Стеклянный тоннель.

С грохотом поезд промчался в тоннели… Чудные грезы исчезли вдали! Н.А. Морозов

Путешествие продолжается. Наш суперсовременный световой "экспресс", до отказа "набитый" необычными пассажирами — битами, бесшумно влетает в стеклянный тоннель. Но почему в тоннеле темно? Разве наш "экспресс" не озарит все вокруг лучистым светом? Ведь наблюдаем же мы, скажем, при подсветке фонтана, как свет переливается в его струях. И это довольно красивое зрелище. Так куда же пропал свет в световоде?

Все объясняется очень просто. По световоду распространяется… "невидимый" свет. Это может показаться несколько неожиданным, тем более что в рекламных журналах можно увидеть красочные фотографии, на которых свет эффектным веером льется из стеклянных нитей — оптических волокон. Но это так!

— А разве свет бывает невидимым? — спросите вы.

Если быть точным, то следует сказать, что светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длина волны этого излучения заключена, как вы знаете, в интервале 0,4–0,75 мкм. Но часто физики называют светом и невидимые электромагнитные волны, длины которых лежат далеко за пределами этого интервала: 0,01-340 мкм. Академик С.И. Вавилов указывал, что существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы. На память приходит роман Герберта Уэллса, и по аналогии с его героем мы можем сказать — свет-невидимка.

Сейчас в технике связи по оптическим волокнам широко используется длина волны 0,85 мкм, которая находится за пределами зримого диапазона. Чем это вызвано?

Чуть позднее мы ответим на данный вопрос, а пока взгляните на оконное стекло. Вам кажется, что ничего более прозрачного для света придумать нельзя? Однако если сделать из этого стекла тонкую нить и ввести в нее луч лазера (например, гелий-неонового, λ = 0,63 мкм), то окажется, что даже при достаточно короткой ее длине свет настолько ослабится, что не будет излучаться из противоположного торца нити. Значит, обычное стекло не так уж прозрачно, как хотелось бы, и луч в нем, "спотыкаясь", не доходит до финиша. Действительно, пачка из нескольких стекол кажется уже не прозрачной, а зеленой, а торец ее — вообще черным.

Прозрачность стекла зависит от наличия в нем примесей различных элементов. Чем меньше примесей, тем оно прозрачней. При изготовлении световодов из стекла нужно обеспечить очень высокую степень его очистки. Получить сверхчистое стекло удалось в 1970 г. Это сделал инженер американской фирмы "Corning glass company" по фамилии Капрон. Он и его сотрудники изготовили тонкую стеклянную нить очень высокой (по тем временам) степени прозрачности: в такой нити свет на расстоянии в 1 км ослаблялся "всего" в 100 раз.

Дальнейший прогресс в технологии получения сверхпрозрачных оптических волокон позволил уже в 1972–1973 гг. уменьшить ослабление света: теперь на таком же расстоянии он ослаблялся только в 3 раза. В лучших образцах современных световодов, изготовленных из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света на длине 1 км уменьшается всего в 1,05 раза.

Вам интересно, как получают сверхчистое стекло? Это очень трудоемкий процесс. Чтобы иметь о нем хотя бы отдаленное представление, мы расскажем, как делается стекло из кварца.

Знаете ли вы, какие самые распространенные элементы в природе? Правильно, кислород. И еще кремний. В земной коре его 27,6 %. В свободном виде кремний в природе не встречается. Он входит в состав различных соединений, которые попадаются нам на каждом шагу: кварца, песчаника, глины, многих других горных пород и минералов. Свою историю кремний отсчитывает с 1811 г., когда французские химики Ж.Л. Гей-Люссак и Л.Ж. Тенар получили его в свободном виде. Однако они не описали кремний как элемент. Сделал это шведский химик И.Я. Берцелиус в 1823 г. Новый элемент назвали силицием (от латинского слова, обозначающего "кремень").

