Извилистый путь оптоволоконного кабеля: от экспериментов до патентов

В нашей предыдущей статье мы подробно рассказали об истоках оптоволокна и первых экспериментах и патентах ученых и инженеров. Магистральная линия эволюции оптоволокна выглядит несколько иначе, описана сотни, если не тысячи раз, и гуляет по сети во всевозможных форматах на любой вкус — от перечисления основных вех на этом пути до лонгридов, от сухих энциклопедических справок до образных повествований. Например, такого: «Сначала это было не более чем салонный трюк: направлять свет в струи воды, чтобы сделать лекции по физике более увлекательными. Затем, когда появились яркие электрические фонари, это были фонтаны с подсветкой, которые приводили в восторг людей викторианской эпохи, привыкших к тусклому газовому освещению. Позже изогнутые стержни из стекла или пластика направляли свет для осмотра зубов на приеме у стоматолога. Следующее поколение инженеров собрали в пучок массивы тонких гибких стеклянных волокон, чтобы заглядывать в более труднодоступные места. Но рыночная ниша таких гаджетов не была заполнена до тех пор, пока разработчики не нашли способ предотвратить просачивание света между волокнами. Как только этот вопрос был решен, технология волоконных жгутов быстро эволюционировала, подобно животным, которые только что прибыли на новую, незаселенную землю. В конце 1950-х и 1960-х годах появилось множество новых приложений оптоволокна — от заглядывания в желудок, а потом и в кровеносные сосуды до военных систем визуализации. Однако для оптической связи требовались прорывы в концепциях передачи данных и производстве нужного для этого стекла, и как у тех динозавров, которые стали птицами, полет оптоволоконной связи поначалу был рыскающим и неопределенным. Но эволюционный потенциал был налицо, и поток инноваций так подтолкнул оптоволоконную связь, что она взлетела высоко и до сих пор продолжает набирать высоту». Так кратко и емко описал предысторию стекловолокна известный историк современных высоких технологий Джефф Гехт.

Если говорить о том же самом без метафоричности, то началось все с того, что швейцарский профессор Жан-Даниэль Колладон, уже получивший всеевропейскую известность за измерение скорости распространения звука под водой, решил на своей лекции повторить опыты французского акустика Феликса Савара, регистрировавшего тональность звуков, которые издают потоки воды, вытекающие через различные отверстия, и звуков разбивания ее струй о препятствия. Но поначалу его аудитория не могла толком разглядеть эти потоки при плохом освещении в лекционном зале. Колладон сфокусировал линзой свет из окна на сосуд с водой, направив его вдоль струи воды, вытекавшей из отверстия с другой стороны сосуда. Когда луч света попадал на край струи под скользящим углом, она словно втягивала в себя весь свет, и он вместо того, чтобы продолжать двигаться по прямой, следовал по параболической траектории внутри струи, вытекавшей из сосуда воды. 

В темной комнате эффект был впечатляющим, особенно когда светящаяся струя разбивалась о препятствие: каждая точка разрыва в потоке излучала яркий свет. Со своим открытием, в котором он использовал уже яркую дуговую лампу, Колладон отправился на гастроли в Париж и Лондон, а год спустя, в 1842 году, главный научный журнал французской академии наук Comptes Rendus опубликовал его статью «Об отражениях луча света, проникающего в параболическую струю жидкости». Статья была небольшая, всего на полторы страницы в журнале и чисто описательная, ни малейшей попытки объяснения наблюдаемого эффекта с позиций физики в ней нет, хотя явление полного внутреннего отражения было известно ученым с XVII века. Упрекать автора за это бессмысленно, так как совершенно очевидно, что он не ставил перед собой такой цели. 

