Моделирование процесса

сумел передать на некоторое расстояние изображение буквы «V» без использования линзы зеркал. Однако, узнав о работах Ханселла, Ламм забросил свою работу.

И у Ханселла, и у Ламма свет проходил плохо, поскольку проникал за пределы волокна и быстро рассеивался. Решение пришло в начале 50-х годов ХХ столетия. Профессор Абрахам ванн Хеел в Нидерландах (Демфитский технологический университет) работал над созданием гибкого перископа по заданию голландской разведки. Чтобы уменьшить рассеяние света, он решил использовать покрытие. Однако сделал его из серебряной фольги, рассчитывая на хорошие зеркальные свойства металла. Увы, серебро хорошо поглощает свет, и при многократном отражении луч быстро превращался в ничто. Профессор Брайен О’Брайен посоветовал использовать альтернативный вариант – покрытие из прозрачного материала с меньшим показателем преломления. И это сработало: кабель из 400 волокон, каждый в оболочке из прозрачного пластика, передал изображение на полметра.

Тем временем аналогичного результата добились англичанин Гарольд Хопкинс (Лондонский Королевский колледж) и его аспирант Н.С. Капани. Через кабель, состоящий из 20 тысяч стеклянных волокон, они передали на расстояние в метр изображение слова «glass». Статьи А. ванн Хеела и Г. Хопкинса с Н.С. Капани вышли в одном номере журнала «Nature» за 1954 год, и с этого дня отсчитывается история волоконной оптики. Говорят, что сам английский термин «fiber optics» принадлежит доктору Капани. В 2010 году ему исполнилось 82 года и он продолжает заниматься изобретательством в Сан-Франциско. Его достижения отмечены многими премиями, его имя, как отца волоконной оптики, значится на стене изобретателей в Массачусетском технологическом университете.

Итак, к середине 50-х годов ХХ столетия стало ясно, что изображение можно передать на расстояние около метра по оптическим волокнам с покрытием. А кто предложил передать по

61

ним не изображение, а закодированную информацию? Японцы уверены, что это сделал профессор Дзуити Нисидзава в Сендай (университет Тохоку). Он покрыл волокно градиентным (то есть с переменным показателем преломления по толщине) покрытием. (Понятия о свойствах таких сред даны в главе 5.) Д. Нисидзава послал по такому волокну сигнал полупроводникового лазера, который и поймал с помощью фотодиода. Эта работа была начата в конце 50-х годов и закончена в 1964 году. В университетском дворике стоит памятник, подтверждающий, что оптоволоконная связь была изобретена именно здесь.

4. Потери света в диэлектрическом волокне

Какой материал следует выбрать и как его приготовить, чтобы луч смог преодолеть многие километры, не затухая, то есть чтобы коэффициент α имел очень малое значение? Именно потери из-за поглощения света в материале диэлектрического волокна играют главную роль, и на их сокращении надо сосредоточиться. Для создания системы оптической связи нужен материал, во-первых, недорогой, во-вторых, изготавливаемый в большом количестве в виде достаточно тонких волокон, чтобы оставить одну моду световой волны. Первоначально такими материалами были волокна из полимеров и кварцевого стекла. В них работают два механизма потерь: рассеяние света на инородных включениях и поглощение за счет возбуждения тех или иных молекулярных и электронных механизмов. Работа этих механизмов зависит от длины волны излучения.

В области от 100 до 1 мкм существует множество резонансов, связанных с вращением или внутренними колебаниями молекул. Поэтому поглощение в этой области для большинства материалов весьма велико. С другой стороны, в области 100– 300 нм существует множество резонансов с электронной подсистемой, что также обеспечивает большое поглощение. Следовательно, область длин волн излучения, пригодных для оптово-

