...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Приемная антенна в лазерной линии связи — это сферическое зеркало диаметром 0,5–1 м, собирающее и концентрирующее световые лучи в пятно размером всего в несколько миллиметров. В фокусе зеркала помещают приемник светового излучения — фотоэлемент. Падающие на него импульсы света преобразуются в импульсы тока. Таким образом биты "снимаются" со светового луча и "пересаживаются" на свой привычный вид транспорта — электрический ток.

Надо сказать, что созданию надежных лазерных линий связи препятствует погода. Оказалось, что дождь, пыль, снег, туман, облачность и другие атмосферные явления резко ограничивают видимость, снижают качество передачи и могут вообще сорвать оптическую связь. Поскольку связь с помощью лазеров задумывалась сначала как беспроволочная оптическая связь, в которой луч лазера пускается в открытом пространстве, то многие стали сомневаться, что оптические линии связи найдут широкое применение в условиях земной атмосферы. Вот в космосе — это другое дело. Так бы, наверное, и случилось, если бы на сцену не выступили стеклянные "путепроводы", или световоды, которые надежно защищают луч от воздействия атмосферы. О них мы и поведем рассказ в следующей главе.

Стеклянный тоннель

С грохотом поезд промчался в тоннели…

Чудные грезы исчезли вдали! Н.А. Морозов

Путешествие продолжается. Наш суперсовременный световой "экспресс", до отказа "набитый" необычными пассажирами — битами, бесшумно влетает в стеклянный тоннель. Но почему в тоннеле темно? Разве наш "экспресс" не озарит все вокруг лучистым светом? Ведь наблюдаем же мы, скажем, при подсветке фонтана, как свет переливается в его струях. И это довольно красивое зрелище. Так куда же пропал свет в световоде?

Все объясняется очень просто. По световоду распространяется… "невидимый" свет. Это может показаться несколько неожиданным, тем более что в рекламных журналах можно увидеть красочные фотографии, на которых свет эффектным веером льется из стеклянных нитей — оптических волокон. Но это так!

— А разве свет бывает невидимым? — спросите вы.

Если быть точным, то следует сказать, что светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длина волны этого излучения заключена, как вы знаете, в интервале 0,4–0,75 мкм. Но часто физики называют светом и невидимые электромагнитные волны, длины которых лежат далеко за пределами этого интервала: 0,01-340 мкм. Академик С.И. Вавилов указывал, что существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы. На память приходит роман Герберта Уэллса, и по аналогии с его героем мы можем сказать — свет-невидимка.

Сейчас в технике связи по оптическим волокнам широко используется длина волны 0,85 мкм, которая находится за пределами зримого диапазона. Чем это вызвано?

Чуть позднее мы ответим на данный вопрос, а пока взгляните на оконное стекло. Вам кажется, что ничего более прозрачного для света придумать нельзя? Однако если сделать из этого стекла тонкую нить и ввести в нее луч лазера (например, гелий-неонового, = 0,63 мкм), то окажется, что даже при достаточно короткой ее длине свет настолько ослабится, что не будет излучаться из противоположного торца нити. Значит, обычное стекло не так уж прозрачно, как хотелось бы, и луч в нем, "спотыкаясь", не доходит до финиша. Действительно, пачка из нескольких стекол кажется уже не прозрачной, а зеленой, а торец ее — вообще черным.

Прозрачность стекла зависит от наличия в нем примесей различных элементов. Чем меньше примесей, тем оно прозрачней. При изготовлении световодов из стекла нужно обеспечить очень высокую степень его очистки. Получить сверхчистое стекло удалось в 1970 г. Это сделал инженер американской фирмы "Corning glass company" по фамилии Капрон. Он и его сотрудники изготовили тонкую стеклянную нить очень высокой (по тем временам) степени прозрачности: в такой нити свет на расстоянии в 1 км ослаблялся "всего" в 100 раз.

Дальнейший прогресс в технологии получения сверхпрозрачных оптических волокон позволил уже в 1972–1973 гг. уменьшить ослабление света: теперь на таком же расстоянии он ослаблялся только в 3 раза. В лучших образцах современных световодов, изготовленных из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света на длине 1 км уменьшается всего в 1,05 раза.

Вам интересно, как получают сверхчистое стекло? Это очень трудоемкий процесс. Чтобы иметь о нем хотя бы отдаленное представление, мы расскажем, как делается стекло из кварца.

Знаете ли вы, какие самые распространенные элементы в природе? Правильно, кислород. И еще кремний. В земной коре его 27,6 %. В свободном виде кремний в природе не встречается. Он входит в состав различных соединений, которые попадаются нам на каждом шагу: кварца, песчаника, глины, многих других горных пород и минералов. Свою историю кремний отсчитывает с 1811 г., когда французские химики Ж.Л. Гей-Люссак и Л.Ж. Тенар получили его в свободном виде. Однако они не описали кремний как элемент. Сделал это шведский химик И.Я. Берцелиус в 1823 г. Новый элемент назвали силицием (от латинского слова, обозначающего "кремень").

Кварц — это окисел кремния SiО₂. При температуре выше 1710 °C кварц плавится и переходит в жидкое состояние. Можно было бы варить из кварца стекломассу и затем вытягивать из нее волокно. Однако в данном случае трудно избавиться от примесей и изготовить сверхчистое стекло. Поэтому поступают следующим образом. Сначала получают с помощью химической реакции "газообразный" кварц (или, еще говорят, его газовую фазу), в таком состоянии примесей в кварце почти нет. Затем путем охлаждения осаждают его в твердом виде на внешней или внутренней поверхности цилиндрического стержня. Этот метод так и называют — "химическое осаждение из газовой фазы".

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 SiCl₄) — как основной "держатель акций" кремния; кислород (О₂) — 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 (SiO₂), а "отделившийся" в самостоятельный газ хлор (2Сl₂) 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.