Кварц — это окисел кремния SiО₂. При температуре выше 1710 °C кварц плавится и переходит в жидкое состояние. Можно было бы варить из кварца стекломассу и затем вытягивать из нее волокно. Однако в данном случае трудно избавиться от примесей и изготовить сверхчистое стекло. Поэтому поступают следующим образом. Сначала получают с помощью химической реакции "газообразный" кварц (или, еще говорят, его газовую фазу), в таком состоянии примесей в кварце почти нет. Затем путем охлаждения осаждают его в твердом виде на внешней или внутренней поверхности цилиндрического стержня. Этот метод так и называют — "химическое осаждение из газовой фазы".

Рассмотрим случай, когда осаждение кварца происходит на внешней поверхности стержня (его называют затравочным).

В горелку наподобие бунзеновской подают газообразную смесь: горючий газ — для создания высокотемпературного пламени; газ в виде соединения кремния с хлором (хлорид SiCl₄) — как основной "держатель акций" кремния; кислород (О₂) — для получения реакции окисления хлорида. В жарком пламени горелки (до 1 600 °C) кремний и кислород воссоединяются и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO₂), а "отделившийся" в самостоятельный газ хлор (2Сl₂) улетучивается через вытяжной колпак.

На расстоянии 15 см от горелки вращается и перемещается вдоль нее затравочный стержень, к поверхности которого и прилипают эти порошкообразные частицы. За 1 мин на стержне осаждается 0,5–1,0 г стекла. После того как толщина слоя стекла достигает нужного размера, процесс останавливают и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что делать дальше?

Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900 °C. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит "схлопывание" (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно. Например, из заготовки длиной 1 м и диаметром 1 см можно вытянуть стеклянную нить диаметром 100 мкм и длиной 10 км.

Конечно, описанный способ изготовления оптического волокна не единственный. И материалы для него используются разные, не только кварц. Мы ограничились описанием (да и то в самых общих чертах) процесса, разработанного американской фирмой "Coming glass company", чтобы читатель смог составить представление о технологии производства прозрачных стекол для световодов.

И все же как ни стараются сделать стекло сверхчистым, свет в нем ослабляется. Происходит это по двум причинам: свет рассеивается за пределами стеклянной нити и поглощается в ней молекулами и атомами "вредных" примесей, находящихся в стекле. Установлено, что рассеяние света зависит от длины волны передаваемого излучения. Чем короче длина волны, тем выше рассеяние света.

Помните, в нашем мысленном эксперименте мы заставляли линейку вибрировать и излучать электромагнитные колебания разных частот? Вы, вероятно, обратили внимание, что по мере увеличения частоты мы попадали сначала в область инфракрасного излучения, затем — видимого, а потом — ультрафиолетового и т. д. Так вот, рассеяние ультрафиолетовых лучей намного больше, чем видимых, а рассеяние последних в несколько раз выше, чем инфракрасных. Но вместе с тем инфракрасные лучи гораздо интенсивнее поглощаются веществом стекловолокна.

Если посмотреть на график ослабления света в стеклянном волокне, построенный для различных длин волн, то на нем можно увидеть так называемое "окно прозрачности", в котором ослабление сравнительно небольшое. Запомним это.

Следует сказать, что в технике связи ослабление измеряют обычно не в "разах", а в специальных единицах — "белах" (в честь изобретателя телефона А.Г. Белла). Чтобы получить "белы", нужно прологарифмировать "разы". Эти единицы особенно удобны, когда речь идет об ослаблении в огромное число раз. Например, если ослабление в "разах" составляет миллион, то в "белах" — это всего 6 (надеемся, вы не забыли, что lg 1000000 = 6). Ослаблению в 1000 раз соответствует 3 Б (снова напомним, что lg 1 000 = 3). Дальше все понятно: 100 раз — это 2 Б, 10 раз — 1 Б. Перевод в белы величины "3 раза" даст 0,5 Б, а величины "1,05 раза" — 0,02 Б. Для практики бел — слишком крупная единица, поэтому чаще используют более мелкую — децибел (1 Б = 10 дБ подобно тому, как 1 м = 10 дм). Децибелы многим знакомы: соответствие производственного или уличного шума санитарным нормам устанавливается в децибелах. Рев двигателя самолета на старте — 100 дБ, шумная улица — 90 дБ, громкий разговор — 70 дБ, шелест листьев — 10 дБ. Как видим, громкий разговор действует на уши с интенсивностью звука, в 1 000 раз меньшей, чем взлетающий лайнер.