Не было такой задачи и у академика Жака Бабинэ, которого главный редактор Comptes Rendus академик Араго попросил прокомментировать опыт Колладона. Бабинэ написал полстранички журнального текста в виде подверстки к статье Колладона под названием «Примечание о передаче света по извилистым каналам». В ней академик Бабинэ сообщал, что тоже сталкивался с подобным явлением, когда лил воду тонкой струйкой в подсвеченный сосуд. Наверняка это явление наблюдали и другие физики и не только физики. Любой легко может повторить опыты Колладона и Бабинэ, подсветив в темной ванной комнате струю воды из крана тонким лучом (например, лазерной указкой или миниатюрным одноразовым фонариком, какие бывают встроены в зажигалку). Все изломы потоков внутри струи воды будут ярко светиться.

В комментарии академика Бабинэ интересно другое. Он мимоходом упомянул, что то же самое наблюдал его коллега по академии наук барон Шарль Каньяр де ла Тур в изогнутом стержне из стекла, который при подсветке с одного конца светился по всей длине точно так же, как струя воды. Барон с его помощью наблюдал за движениями голосовых щелей в глубине глотки человека. «Это очень хорошо работает со стеклянным стержнем, изогнутым любым способом, и я указал, что его можно использовать для освещения внутренней части рта», — писал Бабинэ в 1842 году. Так его и использовали доктора, причем не только дантисты, и вполне возможно, что делали они это задолго до рекомендации академика Бабинэ. Явление внутреннего отражения, напомним, было хорошо известно ученым с начала XVII века, а таковыми тогда были люди в подавляющем большинстве с медицинским образованием. Любой может убедиться сам, почитав биографии выдающихся ученых Нового времени, что тогда главным, парадным входом в науку был диплом доктора медицины. 

Но так или иначе, это были кустарные изделия и, наверное, редкие. Для их массового применения не было удобного и доступного источника яркого света, только свечи. Ситуация изменилась с началом эры электрического света. В первом январском номере британского медицинского журнала «Ланцет» за 1889 год появилась статья «Новый метод освещения внутренних органов». В статье был описан электрический фонарик со стеклянным клювом-световодом, каким пользовались в своей медицинской практике отоларингологи доктор Рот и профессор Ройс из Вены. Эту статью в аннотированном виде тут же перепечатал научно-популярный журнал Scientific American, большинство материалов в котором в те годы бралось из отчетов американского патентного ведомства. Но в данном случае его редакторам пришлось описать австрийское изобретение. Увы, своего, американского, не нашлось. Оно появилось десять лет спустя, когда некий Дэвид Д. Смит из Индианаполиса получил патент №624392 на «Хирургическую лампу» (с приоритетом от 5 мая 1899 года). 

Лампа мистера Смита представляла собой металлический цилиндр, который помещался в ладони врача или его ассистента, со сравнительно длинным, круглым в сечении стеклянным стержнем, либо просто изогнутым на конце, либо изогнутыми крючком (на 180 градусов). На кончик стеклянного стержня крепился зеркальный отражатель, как в карманном фонарике. Внутри цилиндра была либо миниатюрная лампа накаливания, либо таких же размеров карбидная лампа (на случай отсутствия электричества). Особое внимание изобретатель обращал на полировку стеклянного стержня-световода, чтобы создавался эффект полного внутреннего отражения, «препятствующий рассеиванию лучей света, пока они не достигнут другого его конца». В первой половине ХХ века патентов на подобные эндоскопы было уже больше сотни. А в конце в 1950-х годов появились первые оптоволоконные эндоскопы.

