Елена Александровна Анашкина, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН
Сегодня сложно найти человека, который не слышал бы об оптоволокне. В первую очередь, это слово ассоциируется с высокоскоростным интернетом. Но что же представляют собой оптические волокна? Что это за технология, так прочно вошедшая в нашу жизнь, как она развивалась и какие еще применения находит в современном мире?
Оптическое волокно представляет собой тонкую стеклянную нить, по которой может распространяться свет – электромагнитное излучение в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах. Толщина оптических волокон сравнима с толщиной человеческого волоса и составляет около 100 микрон, что в десять раз меньше миллиметра. Прочность волокна превышает прочность стальной проволоки такого же диаметра. Типичная структура оптического волокна, которое также называют световодом, включает центральную сердцевину, оболочку и защитное покрытие. Благодаря тому, что показатель преломления сердцевины слегка превышает показатель преломления оболочки, свет может распространяться по сердцевине волокна, используя принцип полного внутреннего отражения.
Большинство волокон производятся на основе кварцевого стекла, состоящего из диоксида кремния (SiO2). В качестве примера, стандартные телекоммуникационные волокна имеют диаметр сердцевины около 8 микрон и диаметр оболочки 125 микрон. Оболочка изготавливается из сверхчистого плавленого кварца и имеет показатель преломления около 1,45 на длине волны 1,55 микрон. Показатель преломления сердцевины лишь на 0,36% превышает показатель преломления оболочки. Это достигается за счет добавления в состав стекла небольшого количества диоксида германия (GeO2) и других компонентов. Ключевой характеристикой волокон являются малые оптические потери. Они сильно зависят от длины волны излучения и в минимуме, около 1,55 микрон, составляют менее 0,2 дБ/км. Это число означает, что интенсивность света уменьшится в два раза при распространении через волокно длиной 15 километров. В настоящее время диапазон длин волн около 1,55 микрон является стандартным для телекоммуникаций, хотя и не единственным используемым.
Помимо малых потерь, позволяющих размещать ретрансляторы (или оптические усилители) в линиях связи на расстоянии в десятки километров, оптические волокна обладают рядом других преимуществ для использования в телекоммуникациях. К ним относятся: высокая пропускная способность, позволяющая передавать информацию на высокой скорости, недоступной для других систем связи; информационная безопасность; высокая механическая и коррозийная прочность; устойчивость к электромагнитным помехам; отсутствие взаимных помех; пожаро- и взрывобезопасность; малые габариты и масса.
Волоконная оптика возникла в 1950-х годах как раздел оптики, изучающий свойства и применение световодов. Но тогда главным фактором, тормозившим ее развитие, являлись высокие потери световодов, составлявшие более 1000 дБ/км. В начале 1960-х годов, с появлением первых лазеров, возник огромный интерес к использованию лазерного излучения для передачи информации. Первые же эксперименты выявили непригодность атмосферы в качестве среды передачи, и нужно было найти более подходящую среду. В 1966 году Чарльз Као и Джордж Хокхэм рассмотрели возможность использования волокон в системах оптической связи. Их исследование показало, что высокие потери в существовавших на тот момент световодах обусловлены примесями и, следовательно, совершенствование технологии производства позволит снизить потери до уровня значительно ниже 20 дБ/км. При этом оптические волокна характеризуются более высокой информационной емкостью по сравнению с радиосистемами и системами, использующими коаксиальные кабели. Этот результат стимулировал интенсивные исследования и разработки волокон с усовершенствованными характеристиками. В 2009 г. Чарльзу Као вручили Нобелевскую премию по физике за “новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи”.
В 1970 г. фирма “Корнинг Гласс Компани” создала технологию производства волокон с потерями 20 дБ/км на длине волны 633 нанометра, что послужило толчком к разработке систем оптической связи со скоростью передачи информации на несколько порядков более высокой, чем в системах радиосвязи. В 1980 г. были введены в эксплуатацию коммерческие системы связи первого поколения, передающие информацию со скоростью 45 Мбит/с в спектральном диапазоне 0,8-0,9 микрон. В волоконно-оптических системах связи второго поколения передача информации осуществлялась на длине волны 1,31 микрон, а скорость была увеличена на порядок и достигла 500 Мбит/с.
В 1988 г. была достигнута следующая значительная веха: завершена прокладка первой в мире трансокеанской волоконно-оптической линии связи между Японией и США. В том же году была проложена подводная трансатлантическая система волоконно-оптической связи между Европой и США.
