Оптоволокно: прошлое и настоящее
В 1966 году ученый и выходец из Китая Чарльз Као Куэн представил миру результаты собственного исследования. Основной посыл его разработок заключался в том, что оптическую связь можно организовать с помощью стеклянного волокна. В своей работе Као представил миру уникальные конструктивные особенности волокна и его материалов. Исследования ученого можно по праву считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Первое же упоминание термина “оптическое волокно” впервые было использовано в 1956 году компанией NS Kapany из США.
Сегодня технологии волоконно-оптической связи настолько прочно проникли в нашу жизнь, что мы уже не видим в них ничего удивительного и воспринимаем их наличие также, как наличие водопровода в многоквартирном доме. Поэтому в этой публикации хотелось бы подробнее поговорить об оптике и рассказать несколько интересных фактов о технологии, на которой основана современная высокоскоростная связь.
Немного истории
За время истории развития волоконной оптики было проведено множество интересных исследований и экспериментов. Остановим свой взгляд лишь на некоторых из них.
Английский физик Джон Тиндалл провел эксперимент с отражением светового луча в струе воды, описание которого он зафиксировал в своей книге.
«Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух… Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27», для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42″, — пишет Тиндалл.
Экспериментальная установка Джона Тиндалла
Этот эксперимент при желании может дома поставить любой желающий. Лазерной указкой нужно светить под разными углами в ванной на струю воды из крана. Под определенным углом световой луч будет полностью отражаться в потоке воды.
Аналогичный эксперимент можно произвести и с фонариком. Для этого в прозрачной пластиковой бутылке нужно сделать отверстие сбоку. Пропускаем воду через бутылку и начинаем светить фонарем с противоположной стороны бутылки. Если мы подставив ладонь, то на ней будет отражаться пятно света.
Активные разговоры о волоконных светодиодах начались еще в пятидесятых годах прошлого столетия. Тогда же и начали их делать из разного рода прозрачных материалов. Но прозрачности тех материалов не хватало для хорошей проводимости света.
В те годы Советский Союз даже опережал Запад в сфере волоконной оптики. Первая оптическая линия связи была запущена в СССР в 1977 году в Зеленограде. Канал был создан для соединения Северной промзоны и администрации города. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года в СССР вышло Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». Это событие стало толчком для развития волоконно-оптической связи и увеличению количества разработок в этой сфере.
В начале 60-х сначала в СССР, а затем и на Западе ученые приходят к выводу, что светопоглощение стекла сильно зависит от красящих материалов и продуктов разъедания огнеупоров. Экспериментально было доказано, что светопоглощение идеально чистого стекла настолько мало, что лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.
В 1966 году группа ученых во главе Чарльзом Куэн Као приходит к выводу, что наиболее подходящим материалом для волоконно-оптической связи будет кварцевое стекло. Уже тогда Као считал, что с помощью оптики можно будет передавать информацию и вскоре этот вид связи заменит передачи сигнала по медным проводам.
Спустя три года Као получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км. Это результат стал первым экземпляром сверхпрозрачного стекла. Еще год спустя компания Corning Incorporated произвела волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 километров.
Согласитесь в схожем темпе сейчас развивается квантовая передача данных. По чуть-чуть, да понемногу. В качестве экспериментов и коммерческого использования на небольших расстояниях.
Где оптоволокно применяется помимо телекома
Сегодня волокно применяется во множестве отраслей помимо телекома. Это рентгеновские аппараты, где оно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием. Так персонал и пациенты получают изоляцию от высоковольтной части аппаратуры. Волокно применяют в распределительных устройствах электроподстанций в качестве датчика системы защиты.
Обширно оптические волокна используют в разного рода измерительных системах, где невозможно применять традиционные электроприборы. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.
Сегодня применяются гироскопы на основе оптического волокна, которые работают на основе эффекта Саньяка. У такого гироскопа нет подвижных частей, что делает его весьма надежным. Несмотря на то что в современных системах навигации используется огромное количество различных датчиков, благодаря которым определяется положение объекта, наиболее независимую систему можно создать лишь на основе волоконно-оптических гироскопов.