В викторианскую эпоху, когда в городах уже появились водопроводы и трубы центрального парового отопления, а на улицах и в домах газовое освещение начали заменять электрическим, не могло не возникнуть идеи передавать свет по трубам. Так что ничего удивительного не было в том, что эта мысль пришла в голову молодому инженеру Уильяму Уиллеру из городка Конкорд в штате Массачусетс с население в 5 тысяч человек и знаменитым до изобретения Уиллера тем, что здесь жили сразу пятеро весьма известных американских писателей, в том числе Генри Торо. Удивительно другое. Патентную заявку на «Устройство для освещения жилых помещений или других сооружений» в виде системы труб-световодов, распределяющих по комнатам свет от мощной дуговой лампы в подвале дома, Уиллер подал в декабре 1880 года, спустя всего пару месяцев после возвращения из Японии, где он пробыл 4 года, сначала в команде американских ученых, которые по просьбе японского правительства учредили сельскохозяйственный техникум для японцев в Саппоро, а затем работая его преподавателем. Что такое в Японии просветлило выпускника Массачусетского сельскохозяйственного колледжа (ныне Массачусетский университет) Уильяма Уиллера — цветущая сакура или вид Фудзиямы — доподлинно неизвестно, Зато точно известно, что по возвращении оттуда кавалер ордена Восходящего солнца 5-й степени Уриаму Хоира в течение двух лет подал больше дюжины патентных заявок, в основном на разные варианты рефлекторов и концентраторов света уличных фонарей и учредил Wheeler Reflector Company, которая производила их с неплохой прибылью до конца 1950-х годов. 

Но первый его патент на световодные трубы с коммерческой точки зрения был неудачным, и не потому, что был плохо продуман Уиллером. Напротив, для небольших расстояний передачи света, например, для частного дома, его схема была вполне работоспособна. Свет от источника (мощной дуговой лампы) шел по полым стеклянным трубам, прозрачным внутри и покрытым серебром снаружи, а затем покрытые битумом для предотвращения царапин и потускнения. При разводке труб по дому они соединялись между собой под прямым углом с призмой на повороте. Эффекта полного внутреннего отражения тут не было, свет шел по трубам за счет его отражения в воздухе от прозрачных стеклянных поверхностей под скользящим углом. В патенте Уиллера №247229 с приоритетом от 12 декабря 1880 года, который он получил 20 сентября 1881 года, все до мелочей было продумано и учтено. Кроме одного. За год до подачи им патентной заявки патент на лампу накаливания получил Эдисон, а в 1881 году эти лампы появились в продаже. Они светили явно ярче, чем отверстия в световодах Уиллера, а сделать электропроводку по дому было гораздо проще и дешевле, чем разводку световодных труб.

Казалось, на такого рода световодах была поставлена точка. Ан нет, в 1962 году в уважаемом в научных кругах журнале Proceedings of the IEEE («Труды Института инженеров электротехники и электроники») вышла статья инженера Чарлза Иглсфилда из британской компании «Стандартных телефонов и кабелей» (STC) под названием «Оптический трубопровод: предварительная оценка». Иглсфилд писал, что ему «немного странно, что эта обезоруживающе простая идея до сих пор не получила никакого развития» и далее привел теоретические подсчеты, сколько света будет теряться в «оптическом трубопроводе» из дюймовой стальной трубы, покрытой изнутри серебром, наиболее отражающим металлом из доступных». 

У него получалось, что в такой трубе длиной в одну милю затухание плотности светового потока составило бы 2,5 децибел на милю (1,6 дБ/км), и выход света был бы 56% от входящего. Причем труба могла бы быть не идеально прямой, а с изгибами радиусом в полмили (0,8 км). Однако первый же эксперимент STC для проверки этих расчетов, показал, что в почти идеально прямой трубе (отклонение 1,6 мм) длиной 84 м на выходе было менее 9% от входящего светового потока (потеря в 200 дБ) вместо расчетных 97%, то есть при длине трубы в одну милю на выходе оставалось бы 10-20 плотности потока света, а проще говоря, темнота. В 1967 году чехословацкие инженеры провели аналогичные опыты со 100-метровой стеклянной трубой с алюминиевым покрытием, выход светового потока у них был побольше, но тоже не имевший практической ценности. Инженер Иглсфилд к тому времени уже перестал тревожить дух Уильяма Уиллера, занялся менее очевидными и простыми идеями и в 1967 году выпустил книгу «Лазерный луч: Основы и оптическая связь».

