История оптического волокна

В начале было ...

Первые упоминания о вытягивании стекла в волокна восходят ко временам Римской империи, но никто в ту эпоху не пытался применить стекловолокно для передачи данных.

В 1790 году двое французов, братья Шапп, изобрели первый “оптический телеграф”. Эта примитивная система состояла из вот таких башен. Операторы в них с помощью вспышек света (в ночное время) передавали сообщения туда и обратно. Но никто не делал попыток передавать информацию с использованием уже давно существующих стеклянных волокон.

К концу XVIII века уже довольно остро ощущалась потребность в быстрой передаче информации, и имелась технология производства стекловолокна. Но пока никому в голову не пришла идея увязать первое со вторым для решения проблемы обмена данными. И только в следующем столетии в области оптической науки произойдут серьезные открытия, а пока… Пока люди пользовались семафорами.

Прогулки по воде

Любой из нас не раз наблюдал, что свет распространяется по прямой: лучи солнца, свет фонаря – можно привести немало примеров, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Но если обратить внимание на луч света, проходящий сквозь воду, можно увидеть, что он отклоняется от первоначального направления, пройдя через границу двух сред. А если поместить источник света в воду, то будет видно, как на границе воды и воздуха луч света разделится. Некая часть пойдет дальше по прямой, но бОльшая часть отразится от поверхности воды и уйдет обратно в воду. Это явление называется полным внутренним отражением. Оно показывает, что практически весь пучок света ограничивается средой с более высоким коэффициентом преломления (водой), заключенной в оболочку из материала с меньшей оптической плотностью (воздух).

Используя этот эффект, в 1840 г. физики Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) и Жак Бабинэ (Jacques Babinet) показали  однажды ночью интересный опыт с фонтаном. Луч света, направленный на его струи, изгибался точно в соответствии с их движением. Таким образом, струи фонтана выступили в роли световодов.

В 1854 г. британский физик Джон Тиндаль (John Tyndall) доказал, что свет проходит по искривленной струе воды, повторяя ее направление.

Позднее Бабинэ провел следующий опыт: наполнив водой резервуар с трубой, через которую вода стекала в бак, он посветил в резервуар фонарем и увидел свет в потоке воды, выливающейся в бак - свет следовал по траектории вытекающей из резервуара воды.

Телефон? Фотофон!

Оптическая телефонная система была запатентована в 1880 году непревзойденным американским гением Александром Беллом. Фотофон Белла, к сожалению, в широкие массы не пошел, а вот его младший брат - обычный телефон - оказался гораздо успешнее. Немного позже, но в этом же году, Уильям Уолтер (привет сериалу За гранью )) ) экспериментировал с трубами, имеющими покрытие с высоким показателем отражения, освещая свой дом электрическими лампами, расположенными в подвале, напрямую передавая потоки света по трубкам.

В 1888 г. изогнутые стеклянные стержни применялись доктором Ротом (Roth) и профессором Ройссом (Reuss) в Вене для освещения внутренних органов пациента. За ними последовал французский инженер Анри Сен-Рене (Henri Saint-Rene), который использовал стеклянные изогнутые стержни для передачи цветных изображений – это был один из первых опытов в области телевидения. В 1989 г. американец Дэвид Смит (David Smith) запатентовал стоматологический зонд, имевший в своей основе изогнутый стеклянный стержень.

Прорывы XX века

В 1920 году Джон Логи Бэрд получил патент на использование матрицы из прозрачных стержней для передачи телевизионного сигнала, и в тоже время  Кларенс Ханселл использовал ту же технологию в факсимильных аппаратах.

В 1930 Генрих Ламм успешно передал уже целое изображение через пучок волокон, и это было изображение лампочки накаливания. Он хотел модернизировать систему для использования ее в медицинских целях, чтобы в буквальном смысле заглянуть внутрь человеческого тела. Но вмешалась вторая мировая война и нарушила его планы. Он был вынужден отказаться от своей работы и искать убежище в Америке. Он также пытался запатентовать эту технологию, но его патент отклонили из-за более раннего британского патента Кларенса Ханселла.

Датский физик Хольгер Меллер (Holger Moeller) в 1951 г. тоже подал заявку на патент на тему волоконно-оптической визуализации. Он предлагал покрывать стеклянное или пластиковое волокно материалом с низким показателем преломления. Его заявка была отклонена,  потому что Бэрд (Baird) и Хансель (Hansel) уже запатентовали идею использования матрицы из полых труб или из прозрачных стержней для передачи изображений в телевидении и факсимильных аппаратах. 

