Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

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 SiCl 4) — как основной "держатель акций" кремния; кислород (О 2) — 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 (SiO 2), а "отделившийся" в самостоятельный газ хлор (2Сl 2) 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.