Если в затемненной комнате включить гелий-неоновый лазер, то на фоне полумрака его сочный красный луч будет смотреться необычайно эффектно. Он почти не расходится. Можно поставить на пути луча отражающие зеркала и заставить его проделать сложный и запутанный путь в пространстве комнаты. Возникнет очень красивое зрелище — комната, "перечеркнутая" в разных направлениях ярко-красными прямыми нитями.
"Обучать" лазеры передаче на расстояние информации стали вскоре после их изобретения. Первые лазерные линии связи появились в начале 60-х годов XX в. В нашей стране первая такая линия была построена в 1964 г. в Ленинграде. Затем стали появляться другие лазерные линии. Правда, использовались они для передачи обычных телефонных разговоров, а не двоичных цифр.
Москвичам хорошо знакомы такие уголки столицы, как Ленинские горы и Зубовская площадь. В 1966 г. между ними засветилась красная нить лазерного света. Связывала она две городские АТС, находящиеся на расстоянии 5 км друг от друга. В Армении есть гора Арагац. Она примечательна тем, что на ней расположилась знаменитая Бюраканская астрофизическая обсерватория. Ученые решили связать эту обсерваторию со столицей Армении городом Ереваном оптической линией связи с использованием гелий-неоновых лазеров. Длина этой линии составляла уже несколько десятков километров.
На другой горе — Мтацминде (это уже в Грузии) — в конце 1970 г. установили телевизионный передатчик (ретранслятор)с антенной, который должен был "обслуживать" грузинские селения, разбросанные в долинах. Телевизионные же программы для этого передатчика "доставлял" с Тбилисской телестудии лазерный луч.
Весьма перспективно использование лазерной линии связи для передачи на Землю из космоса или от одного космического аппарата к другому больших объемов информации.
Нам осталось познакомиться с тем, как "пересадить" биты информации на световой луч. В световом телеграфе (или семафоре, как его называют на кораблях) включается или выключается источник света. Прерывать генерацию в лазерных источниках не всегда удобно хотя бы потому, что на образование новой лавины фотонов требуется дополнительное время — "раскачка". Может оказаться, что при очень высоких скоростях передачи время раскачки превысит длительность светового импульса. Поэтому воздействовать на лазерный луч стараются тогда, когда он уже вырвался наружу.
Фотолюбителям знакомо устройство, пропускающее свет при внешнем воздействии на него. Это затвор фотоаппарата.
Нажмите на спуск, и затвор на мгновение откроется. В лазерах применяют не механические, а специальные электрооптические затворы. Один из них называется ячейкой Керра и представляет собой кювету с жидкостью — нитробензолом. Внутри кюветы расположены две обкладки конденсатора. Если менять на них напряжение, то прозрачность жидкости для лазерного луча будет меняться. Это объясняется тем, что, когда атомы нитробензола находятся в невозбужденном состоянии (на нижнем энергетическом уровне), они поглощают фотоны света. Если же перевести возможно большее число возбужденных атомов нитробензола на верхний уровень, то они уже не в состоянии будут поглощать фотоны.
В исходном состоянии ячейка Керра непрозрачна — оптический затвор закрыт. Приход очередного бита (импульса) изменяет напряжение на обкладках конденсатора ячейки так, что жидкость в ней становится прозрачной. Оптический затвор на время действия импульса оказывается открытым. Возникает световой импульс лазерного излучения.
В настоящее время используются и другие типы электрооптических затворов, например ячейка Поккельса с изменением плоскости поляризации световой волны. Добавим, что электрооптический затвор играет роль модулятора светового луча, поскольку он изменяет (модулирует) интенсивность потоков света.
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!
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, λ = 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 (О