Отечественные волоконные световоды — прорыв в будущее

Способы манипуляции с фотонными (световыми) потоками, методы получения контроля над ними на микроуровне, потенциальные пространства применения полученных результатов являются одним из наиболее перспективных направлений развития современных технологий. У России есть все составляющие для прорыва в этом направлении.

Достигнув определённого уровня, это развитие позволит, например, создавать процессоры, «рабочим инструментом» которых будет не электрический ток, а свет. Вполне осязаемые достижения в этой области доступны уже сейчас. Ещё в 1990 году фирма Bell создала макет оптического устройства и продемонстрировала выполнение логических и арифметических операций с очень высоким быстродействием. А в 2003 году компания Lenslet создала первый в мире оптический процессор, причем это была не демонстрационная модель, как созданная в 1990 году, а коммерческий продукт, который можно было купить. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляла 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду).

Несмотря на большое количество не разрешённых проблем, «световой компьютер» большинством футурологов и экспертов полагается хоть и отдалённым, но неизбежным будущим вычислительной техники. Тем не менее, свет уже сейчас широко используется в информационных технологиях, в первую очередь, как средство высокоскоростной передачи информации. Такое использование когерентного светового излучения, ставшего доступным человечеству с созданием лазера, практикуется с конца 60-х, хотя различные варианты использования света для связи разрабатывались с середины XIX века.

Миллиметровые, сантиметровые и дециметровые радиоволны, используемые для нужд связи, имеют ограниченный перечень частот, в эфире становится всё теснее, операторы мобильной связи, которым необходимы высокие частоты, вступают в «борьбу» с оборонными ведомствами за доступ к частотам радиовещания. В то время как использование микронных волн видимого света для нужд связи — вместо сантиметровых и миллиметровых радиоволн — создавало возможность почти беспредельно расширить объемы передаваемой информации. Система связи на гелий-неоновом лазере имеет полосу пропускания, в которой можно одновременно разместить около миллиона телевизионных каналов.

Широкая полоса пропускания обусловлена чрезвычайно высокой частотой оптической несущей — около 1014 Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому каналу потока информации в несколько Тбит/сек. Большая полоса пропускания — одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации. Однако, попытки передавать информацию через атмосферу непосредственно лучом света, продемонстрировали непреодолимую проблему непрозрачности земной атмосферы. При разумной мощности, луч лазера может использоваться для нужд связи на расстоянии, измеряемом километрами, и это при идеальных условиях.

Первые в мире исследования возможности создания линий связи на основе оптических диэлектрических волноводов — волоконных световодов — были начаты в СССР в 1957 г. О. Ф. Косминским, В. Н. Кузмичевым, А. Г. Власовым, A. М. Ермолаевым, Д. М. Круп и другими. Уже в 1961 г. в первой статье, посвященной части результатов этих коллективных и комплексных исследований, показана широкополосность оптических волноводов. Их разработки заложили основы волоконно-оптической связи, использующей давно известный принцип полного внутреннего отражения луча света, происходящего при определённом угле его падения на границу двух сред с разной плотностью. Свет при этом оказывается словно заключенным в плотной среде и распространяется в ней, повторяя всю её геометрию, изгибы и повороты.

К выводам советских ученых через семь лет (1966 г.) пришли сотрудники английской лаборатории телекоммуникационных стандартов фирмы STL — Чарльз Као и Чарльз Хокхэм. Первыми из зарубежных специалистов по технике связи они опубликовали статью о том, что оптические волокна могут использоваться как среда передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание менее 20 дБ/км (децибел на километр). Был также указан ими путь создания пригодных для телекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле.

Несмотря на простоту теории и её реализации в лабораторных условиях, изготовление пригодных для промышленного использования световодов и их использования для широких нужд требует значительных усилий. В идеальных световодах, абсолютно однородных и абсолютно отражающих, световые волны должны распространяться не ослабевая, но на практике световоды поглощают и рассеивают свет. В первых световодах, изготовленных из такого стекла, потери энергии были очень велики (на 1 м световода терялось более 50% введенного в него света). Однако и при таком качестве удалось создать приборы, позволявшие пропускать свет через изогнутые каналы, но для создания магистральных линий связи такие световоды были малопригодны.

Понадобилось около десятилетия для того, чтобы создать лабораторные образцы волоконных световодов, способных передать на 1 км 1% введенной в них мощности света. Простейший световод представляет собой тонкую нить из прозрачного диэлектрика, однако для практических нужд связи использовать ее было нельзя. Незащищенная отражающая поверхность в обычных условиях постепенно покрывается микроскопическими дефектами, ухудшающими передающую способность.

