Глава 6. Кремнезем в рабочем халате

Свет течет по кабелю

Академик П. Л. Капица считал, что наука развивается по экспоненте. Применительно к научным публикациям это означает, что через каждые десять лет число статей удваивается. Такое явление - опасная вещь. Наверное, все помнят притчу об изобретателе шахмат. В качестве авторского вознаграждения он попросил на первую клетку шахматной доски положить одно пшеничное зернышко, на вторую - два, на третью - четыре и так далее, постоянно удваивая. В результате экспоненциального взрыва общий вес пшеницы превысил бы 100 млрд. т! Точно так же лавинообразно растет количество научных статей, журналов, сборников, монографий. Угроза того, что все мы будем погребены под бумажной лавиной, совершенно реальна.

Так ли нужна информация? Не лучше ли всю лишнюю бумагу сдать в макулатуру и приобрести "Трех мушкетеров"? Оказывается, информация жизненно необходима человеку. Можно даже утверждать, что по степени важности она стоит на пятом месте - после воздуха, воды, пищи и сна. Человек, лишенный языка, слуха, зрения, обоняния и осязания, то есть способности воспринимать, усваивать, передавать информацию, - уже не человек. Один из героев повести братьев Стругацких "Время дождя" умер, когда его лишили возможности читать. Системы информационной связи прошли длительный путь развития. Крик, пересвистывание, барабанный бой и сигнальные огни сменились семафорами, гелиографами, маяками. Затем изобрели электрический телеграф и радио.

Всего лишь 80 лет назад Земля была зоной сплошного радиомолчания. Ныне малейший поворот ручки радиоприемника выявляет новую станцию. Музыка, пение, разноязычная речь перекрывают друг друга. Тесно в эфире! Начиная с середины 60-х годов действующая система передачи информации исчерпала свои возможности.

Выход из обрисованного тупика есть. Для увеличения пропускной способности радиоэлектронных систем требуется повышение их рабочей частоты. Например, система передачи телефонных разговоров работает в полосе частот 100000 Гц (Напомним, что 1 Гц - это частота периодического процесса, при котором за 1 с происходит 1 цикл процесса). Для удовлетворительной передачи одного телефонного разговора требуется полоса частот до 3400 Гц. Таким образом, один кабель может обеспечить 30 каналов связи. Тридцать не мешающих друг другу одновременных телефонных разговоров - каждый в своей полосе частот. Совершенно ясно, что увеличивать информационную емкость системы можно, повысив рабочую частоту до миллиона и более герц. Так появились системы связи в сверхвысокочастотном диапазоне, интенсивное развитие получили радиорелейные линии. Затем были разработаны системы связи с применением лазеров.

Однако рост потока информации обгоняет развитие средств связи. На современном воздушном лайнере, например, установлена ЭВМ весом до 30 кг. В то же время кабели, которые ведут к различным датчикам, весят почти 5 т! Львиная доля этого веса приходится на систему экранирования кабелей. В простейшем случае экраны представляют собой "чулок" из металлической проволоки, надетый на центральную жилу. Защита (канализация) требует большого количества остродефицитных цветных металлов. Может получиться так, что вся добываемая медь пойдет на изготовление "чулок" для кабелей.

Итак, из одного тупика мы попали в другой. В подобных случаях математики рекомендуют искать выход в новом измерении. Иными словами, надо забыть о металлических каналах связи и придумать что-нибудь принципиально другое.

Представьте стеклянный стержень. С одного конца в него входит пучок световых лучей. Их дальнейшая судьба зависит от угла падения (рис. 14). Один луч попал в стержень под углом, большим угла полного внутреннего отражения. Поэтому он преломился на границе стекло-воздух и безвозвратно покинул стержень. Другой луч попал в стержень под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения. Став пленником стекла, он будет и дальше отражаться от внутренних стенок, пока не покинет стержень с другого конца.

Рис. 14. Схема движения световых лучей в стеклянном стержне: 1 - источник света; 2 - стержень

Мы уже говорили о передаче информации по световодам. Преимущества такой связи неоспоримы. Во-первых, скорость передачи информации стала равной скорости света. Во-вторых, полезная полоса частот подскочила до 10¹⁴ Гц (то есть один световод может обеспечить свыше 100 млрд. каналов связи). В-третьих, вес стекла значительно меньше веса такого же объема металла. Однако имеются и некоторые недостатки. Металлическую проволоку можно намотать на барабан, а попробуйте хоть чуть-чуть изогнуть стеклянную палочку! Кроме того, количество световых лучей, покидающих стержень сквозь его боковые поверхности, настолько велико, что до его выходного конца (при достаточной протяженности) почти ничего не доходит. К этому следует добавить и рассеяние света из-за наличия в стекле примесей железа, меди, воды и т. п.