Тем временем растущая оптоволоконная промышленность фактически игнорировала лазерную связь, у нее было полно своих дел, в частности передача изображения с помощью пучков тонких оптических волокон в эндоскопах нового поколения и волоконно-оптических военных усилителях изображения, спрос на которые рос по мере совершенствования технологий и эскалации войны во Вьетнаме. И мало кто тогда помнил, с чего все это началось. А началось все в 1887 году с желания молодого физика Чарлза Бойза из лондонского Королевского колледжа естественных наук создать сверхчувствительный прибор для измерения слабых сил. 

Сам прибор был проще простого — нитка, на которую подвешен грузик. И проблема была именно в нитке — очень тонкой, очень прочной и эластичной. Физики использовали даже нити паутины. Бойз соорудил игрушечных размеров, но мощный арбалет, сделал для него стрелу из соломинки с иголкой на острие, задним концом приклеил сургучом к стеклянному стержню и, сильно нагрев стекло, стрельнул из арбалета. Когда стрела упала, от ее заднего конца тянулась стеклянная нить длиной 30 метров и диаметром 1/10 000 дюйма, настолько однородная, что диаметр на одном конце был всего на одну шестую больше диаметра на другом. Остальное было делом техники: Бойз пробовал по очереди разные виды стекла, и лучше других для его целей подошел кварц, то есть практически чистая двуокись кремния. Нити из кварца были крепче стальных такого же диаметра и столь же гибкими, что само по себе выглядело чудом. Бойз сделал доклад на заседании Лондонского физического общества, несколько компаний начали их производить, но они были дорогими, и тогда журнал Scientific American в рубрике «сделай сам» опубликовал чертежи миниатюрной баллисты. Это был тот же арбалет Бойза, только более удобный для нагрева стекла кварца до высоких температур.

Стекловолокно оставалось эксклюзивным товаром в течение первых трех десятилетий двадцатого века. Лишь начиная с 1935 года компания Owens-Corning Fiberglas начала промышленный выпуск стекловолокна настолько прочного, тонкого и гибкого, что ткань из него можно было сгибать и складывать, не разрывая волокон, но все это было, как уже сказано, боковой ветвью в эволюции оптоволокна. 

А за десять лет до этого инженера Кларенса Ханселла посетила идея передачи изображения с помощью тонких стеклянных волокон, собранный в гибкий пучок, для чего надо было одинаково выровнять волокна на обоих концах пучка. По каждому из волокон, точка за точкой, такой световод перенесет картинку, сформированную на сечении волоконного пучка на одном конце на другой его конец. Причем такой оптоволоконный кабель можно было гнуть под любым углом, хоть в узел завязывать.

Понятно, что идея была далеко не нова. Мысли о передаче изображения по стекловолоконному волноводу витала в воздухе еще в конце XIX века, когда даже термина «телевидение» не было. Например, об этом говорил Томас Эдисон в 1893 году на Всемирной выставке в Чикаго в интервью по поводу его планов на будущее. Но в случае Ханселла дело было в том, что генерировал он свои идеи будучи штатным сотрудником Radio Corporation of America (RCA), которая в те годы была патентным трастом, то есть принадлежала консорциуму компании, заключившим соглашение  о перекрестном лицензировании своих патентов (в данном случае это были General Electric, Westinghouse, AT&t и даже United Fruit Company, специализирующаяся на импорте бананов). 

Сотрудники патентного отдела RCA просто скопировали записи из рабочего дневника инженера Ханселла, оформили их как патентную заявку на его имя и подали ее куда следует, видимо, решив, что пора застолбить и этот участок на золотых россыпях высоких технологий будущего. В результате у инженера Ханселла образовался еще один патент (№1751584 «Передача изображения» с приоритетом от 13 августа 1927 года) из трех сотен, которые у него накопятся к концу его жизни. Сам он реализовать эту идею хотя бы в виде лабораторного образца даже не попытался. Зато сильно подпортил жизнь юному студенту Генриху Ламму из Мюнхена. 