Оптика широко применяется в охранной сигнализации. Устроена такая охранная система следующим образом: когда злоумышленник проникает на территорию условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Пример реализации волоконно-оптического гироскопа
Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор
Волокно активно используется в декоративных целях, как украшение праздников, в искусстве и рекламе.
Постоянно разрабатываются новые типы оптических волокон. К примеру, фотонно-кристаллических световоды. Распространение света в них основано на несколько иных принципах. Такое волокно можно использовать в качестве жидкостных, химических и газовых датчиков. Кроме того его можно применять для для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях.
Уже не в новинку волоконные лазеры с выходной мощностью непрерывного излучения в несколько десятков киловатт. Оружие на основе 6-волоконных 5.5 кВт лазеров еще в 2014 году испытали в американском флоте. Волоконным лазерами режут металл и бетон. Например, установка для резки металла компании IPG Photonics имеет мощность в 100 кВт.
Полным ходом идет разработка оптоволокна, с помощью которого можно было бы передавать энергию лазерного излучения мощность в несколько киловатт. В теории передача излучения мощность 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм считается возможной.
Фотонно-кристаллическое волокно
Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
Волокну уже за пятьдесят, но технология явно не собирается на пенсию. Инновации в сфере оптоволокна появляются регулярно и телеком здесь далеко не единственная отрасль заинтересованная в развитии технологии.
День рождения оптоволокна
На сегодняшний день остается неразрешенным вопрос: «Какую дату по праву можно считать днем рождения оптоволокна?». Быть может день, когда был сформулирован Закон Снеллиуса, описывающий преломление света на границе двух сред (984 г.)? Или день, когда немецкий математик, астроном и оптик Иоганн Кеплер впервые описал закон полного внутреннего отражения (1600 г.)? Или, когда швейцарский физик Даниэль Колладон и французский физик Жак Бабине впервые продемонстрировали отражение светового луча в струе воды, показав, таким образом, возможность передачи светового луча в заданном направлении (1840 г.)? Или может, когда Норманн Р. Френч изобрел оптическую телефонную систему, в которой речевые сигналы могли передаваться через сеть оптических линий, изготавливаемых из стержней чистого стекла (1934 г.)?
Хотя закон назван в честь голландского астронома Виллеброрда Снеллиуса (1580-1626), он был впервые точно описан ученым Ибн Сахль в 984 г.
Напомним, что Кеплер также является первооткрывателем законов движения планет Солнечной системы.
Рис. 1 Оптическая телефонная система Норманна Френча
Несомненно, каждое из этих открытий является важным событием для волоконной оптики, однако, наверное, все-таки самые значимые исследования в этой области произвел Чарльз Као Куэн – ученый родом из Китая. Сегодня он позиционируется уже как китайский, британский и американский ученый, автор ключевых исследований в области разработки и практического применения волоконно-оптических технологий, значительно повлиявших на развитие индустрии телекоммуникаций. Вообще Као скромно называют «Отцом оптоволоконной связи». В 2009 году ему присудили половину Нобелевской премии по физике за «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи». Стоит отметить, что другая половина премии досталась Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту, которые изобрели ПЗС-матрицы.
В 1966 г. Као представил результаты своего исследования в IEE (не путайте с международной ассоциацией IEEE, IEE – это Британская организация Institution of Electrical Engineers). Основная идея отчета научной работы Као состояла в возможности организации оптической связи с помощью стеклянного волокна (новизна идеи, в первую очередь, заключалась в представленных конструктивных особенностях волокна и его материалов). Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи по праву можно считать основой волоконно-оптических телекоммуникаций сегодняшнего дня. Таким образом, если считать данную работу Као началом становления и развития современной эпохи волоконно-оптической связи, то у оптоволокна в этом году юбилей – ему исполнилось 50 лет!
Однако, впервые термин fiber optic (оптическое волокно) было использовано Американской компанией NS Kapany в 1956 г. Если это событие считать днем рождения волокна, то получается другая круглая дата – волокну 60 лет!
То, что сегодня мы считаем само собой разумеющимся, в том числе высокоскоростной Интернет, межконтинентальная связь и даже мобильные сети – все, так или иначе, связано с оптоволоконными линиями связи. В этом нет ничего удивительного, ведь оптическое волокно сегодня по праву можно считать самым совершенным видом линий связи. ВОЛС обеспечивают более высокую пропускную способность при значительно меньшей стоимости на более большие расстояния, в сравнении со всеми другими линиями, будь то коаксиальный кабель, радиорелейные или спутниковые линии связи.
