Академик А. М. ПРОХОРОВ, директор Института общей физики АН СССР, академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии АН СССР,

Доктор физико-математических наук Е. М. ДИАНОВ (ныне академик), заведующий отделом волоконной оптики того же института

С появлением лазеров ^* возникло множество идей по их применению. Одна из первых касалась систем передачи информации. Предпринимались попытки передавать ее с помощью лазеров через атмосферу. Такие опыты проводили в 60-е годы во всем мире, в том числе в Советском Союзе. Первая оптическая линия связи протянулась от Московского государственного университета на Ленинских горах до одного из зданий на Зубовской площади. Тогда ее воспринимали как диковинку

Но работа этих линий оказалась крайне неэффективной. Специалисты убедились в том, что атмосфера - слишком ненадежная, неустойчивая среда.

Казалось, на пути оптической связи возникла непреодолимая преграда: не было хорошей передающей среды. И тут вспомнили о волоконных световодах. Тонкие стеклянные нити специальной структуры действительно могли бы подойти для этой цели, но существовавшие в то время световоды были очень несовершенны. Оптические потери в них составляли примерно 1000 дБ/км, иными словами, свет ослаблялся вдвое, проходя расстояние всего в 1 м. А чтобы система связи работала эффективно, ослабление света вдвое должно происходить хотя бы на километровом отрезке пути. Вроде бы ситуация сложилась тупиковая.

Но вскоре она изменилась благодаря двум обстоятельствам. Во-первых, в 1966 г. было показано, что высокие оптические потери в стеклах не связаны с фундаментальными эффектами, а зависят от технологии изготовления. Совершенствуя ее, можно снизить потери до величины менее 20 дБ/км, а этого уже достаточно для практического применения в системах передачи информации.

Во-вторых, в 1970 г. академик Ж. И. Алферов ^** создал полупроводниковые лазеры с непрерывной генерацией излучения при комнатной температуре, наиболее перспективные для систем оптической связи: они компактны (величиной со спичечную головку), дешевы, неэнергоемки, способны перестраиваться на разные длины волн.

Теперь стало возможным проводить работы на качественно новом уровне. В 1973 г. с группой коллег из Института химии АН СССР (г. Горький) под руководством члена- корреспондента АН СССР Г. Г. Девятых (с 1974 г. - академик) мы начали исследования по созданию волоконных световодов с низкими потерями на основе кварцевого стекла. И уже в 1975 г. удалось получить первые в СССР образцы, где оптические потери составили менее 10 дБ/км. Совместно с химиками мы разработали технологию, позволившую изготавливать световоды на уровне лучших мировых достижений.

Это длинные тонкие нити из особо чистого прозрачного стекла, состоящие из сердцевины диаметром, как правило, от нескольких до десятков микрон и оболочки диаметром порядка 100 мкм из стекла с меньшим показателем преломления. Когда луч света из более плотной среды попадает в менее плотную (скажем, из воды в воздух или в данном случае - из стекла с большим показателем преломления на стекло с меньшим показателем), то под определенными углами он полностью отражается от границы менее плотной среды. За счет эффекта полного внутреннего отражения свет способен распространяться на большие расстояния (если не будет сильно затухать, что зависит от качества световода).

В зависимости от таких параметров, как диаметр сердцевины, разность показателей преломления сердцевины и оболочки, а также длины световой волны, световод может передавать излучение в виде одного или многих типов колебаний (мод). Они отличаются друг от друга скоростью распространения, распределением интенсивности по сечению световода, направлением вектора электрического поля. Соответственно, световоды разделяются наодномодовые и многомодовые.

^* За создание лазеров академики А. М. Прохоров, Н. Г. Басов и американский исследователь Ч. Гаунс были удостоены Нобелевской премии (прим. ред.).

^** Лауреат Нобелевской премии по физике за 2000 г. (прим. ред.).

стр. 52

Существует несколько основных характеристик, по которым судят о качестве волоконных световодов. Об одной из них, пожалуй, самой главной, мы уже упоминали: оптические потери сейчас сведены к минимуму (свет ослабляется вдвое на длине примерно 20 км).

Другой важнейший показатель - информационная полоса пропускания, определяющая разность между минимальной (нижней) и максимальной (верхней) частотами. Чем шире полоса, тем больше информации в единицу времени можно передать.