Таким образом, и завоевания в области прогрессивных стеклотехнологий можно в полной мере оценивать децибелами (на сегодня ослабление света, или потери его интенсивности, в волокне составляет 0,2 дБ/км).

Однако взглянем еще раз на "окно прозрачности". Оно охватывает длины волн, расположенные в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (0,85-1,8 мкм), т. е. в области "невидимого" света. Правда, внутри "окна" для некоторых излучений (0,95; 1,24; 1,39 мкм) наблюдаются всплески ослабления. Это вызвано тем, что колебания света "попадают в такт" (в резонанс) с колебаниями ионов "вредных" гидроксильных групп ОН — непрозрачной компоненты стекла, от которой, как правило, не удастся избавиться даже при изготовлении сверхчистых стекол. Возникает резонансное поглощение света ионами этих групп (вероятно, вам известна история о том, как полк солдат, дружно шагавших "в ногу" по мосту, "попал" в резонанс с его собственными колебаниями и был "поглощен" рухнувшим в реку мостом).

Теперь становится понятным, почему в световодах предпочитают иметь дело с волнами невидимого света, за исключением, конечно, тех волн, которые сильно поглощаются.

— Но ведь в этом случае свет, излучаемый лазером, должен быть также "невидимым", а не красным, как это было в рубиновом или гелий-неоновом лазере? — воскликнет нетерпеливый читатель, опережая наши намерения рассказать и об этом.

Разумеется, при организации световодной (или, по-другому, волоконно-оптической) линии связи от данных лазеров придется отказаться. Для такой линии больше подойдет лазер на кристалле граната (официальное его название — лазер на алюмоиттриевом гранате с присадкой неодима), излучающий лучи-невидимки с длиной волны 1,064 мкм. Работает гранатовый лазер так же, как и рубиновый. Впрочем, есть одно отличие: "лампой" накачки здесь служит обычный светодиод (выше как-то упоминалось о полупроводниковых диодах, излучающих свет), помещаемый в торце кристалла граната.

Однако от услуг твердотельных лазеров, а кроме гранатового известны несколько их типов, при проектировании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) предпочитают все же отказываться. Посудите сами, лазер с его большими габаритами выглядит этаким "динозавром" по сравнению с тоненькой нитью оптического волокна. Его трудно стыковать с волокном. Это напоминает ситуацию, когда с помощью 25-тонного самосвала пытаются засыпать маленькую канавку. Кроме того, твердотельные лазеры довольно неэкономичны: на каждый милливатт мощности излучения они требуют 2–3 мВт мощности от внешнего источника питания. Дорогое и неэкономичное, согласитесь, удовольствие. Наконец, чтобы "пересадить" биты на луч лазера, к нему надо "приделать" электрооптический затвор — модулятор.

Что же предлагают ученые взамен? Лазеры, но только полупроводниковые. Напомним, что в свое время в радиосвязи полупроводниками были вытеснены электронные лампы. Позже и в оптической связи настал черед твердотельных лазеров "уступить дорогу" более современным их собратьям.

Полупроводниковый лазер появился в 1970 г. Предложил его И. Хаяси — специалист американской фирмы "Bell telephone laboratories". Современная технология позволяет делать такие лазеры очень миниатюрными. Любопытен факт, когда однажды сотрудники одной лаборатории несколько часов подряд искали полупроводниковый лазер, который кто-то нечаянно уронил на пол. Найти иголку в стоге сена было намного легче. Не удивляйтесь! Выполненный в виде монолитного кристалла, он имел размеры (без корпуса), не превышающие 0,4 мм. Этот лазер можно соединять встык с волоконным световодом.