Интересные факты из истории волоконной оптики
Стоит отдать дань уважения всем исследователям, повлиявшим на развитие сферы волоконной оптики – в какой-то степени благодаря им сегодня мы имеем развитый высокоскоростной Интернет и можем общаться на данном форуме. Сейчас мы не ставим перед собой цель освятить всю историю становления волоконно-оптической связи, а рассмотрим лишь наиболее интересные с нашей точки зрения моменты.
Эксперимент с отражением светового луча в струе воды немного позднее Колладона и Бабине проводил английский физик Джон Тиндалл. Он досконально изучил данное явление, и вот что он записал в своей книге: «Если угол, под которым падает луч света из воды в воздух (т.е. угол между поверхностью двух сред и перпендикуляром), превышает 48 градусов, то луч не выходит из воды – он полностью отражается от границы вода-воздух. Если наименьший угол падения, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, назвать предельным углом, то для воды он будет равным 48°27″, для бесцветного стекла (флинтглас) – 38°41″, а для алмаза – 23°42».
Рис. 2 Экспериментальная установка Джона Тиндалла
Рис. 3 Современные интерпретации опытов Джона Тиндалла
Можете сами провести этот эксперимент в домашних условиях и позабавить, таким образом, например, своих детей. Берем лазерную указку и светим под разными углами в ванной на струю воды из под крана. Подобрав нужный угол, можно добиться полного внутреннего отражения светового луча в потоке воды. Этот опыт будет еще более эффектным, если струя воды будет падать не строго вертикально, а под некоторым углом.
Рис. 4 Современные интерпретации опытов Джона Тиндалла
Если у вас нет лазерной указки, подобный эксперимент можно также провести и с обычным фонариком, однако в этом случае лучше всего взять прозрачную пластиковую бутылку (объемом 1-2 литра), и сбоку около ее дна сделать отверстие диаметром примерно пол сантиметра. Наливаем в бутылку воду, через проделанное отверстие начинается литься вода, с противоположной стороны бутылки светим фонариком. Если под струю воды подставить ладонь, то на ней можно будет наблюдать яркое световое пятно.
Рис. 5 Интерпретация опыта домашних условиях с помощью фонарика
Рассмотрим далее примечательные факты из более поздней истории волоконной оптики. Активные разговоры о волоконных световодах начались еще в начале 50-х годов прошлого века, именно к этому моменту научились их делать из различных прозрачных материалов. Но световоды того времени были недостаточно прозрачны, и при длине 5-10 метров свет в них полностью поглощался.
Стоит отметить, что в то время в сфере волоконной оптики СССР ничуть не отставал от западных стран, и даже наоборот, отечественные разработки во многом опережали иностранные. На первой общеевропейской конференции по волоконно-оптической связи в 1976 году лидерами в этой области были названы СССР и Япония.
У нас в стране первая оптическая линия связи была запущена в эксплуатацию в 1977 году в Зеленограде, соединив администрацию города с научным центром и предприятиями Северной промзоны. Изготовлена она была на оптическом кабеле разработки особого конструкторского бюро кабельной промышленности (ОКБ КП), входящего в Концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Государственной корпорации Ростех, специализирующегося на производстве кабелей и кабельных сборок.
В мае 1981 года было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О разработке и внедрении световодных систем связи и передачи информации». С его выходом было положено начало организации широкомасштабных работ в области ВОЛС. Оно поставило перед предприятиями заинтересованных министерств задачи по созданию (оптических волокон) ОВ и кабеля, оптоэлектронной элементной базы, контрольно-измерительной аппаратуры, специального технологического оборудования оптических соединителей и других компонентов.
В 1958 г. советские ученые В.В. Варган и Т.И. Вейнберг доказали, что «. светопоглощение стекол обуславливается примесями красящих металлов, вносимыми шихтой, и продуктами разъедания oгнеупоров; экспериментально показано, что светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измерительных приборов».
