Бегущие огни Как создают оптоволокно

Если вы когда-нибудь играли с зеркалами, пуская солнечные зайчики, то вам знаком базовый принцип работы современного интернета. Информация путешествует в нем на дальние расстояния именно так, в виде импульсов света. Такой подход был известен с глубокой древности. Многие народы передавали сигналы в виде столбов дыма или костров, а первый оптический телеграф, 200-километровая линия семафоров, заработал на несколько десятилетий раньше электрического. Так устроена связь и сегодня.

Путь от роутера или базовой станции до компьютера остается «медным» или беспроводным, но дальше, за пределами этой «последней мили», в дело вступают оптические сигналы. Сигнал от компьютера приходит к роутеру в виде электрических импульсов (по проводам) или электромагнитных волн, которые улавливает антенна. Дальше его нужно преобразовать в оптический. Самый удобный и распространенный способ сделать это — ​использовать полупроводниковый лазер, который создает световые импульсы и отправляет их в путешествие по дороге, вымощенной стеклом.

Тоньше — значит дальше

Оптоволокно состоит из стеклянной сердцевины и стеклянной же оболочки. Если для оболочки использовать сорт стекла с меньшим показателем преломления, то свет, запущенный в сердцевину, отражается от оболочки и не может покинуть тонкий канал. Это явление называют полным внутренним отражением. Оно позволяет импульсам пробегать на очень большие расстояния, не рассеиваясь по пути. Эта дистанция тем больше, чем тоньше сердцевина оптоволокна.

Ее диаметр может составлять всего 9 мкм, на порядок меньше человеческого волоса, и траектория светового сигнала в нем лишь одна, в точности вдоль оси. Возможная траектория света называется модой, поэтому волокно с такой тонкой сердцевиной — ​одномодовое. Свет может проходить по нему десятки километров практически не затухая. При передаче данных на большие расстояния альтернатив такому оптоволокну просто нет. Однако излучение должно входить в него строго по оси, поэтому в качестве излучателя обязательно нужен лазер.

Волокна с более толстой сердцевиной, 50–60 мкм, допускают множество мод, траекторий светового импульса. Это позволяет запускать в него свет под разными углами, используя не только лазеры, но и светодиоды, куда более простые и дешевые. С другой стороны, путешествуя по такому каналу, импульс затухает через несколько сотен метров. Поэтому многомодовое волокно применяют, например, в центрах обработки данных, где расстояния относительно невелики.

Многократное повторение

В одномодовом волокне излучение может проходить десятки километров. Но как передать световой сигнал через целые страны и континенты? Длина кабеля, соединяющего США и Юго-Восточную Азию, составляет около 20 тыс. км! На такой дистанции затухает любой, даже самый мощный импульс. Поэтому оптоволоконная линия связи организована наподобие старинного семафора: каждые 100–150 км отрезок одномодового оптоволокна заканчивается оптическим усилителем или электронным повторителем сигнала.

Оптический усилитель — ​это отрезок оптического волокна, сделанный из специального стекла с добавлением соли редкоземельного элемента эрбия. Фактически это простейший лазер: поступающий свет «накачивает» ионы эрбия энергией, а они излучают множество точных копий полученных фотонов. Такая система не преобразует импульсы излучения в электрические, не обрабатывает их, а лишь усиливает. Это удобно, просто и быстро.

С другой стороны, устройство не отличает полезный сигнал от шума и усиливает все без разбора. Поэтому на критически важных участках чаще используют электронные повторители. Они принимают оптический сигнал, переводят его в электронную форму, декодируют, проводят обработку и «чистку», восстанавливая исходную правильную форму. Затем эти данные вновь преобразуются в световые импульсы и излучаются в следующий отрезок волокна, на конце которого его ждет такая же процедура обновления.

Удвоение ставок

Скорость передачи сигналов лазером высока, но все-таки ограничена. Ее можно увеличить, если использовать несколько лазеров, работающих на разных длинах волн. Разноцветные световые импульсы совершенно не мешают друг другу и могут передаваться одновременно и независимо, увеличивая пропускную способность канала связи. Однако в современном мире и такого спектрального уплотнения часто бывает недостаточно. Поэтому ученые продолжают искать новые способы «втиснуть» больше данных в тонкую нить оптоволокна.

Недавно в Московском физико-техническом институте (Физтехе) придумали метод, позволяющий уплотнить сигнал в два раза с использованием уникального материала, графена. Для этого в волокно подаются потоки излучения с перпендикулярными плоскостями поляризации — ​ориентацией колебаний световой волны. Представьте, что вы заполнили страницу буквами, а потом развернули ее, взяли ручку другого цвета и написали еще столько же текста поперек предыдущего. В результате плотность данных увеличилась вдвое.

«Передавать такие потоки не составляет проблемы, а вот различить их при приеме сложнее, — ​объяснил нам Дмитрий Свинцов, заведующий Лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов. — ​Обычно для этого используются системы с фильтром, который пропускает только нужную поляризацию. Мы же разработали детектор на основе графена, который умеет непосредственно определять поляризацию излучения».

Созданный в Физтехе прототип использует крошечные элементы графена (плоские углеродные структуры толщиной всего в один атом), к которым подведены управляющие электроды. Подавая на графен различное напряжение, можно менять его свойства, ​например, задавая разную реакцию на падающие импульсы с разной поляризацией. «Он гораздо быстрее существующих поляризаторов, электрически управляемых, а уж тем более механических, — ​добавляет Дмитрий Свинцов. — ​Для современных скоростей передачи данных, которые измеряются уже в гигабитах в секунду, это весьма ­существенно».