Студент-медик 3-го курса Ламм насмотрелся на то, как его университетский наставник профессор Рудольф Шиндлер запихивает в глотку пациентам гастроскоп собственного изобретения (кстати, весьма неплохой по тем временам, способный изгибаться на 30 градусов), и его озарила та же идея, что и Ханселла. Но в отличие от него Ламм купил стекловолокно у немецкой компании Rodenstock GmbH, собрал в толстый пучок, выровнял и скрепил с каждого конца, потом согнул этот сверток в виде буквы U и сфокусировал на срезе одного конца свет лампы накаливания. На срезе другого конца увидел, нет, не лампу (для этого его оптоволоконный кабель был еще слишком грубым), увидел он там только мутную тень лампы и отчетливо — нить накаливания лампы в виде яркой V-образной галочки. «Я не преуспел в попытках передать адекватно яркие и резкие изображения, — писал Ламм. — Тем не менее сделанные мной фотографии показывают, что можно передавать изображения через согнутый пучок даже с переменной степенью изгиба». Это было первое реальное волоконно-оптическое изображение. Шел 1930 год.

Ламм поспешил в немецкое патентное ведомство, но получил там отказ на том основании,  что все это уже запатентовано Кларенсом Ханселлом, причем не только в США, но и в Голландии и Великобритании (патент GB 23359|/28А с приоритетом от 13 августа 1928 года). Ламм написал британскому лицензиату патента Ханселла, компании Marconi, оттуда ему пришел ответ, что ни они, ни Ханселл «не пытались использовать этот принцип». Чтобы хоть как-то заявить о своем приоритете, Ламм отправил статью в Zeitschrift fur Instrumentenkunde («Приборостроительный журнал»), где она была опубликована в октябрьском номере за 1930 год. Там он среди прочего писал: «Я также надеюсь, что какая-нибудь оптическая фирма, обладающая большими средствами, источниками поставок и опытом, чем у меня, могла бы вдохновиться этим описанием работоспособного гибкого гастроскопа». Но никто не вдохновился, а сам Генрих Ламм после прихода Гитлера к власти эмигрировал в Америку, где в маленьком городке на юге Техаса проработал участковым врачом до конца своей жизни. А на его исторической родине в 1933 году был запатентован прозрачный пластик — плексиглас, врачи стали использовать лампы с изогнутыми плексигласовыми стержнями для освещения полости рта и горла.

Следующие два десятилетия современные историки оптоволокна называют «периодом тишины». Была страшная мировая война, но исследования, конечно же, велись, изобретатели подавали патентные заявки, но ничего принципиально нового не появилось. Зато в начале 1950-х годов, они, как говорится, словно с цепи сорвались, и следующее двадцатилетие было временем, когда в оптоволоконной физике и технике произошли все ключевые события.  Патентов было много, да и патентных свар хватало, сейчас легко запутаться, кто там был первым на деле, а кто на бумаге. Но общая тенденция просматривается четко. 

Это было повторение пройденного, только на более высоком уровне технологий. Или, если угодно, выполнение всего двух домашних заданий, которые были заданы грядущим поколениям инженеров-оптиков: а) профессором Колладоном (а точнее бароном Шарлем Каньяр де ла Туром) 100 лет назад и б) мистером Уиллером 70 лет назад. Что касается светового трубопровода Уиллера, то, как уже сказало, этот проект до поры до времени закрыл инженер Чарлз Иглсфилд из компании «Стандартных телефонов и кабелей» (STC) в начале 1960-х годов. А касательно идеи передачи света внутри стеклянного волокна в 1966 году в журнале Proceedings of the IEE («Труды Института инженеров-электриков») Чарлз Као и Джордж Хокхэм из той же компании опубликовали статью «Диэлектрические волоконные поверхностные волноводы для оптических частот». 