Этот факт также четко осознал Чарльз Куэн Као совместно с Джорджем Хокхэмом в 1966 г. в лондонской лаборатории ITT Corporation. В 1960-е годы волокно имело затухание 1000 дБ/км и более. Для возможности передачи информационного сигнала внутри волоконно-оптических каналов Као пытался достичь порогового значения величины затухания сигнала, по крайней мере в 20 дБ/км. Но даже с таким затуханием дальность оптической линии была крайне мала. Данное обстоятельство подстегнуло исследователей к поиску материалов, которые лучше всего соответствовали бы установленным критериям. Специально для этих целей Као собрал коллектив из четырёх человек, в который, включая его самого, вошли Т. Дэвис, М. Джоунс, С. Райт. Тестируя разные материалы, группа приходит к выводу, что наиболее подходящим кандидатом для осуществления волоконно-оптической связи является кварцевое стекло (SiO2), в котором наблюдался наименьший уровень затухания сигнала.
Kao также утверждал, что основная причина затуханий в стекловолокне состоит не в фундаментальных физических эффектах, например, рассеивание, как думали в то время многие физики, а в примесях стеклянного материала, которые можно удалить. Это привело к глобальному исследованию и производству сверхчистых стекловолокон. Когда Kao предложил, что такое стекловолокно можно использовать для передачи информации на дальние расстояния, и что оно может заменить медные провода, составляющие основу телекоммуникаций того времени, большинство его идеи не восприняли всерьез. Отметим, что на ранней стадии разработки оптических волокон Kao уже строго предпочел одномодовый режим для дальней оптической связи, вместо того, чтобы использовать многомодовые системы.
В 1969 г. Kao совместно с В. М. Джонсоном получил волокно с коэффициентом затухания на уровне 4 дБ/км, что явилось первым доказательством возможности получения сверхпрозрачного стекла. Только с этого момента компания Bell Labs начала серьезно рассматривать волоконную оптику как перспективную телекоммуникационную систему.
В 1970 г. фирма Corning Glass Works (позднее переименованная в Corning Incorporated) произвела оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и достигла коэффициента затухания менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм. Впервые кварцевое волокно пропустило световой луч на расстояние до 2 км.
В середине 1970-х он сделал оригинальное исследование по пределу усталости стекловолокна. Позднее Kao запустил программу «Терабитная технология», посвященную ограничениям в возможностях обработки высокочастотных сигналов, поэтому Као также известен как «отец концепции терабитной технологий». Као опубликовал более 100 статей и получил более 30 патентов, в том числе на разработку водостойких высокопрочных волокон.
Приведем далее некоторые примеры использования волокон в современных отраслях промышленности и техники.
Области применение оптоволокна, помимо сферы телекоммуникаций
На сегодняшний день область применения оптического волокна не ограничивается лишь телекоммуникационными сетями. Оно используется в самых различных сферах человеческой деятельности. В области медицины ОВ используется в рентгеновских аппаратах. В них оптоволокно обеспечивает гальваническую развязку между источником высокого напряжения и низковольтным управляющим оборудованием, изолируя, таким образом, пациентов и персонал от высоковольтной части аппаратуры. В распределительных устройствах электрических подстанций ОВ используется в системах защиты как датчик, регистрирующий возникновение дуги. Такой датчик, представляющий собой отрезок оптоволокна с прозрачным покрытием, регистрирует всей своей поверхностью излучение вспышки света, возникающей при дуговом коротком замыкании.
Датчики на основе оптических волокон применяются в различных измерительных системах, где вследствие экстремальных условий (повышенная радиация, температура или электромагнитное поле) невозможно применение традиционных электрических приборов. Например, в системах измерения температуры в реактивных двигателях самолета, в аппаратах МРТ (томографические медицинские аппараты для исследования внутренних органов, в том числе головного мозга) и др. Датчики на основе оптических волокон могут измерять частоту вибраций, вращения, смещения, скорость и ускорение, вращающий момент, скручивание и другие параметры.