Существует еще один полупроводниковый прибор, который излучает свет. Мы несколько раз упоминали о нем. Это светодиод. Правда, в отличие от лазера он излучает не узконаправленный, а рассеянный свет (конечно, вы помните, что речь идет о "невидимом" свете с длинами волн 0,8–1,6 мкм, соответствующими ближнему инфракрасному излучению). Светодиод имеет малые размеры, долговечен, не требует больших расходов энергии на излучение, а самое главное — стоит очень дешево. Последнее обстоятельство, по-видимому, в значительной мере и предопределило широкое использование наряду с полупроводниковыми лазерами светодиодов. Что-что, а считать деньги в наше время умеют.

— Как же так, — воскликнет читатель, — несколько раньше авторы утверждали, что на основе обычной электрической лампочки невозможно построить линию оптического телеграфа: никакая оптическая система не сможет собрать ее свет в один луч, и здесь же предлагают использовать такой же источник рассеянного света, хотя и очень миниатюрный?

Дело в том, что ранее речь шла об атмосферной оптической связи, где свет, сильно поглощаясь, просто не доходил до светоприемника. Но иное дело, когда для передачи света используется световод. Тут важно, чтобы все излучение попадало в волокно и как можно меньше рассеивалось в нем при распространении. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300000 км/с в вакууме. Отношение с/v обозначили буквой n и назвали показателем преломления света в веществе. По разве можно сломать световой луч? Оказывается, можно. Опустите в стакан с водой ложку. На границе раздела между воздухом и водой ложка покажется вам сломанной. Это случилось потому, что на границе воздуха и воды световые лучи из-за разных скоростей распространения (в воде скорость в 1,33 раза меньше, чем в воздухе) преломились.

Итак, когда луч света попадает на границу раздела двух веществ с показа гелями преломления n₁ = с/v₁ и n₂ = с/v₂ (у воздуха этот показатель равен 1), возникают отраженный луч (помните, "угол падения равен углу отражения"?) и преломленный луч. Первый, отражаясь от границы, остается в веществе, а вот второй выходит за его пределы. Для вещества это — потери, рассеяние света.

В оптике существует формула, по которой, зная показатели преломления n₁ и n₂ веществ и угол θ падения (отражения) луча, можно найти, под каким углом θ_пр он преломляется:

Конечно, при передаче света по волокну хотелось бы, чтобы свет только отражался от границы и не рассеивался за пределы вещества в виде преломленных лучей. Это начинает происходить с того момента, когда угол θ_пр достигает 90°: наступает полное отражение. Приведенная выше формула позволяет вычислить, под каким углом луч должен при этом падать на границу раздела веществ. Например, волокно из стекла с показателем n₁= 1,46, помещенное в воздухе (n₂ = 1), будет полностью отражать те световые лучи, которые^-попадают на его боковую поверхность под углом в θ > 45°.

Не следует забывать, что свет вводят в торец волокна. Здесь картина иная: на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломленный его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью отражаться от боковой поверхности. Возникает вопрос: под каким же углом надо вводить луч в волокно? Так вот, оказывается, что в стеклянных волокнах, показатель преломления которых равен или больше 1,46, все световые лучи, попадающие на торец, направляются вдоль волокна и рассеяния света не происходит. К ним относятся и волокна из кварцевого стекла, показатель преломления которого как раз равен 1,46.

Однако "голые" волокна в оптических кабелях не используются. И вот по какой причине. Для сохранения оптических свойств волокна в условиях эксплуатации необходимо защищать его поверхность от влаги и от истирания во время операций намотки и изготовления кабеля. Кроме того, голые стеклянные волокна при образовании на их поверхности микротрещин могут самопроизвольно обрываться, что связано с концентрацией механических напряжений на поверхности волокна. Поэтому стеклянную нить помещают внутрь защитного пластмассового покрытия. Чтобы не нарушить условия распространения световой волны в волокне (ведь пласт масса — это не воздух), его делают из двух слоев стекла: внутренний слой образует сердцевину волокна, а внешний слой является оболочкой. Показатель преломления оболочки делают ниже показателя преломления сердцевины, так что практически все световые лучи распространяются внутри сердцевины.