В ней они привели расчеты, согласно которым стеклянное оптоволокно может стать технологически и экономически оправданным средством передачи световых сигналов на большие расстояния, если затухание света в нем будет ниже 20 децибел на километр. На тот момент потери света в оптических волокнах составляли минимум 1000 дБ/км, то есть намного больше, чем даже в светопроводной трубе Иглсфилда (200 дБ на милю). Но главное было в другом. Као и Хэкхем предположили, что потери света связаны не только с архитектурой стекловолокна, а еще с его химическим составом, причем с последним в гораздо большей степени. Стекло бывает разное, его физические свойства зависят от того, какие примеси, в каком количестве и в каких порциях в нем присутствуют в дополнение к основному его веществу — диоксиду кремния. Иными словами, надо найти (или создать) такие варианты стекла для сердцевины оптоволокна и ее оболочки, чтобы эффект полного внутреннего отражения в нем был максимально полным не по названию этого феномена, а по его сути. И хотя Чарлз Као был не первым, кто нашел такие варианты, в 2009 году он был удостоен Нобелевской премии по физике за «новаторские достижения в области передачи света по волокнам для оптической связи». А первым не в теории, а на практике был Дональд Кек и его коллеги из компании Corning Glass Works. 

В патентной заявке на «Способ производства оптического волокна», поданной компанией Corning Glass Works на имя Дональда Кека и Питера Шульца (патент США №3711262 с приоритетом от 11 мая 1970 года) так был описан этот процесс: «В самом общем виде, согласно настоящему изобретению, оптический волновод изготавливается путем нанесения пленки материала на внутреннюю стенку стеклянной трубки. Эта пленка материала может представлять собой стекло, обладающее оптическими и физическими свойствами, требуемыми для сердцевины волновода. Его легирующий материал будет диффундировать на внутреннюю поверхность стеклянной трубки, образуя таким образом стеклянную пленку на внутренней стенке трубки… Затем эта структура из композитного стекла нагревается до тех пор, пока не достигнет достаточно низкой вязкости для растягивания. Композитную конструкцию вытягивают для уменьшения ее диаметра до тех пор, пока пленка из сердцевинного стекла не разрушится и не зальет собой канал трубки, то есть пока не образуется стержень в облицовочной оболочке. После этого продолжающееся вытягивание такого композитного стержня дополнительно уменьшает его диаметр с образованием стеклянного оптического волокна, которое обладает характеристиками эффективного оптического волновода. То есть передает заранее выбранные режимы света без чрезмерного ослабления, не подвержен перекрестным помехам со стороны соседних оптических волноводов и не вызывает чрезмерной дисперсии в проходящем свете».

Вот и все. Остальное, как говориться, было дело техники. Компания Corning Glass Works изготовила из легированного титаном кварцевого стекла оптоволокно с затуханием 17 дБ/км, потом — с диоксидом германия в качестве легирующей добавки и затуханием 4 дБ/км. Далее последовали новые рекорды по дальности и объему передачи информации по одномодовым и многомодовым оптоволоконным кабелям и другие усовершенствования, например, в виде встроенных в кабель оптических усилителей, фотонно-кристаллического оптоволокна (своего рода гибрида из классического оптоволокна и световых микротрубочек а ля светопровод Уиллера/Иглсфилда), пластикового оптоволокна и т.д. 

Отчего не совершенствовать, если есть, что усовершенствовать. Сегодня оптоволокно так прочно вошло в нашу повседневную жизнь, что когда от провайдера приходит мастер с перфоратором и мотком оптоволоконного кабеля, человека (не оптофизика и не IT-гика, а обычного человека) больше волнует не то, какую разновидность оптокабеля принес мастер (какая была, такую и принес), а хватит ли его длины до роутера, который стоит, например, на холодильнике на кухне. И мастер не жадничает, отмеряет сколько вам надо. Чего жалеть, сейчас этого добра навалом.  

P.S. В нашем телеграм-канале мы разыгрываем бесплатную регистрацию товарного знака и другие призы. Приглашаем принять участие.