Сегодня разработаны волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), работающие на основе эффекта Саньяка. Данный гироскоп не имеет никаких подвижных частей, что делает его весьма надежным устройством. Конечно, в современных навигационных системах используется целый ряд различных датчиков, позволяющих определить положение подвижного объекта: спутниковая навигация (GPS, GLONASS), гироскопы, акселерометры и т.д. Однако независимую навигационную систему можно создать только на основе инерциальных датчиков, таких как гироскопы. К настоящему времени достигнута разрешающая способность и стабильность нулевой точки оптического гироскопа примерно 0,001°/ч. В последнее время кольцевые лазерные гироскопы стали применяться в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг» 757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сообщения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.
Рис. 6 Пример реализации волоконно-оптического гироскопа
Рис. 7 Трехосевой волоконно-оптический инерциальный измерительный модуль серии ASTRIX производства фирмы AIRBUS DEFENCE&SPACE; в датчик по каждому направлению встроен LiNb03 модулятор
Также оптоволокно применяется в охранной сигнализации на особо важных объектах. Когда злоумышленник проникает в запретную зону, условия прохождения света через световод изменяются, и срабатывает сигнализация.
Оптические волокна используются в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские ёлки (что сейчас перед Новым годом довольно актуально).
Периодически создаются новые типы оптических волокон. Например, были разработаны фотонно-кристаллические световоды, в которых распространение света основано на принципах, отличных от полного внутреннего отражения. Такие волокна могут использоваться в качестве газовых, жидкостных или химических датчиков, для транспортировки мощного излучения в промышленных или медицинских целях, для создания новых типов источников излучения на основе нелинейных явлений (при условии заполнения сердцевины газом) и т.д.
Появляются волоконные лазеры, выходная мощность непрерывного излучения которых достигает нескольких десятков киловатт. Оружие ВМФ США, испытанное в 2014 г., состоит из 6-волоконных 5.5 кВт лазеров, объединенных в один пучок и излучающих через формирующую оптическую систему. Самая высокая мощность одномодового источника когерентного излучения компании IPG Photonics составляет 10 кВт. Самый мощный многомодовый волоконный лазер — установка для резки металлов того же производителя достигает 100 кВт. Волоконный лазер мощностью 4 кВт может использоваться для резки и бурения бетона.
Разрабатываются также ОВ, которые обеспечивают возможность передачи энергии лазерного излучения высокой мощности (нескольких киловатт). Теоретически установлено, что возможна передача излучения мощностью 10 кВт по волокну длиной 250 м при диаметре сердцевины 150 мкм. Главным физическим явлением, которое ограничивает передаваемую мощность, является вынужденное рамановское рассеяние.
Рис. 9 Фотонно-кристаллическое волокно
Также стоит отметить, что сегодня активно разрабатываются многосердцевинные волокна. Их использование позволит значительно увеличить общую пропускную способность ВОЛС.
В 50 лет волокно ищет досрочный выход на пенсию? Отнюдь нет! Как видно, инновации в сфере волоконной оптики появляются постоянно, и отрасль телекоммуникаций не является единственной заинтересованной отраслью в развитии оптических волокон – область применения ОВ крайне широка. В будущем мы планируем представить материал о современных достижениях в области волоконно-оптической связи.
История оптического волокна
Почему же сегодня так важно знать и изучать историю? Да потому, что, не зная прошлого, невозможно осмыслить и понять настоящее и заглянуть в будущее.
В начале было .
Первые упоминания о вытягивании стекла в волокна восходят ко временам Римской империи, но никто в ту эпоху не пытался применить стекловолокно для передачи данных.
В 1790 году двое французов, братья Шапп, изобрели первый “оптический телеграф”. Эта примитивная система состояла из вот таких башен. Операторы в них с помощью вспышек света (в ночное время) передавали сообщения туда и обратно. Но никто не делал попыток передавать информацию с использованием уже давно существующих стеклянных волокон.
К концу XVIII века уже довольно остро ощущалась потребность в быстрой передаче информации, и имелась технология производства стекловолокна. Но пока никому в голову не пришла идея увязать первое со вторым для решения проблемы обмена данными. И только в следующем столетии в области оптической науки произойдут серьезные открытия, а пока… Пока люди пользовались семафорами.