Казалось бы, перечисленные технические трудности непреодолимы. Но это не так. Стеклянный стержень, уменьшенный до диаметра 100 мкм, превращается в нить, которую можно гнуть как угодно и даже завязывать узлами. А для удержания всех лучей внутри этой нити придумали вот что. Луч света покидает световод из-за большой разницы между показателями преломления стекла и воздуха. Если центральную жилу окружить материалом с более высоким, чем у воздуха, показателем преломления, то луч света так и не сможет вырваться наружу (рис. 15).

Рис. 15. Схема движения лучей света в двухслойном световоде: 1 - источник света; 2 - внутренняя жила; 3 - оболочка

Остается рассказать, каким образом можно получить сверхтонкое и двуслойное кварцевое стекло без примесей железа, меди и воды.

Понятно, что для выплавки сверхчистого стекла требуется и сверхчистая шихта. В природе наименьшее количество примесей содержится в бразильском кварце. Однако в волокне, полученном из него, затухание воли все-таки слишком велико. Поэтому прибегли к синтетическим методам. В одном из них парогазовую смесь тетрахлорида кремния и водорода подают в факел водородно-кислородного пламени. В результате образуются линейные молекулы кремнезема, которые соединяются друг с другом в длинные цепочки. Этот промежуточный материал плавят и после охлаждения получают блоки чистейшего кварцевого стекла. Аморфный кремнезем можно получить также прямым окислением тетрахлорида кремния в низкотемпературной кислородной плазме. Дополнительного просветления волоконной оптики достигают, добавляя в газовую смесь тетрахлорид германия. Какова чистота синтетического кварцевого стекла? Достаточно сказать, что на 1 млрд. атомов кремния приходится всего 1 атом железа или другой примеси!

В современных световодах центральная жила толщиной до 10 мкм покрыта оболочкой из чистого кварцевого стекла толщиной 120-150 мкм. Для создания разницы в показателях преломления центральную жилу изготавливают из кварцевого стекла с примесью 10% оксида титана. Показатель преломления у него 1,463 (у стекла 1,458). Примесь оксида титана не ухудшает, а значительно улучшает свойства световода. Например, коэффициент термического расширения становится нулевым. Иными словами, при любых температурах длина нити постоянна. Это очень важно в тех случаях, когда длина световода превышает десятки и сотни километров.

У древних греков был миф о лидийской девушке Арахне, превращенной богиней Афиной в паука. Арахна могла свить самую тонкую нить и сплести из нее кружево немыслимой красоты. Но вряд ли и она могла бы изготовить двухслойную паутину.

На современном заводе начинают с того, что из слитков кремнезема делают стержни (штабики). Их помещают в специальную установку, в которой один конец штабика нагревают и вытягивают нить, которая проходит через замасливатель. Здесь она покрывается веществами, улучшающими ее поверхность. Далее полученный световод наматывается на барабан. Можно также залить расплавленное стекло в тигель с тонким отверстием (фильерой) в дне. Расплав вытекает, образуя тонкую нить. Для вытягивания двухслойного световода применяют сдвоенные тигли. В середине дна меньшего тигля имеется отросток, оканчивающийся фильерой. Этот отросток располагается точно над фильерой большего тигля (рис. 16). Дальнейшее понятно: больший тигель заполняют чистым кварцевым стеклом, меньший - стеклом с добавкой оксида титана. Вытекая одновременно, оба стекла застывают, образуя двухслойную нить. Ее покрывают защитной оболочкой, и световод готов.

Рис. 16. Вытягивание двухслойного световода из двойного тигля: 1 - внутренний тигель; 2 - внешний тигель; 3 - расплав стекла с примесью оксида титана; 4 - расплав чистого кварцевого стекла; 5 - отросток; 6 - двухслойный световод

На таких световодах уже работают телефонные линии на расстояния до 3000 км. Их ждут промышленные предприятия, где станками и автоматизированными комплексами управляют ЭВМ. В 1990 г. должна войти в строй световодная линия связи между Европой и Америкой, проложенная по дну Атлантического океана. Она расширит контакты между континентами.