ЛАЗЕРЫ И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
ДОКЛАД АКАДЕМИКА Е.М. ДИАНОВА
Создание лазера — одно из крупнейших достижений в области науки и техники. С тех пор прошло 50 лет, и в настоящее время трудно назвать область человеческой деятельности, где не использовалось бы лазерное излучение. Однако лазеры далеко не исчерпали себя, как с точки зрения появления их новых типов, так и с точки зрения их новых применений. Очень приятно осознавать, что российские учёные Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сыграли решающую роль в разработке физических принципов, приведших к созданию лазеров. Им вместе с американским учёным Ч. Таунсом присуждена Нобелевская премия по физике 1964 г.
2010 год стал юбилейным не только для лазеров. Сорок лет назад были изготовлены первые стеклянные волоконные световоды с низкими оптическими потерями (менее 20 дБ/км на волне X = 0.63 мкм). Это достижение означало рождение современной волоконной оптики — одного из важнейших направлений науки и техники.
Совместное использование лазеров и волоконной оптики привело к развитию современных технических направлений, которые изменили жизнь людей. Среди них прежде всего следует назвать Интернет. Появление волоконной оптики и последующее её бурное развитие стало ответом на запросы времени, на потребность в оптической связи, явно проявившуюся в 1950-х годах. Двадцатый век ознаменовался стремительным развитием радиосвязи, тогда тенденция в научном плане заключалась в укорочении длин волн несущего
А.М. Прохоров, Ч. Таунс, Н.Г. Басов
радиоизлучения вплоть до сантиметровых волн, а в экспериментах — до миллиметровых. Переход к более высоким частотам несущего излучения приводит к пропорциональному увеличению полосы частот для передачи информации, другими словами, скорости её передачи.
Что же может дать переход к оптической связи с точки зрения скорости передачи информации? Предположим, что информация передаётся с помощью оптического излучения с длиной волны X =1 мкм. Соответствующая частота V,) = 3 х х 1014 Гц. Частота радиоизлучения с длинами волн 10-1 см (оно используется для спутниковой связи) составляет vp = 3 х 109—3 х 1010 Гц. Отношение частот v0/vp = 104—105. Вот в такое число раз увеличивается возможная скорость передачи информации при использовании оптических волн в качестве несущего излучения. Это колоссальное преимущество в скорости передачи информации стало мощной движущей силой для развития оптической связи. Но чтобы осуществить передачу информации с помощью оптического излучения на значительные расстояния нужно, как минимум, иметь подходящие источники оптического излучения. Ими стали лазеры.
Одни из первых экспериментов с лазерами связаны с попыткой передачи информации (в основном речевой) с помощью лазерного излучения через свободную атмосферу. Такие эксперименты проводились в ряде стран, в том числе в Советском Союзе. Между высотным зданием МГУ и зданием на Зубовской площади была установлена трасса для подобных экспериментов, которые, однако, ясно показали, что свободная атмосфера — неподходящая передающая среда для оптической связи на значительные расстояния, прежде всего из-за метеорологических условий (дождь, снег, туман) и турбулентности атмосферы. Имевшиеся тогда стеклянные волоконные световоды давали сильное затухание оптического сигнала ~ 1000 дБ/км, и свет ослаблялся вдвое на длине световода в 1 м. Поэтому считалось, что такие световоды не могут быть использованы в качестве передающей среды для протяжённых линий связи.
Остановимся на истории развития волоконной оптики и основных областях её применения.
В 1966 г. Ч. Као и Дж. Хокхэм, работавшие в Великобритании, опубликовали статью, в которой рассмотрели возможность использования стеклянных волоконных световодов в качестве передающей среды в системах оптической связи с точки зрения достижения достаточно низких оптических потерь и высокой информационной ём-
кости [1]. Их теоретические и экспериментальные исследования показали, что большие оптические потери в стекле обусловлены высоким содержанием примесей и что, улучшая технологию, можно добиться значительно более низких, чем 20 дБ/км, оптических потерь в стеклянных волоконных световодах. При этом волоконные световоды имеют более высокую информационную ёмкость по сравнению с радиосистемами и системами, использующими коаксиальные кабели. За эти работы Ч. Као в 2009 г. присуждена Нобелевская премия по физике. Результаты его работы стимулировали интенсивные исследования по созданию стёкол и стеклянных волоконных световодов с низкими оптическими потерями.