Создание широкополосных световодов оказалось непростой задачей. В системах оптической связи информация обычно передается в виде определенной последовательности оптических импульсов. В многомодовом световоде различные типы колебаний распространяются с разными скоростями, что приводит к удлинению светового импульса во времени, или к его дисперсии. Он порой приводит к перекрытию соседних импульсов на выходе световода. Следствие - помехи и потеря информации.

Есть два выхода из положения: сделать световоды либо одномодовыми, либо многомодовыми, но такими, где разные типы колебаний распространялись бы с одной и той же скоростью. Для этого волоконные световоды должны иметь в сечении плавно меняющуюся плотность и, соответственно, показатель преломления. При изменении последнего по параболическому закону скорости распространения всех мод примерно одинаковы и они придут к финишу почти одновременно.

Совместно с коллегами из Института химии АН СССР нам удалось решить сложную технологическую задачу и создать многомодовые световоды с очень широкой полосой пропускания - порядка гигагерца на длине в 1 км. В обычных световодах, где показатель преломления сердцевины постоянен по сечению и меняется скачкообразно на границе "сердцевина-оболочка", полоса пропускания более чем на порядок ниже.

Еще один критерий качества волоконных световодов - их механическая прочность. На растяжение она очень велика - превосходит прочность стальной проволоки. Но малейшие дефекты на поверхности - трещины, царапины - приводят к снижению прочности и обрывам при приложении достаточно больших нагрузок.

Вместе с горьковскими химиками разработана технология изготовления волоконных световодов, выдерживающих растягивающие нагрузки до 7 кг на коротких кусках и 1,5 кг - на длинах свыше километра.

Для эксплуатации световодов при различных температурах очень важны теплофизические характеристики полимерных покрытий. В определенных условиях наиболее употребительные полимеры кристаллизуются - становятся жесткими, вызывают микроизгибы световодов и увеличивают оптические потери при низких температурах. Нам удалось разработать полимеры, кристаллизация которых происходит при температурах ниже -100 С, т. е. точка кристаллизации сдвинута за реальные рабочие температуры минус 60 С - плюс 100 С. При этом оптические характеристики световодов не ухудшаются. Новые материалы, не имеющие аналогов в мире, созданы на основе кремнийорганических полимеров.

В ходе исследований мы решили не только технические и технологические, но и фундаментальные физические задачи. Одна из них - нелинейное распространение оптического излучения по волоконным световодам.

В отличие от линейных явлений нелинейные зависят от интенсивности света. Достаточно сильное световое поле изменяет оптические характеристики среды (скажем, показатель преломления), что влияет на происходящие в этой среде процессы. Хотя нелинейные оптические эффекты были известны уже давно, их широкое исследование началось с возникновением лазеров.

Волоконные световоды - уникальный объект для наблюдений нелинейных явлений, поскольку из-за очень низких потерь свет в них может взаимодействовать со средой на

стр. 53

больших длинах (порядка километров) и при этом "сжат" в крайне малых (до нескольких микрон) поперечных размерах световода.

Вскоре после разработки световодов с низкими оптическими потерями в нашем институте были начаты широкие исследования в области нелинейной волоконной оптики. Мы остановимся на одном эффекте, имеющем не только научное, но и большое прикладное значение. Это - фазовая самомодуляция света, возникающая при изменении показателя преломления материала, из которого изготовлен световод, в данном случае стекла, под действием достаточно мощного импульса света. Если последний пропустить через среду, где низкочастотные ("красные") компоненты бегут медленнее более высокочастотных ("синих"), то последние догонят "красные", и импульс сожмется. Подходящей средой является волоконный световод, предназначенный для пропускания определенных длин волн.

Световоды с нужными параметрами позволили добиться сжатия импульсов более чем в 100 раз: их длительность составила порядка 200 фемтосекунд (фемтосекунда - 10 ^{- 15} с). Столь короткие импульсы получали и раньше, но они "покоились" на очень широком "пьедестале", содержавшем большую часть энергии. Поэтому для практического применения не годились. Нам удалось почти всю энергию сосредоточить в самом импульсе, и, таким образом, появилась возможность использовать его в качестве инструмента для изучения быстропротекающих процессов в различных материалах, а также в биологических объектах.