Прогулки по воде
Любой из нас не раз наблюдал, что свет распространяется по прямой: лучи солнца, свет фонаря – можно привести немало примеров, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Но если обратить внимание на луч света, проходящий сквозь воду, можно увидеть, что он отклоняется от первоначального направления, пройдя через границу двух сред. А если поместить источник света в воду, то будет видно, как на границе воды и воздуха луч света разделится. Некая часть пойдет дальше по прямой, но бОльшая часть отразится от поверхности воды и уйдет обратно в воду. Это явление называется полным внутренним отражением. Оно показывает, что практически весь пучок света ограничивается средой с более высоким коэффициентом преломления (водой), заключенной в оболочку из материала с меньшей оптической плотностью (воздух).
Используя этот эффект, в 1840 г. физики Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) и Жак Бабинэ (Jacques Babinet) показали однажды ночью интересный опыт с фонтаном. Луч света, направленный на его струи, изгибался точно в соответствии с их движением. Таким образом, струи фонтана выступили в роли световодов.
В 1854 г. британский физик Джон Тиндаль (John Tyndall) доказал, что свет проходит по искривленной струе воды, повторяя ее направление.
Позднее Бабинэ провел следующий опыт: наполнив водой резервуар с трубой, через которую вода стекала в бак, он посветил в резервуар фонарем и увидел свет в потоке воды, выливающейся в бак — свет следовал по траектории вытекающей из резервуара воды.
Телефон? Фотофон!
Оптическая телефонная система была запатентована в 1880 году непревзойденным американским гением Александром Беллом. Фотофон Белла, к сожалению, в широкие массы не пошел, а вот его младший брат — обычный телефон — оказался гораздо успешнее. Немного позже, но в этом же году, Уильям Уолтер (привет сериалу За гранью )) ) экспериментировал с трубами, имеющими покрытие с высоким показателем отражения, освещая свой дом электрическими лампами, расположенными в подвале, напрямую передавая потоки света по трубкам.
В 1888 г. изогнутые стеклянные стержни применялись доктором Ротом (Roth) и профессором Ройссом (Reuss) в Вене для освещения внутренних органов пациента. За ними последовал французский инженер Анри Сен-Рене (Henri Saint-Rene), который использовал стеклянные изогнутые стержни для передачи цветных изображений – это был один из первых опытов в области телевидения. В 1989 г. американец Дэвид Смит (David Smith) запатентовал стоматологический зонд, имевший в своей основе изогнутый стеклянный стержень.
Прорывы XX века
В 1920 году Джон Логи Бэрд получил патент на использование матрицы из прозрачных стержней для передачи телевизионного сигнала, и в тоже время Кларенс Ханселл использовал ту же технологию в факсимильных аппаратах.
В 1930 Генрих Ламм успешно передал уже целое изображение через пучок волокон, и это было изображение лампочки накаливания. Он хотел модернизировать систему для использования ее в медицинских целях, чтобы в буквальном смысле заглянуть внутрь человеческого тела. Но вмешалась вторая мировая война и нарушила его планы. Он был вынужден отказаться от своей работы и искать убежище в Америке. Он также пытался запатентовать эту технологию, но его патент отклонили из-за более раннего британского патента Кларенса Ханселла.
Датский физик Хольгер Меллер (Holger Moeller) в 1951 г. тоже подал заявку на патент на тему волоконно-оптической визуализации. Он предлагал покрывать стеклянное или пластиковое волокно материалом с низким показателем преломления. Его заявка была отклонена, потому что Бэрд (Baird) и Хансель (Hansel) уже запатентовали идею использования матрицы из полых труб или из прозрачных стержней для передачи изображений в телевидении и факсимильных аппаратах.
Тремя годами позднее Абрахам Ван Хеель (Abraham Van Heel) из Технического университета (г. Дельфт) и Гарольд Хопкинс (Harold H. Hopkins) с Нариндером Капани (Narinder Kapany) из Лондонского Королевского колледжа в разное время опубликовали статьи о передаче изображения с помощью оптических волокон в английском журнале «Nature». Кстати, именно Капани предложил термин «волоконная оптика» в 1956 г. Чуть позже Ван Хеел покрыл волокна прозрачной оболочкой из материала с более низким коэффициентом преломления. Это сделало почти невозможным рассеивание света за пределами световода. Наличие этого покрытия также снизило перекрестные помехи между волокнами, но создаваемое таким образом оптическое волокно все равно имело очень высокий коэффициент затухания.