Тремя годами позднее Абрахам Ван Хеель (Abraham Van Heel) из Технического университета (г. Дельфт) и Гарольд Хопкинс (Harold H. Hopkins) с Нариндером Капани (Narinder Kapany) из Лондонского Королевского колледжа в разное время опубликовали статьи о передаче изображения с помощью оптических волокон в английском журнале "Nature". Кстати, именно Капани предложил термин «волоконная оптика» в 1956 г. Чуть позже Ван Хеел покрыл волокна прозрачной оболочкой из материала с более низким коэффициентом преломления. Это сделало почти невозможным рассеивание света за пределами световода. Наличие этого покрытия также снизило перекрестные помехи между волокнами, но создаваемое таким образом оптическое волокно все равно имело очень высокий коэффициент затухания.

Мазер или лазер?

В 1954 г. в Колумбийском университете Чарльз Таунс (Charles Townes) с группой коллег разработал «мазер».

Небольшое лирическое отступление. Лазер (англ. laser) - акроним от “light amplification by stimulated emission of radiation” - усиление света посредством вынужденного излучения. А ма́зер (англ. maser) — квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны). Его название — аббревиатура фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification by stimulated emission of radiation).

В 1958 году лазеры еще не появились,  а Чарльз Таунс и Артур Шавлов экспериментировали с мазером  в оптическом и инфракрасном диапазонах. Свет отражался от передней и задней поверхности (это называется оптический резонатор). Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объёмный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие учёные в то время считали, что создать генератор видимого излучения невозможно. Но тем не менее первый действующий !!постоянно!! гелий-неоновый газовый лазер был изобретен и опробован в 1960 году.

Слово о структуре

В 1961 г. Элиас Шнитцер опубликовал в «American Optical» теоретическое описание одномодовых волокон с сердцевиной очень малого диаметра, которая позволяла бы передавать сигнал в режиме одного световода. Он имел возможность продемонстрировать прохождение направленного лазерного луча сквозь очень тонкое стекловолокно, которое в то время применялось в медицине. Но на тот момент потери сигнала были слишком велики для использования такого волокна в коммуникационных приложениях.

В 1964 году Чарльз Као (Нобелевский лауреат за «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи») и Джордж Хокхем из Standard Communications Laboratory опубликовали теоретическую работу о том, что высокие потери в передаче данных по волокну вызваны не самой технологией, а примесями в стекле. Результаты своих исследований они представили в 1966 году. В июне того же года вышел  отчёт с изложением ключевых особенностей волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. Изложенные в этом документе идеи по использованию волокна для потребностей связи являются основой телекоммуникаций сегодняшнего дня.

Только в 1970 г. ученым из Corning Glass Works удалось создать одномодовое волокно с затуханием 20 дБ/км. Этот результат был достигнут за счет легирования кварцевого стекла с титаном. Bell Laboratories совместно с Мортоном Панишем, Изуо Хаяши и параллельно с группой ученых из Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе в Ленинграде в 1973 г. продемонстрировали полупроводниковый диодный лазер, который мог излучать непрерывные волны при комнатной температуре.

Отныне и навсегда

В конце 70-х - начале 80-х годов телефонные компании стали очень интенсивно использовать оптический кабель для построения опорных сетей. В середине 80-х телекоммуникационная компания Sprint ввела в эксплуатацию 100% оптическую опорную телефонную сеть, протянувшуюся через всю Америку. В 1986 году Дэвид Нил Пейн и Эммануэль Десурвир разработали принцип волоконно-оптического усилителя EDFA . Благодаря этой технологии в 1988 году был проложен первый трансатлантический телефонный кабель.

А уже в в 1991 Десурвир и Пейн представили оптический усилитель, встроенный непосредственно в кабель. Это позволило увеличить скорость передачи более чем в 100 раз по сравнению с предыдущим электронным усилителем. И в этом же году было разработано фотонно-кристаллическое оптическое волокно (ФКВ). По сути - это дырчатый волновод, который имеет огромное количество преимуществ по сравнению с «обычным» волокном.

TPC–5 – самый настоящий оптический кабель с оптическими усилителями - был проложен по дну Тихого океана в 1996 г. В следующем году FLAG стала сетью с рекордной протяженностью (28 000 км) и основой для следующего поколения интернет-приложений. Fiber Optic Link Around the Globe – волоконно-оптическая линия связи вокруг Земного шара из одиночного кабеля, по большей части подводного.

В наши дни волоконная оптика применяется во многих областях. Оборонный комплекс и медицинское обслуживание, телекоммуникации и хранение данных, сетевая инфраструктура, телерадиовещание и промышленный сектор – везде нашлось место для этого универсального волокна.