Представете си свят без интернет, електронна поща, стрийминг или социални медии. Представете си, че трябва да пишете писма на ръка – и да ги изпращате до другия край на света в хартиен плик, като те ще пътуват по седмица. Представете си да се обаждате на приятелите си от телефон, закрепен на стената в коридора на дома. Представете си, че трябва да обиколите всички железарии, за да сравните цените на смесител за вода. Ужасен ужас, нали?
Можете да благодарите на оптичните влакна за интернет и всички удобства, които имаме днес, и още много други. А междувременно им кажете „Честит 60-ти рожден ден“.
Какво представляват оптичните влакна?
Оптичните влакна са тънки като косъм нишки от стъкло, които ограничават и пренасят светлина. Информацията, кодирана върху тази светлина, е начинът, по който общуваме, гледаме филми, пазаруваме и оставаме свързани.
За да може информацията да се пренася на големи разстояния, влакното трябва да бъде изключително прозрачно. Магията зад прозрачността на оптичното влакно е комбинация от материалознание и производствена техника.
Докато светлината пътува по влакното, малко по малко част от нея се разсейва от самите молекули на стъклото и се губи. В съвременните оптични влакна тази загуба е толкова малка, че светлината може да измине стотици километри и все още да бъде видима.
Пренасянето на информация под формата на светлина на големи разстояния изисква влакното да действа като огледало. Така то може да отразява частиците светлина около завоите, когато влакното е огънато – както би могло да стане, ако е прокарано като електрически кабел вътре в сграда.
Оптичните влакна се състоят от вътрешно ядро, заобиколено от външен слой, наречен обвивка, като и двата са направени от стъкло. Защитни пластмасови слоеве обгръщат тези стъклени части и правят влакното забележително здраво. Стъклото на ядрото е направено от материал, който има малко по-висок показател на пречупване от обвивката.
Можете да си представите показателя на пречупване като плътност. По-плътният материал има повече атоми или молекули за своя размер, така че на светлината ѝ отнема повече време да премине през него. Показателят на пречупване измерва това забавяне на светлината вътре в материала.
При такъв дизайн светлината претърпява „пълно вътрешно отражение“, отразявайки се от границата между ядрото и обвивката. Забележителна особеност на това явление е, че стъклата, съставляващи както ядрото, така и обвивката, са прозрачни, но когато са поставени едно до друго, светлината, падаща върху тази граница под определени ъгли, се отразява като от перфектно огледало. И как се произвеждат тези специални видове стъкло?
Чиста наука
Оптичните влакна, които свързват нашия свят, са направени предимно от силициев диоксид, който съставлява и пясъка на плажа и стъклата на прозорците ни.
Производителите създават силициев диоксид за оптични влакна, наречен силициева основа, чрез химическа реакция на газове, съдържащи силиций, с кислород, което води до ултрачисто стъкло. Това се извършва с помощта на процес, наречен химическо отлагане чрез пари (chemical vapor deposition), при който реагиращите газове създават слоеве стъкло, които се натрупват във формата на пръчка.
Обикновено чистата силициева основа се използва за слоевете, които изграждат ядрото и обвивката, въпреки че за получаване на по-висок показател на пречупване в ядрото изследователите добавят и малки количества други стъклени компоненти към силициевата основа. Готовият прът може да се нарече „заготовка“.
Този прът, съдържащ както ядрото, така и обвивката, след това се нагрява и издърпва в тънко влакно. Представете си, че дърпате парче дъвка в устата си – тази тънка нишка е като влакното, с изключение на това, че учените бавно спускат голямата заготовка във фурната и бързо издърпват малкото влакно.
Друга красота на стъклото е, че то омеква контролируемо при температура. Това позволява на учените надеждно да издърпат влакно от заготовката, която вече има вградено ядро и обвивка.
Милиони и да бе милиарди километри оптични влакна са произведени за нуждите на глобалните комуникации – и всички те отговарят на диаметър от 125 микрометра – с типична допустима грешка от по-малко от около един микрометър.
Това ниво на чистота на материала и контрол при производството прави оптичните влакна съвременно чудо. Но оптичните влакна не винаги са били толкова усъвършенствани – беше нужно време, за да се достигне това ниво на чистота и контрол.
Триединство
Три събития, случили се в рамките на приблизително 10-годишен период, проправят пътя за днешните оптични влакна.
През 1960 г. физикът Тед Майман разработва лазера, надграждайки предшественика му от 50-те години – мазера.
После, през 1966 г., преди 60 години, експерименти на инженерите Джордж Хокам и Чарлз Као тестват прозрачността на различни материали заедно с някои структури за насочване на светлината. Те установяват, че стъклено влакно теоретично може да пренася светлина на разстояние поне един километър.
Макар това разстояние да не звучи впечатляващо днес, други комуникационни системи по онова време губеха далеч повече сигналната си сила на дълги разстояния.
През 1970 г. учени от Corning Inc. използват химическо отлагане от пари, за да създадат влакно, което подобрява постижението на Хокам и Као. С тези високопрозрачни влакна и по-усъвършенствани лазери за създаване на светлинни импулси се ражда „далекобойната“ оптична комуникация.
От 1970 г. до днес яснотата на влакната продължава да се подобрява, ставайки над 100 пъти по-прозрачни и позволявайки на оптичните мрежи да свързват света. За „пробивни постижения относно предаването на светлина във влакна за оптична комуникация“ Чарлз Као получава Нобелова награда за физика през 2009 г.