Мазер или лазер?
В 1954 г. в Колумбийском университете Чарльз Таунс (Charles Townes) с группой коллег разработал «мазер».
Небольшое лирическое отступление. Лазер (англ. laser) — акроним от “light amplification by stimulated emission of radiation” — усиление света посредством вынужденного излучения. А ма́зер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны). Его название — аббревиатура фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation).
В 1958 году лазеры еще не появились, а Чарльз Таунс и Артур Шавлов экспериментировали с мазером в оптическом и инфракрасном диапазонах. Свет отражался от передней и задней поверхности (это называется оптический резонатор). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно. Но тем не менее первый действующий !!постоянно!! гелий-неоновый газовый лазер был изобретен и опробован в 1960 году.
Слово о структуре
В 1961 г. Элиас Шнитцер опубликовал в «American Optical» теоретическое описание одномодовых волокон с сердцевиной очень малого диаметра, которая позволяла бы передавать сигнал в режиме одного световода. Он имел возможность продемонстрировать прохождение направленного лазерного луча сквозь очень тонкое стекловолокно, которое в то время применялось в медицине. Но на тот момент потери сигнала были слишком велики для использования такого волокна в коммуникационных приложениях.
В 1964 году Чарльз Као (Нобелевский лауреат за «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи») и Джордж Хокхем из Standard Communications Laboratory опубликовали теоретическую работу о том, что высокие потери в передаче данных по волокну вызваны не самой технологией, а примесями в стекле. Результаты своих исследований они представили в 1966 году. В июне того же года вышел отчёт с изложением ключевых особенностей волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи являются основой телекоммуникаций сегодняшнего дня.
Только в 1970 г. ученым из Corning Glass Works удалось создать одномодовое волокно с затуханием 20 дБ/км. Этот результат был достигнут за счет легирования кварцевого стекла с титаном. Bell Laboratories совместно с Мортоном Панишем, Изуо Хаяши и параллельно с группой ученых из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе в Ленинграде в 1973 г. продемонстрировали полупроводниковый диодный лазер, который мог излучать непрерывные волны при комнатной температуре.
Отныне и навсегда
В конце 70-х — начале 80-х годов телефонные компании стали очень интенсивно использовать оптический кабель для построения опорных сетей. В середине 80-х телекоммуникационная компания Sprint ввела в эксплуатацию 100% оптическую опорную телефонную сеть, протянувшуюся через всю Америку. В 1986 году Дэвид Нил Пейн и Эммануэль Десурвир разработали принцип волоконно-оптического усилителя EDFA . Благодаря этой технологии в 1988 году был проложен первый трансатлантический телефонный кабель.
А уже в в 1991 Десурвир и Пейн представили оптический усилитель, встроенный непосредственно в кабель. Это позволило увеличить скорость передачи более чем в 100 раз по сравнению с предыдущим электронным усилителем. И в этом же году было разработано фотонно-кристаллическое оптическое волокно (ФКВ). По сути — это дырчатый волновод, который имеет огромное количество преимуществ по сравнению с «обычным» волокном.
TPC–5 – самый настоящий оптический кабель с оптическими усилителями — был проложен по дну Тихого океана в 1996 г. В следующем году FLAG стала сетью с рекордной протяженностью (28 000 км) и основой для следующего поколения интернет-приложений. Fiber Optic Link Around the Globe – волоконно-оптическая линия связи вокруг Земного шара из одиночного кабеля, по большей части подводного.
В наши дни волоконная оптика применяется во многих областях. Оборонный комплекс и медицинское обслуживание, телекоммуникации и хранение данных, сетевая инфраструктура, телерадиовещание и промышленный сектор – везде нашлось место для этого универсального волокна.
Как это работает. Оптоволокно
В современном мире оптоволоконные кабели – одно из самых популярных средств передачи данных. Еще несколько десятилетий назад путешествие терабайтов информации по таким «стеклянным световодам» казалось бы настоящей магией. Современный человек сталкивается с данной технологией ежедневно. Скоростной интернет, цифровое телевидение, мобильная связь – все это стало возможным благодаря оптоволоконному кабелю.
