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

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 n 1= с / v 1и n 2= с / v 2(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 n 1и n 2веществ 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 прдостигает 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 n 1= 1,46, помещенное в воздухе ( n 2= 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 n 1= 1,465, то показатель преломления оболочки n 2= 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.