ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 79, № 12, с. 1059-1081
С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
На одном из заседаний Президиума РАН были подведены итоги работы академических институтов по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН "Новые оптические материалы" в 2006—2008 гг. Собравшиеся заслушали научное сообщение координатора этой программы академика Е.М. Дианова, которое положено в основу публикуемой ниже статьи. Речь в ней пойдёт об оптических материалах, которые используются в таких быстро развивающихся областях современной техники, как лазеры и волоконно-оптические системы связи.
НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Е.М. Дианов
Мы живём в мире света, поэтому человечество с древних времён использует в быту оптические материалы, прозрачные в оптическом диапазоне длин волн. Из них особенно распространено стекло. Изготовление прозрачных стёкол было освоено в I в. до н.э. Одна из древнейших наук — оптика, тесно связанная с потребностями практики, — способствовала развитию оптического приборостроения, что, в свою очередь, приводило к созданию новых оптических материалов — различных стёкол, кристаллов, оптической керамики и др. Однако исключительно большая потребность в оптических материалах возникла в прошлом столетии с появлением лазеров. Широкое внедрение волоконно-оптических систем связи ещё больше увеличило потребность в новых оптических материалах, в том числе в стеклянных волоконных световодах различных типов. Убедительным подтверждением растущей роли оптических материалов в современной технике служит организация Американским оптическим обществом новой международной конференции "Advance in Optical Materials". Первая конференция состоится 12—14 октября 2009 г.
ДИАНОВ Евгений Михайлович — академик, руководитель Научного центра волоконной оптики РАН.
Следует отметить, что в технике используются в основном твердотельные оптические материалы. Их важными характеристиками, помимо высокой прозрачности, являются нелинейность, дисперсия, теплопроводность, фоточувствительность, стойкость к лазерному и ионизирующим излучениям, устойчивость структуры к изменениям температуры. В современной технике наибольшее применение находят следующие оптические материалы:
♦ активные и пассивные лазерные материалы (кристаллы, стёкла, керамика);
♦ нелинейные оптические материалы;
♦ различные типы волоконных световодов (активные, нелинейные, высокотемпературные, фоточувствительные, радиационностойкие, инфракрасные, сохраняющие поляризацию излучения, и др.);
♦ полупроводниковые структуры;
♦ полимерные материалы;
♦ оптические наноструктуры (фотонные кристаллы, неорганические нанотрубки и др.);
♦ кремний;
♦ инфракрасные и ультрафиолетовые оптические материалы.
Оптические материалы, как и все другие, разрабатываются для решения конкретных задач. В настоящее время наибольший вклад в инновационную экономику развитых стран вносят лазерная техника и волоконно-оптические системы связи. Подтверждением их бурного развития в мире и широкого использования этой техники в различных отраслях промышленности служат ежегодные международные конференции, собирающие тысячи участников. Такие конференции, прежде всего Photonics West, Optical fiber communication (OFC), Conference on Lasers and Elec-trooptics (CLEO), CLEO Europe, Europen Confer-
ence on Optical Communication (ECOC), сопровождаются выставками материалов, приборов и оборудования.
В данной статье я сначала остановлюсь на некоторых направлениях развития этих областей современной техники и на проблемах, которые могут быть решены с помощью новых оптических материалов. Затем приведу результаты исследования ряда новых оптических материалов, а также устройств (преимущественно лазеров), созданных на основе этих материалов. В указанных работах участвовали институты, входящие в состав трёх отделений РАН. Это — Научный центр волоконной оптики, Институт общей физики им. А.М. Прохорова, Физический институт им. П.Н. Лебедева, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова (Отделение физических наук РАН); Институт химии высокочистых веществ, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского (Отделение химии и наук о материалах РАН); Объединённый институт высоких температур (Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН). Кроме того, в работах принимали участие сотрудники Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (физический факультет и факультет наук о материалах) и Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ: СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ
В настоящее время скорость передачи информации в коммерческих системах связи, в том числе в трансокеанских подводных системах, составляет 1—2 Тбит/с по одному волоконному световоду. В экспериментальных системах достигнута скорость передачи информации 25 Тбит/с. В них используется спектральное уплотнение каналов, когда по одному волоконному световоду передаётся информация около 100 каналов с отличающимися длинами волн несущего излучения, при этом скорость передачи информации одного канала 10 Гбит/с. Ширина спектральной области, в которой передаётся информация в таких системах, составляет около 80 нм (1.53—1.61 мкм). Она определяется полосой усиления эрбиевого волоконного усилителя.