Оптическое волокно продолжает активно использоваться в самых высокотехнологичных областях. К примеру, недавно специалисты холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех представили инновационное кварцевое оптоволокно , на основе которого можно создавать системы связи нового поколения для промышленности и транспорта. Про новинку «Швабе», а также об устройстве и принципе действия оптоволоконного кабеля – в нашем материале.
Первые «световоды»: история появления оптической связи
Использовать свет для передачи информации научились достаточно давно. Можно вспомнить оптический телеграф, который появился во Франции еще в XVIII веке. Тогда он был способен удивить своей невероятной скоростью – передать информацию на 200 км всего за пятнадцать минут. Кстати, известный русский изобретатель Иван Кулибин доработал данную технологию и буквально через год представил свою «дальнеизвещающую машину».
В 1824 году в России начала свою работу первая линия оптического телеграфа, а немного позже открылась линия связи Петербург-Варшава длиной 1200 км, по тем временам это мировой рекорд по протяженности. Отправку «оптической» телеграммы можно сравнить с современным Интернетом, за исключением скорости – около 20 минут занимала передача 45 условных сигналов из Петербурга в Варшаву.
Оптическая связь в современном понимании возникла в 1950-х годах, когда научились изготавливать тонкие двухслойные волокна из специальных прозрачных материалов. Изобретение лазеров в 1970-х сделало возможным построение волоконно-оптических линий передач. У нас в стране первая оптическая линия связи была запущена в 1977 году в Зеленограде. Кстати, советские технологии в этой области не отставали от лучших мировых аналогов. На первой европейской конференции по волоконно-оптической связи в 1976 году лидерами в отрасли были признаны СССР и Япония.
Проводник для света: принцип работы оптоволокна
Итак, свет можно использовать для передачи информации, и люди поняли это столетия назад. Вначале примитивный способ работал только на расстоянии прямой видимости, а потом оптоволокно позволило передать свет на много тысяч километров, и далеко не по прямой траектории. Но как это возможно? Ключевое слово в объяснении данного явления – преломление. Это и есть основа принципа действия оптоволокна – в нем свет многократно преломляется, оставаясь внутри. По аналогии с электричеством, текущем по металлическому проводу, оптическое волокно иногда называют «светопроводом».
Источником света в кабеле становится лазер. На другом конце кабеля свет ожидает приемное устройство, которое его обратно перекодирует в электрический сигнал. Происходит это очень быстро – лазер включается и выключается несколько миллиардов раз в секунду, передавая миллиарды бит данных. Для сравнения, самый популярный для компьютерных сетей восьмижильный кабель из четырех скрученных пар пропускает до 1000 мегабит в секунду, а оптоволоконный кабель по одной жиле – в три раза больше. Бесспорно, скорость – одно из главных преимуществ оптоволокна. И неудивительно, ведь свет – самое быстрое, что известно во Вселенной.
Само оптическое волокно представляет собой неполую прозрачную трубку, изготовленную из особого материала, обладающего свойствами стекла. Для этой цели ученые стали использовать кварцевое стекло. Несмотря на кажущуюся хрупкость стекла, оптическое волокно обладает особой гибкостью. Его можно даже скрутить в кольцо – на характеристиках кабеля это никак не отразится, и свет без проблем продолжит «бежать» по нему.
Со скоростью света: от метро до космоса
Недавно было представлено новое отечественное кварцевое оптоволокно с улучшенными характеристиками. Новинка – результат кооперации экспертов «Сколкова», холдинга «Швабе» и Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики.
Этот продукт обладает всеми достоинствами традиционного оптоволокна. Помимо малого веса, удобства монтажа и скорости, это еще и невосприимчивость к электромагнитным помехам – световой сигнал невозможно перехватить. У новинки «Швабе» есть и явное преимущество перед существующими аналогами – увеличенный до 100 мкм диаметр сердцевины, вместо типовых 50 мкм и 62,5 мкм, и специальный градиентный профиль показателя преломления. Это повышает надежность сети передачи данных без потери пропускной способности.
Инновационное оптоволокно в первую очередь рассчитано на кабельные системы, работающие в агрессивных условиях окружающей среды. Например, разработка будет применяться в составе бортовых кабельных систем – от поезда метро до самолетов, и даже космических кораблей.