Сделать двухслойное волокно с различными показателями преломления не так уж сложно. Когда на затравочном стержне наращивают слой кварцевого стекла, в нужный момент (т. е. при получении его толщины, соответствующей сердцевине волокна) в газовую смесь, подаваемую в горелку, добавляют присадки, которые изменяют показатель преломления следующего слоя — оболочки. Таким путем можно получить и волокно, состоящее из нескольких слоев с различными показателями преломления.

Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке (или к оболочкам, если их несколько), назвали ступенчатыми.

Обычно показатели преломления сердцевины и оболочки различаются незначительно. Например, если показатель преломления сердцевины n₁ = 1,465, то показатель преломления оболочки n₂ = 1,460. Расчет по приведенной ранее формуле показывает, что в сердцевину войдут не все лучи, а только те из них, которые подходят к торцу под небольшим углом. Если к тому же сделать сердцевину очень тонкой, скажем 5-10 мкм (это тоньше человеческого волоса), то по ней сможет распространяться всего один луч или, говорят, одна мода. Весь же волоконный световод вместе с оболочкой имеет стандартный диаметр — 125 мкм. Называется он одномодовым и в него лучше направлять острый луч полупроводникового лазера, так как рассеянный поток света от светодиода ввести в тонкую сердцевину очень трудно.

На практике широко применяются также волокна с толстой сердцевиной (50–80 мкм), внешний их диаметр оставляют неизменным (125 мкм). С такими световодами могут уже без особых сложностей "работать" недорогие и изготавливаемые в массовом количестве светодиоды. В связи с тем что в толстую сердцевину волокна может войти (и будут распространяться по ней) сразу много лучей (или мод), а не один, как в одномодовом волокне, световод такой конструкции получил название многомодового.

У читателя может сложиться впечатление, что использовать многомодовое волокно гораздо выгоднее, чем одномодовое: и высокая точность изготовления сердцевины не требуется, и дорогостоящий источник света — полупроводниковый лазер — не нужен, и меньшие сложности возникают при соединении волокон друг с другом и волокна с источником (можно обойтись без специальных разъемов, изготовленных с очень высокой точностью и потому стоящих баснословные деньги). Однако это не так. У многомодовых светодиодов есть один существенный недостаток, сводящий на нет все их преимущества. Но прежде чем сказать о нем, посмотрим, как "вводятся" в световой поток биты информации.

Напомним, что модуляция света в открытых оптических линиях связи, использующих мощные лазеры, осуществлялась с помощью специальных электрооптических затворов — ячеек Керра или Поккельса. Преобразованные в импульсы биты управляли прозрачностью затвора: передается 0 — затвор закрыт; передается 1 — затвор открыт — и луч света вырывается в пространство.

Полупроводниковым источникам — лазеру и светодиоду — не нужен электрооптический затвор. Интенсивностью излучения здесь можно управлять с помощью тока, подводимого к полупроводнику. В лазерах управляющий ток называют током накачки (чтобы лазер '’засветился*', он должен превысить несколько сотен миллиампер), а в светодиодах — током возбуждения (мощность излучения последних плавно растете увеличением тока).

Теперь ясно: чтобы вызвать излучение источника, нужно в качестве управляющего тока использовать информационные импульсы. Есть импульс тока (передача 1) — "вспыхивает" импульс света; нет импульса тока (передача 0) — нет и излучения.

Импульсные вспышки света на приемном торце световода регистрируются знакомым нам "фотоглазом" — фотоэлементом. Только сделан он тоже из полупроводника и называют его фотодиодом.