Волоконно-оптические системы третьего поколения работали на длине волны 1,55 мкм и имели потери около 0,2 дБ/км. Скорость передачи данных достигала 2,5 Гбит/с, а расстояние между ретрансляторами составляло более 100 км.
Значительное увеличение скорости передачи информации было достигнуто в четвертом поколении, благодаря разработке систем спектрального уплотнения каналов – мультиплексирования с разделением по длинам волн (WDM). Это позволило одновременно передавать несколько информационных каналов по одному световоду на разных длинах волн. Благодаря этому пропускная способность волоконно-оптических линий связи начала удваиваться каждые полгода, начиная с 1992 года, пока к 2001 году не была достигнута скорость передачи данных в 10 Тбит/с.
При разработке пятого поколения волоконно-оптических линий связи основное внимание было уделено расширению спектрального диапазона, в котором может работать система WDM, задействуя длины волн из диапазона 1,3-1,65 микрон. В настоящее время экспериментально продемонстрированы скорости передачи данных, превышающие 100 Пбит/с. Чтобы достичь таких гигантских значений, помимо технологии WDM, используются волокна специальных конструкций. Например, это могут быть многосердцевинные волокна, в которых несколько невзаимодействующих сердцевин окружены общей оболочкой. Также используются волокна с относительно толстой сердцевиной, в которых дополнительное уплотнение каналов осуществляется за счет распространения сигналов в разных пространственных структурах – модах волокна.
Основным драйвером развития оптических волокон и сопутствующей компонентной базы, безусловно, являются телекоммуникации. Однако оптические волокна находят множество других важных применений, среди которых волоконные лазеры и усилители, волоконные датчики. Более того, уникальные свойства световодов позволяют создавать сложные оптические системы для спектрального анализа, микроскопии высокого разрешения, а также использовать их в оборонной и космической промышленности.
Первые волоконные лазеры были продемонстрированы в начале 1960-х годов, однако эта блестящая идея не получила широкого распространения в те годы. Причинами стали отсутствие эффективных источников накачки и необходимых волоконно-оптических компонентов, а также низкое качество оптических волокон. Позднее, в 1980-х годах, благодаря бурному развитию оптоволоконной связи, появилась необходимая элементная база, что дало мощный импульс развитию волоконных лазеров.
Волоконные лазеры используют в качестве активной среды оптическое волокно, легированное редкоземельными ионами, такими как эрбий (Er), иттербий (Yb), тулий (Tm) и другие. Эрбиевые лазеры могут излучать в диапазоне длин волн 1,53-1,57 микрон и активно используются в телекоммуникациях. Иттербиевые лазеры излучают на длинах волн около 1 микрона, а мощности их непрерывного излучения могут достигать десяти киловатт. Тулиевые лазеры генерируют свет в диапазоне около 2 микрон. Для накачки волоконных лазеров используют высокоэффективные лазерные диоды. Волоконные лазеры имеют множество преимуществ, к которым относятся высокий КПД, высокое качество выходного пучка, компактность и надежность, низкие эксплуатационные расходы, хороший теплоотвод, позволяющий избежать перегрева системы.
Волоконные лазеры находят широкое применение в области медицины: в хирургии, дерматологии и стоматологии, где они используются для минимально инвазивных процедур, таких как лазерная резка тканей, удаление новообразований и лечение кожных заболеваний. Их высокая точность и возможность работы с различными длинами волн делают волоконные лазеры идеальными для целенаправленного воздействия на ткани, минимизируя при этом повреждение окружающих областей.
В промышленности волоконные лазеры активно используются для обработки металлов и неметаллических материалов. Они позволяют достигать высокой скорости резки и сварки, что значительно увеличивает производительность и снижает затраты на производство. Благодаря возможности работы с различными материалами, включая сталь, алюминий, пластик и стекло, волоконные лазеры становятся универсальным инструментом для многих производственных процессов.
Также следует отдельно отметить применение оптических волокон для датчиков температуры, давления, деформаций, химических веществ. Их применяют для контроля состояний различных объектов: мостов, зданий, корпусов самолетов и судов.
Более того, оптические волокна специальных конструкций используются для преобразования лазерного излучения в широком диапазоне параметров и управления его характеристиками. Так, существует даже специальный раздел оптики – нелинейная волоконная оптика. Этот раздел изучает, как свет взаимодействует с волокном, свойства которого меняются в зависимости от интенсивности распространяющегося света. Но это тема отдельной статьи…