В промышленную плоскость ситуацию перевело создание двухслойных световодов. Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления самой жилы.

Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Но это требует очень высокой технологичности создания однородной границы между слоями. В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон, сердечник которых изготовлен из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочка из фторированных PMMA (фторполимеров).

Развитие производства световодов — это важная составляющая развития связи и информационной инфраструктуры. До самого последнего момента, это развитие было у нас выражено крайне слабо, причём отсталость была такова, что проблема в равной степени начала тревожить предпринимателей, научные круги и государственные структуры. Так, проблемы развития волоконно-оптической связи в Российской Федерации обсудили в Минкомсвязи РФ 3 июня 2009 года. Во встрече приняли участие заместители министра связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Н. С. Мардер и Д. С. Северов, а также представители Российской академии наук, производителей кабельной продукции, операторов связи, отраслевых научно-исследовательских институтов и общественных организаций.

В докладе академика Е. М. Дианова был сделан краткий анализ проблем волоконной оптики в Российской Федерации. Основной из них академик считает отсутствие в стране собственного производства световодов для изготовления современных оптических кабелей связи. В настоящее время в Российской Федерации все двадцать предприятий, производящие волоконно-оптические кабели, используют для их производства только импортные волоконно-оптические компоненты — Corning (основной поставщик) и Fujikura (по специальному требованию клиента). В этой связи было предложено организовать производство волоконных световодов в Российской Федерации.

11 февраля 2011 года был подписан контракт на постройку в Саранске первого в России завода по производству оптоволокна. Соответствующее соглашение подписали генеральный директор швейцарской компании «Некстром» Тимо Ид и генеральный директор компании «Оптико-волоконные системы» Евгений Букаев. По словам экс-главы Мордовии Николая Меркушкина, «по сути, в Мордовии началось создание не просто завода, но и новой высокотехнологичной отрасли России». Реализация проекта, рассчитанного на собственные условия России, позволяет убрать импортозависимость от заграничных материалов, а также построить полный цикл производства — от сырья до готового продукта. В Иркутской области присутствуют достаточные запасы кварца. Основная часть производства высокочистых кварцевых гранул — исходного сырья для производства оптоволокна в настоящее время сосредоточена в США, Японии и Китае.

При этом сравнительный анализ химического состава кварца из некоторых иркутских месторождений позволяет говорить об уникально низких содержаниях примесей, а российскими учёными уже созданы экономически эффективные технологии доочистки кварца, которые позволяют достичь чистоты, превосходящей мировые аналоги. Недорогое по сравнению с зарубежным отечественное сырье и невысокая стоимость электроэнергии могут обеспечить конкурентоспособность не только исходного сырья, но и конечной продукции.

27 декабря 2013 г. глава Мордовии Владимир Волков на встрече в Кремле с президентом России Владимиром Путиным сообщил, что первый российский завод по производству оптоволокна начнёт работу в 2014 году. «И главное, там будет не только оптоволокно связи, но и специальное оптиковолокно — там наши технологии, разработанные с Академией наук», — пояснил глава республики. Глава Мордовии указал, что кластер оптиковолокна в Саранске должен стать центром оптоволоконной техники. «И это уже не то, что мы хотим, — а мы сейчас все для этого делаем, потому что на базе разработок инжинирингового центра будет масса малых предприятий, которые будут делать приборы контроля, медицинские приборы, лазеры. Это целая отрасль практически возникнет», — сказал Волков. По его словам, в этом предприятии «сосредоточены все научные функции, которые есть в России — прежде всего, Российская академия наук, Институт радиотехники и электроники, а также институт, связанный с оптиковолоконной техникой, и Санкт-Петербургский ИТМО».

Так, Научный центр волоконной оптики РАН РФ разработал технологии производства устойчивого к изгибам оптического волокна и фотоннокристаллического оптического волокна (микроструктурированное оптическое волокно — новейший класс оптического волокна, основанный на особых свойствах фотонных кристаллов). Кроме того, разработаны методы нанесения углеродного нанопокрытия на оптические волокна. Предполагается, что эти технологи будут адаптированы для производства оптического волокна в промышленных масштабах.

При выходе на проектную мощность, саранский завод будет производить ежегодно 2,4 миллиона километров волокна, что позволит занять от 20 до 30% всего российского рынка. И, учитывая собственные запасы сырья, инженерных кадров и отсутствие препятствий для создания новых заводов, Россия не только сможет существенно удешевить, а значит, и ускорить создание инфраструктуры широкополосных сетей передач данных, но и поставлять конечную, высокотехнологичную продукцию своих предприятий на экспорт.