А сейчас мы можем вернуться к недостатку многомодового волокна. Представьте, что по такому волокну передаются импульсы с очень высокой скоростью, например 1 Гбит/с (миллиард бит в секунду). Каждому импульсу соответствует очень короткая вспышка света длительностью 1 нс (миллиардная доля секунды — ее трудно себе даже представить!). Так должно быть. И так было бы, если бы вдоль волокна распространялся всего один луч. Но в многомодовом волокне распространяется много лучей: один из них проходит более короткий путь — вдоль оси сердцевины, а другие, которым приходится отражаться от боковой поверхности бесконечное число раз, — самый длинный путь. И эта разница в пути возрастает с увеличением длины волокна. За счет опоздавших к "выходу на сцену" лучей световой импульс "размажется" во времени. Сложится такая ситуация: уже давно пора передавать следующий импульс, а еще не "погасли" вспышки света от предыдущего. Наступит невообразимая мешанина. Чтобы этого не случилось, придется уменьшать скорость передачи до тех пор, пока вспышки света не будут четко отделены одна от другой интервалами времени.

Ограничение скорости передачи цифровой информации — вот основной недостаток многомодовых световодов, а роскоши "не торопиться" наш век себе позволить не может. Предельная скорость передачи по ним — 20 Мбит/с. Зато по одномодовым световодам можно "гнать" информацию со скоростью 100 Гбит/с, т. е. в 5 000 раз быстрее.

Для того чтобы реализовать достоинства многомодовых световодов и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, ученые предложили делать эти световоды не ступенчатыми (т. е. не со скачкообразным изменением показателей преломления сердцевины и оболочки), а, как говорят специалисты, градиентными — с плавным изменением показателя преломления сердцевины от одного края до другого. Такой "маневр" позволяет в какой-то мере выровнять время хода различных лучей и уменьшить "размывание" (специалисты сказали бы: дисперсию) световых импульсов. Скорость передачи по таким волокнам возрастает по сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т. е. до 2 Гбит/с. При изготовлении градиентных волокон нужно следить за тем, чтобы количество присадок в газообразной смеси горелки, "отвечающих" за показатель преломления, при осаждении слоя сердцевины непрерывно менялось по нужному закону.

Итак, вы познакомились с различными типами оптических волокон. Но волокна не применяются отдельно. Их объединяют в оптические кабели. Мы оставим в стороне подробности их многообразных конструкций — на эту тему много написано популярных книг и брошюр. Скажем лишь, что по внешнему виду они очень похожи на электрические кабели и могут содержать от одного до нескольких сотен волокон.

Оптические кабели ни в чем не уступают электрическим! Их можно прокладывать в земле и под водой, подвешивать на опорах, протягивать в кабельных канализациях. Они легко изгибаются — световоды не ломаются даже тогда, когда радиус изгиба очень мал, меньше 1 см; прочны на разрыв — само волокно из-за его однородности оказалось крепче стальной струны того же диаметра, да и в кабель вводятся специальные упрочняющие (армирующие) элементы; хорошо защищены от влаги и сырости — иначе бы стекло помутнело и изменило свои оптические свойства.

Оптические кабели во многом превосходят электрические! Они имеют большую пропускную способность. При одинаковой же пропускной способности они в 5–6 раз тоньше и в 10 раз легче электрических. Оптическим кабелям не страшны удары молний, их не разъедает коррозия; на них не влияют ни радиостанции, ни электропоезда, ни трамваи, ни метрополитен; в них не рождаются взаимные помехи. А сколько дефицитной меди экономят эти кабели! Между тем запасы кварцевого стекла в природе практически не ограничены. Без риска ошибиться предречем: за ними будущее.

Сейчас оптические кабели каждый день находят новые применения: связывают между собой города и континенты, соединяют АТС разных районов одного города, приходят в квартиры жителей. В скором времени любой из нас сможет передавать из своего дома не только речевые сообщения, но и компьютерные данные, и даже видеоизображения. Доступ к базам данных, электронным музеям и библиотекам, покупка товаров по кабельному телевидению, организация деловых телеконференций — все эти услуги помогут предоставить пользователю оптические кабели.

Ну, что же, наше небольшое путешествие в увлекательный мир электричества, радиоволн и света подошло к концу. Пусть наши неутомимые пассажиры — биты — совершают свои ближние и дальние "круизы" по медным рельсам, космическим радиомостам, стеклянным тоннелям, а мы с вами задержимся и побродим немного по станции, где формируются потоки этих неугомонных пассажиров. Здесь ведь тоже так много интересного!