На атомном уровне неизбежные потери возникают из-за того, что свет любой длины волны заставляет атомы переходить в возбужденное состояние. Каждый переход сопровождается поглощением фотона. Ультрафиолетовый свет возбуждает электроны: они переходят на более высокий энергетический уровень и при этом поглощается фотон, энергия которого равна разности энергий двух уровней. Инфракрасный свет создает колебательные возбуждения: связи между атомами кремния, кислорода и присадок можно рассматривать как пружинки, которые испытывают резонансные колебания на инфракрасных частотах и поглощают инфракрасные фотоны.
ВОЗМОЖНОСТИ стекла как пропускающей среды с малыми потерями ограничены его объемными свойствами и свойствами на атомном уровне. Поскольку по своей природе стекло является неупорядоченной средой, часть света неизбежно рассеивается на случайных флуктуациях структуры и плотности. Такое рассеяние называется рэлеевским в честь английского физика Рэлея; оно уменьшается пропорционально четвертой степени длины волны, так что его влияние становится малым для более длинных волн (в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра). Небо на закате красное, потому что рэлеевское рассеяние красного света больше, чем синего.
Заметно помогает увеличить длину пути сигнала в волокне без усиления специальный выбор профиля показателя преломления в волокне. Например, в многомодовом волокне моды, распространяющиеся под наибольшим углом к оси волокна, проходят самое большое расстояние и отстают. Запаздывания приводят к размыванию бегущего по волокну сигнала. Снижается предельно возможная скорость передачи, и полезная длина волокна оказывается ограниченной. Для решения проблемы в стекло добавляют присадки, или примеси, типа оксида бора (В2О3) или диоксида германия (GеО2) так, чтобы показатель преломления менялся с удалением от оси сердцевины волокна по параболическому закону. Благодаря этому скорость света в волокне растет с удалением светового луча от центра сердцевины и большая скорость мод, имеющих больший наклон, компенсирует большую длину их пути. Такую подгонку свойств стекла можно назвать конструированием показателя преломления.
Качество очистки силикатного стекла (SiO2), применяемого в настоящее время в оптических волокнах с малыми потерями, приближается к принципиальному пределу, обусловленному свойствами самого стекла. Этот успех был достигнут не благодаря озарению или изобретению, а в результате тщательного и кропотливого труда по выявлению и устранению всех факторов, обусловливающих оптические потери. Концентрации таких включений, как медь, железо и ванадий, были снижены до нескольких долей на миллиард. Концентрации загрязнений водой и гидроксилом (ОН) были уменьшены почти до столь же низкого уровня. Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон на размеры и степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один микрон на многие километры длины. Пузырьки и дефекты поверхности по существу устранены.
При освещении светом торца волокна световые пучки "стартуют" по множеству направлений в сердцевине и оболочке. Пучок, путь которого слабо наклонен к границе между сердцевиной и оболочкой, полностью отражается от нее из-за различия показателей преломления двух сред. Вследствие этого пучок оказывается "запертым" в сердцевине (эффект полного отражения света, лежащий в основе этой конструкции, хорошо известен уже более 100 лет). Если свет имеет возможность распространяться более чем по одному пути (или моде), волокно называется многомодовым. Если, однако, диаметр сердцевины довольно мал, то распространяться может только один пучок: его путь проходит по существу прямо вдоль оси сердцевины; такое волокно называют одномодовым.
ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ двух основных видов оптических волокон (а); сердцевина волокна (цветная) проводит световые сигналы, а стеклянная оболочка (серая) удерживает в сердцевине основную часть света. Характер удержания зависит от профиля преломления, показанного изменяющимся цветовым тоном (а) и графически (Ь). (Показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде.) Для левого волокна со ступенчатым профилем показатель преломления резко меняется на границе сердцевины и оболочки; световые лучи, падающие на границу под малым углом наклона, отражаются назад в сердцевину (с). Лучи, распространяющиеся под наклоном к оси волокна, пробегают больший путь, чем лучи, распространяющиеся непосредственно вдоль сердцевины, что приводит к размыванию сигнала. Внося в стекло примеси, профилю показателя преломления можно придать параболическую форму (справа). В таком волокне больший путь лучей во внешней части сердцевины компенсируется большей их скоростью.
Свет распространяется по волокну, состоящему из стеклянной сердцевины и окружающей ее стеклянной оболочки; сердцевина проводит световой сигнал, а оболочка предохраняет свет от утечек наружу. В волокнах простейшего вида со ступенчатым профилем показателя преломления стеклянная оболочка сделана из однородного материала, показатель преломления которого немного ниже по сравнению с сердцевиной. (Показатель преломления прозрачного материала равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в материале; меньший показатель преломления оболочки означает, что скорость света в ней несколько больше, чем в сердцевине.)
таких материалов невозможно обсуждать, не рассмотрев процессы их получения.
В НАСТОЯЩЕЕ время технология фотоники в значительной мере направлена на создание эффективного, надежного и дешевого связующего звена с электроникой. К основным материалам, создаваемым для этих целей, относятся стекло, полупроводники и нелинейные среды. Материалы фотоники, как и материалы электроники, - не обязательно однородные, объемные вещества в традиционном смысле. Напротив, они являются чрезвычайно сложными композитами, структура, оптические и электронные свойства которых меняются от точки к точке практически в пределах атомного масштаба. Строение
других целей. Например, иногда оказывается более удобным без участия электроники усиливать оптические сигналы, включать и выключать их или направлять в одну из нескольких цепей. Такие требования стимулировали заметную активность в исследованиях материалов, называемых обычно нелинейными в силу того, что количество пропускаемого ими света не пропорционально интенсивности падающего. В лабораторных условиях нелинейный оптический отклик используется для создания фотонного аналога транзистора, чисто оптического устройства, которое усиливает подводимый сигнал. При определенной организации распространения света по нелинейной среде можно строить также фотонные логические цепи, которые оптически моделируют логические операторы И, ИЛИ и НЕТ. Фотонные транзисторы и логические цепи могли бы оказаться базовыми элементами основанного полностью на фотонной технологии суперкомпьютера, который, по мнению ряда ученых, заменит в один прекрасный день электронно-вычислительные машины.
Не следует думать, что материалы для фотоники разрабатывались с упором лишь на проблему связи. Их совершенство и сложность, новые элегантные методы их получения отражают фундаментальные успехи науки о материалах, которые можно, по требованию рынка, применить и для
Эволюция фотонной технологии привела, таким образом, к сложному симбиозу фотоники и электроники: информация, передаваемая только фотонами, генерируется, обрабатывается и сохраняется устройствами, в которых существенную роль играют как фотоны, так и электроны. Чисто фотонные устройства, которые могли бы взять на себя не только передачу информации, но и другие функции, экономически пока не конкурентоспособны.
СТЕКЛО является наиболее известным материалом фотоники, однако это только один из нескольких сложных материалов, созданных в соответствии с требованиями наиболее высокоразвитой области фотонной технологии: передачи информации по волоконно-оптическому кабелю. Система должна донести световой сигнал на большое расстояние, она также должна быть способной в передатчике превратить электрический сигнал в световой, а в приемнике преобразовать свет обратно в электрический сигнал. Для этих целей были созданы совершенно новые полупроводниковые соединения, свойства которых абсолютно не похожи на свойства кремния. Новые сплавы называют полупроводниковыми соединениями типа АIII-ВV по номерам групп периодической системы, к которым принадлежат составляющие их элементарные компоненты . Они используются в разнообразных твердотельных лазерах и светоизлучающих диодах для генерации световых сигналов, в электрооптических повторителях, усиливающих сигнал после прохождения через волокно, и в детекторах, превращающих сигнал в электронный импульс. Такие приборы, возможно, даже в большей степени, чем стекло, способствовали воплощению в жизнь смутного предвидения о коммуникации посредством фотонов.
Успехи в создании материалов для фотоники, достигнутые в последующей четверти столетия, сопоставимы с впечатляющими достижениями в получении сверхчистого кремния для электроники. Критерием может служить поглощение света в стекле. За 4500 лет, прошедших со времени самого раннего из известных применений стекла до середины нашего столетия, оптические потери, обусловленные поглощением в стекле, были снижены в 10 тыс. раз. Такой прогресс позволил получить прозрачность, достаточную для изготовления высококачественных линз, однако поглощение оставалось все же слишком большим, чтобы оптическое стекло можно было использовать в качестве проводника света в системе связи. Требования индустрии связи привели к тому, что за последующие 25 лет оптические потери в стекле были уменьшены еще в 10 тыс. раз. Окно толщиной в 10 км, сделанное из волоконно-оптического стекла наивысшего качества, было бы для света более прозрачным, чем окно из обычного стекла толщиной в сантиметр.
электриические сигналы, может стать привычным носителем информации. Когерентный, монохроматический свет, излучаемый лазером, устранил основную преграду для связи, осуществляемой посредством световых волн: обычные источники света невозможно модулировать достаточно быстро, чтобы они могли нести большое количество информации. Огромная информационная емкость когерентного источника света предоставила возможность впервые всерьез задуматься над необходимостью новой, аналогичной электронике технологии генерации, передачи, приема и обработки сигналов, несомых фотонами, а не электронами. В настоящее время эту технологию называют фотоникой. Чего не хватало технологии фотоники в первые годы ее развития, так это материалов, которые могли бы удовлетворить ее техническим требованиям.
ДЕМОНСТРАЦИЯ работы лазера в 1960 г. навела на мысль, что когда-нибудь свет, заменив
Преимущества передачи световых сигналов вместо электрических стали причиной появления сверхчистого стекла, полупроводниковых сплавов толщиной в несколько атомов и нелинейных сред. Благодаря созданию этих материалов наметился переворот в развитии систем связи
(В МИРЕ НАУКИ, Декабрь 1986 / SCIENTIFIC AMERICAN, October
Материалы для фотоники
Материалы для фотоники
