomása is ritmikusan módosult. Így a fény megszakításával azonos frekvenciájú hanghullám jött létre. A jelenség később a fotoakusztikus hatás nevet kapta.

Az első fotoakusztikus vevőkből nem született használható telefon, a megfigyelés azonban önálló kutatási irányt nyitott. Hasonló fizikai folyamatokat ma gázelemző készülékekben, spektroszkópiában és orvosi képalkotásban alkalmaznak. Rövid fényimpulzusok elnyelése után keletkező hang alapján következtetni lehet az anyag összetételére, illetve a szövetek belső szerkezetét is vizsgálni lehet.

## A modern optikai kommunikáció előképe

Bell nem a fotofon hatótávolsága vagy hangminősége miatt értékelte nagyra a találmányt. A telefon előre kiépített fémvezetéken továbbította a hangot, az új készülék viszont szabadon terjedő sugárzást használt. Ez 1880-ban sokkal merészebb elgondolásnak számított.

A fotofon nem tekinthető a mai optikai szálas kommunikáció közvetlen korai változatának, a rendszerek felépítése mégis hasonló. A forrás fényt állít elő, az adó információval modulálja, az optikai csatorna továbbítja a jelet, a fényérzékelő árammá alakítja, az elektronika pedig helyreállítja a beszédet vagy az adatokat.

A mai hálózatokban a napfényt tükröző szerkezetet lézerek és LED-ek, a szelént gyors félvezető fotodiódák, a nyílt levegőt pedig vékony üvegszál váltotta fel. Az optikai szál magában tartja a fényt, és védi a csatornát a felhőktől, a csapadéktól és a véletlen akadályoktól. Egyetlen fénysugár ma már nem egy beszélgetést, hanem telefonhívások, videók és internetes adatok óriási tömegét továbbíthatja.

A szabadtéri optikai összeköttetések is fejlődnek: lézeres kapcsolatok kötnek össze épületeket, légköri járműveket és műholdakat. Ezek továbbra is pontos célzást és kellően átlátszó közeget igényelnek – ugyanazokat a feltételeket, amelyekkel a fotofon megalkotói is szembesültek.

Bell és Tainter készüléke nem váltotta fel a vezetékes telefont. Történelmi jelentősége abban rejlik, hogy megmutatta: a fény nemcsak látható jelzés, hanem összetett információ teljes értékű hordozója is lehet. A napsugárban sikerült megőrizni az emberi hang ritmusát, magasságát és hanglejtését, jóval azelőtt, hogy az optikai kommunikáció a modern világ egyik alapjává vált volna.