Все континенты связаны подводными волоконно-оптическими кабелями, общая длина которых 600 тыс. км (достаточная, чтобы обмотать земной шар 15 раз). Общая длина волоконных световодов в наземных сетях волоконно-оптической связи достигает 1 млрд. км. Ожидается, что к 2015 г. эта длина удвоится. В настоящее время мировое производство волоконных световодов со-
ставляет примерно 100 млн. км в год. В последние несколько лет волоконно-оптические системы связи начали применяться для обеспечения широкополосного (до 10 Гбит/с) доступа населения к источникам информации (Интернет). В ряде стран выполняется программа "Волоконный световод в каждый дом" (FTTH — Fiber To The Home). Число пользователей Интернета уже достигло 1 млрд., ожидается, что в 2015 г. их станет 5 млрд. (при численности населения Земли около 7 млрд.).
Как следует из докладов и обсуждений на последней Европейской конференции по оптической связи (Брюссель, сентябрь 2008 г.), экономика, инфраструктура государственного управления, образование, безопасность требуют создания нового поколения волоконно-оптических систем связи со скоростью передачи информации по одному волоконному световоду 50—100 Тбит/с. Другое требование к таким системам — меньшее потребление энергии и более низкая стоимость.
В системах связи и передачи информации со спектральным уплотнением каналов полная скорость передачи информации по одному волоконному световоду определяется как В = nb (бит/с), где n — число спектральных каналов, вводимых в один волоконный световод, и b — скорость передачи информации в одном канале. Первое требование к волоконно-оптическим системам связи — 50—100 Тбит/с по одному волоконному световоду — может быть выполнено, если одновременно увеличить n и b. В настоящее время b = 10 Гбит/с, в 2008 г. продемонстрированы коммерческие системы с b = 40 Гбит/с и ведутся работы по созданию систем с b = 100 и 160 Гбит/с. Увеличение числа спектральных каналов в одном волоконном световоде неизбежно приведёт к расширению спектральной области для передачи информации. Сейчас используется в основном спектральная область 1530—1610 нм, определяемая полосой усиления эрбиевого волоконного усилителя. По мнению специалистов, будущие волоконно-оптические системы связи смогут использовать всю спектральную область минимальных оптических потерь волоконных световодов на основе кварцевого стекла — 1300—1610 нм. Естественно, потребуется разработка эффективных волоконных лазеров и широкополосных волоконных усилителей, которые пока не созданы, для спектральной области 1300—1500 нм. Другим следствием увеличения числа каналов в одном волоконном световоде станет существенный рост сумарной мощности сигналов в сердцевине одно-модового световода, что может привести к перекрёстным помехам из-за нелинейного взаимодействия оптических сигналов. Иными словами, потребуется создание нового поколения передающих волоконных световодов либо с большим диаметром сердцевины (поля моды) одномодово-
го световода (что не просто), либо с материалом сердцевины, имеющим более низкую величину нелинейности (воздух?).
Обсудим теперь другое требование к волоконно-оптическим системам связи и передачи информации — меньшее потребление энергии и более низкая стоимость. Как известно, Интернет сейчас потребляет больше энергии, чем вся авиация в мире, за счёт преобразования оптического сигнала в электронный и обратно в оптический в волоконно-оптических сетях связи [1]. Решение этой проблемы очевидное, но не простое — полностью оптическая обработка сигналов. Ещё одна возможность снизить потребление энергии и стоимости связана с интеграцией оптических и электронных схем на одной подложке кремния. Оба подхода включают разработку новой элементной базы, в том числе высоконелинейных волоконных световодов и планарных волноводов, оптических элементов на подложке кремния (лазеров, оптических усилителей, ответвителей, волноводов и др.), то есть развитие нового технического направления — кремниевой (силиконовой) фотоники.
В рамках обсуждаемой нами программы "Новые оптические материалы" две задачи, на мой взгляд, имеют в настоящее время исключительно важное прикладное значение:
♦ поиск новых активных сред для волоконных лазеров и усилителей в спектральном диапазоне 1300—1500 нм и создание соответствующих лазеров;
♦ разработка и исследование одномодовых волоконных световодов с большим диаметром сердцевины (поля моды).
ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ
Первый волоконный лазер и его потенциальные возможности были продемонстрированы ещё в 1961 г. Е. Снитцером [2]. Поскольку в то время отсутствовали лазерные диоды, высококачественные волоконные световоды и другие волоконные элементы, в ча
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.