Если подобрать определенную мощность и длину волны, то реален режим распространения короткого импульса по световоду, когда его форма не будет меняться. Этот режим называется солитонным.

Мы уже упоминали, что расширение оптических импульсов приводит к возникновению перекрестных помех и ограничению скорости передачи информации. Поэтому заманчиво использовать солитоны в системах оптической связи. Теоретические исследования, проведенные у нас и в ряде других научных центров, показали: при солитонном распространении импульсов скорость передачи информации ограничивается оптическими потерями в световоде и нелинейным взаимодействием солитонов. Были предложены различные способы усиления солитонов для повышения скорости передачи информации.

Разработка высококачественных многомодовых и одномодовых световодов и проникновение в суть явлений, происходящих при распространении в них оптического излучения, послужили основой для реализации некоторых прикладных задач.

В первую очередь световоды стали "работать" на изначальную идею. Телефонная связь, кабельное телевидение - до сих пор основные сферы их применения.

Принцип действия оптических систем связи и передачи информации довольно прост. Любая информация - речевая, телевизионная и т. п. - заключена в последовательности электрических сигналов. Сигналы модулируют лазерное излучение, полупроводниковый лазер превращает электрические сигналы в световые, которые вводятся в световод и распространяются по нему на нужные расстояния. На конце линии связи помещается приемник, преобразующий световые сигналы в электрические. Их мы и воспринимаем на экране телевизоров в виде изображения или при разговоре с собеседником по телефону

Как правило, сигналы передаются на большие расстояния в десятки и сотни километров. Пройдя определенный отрезок пути, оптические сигналы ослабляются, искажаются. Их необходимо превратить опять в электрические, усилить, исправить с помощью ретранслятора и, преобразовав снова в оптические, пустить дальше. Волоконные световоды дают возможность в пределах города, где расстояния достигают десятков километров, обходиться без сложных и дорогих ретрансляторов. При использовании традиционного медного кабеля для передачи телевизионных сигналов приходится устанавливать ретрансляторы через каждые 500 м. Волоконно-оптические линии связи более экономичны еще по одной причине - для их производства не требуется медь и дорогостоящие материалы. Ведь сырье для кварцевого стекла - обычный песок.

В конце 70-х годов усилиями сотрудников нашего института и коллег из Горького были изготовлены партии волоконных световодов с низкими потерями для первых городских телефонных линий связи в Москве, Ленинграде и Горьком.

Хотелось бы упомянуть еще об одной перспективной разработке - стеклянных волоконных световодах на основе бескислородных стекол для инфракрасного (И К) диапазона длин волн. По нашим оценкам, потери в них могут быть в 10 - 20 раз ниже, чем в световодах на основе кварцевых стекол. Значит, на участке линии связи длиной порядка 1000 км ретрансляторы не будут нужны.

Сфера применения волоконных световодов не ограничивается системами связи и передачи информации. В нашем институте был создан макет датчика вращения, обладающего высокой чувствительностью. Этот прибор предназначен для измерения очень маленьких скоростей вращения. Это необходимо, например, для точной ориентировки кораблей, спутников, аэростатов и т. д. Разработанные электронные схемы позволяют измерять очень малые фазовые сдвиги лучей, соответствующие скоростям вращения порядка десятой или сотой доли градуса в час. Волоконно-оптический датчик от других приборов того же назначения (механического, лазерного) отличают потенциальная дешевизна и простота изготовления.

Заманчивые перспективы сулит применение волоконных световодов и в медицине, где используется широкий набор лазеров, генерирующих излучение от ультрафиолетового до ИК-диапазона. Гибкие, тонкие нити позволяют подвести лазерное излучение к любому участку тела, к любому внутреннему органу

Для пропускания инфракрасного излучения (5-10 мкм), наиболее эффективного при лечении ряда заболеваний, нами были созданы новые поликристаллические световоды на основе галогенидов тяжелых металлов, скажем AgCl. Правда, в них пока довольно существенны оптические потери. Но для медицины, где требуется передать излучение относительно небольшой мощности (10 -50 Вт) на незначительные расстояния порядка нескольких метров, оптические потери не очень важны.

Наука в СССР N 3. 1987

Постоянный адрес данной публикации: