Теперь мы вплотную приблизились к очень интересной теме.
Волоконная оптика
Трудно предположить, что Москву часто будет окутывать непроницаемо густой туман и лазерная линия связи перестанет функционировать. И все-таки, а вдруг? Хотелось бы иметь линию связи, совершенно не зависящую от погодных условий. Такие линии есть — это кабели. Но они дороги, на их изготовление идет масса дорогих цветных металлов, а пропускная способность все время остается недостаточной. Возникла идея пустить световой сигнал по стеклянному волокну.
Устройство стекловолоконного «кабеля» непростое. Сердцевина его имеет больший показатель преломления, чем периферийная часть. А свет может преломляться в неоднородной среде в сторону среды с большим показателем преломления. В этом случае пологие световые лучи будут всегда отклоняться к центру волокна и никогда не выйдут наружу. В зависимости от технологии изготовления волокна показатель преломления может изменяться либо плавно, либо скачкообразно, если в процессе изготовления «сердцевину» волокна покрыть еще одним слоем «легкого» стекла. В этом случае свет будет испытывать полное внутреннее отражение на границе раздела слоев и опять же не сможет покинуть «сердцевину» стекловолокна.
Стекловолоконный кабель.
Стекловолокно можно сделать очень тонким, теоретически до половины длины волны, т. е. 0,25 мкм. Промышленно выпускаемые волокна значительно толще, диаметр их составляет доли миллиметра. Тем не менее стеклянное волокно такого диаметра оказывается гибким и легко наматывается на катушку. Снаружи волокно покрывают слоем полиэтилена для защиты от механических повреждений. Торцы стекловолокна шлифуют. И к ним присоединяют светодиод или полупроводниковый лазер с одной стороны и фотодиод — с другой. Волоконная оптическая линия связи (ВОЛС) — готова! Ее можно, как и кабель, уложить под землей, можно подвесить на столбах, протащить в слуховое окно — словом, обращаться так же, как мы обращаемся с электрическими проводами. Причем ВОЛС имеет явные преимущества. Она не боится сырости (никаких коротких замыканий или утечек тока не будет), не требует изоляции, не коррозирует и не окисляется. А на ее изготовление идет самый недефицитный материал — ведь стекло получают переплавкой обычного песка!
Разумеется, есть и проблемы. О ВОЛС долго спорили. Скорость передачи информации высокая, это хорошо, но вот дальность…
Стекло хотя и слабо, но поглощает свет. Первые ВОЛС имели длину десятки метров. Наконец разработали особо прозрачные стекла и подобрали оптимальную длину волны, на которой потери минимальны. Она оказалась в ближней ИК области около 1…1,5 мкм. И вот первый большой успех в Великобритании — сдана в эксплуатацию ВОЛС длиной около 64 км без единого промежуточною усилителя.
Первая в нашей стране подземная телевизионная линия оптического кабеля была подведена в июне 1984 года в Москве к дому 19 (корп. 1) по Алтайской улице. Этот дом находится в так называемой теневой зоне, где телевизионный сигнал сильно ослабляется и искажается из-за интерференции волн, отраженных от окружающих зданий. Приемная антенна была установлена на крыше соседнего 16-этажного здания, откуда видна телебашня в Останкине. Принятым телевизионным сигналом модулировалось световое излучение, направлявшееся в оптический кабель длиной 2,5 км. На другом конце кабеля был установлен фотодетектор, с выхода которого телевизионный сигнал поступал к усилителю и далее в коаксиальную кабельную сеть дома. Что ж, поживем — увидим, что будет дальше, а пока настала пора рассказать о последнем достижении оптоэлектроники — интегральной оптике.
Интегральная оптика
Почему интегральная и что это значит? Ведь оптика как отрасль науки и техники занимается линзами, зеркалами, призмами и тому подобными хорошо знакомыми нам предметами. Путь к интегральной оптике был недолгим и вполне логичным. Как только научились изготавливать миниатюрные источники некогерентного и когерентного света (светодиоды и полупроводниковые лазеры), как только научились делать крохотные полупроводниковые фотоприемники, явилась мысль объединить их с другими, оптическими деталями — модуляторами, световодами (оптическими волноводами), линзами и тому подобными устройствами, с одной стороны, и электронными схемами — с другой. Объединение — значит интеграция, отсюда и произошло название. Возможно и другое толкование. Интегральная микросхема отличается тем, что все се элементы изготавливаются на одном кристалле в едином технологическом процессе. То же самое относится и к элементам интегральных оптических и оптоэлектронных систем.
Простейший представитель интегральной оптоэлектроники — оптрон выполнен на одной пластинке кремния. В середине ее проходит световод тонкий канал с отражающими свет стенками. А по краям канала расположены светодиод и фотодиод. Ширина световода может быть малой: до половины длины световой волны. Его свойства во многом подобны свойствам волновода, используемого в технике СВЧ.
Мы привыкли к тому, что свет распространяется прямолинейно. Но это совершенно не относится к световоду. Его можно изгибать, разветвлять, отбирать из него часть энергии. С помощью световодов можно смешивать два оптических сигнала. В принципе весь арсенал средств и изделий СВЧ волноводной техники можно перенести в оптический диапазон. Можно сделать, например, оптический приемник гетеродинного типа миниатюрных размеров.
Обычные фотоприемники: фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды и фототранзисторы — реагируют на очень широкий диапазон частот оптического излучения. Это хорошо, если необходимо регистрировать дневной свет или свет, излучаемый лампой накаливания — светодиодом. Но когда нужно принять сигнал лазера — передатчика с высокой монохроматичностью излучения, широкий диапазон фотоприемника совсем не нужен и даже вреден: будет мешать посторонняя засветка фотоприемника, скажем дневным светом. В светодальномере, например, для ослабления помех от дневного света перед фотоприемником устанавливают узкополосные интерференционные светофильтры — оптические стекла с нанесенными на них тонкими пленками. Фильтр пропускает преимущественно свет с длиной волны используемого лазера и задерживает свет с другими длинами волн. Фотоприемник тем не менее остается обычным «детекторным» приемником и реагирует на все сигналы, пропущенные к нему фильтром.
Интегральная схема оптического диапазона.
Оптический гетеродинный приемник отличается принципиально. В нем на нелинейный элемент — фотоприемник, фотодиод — подаются два сигнала: принимаемый и сигнал лазерного гетеродина. Частота гетеродина выбирается несколько отличной от частоты принимаемого сигнала, и в фотодиоде выделяется сигнал биений, который и поступает в усилитель. Полоса частот сигналов, на которые реагирует оптический гетеродинный приемник, намного уже полосы частот обычного приемника с любыми оптическими фильтрами на входе. Это дает определенные преимущества. Приемник практически полностью перестает реагировать на посторонние сигналы. Дневной свет теперь ему не мешает. Лазерный локатор, например, будет реагировать только на отражение «своего» сигнала, не страшась никаких помех.
Оптический гетеродинный приемник делали и не используя интегральную оптику. Можно на фотокатод диода или фотоумножителя сфокусировать два сигнала: принимаемый и местного лазера — гетеродина. Но юстировка такой системы очень сложна, ведь фазы оптических сигналов должны быть одинаковыми на всей поверхности фотокатода. В интегральном исполнении подобные приемники получаются и проще и гораздо миниатюрнее. Да и возможностей больше — в световоде можно выгравировать и фильтры, и другие необходимые детали.
Интегральная оптика прекрасно сочетается с микроэлектроникой, и это открывает новые широчайшие возможности. Мы уже говорили о телевизионном экране, составленном из тысяч светодиодов. Управлять светодиодами должна электроника. Давно уже поговаривают об использовании оптическою диапазона в вычислительной технике. Ведь объемы перерабатываемой информации и быстродействие непрерывно растут, а по обоим этим параметрам интегральные оптические системы стоят на одном из первых мест. Вот пример. Чтобы выполнить преобразование Фурье обычным способом, надо взять многие тысячи отсчетов сигнала и произвести миллионы операций умножения, сложения и усреднения. Оптический процессор позволяет выполнять преобразование Фурье практически мгновенно. Информация записывается на оптическом носителе (пленке, жидком кристалле или жгуте оптических волокон) в виде светового изображения, перед которым помещена линза. Фокусируя изображение, линза осуществляет двумерное Фурье-преобразование информации.