62

локонной связи (1–0,3) мкм. Иначе говоря, это ближний инфракрасный и видимый диапазон. Кроме этих резонансов поглощения, в полимерных волокнах большое значение имеют микронные частицы пыли, а в высококачественных кварцевых стеклах – ионы примесей, и прежде всего, железа. Причем у ионов двухвалентного железа середина полосы поглощения приходится на длину волны 1 мкм, а у трехвалентного – на 0,4 мкм. Если снизить содержание двухвалентного железа до одной части на миллион, то затухание света из-за поглощения упадет до 20 дБ на 1 км. Другими словами, пройдя километр по такому волокну, свет станет слабее в 100 раз. Лучшие кварцевые волокна 1966 года давали затухание 200 дБ/км, а полиметилкрилатные – 600 дБ/км. Поэтому рассчитывать на передачу информации по ним на значительные расстояния не приходилось. Однако прогресс в создании чистых стекол позволял надеяться на снижение содержания железа и получение кварцевого стекла с затуханием не более 20 дБ/км на свете с длиной волны 0,6 мкм.

5.Оптоволоконная связь реальна

В1965 году Ф.Н. Стил и Р.У. Дуглас экспериментально по-

казали, что можно создать материал с низким поглощением и можно осуществить оптоволоконную связь на большие расстояния. Окончательно это доказали, теоретически и экспериментально, Чарльз Као и Джордж Хокхэм (в то время в британ-

ской компании «Standart Telecommunication Laboratories Ltd»)

в 1966 году. Через несколько лет американская компания «Corning Glass Works» методом химического осаждения из пара сделала первое сверхчистое стекловолокно. Это не было случайным эффектом: компания еще в 30-х годах прошлого столетия научилась получать тонкие и гибкие стекловолокна и плести из них стеклоткань, положив основу промышленности композиционных материалов.

Сейчас сверхчистые заготовки для стекловолокна делают, сжигая в атмосфере кислорода тетрахлорсилан. При этом полу-

63

чается двуокись кремния, которая осаждается на внутренней стенке реактора – кварцевой трубки, и хлор, улетающий из зоны реакции. По завершении процесса трубку с осевшими слоями двуокиси кремния нагревают, сплющивают, превращают в заготовку и затем из нее вытягивают волокно.

Всередине 70-х годов ХХ века оптический кабель вступил

вэксплуатацию. В итоге доктор Као получил Нобелевскую премию по физике в 2009 году. Засекреченность самих работ и ученых, их выполнявших, в Советском Союзе не позволяет ни в какой мере отразить их роль в создании оптоволоконной связи. Но это не значит, что такие работы не проводились в СССР. Напомним общеизвестный факт, что в СССР первый оптический кабель был сделан в Горьковском институте химии особо чистых веществ. К 1974 году удалось выявить все мешающие примеси, избавиться от них и в 1978 году получить опытную партию кабеля, с помощью которой проложили линию связи из Зеленограда в Москву. Но дальше этого эксперимента дело не пошло. Почему? Да потому, что помимо кабеля для создания протяженных оптоволоконных сетей нужно еще так называемое концевое оборудование. Это всевозможные кодировщики, декодировщики сигналов и коммутаторы. А еще нужны усилители.

Напомним, что рекордно малые потери составляют ныне 0,16 дБ/км на длине волны 1,55 мкм. Иными словами, сигнал затухает, амплитуда уменьшается в 2 раза, пройдя 18 км. Значит, через сотню-другую километров надо ставить станцию по усилению и переизлучению сигнала. А без этого получится красивая игрушка для создания локальной сети. Усилители, а именно стекловолокно с добавками эрбия – такая же неотъемлемая часть глобальных оптоволоконных сетей, как сам оптоволоконный кабель. Более того, без них никакой глобальной оптической сети связи сейчас попросту не было бы.

64

Вопросы для самоконтроля

1.Почему нужно уменьшать диаметр оптического волно-

вода?

2.Зачем необходимо покрытие оптического волновода?

3.Каким свойством должен обладать слой покрытия во-

локна?

4.Какова низшая гибридная мода для оптического волно-

вода?

5.Чем обусловлен выбор волны HE1 в качестве низшей

моды?

6.Чем обусловлены потери энергии световой волны в диэлектрическом волокне?

7.Зачем нужны вдоль линии оптоволокна станции по усилению и переизлучению сигнала?

67