Первыми результата добились специалисты фирмы "Corning Glass" (США), получившие в 1970 г. волоконные световоды на основе кварцевого стекла с оптическими потерями менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм [2]. Их успех обусловлен прежде всего тем, что на фирме была разработана технология получения кварцевого стекла с использованием высокочистого летучего тетрахло-рида кремния в качестве исходного материала. Эта технология позволяла наносить на подложку порошок ("сажу") кварцевого стекла с одновременным его проплавлением [3]. Работы по созданию волоконных световодов на основе кварцевого стекла начались в середине 1967 г., а уже в начале 1970 г. были получены образцы световодов с потерями 16 дБ/км. Эти результаты были доложены на конференции Института инженеров-электриков (IEE) в Лондоне в сентябре 1970 г. и вызвали огромный резонанс в научном мире. В то время, несмотря на публикацию Ч. Као и Дж. Хокхэма, мало кто верил, что можно создать стеклянные волоконные световоды с таким низким уровнем оптических потерь. Подтверждением служит обзорная статья "Optical Communication — a Decade of Préparations" (опубликованная в "Proceedings of IEE" в том же месяце 1970 г., что и статья [2]), автор которой утверждает: в настоящее время стекло, используемое в волоконной оптике, имеет очень большое поглощение, в лучшем случае 1 дБ/м, что делает этот материал явно не пригодным для передачи информации на большие расстояния.
Тогда же, в 1970 г., в СССР (группа Ж.И. Алфёрова) и в США была продемонстрирована непрерывная генерация полупроводниковых лазеров при комнатной температуре.
Эти два достижения открыли реальную возможность создания волоконно-оптических систем связи со скоростью передачи информации на несколько порядков выше, чем в системах радиосвязи. В результате волоконная оптика превратилась в одно из наиболее быстро развивающихся направлений современной науки и техники. Во многих странах, в частности у нас,
Чарльз Као, выполняющий оптические измерения (Standard Telecommunications Laboratories, UK)
проводились работы по технологии волоконных световодов с низкими оптическими потерями, по исследованию оптических, в том числе нелинейных, механических, дисперсионных, свойств волоконных световодов. Разработано семейство волоконных световодов, включая многомодовые ступенчатые и градиентные, одномодовые, волоконные световоды со смещённой нулевой дисперсией в область около 1.5 мкм и с изменяющейся по длине дисперсией. Оптические потери в волоконных световодах были снижены до предельно возможной величины — менее 1 дБ/км в спектральной области 1—1.7 мкм, а прочность волоконных световодов превышала прочность стальной проволоки того же диаметра. В 1980 г. были введены в эксплуатацию первые коммерческие
Дональд Кек, Роберт Маурер и Питер Шульц, изготовившие первый волоконный световод с низкими оптическими потерями
Академики А.М. Прохоров и Г.Г. Девятых
волоконно-оптические системы связи, работающие в спектральной области 0.8—0.9 мкм и передающие информацию со скоростью 45 Мбит/с.
В СССР исследования по созданию стеклянных волоконных световодов с низкими оптическими потерями начались в 1973 г. в институтах АН СССР — Физическом институте им. П.Н. Лебедева, Институте химии, Институте радиотехники и электроники. Два человека сыграли решающую роль в успешном развитии этого направления — Александр Михайлович Прохоров и Григорий Григорьевич Девятых. А.М. Прохоров был инициатором и организатором работ по волоконной оптике. Он понимал огромную перспективу стеклянных волоконных световодов с низкими потерями для различных применений, в первую очередь для связи, понимал также и трудности их создания. Он предложил мне заняться этой проблемой, но считал, что без химиков нам не обойтись. По рекомендации академика-секретаря Отделения физико-химии и технологии неорганических материалов АН СССР Н.М. Жаво-ронкова к работе был привлечён заместитель директора Института химии АН СССР в Нижнем Новгороде Г.Г. Девятых, основатель направления "высокочистые вещества". Оказалось, что у них в институте уже имелся большой задел в работах по синтезу высокочистых гидридов и хлоридов кремния и других элементов. Совместными усилиями мы быстро создали лабораторные макеты оборудования, и уже в 1975 г. в нашей стране появились первые стеклянные волоконные световоды с оптическими потерями 7 дБ/км на волнах 800—900 нм [4]. Год спустя аналогичные результаты были получены в академическом Институте радиотехники и электроники.
В 1977 г. создана первая отечественная экспериментальная волоконно-оптическая система
связи (совместно с Министерством электронной промышленности), запуск которой был приурочен к 60-летию Октябрьской революции. В 1978 г. разработана экспериментальная волоконно-оптическая линия передачи сигналов для систем дальней связи на волне 1.3 мкм — одна из первых в мире, где дисперсия волоконных световодов на основе кварцевого стекла близка к нулю, что позволяет осуществить передачу информации с большой скоростью. Помимо ФИАНа и ИХАНа в работе участвовал ленинградский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе АН СССР, где и был создан полупроводниковый лазер с длиной волны 1.3 мкм [5].
Но основное внимание в академических институтах уделялось фундаментальным исследованиям волоконных световодов. Впервые был получен ряд важных результатов, оказавших влияние на развитие мировой волоконной оптики и её применений. Отметим здесь лишь некоторые из них, полученные в совместных работах Научного центра волоконной оптики РАН и Института химии высокочистых веществ РА
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.