Отечественные волоконные световоды — прорыв в будущее

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.

Newsland.ru

Похожие новости:
Роботы размером с молекулу — уже реальность
Швейцарские ученые сделали прорыв в создании нанотехнологий — создали искусственные молекулы из наноразмерных шариков.Как говорят сами изобретатели, это — большой прорыв в работе. Посредством созданных микророботов ученые смогут проводить исследования и бороться с раковыми и другими опухолями, а также устранять ..
2016-04-05 2410 0 Технология
1
Разработан способ получения электроэнергии от растений
Фотосинтез - довольно простой процесс, который ученые поняли уже довольно давно. Но недавний прорыв в использовании солнечной энергии удалось понять недавно, нескольким членам научного сообщества. Команда исследователей из Университета штата Джорджия придумала, как использовать фотосинтез для получения ..
2013-05-13 3683 0 Технология
0
Новый уровень ядерной энергетики Прорыв
Начало строительство экспериментального завода «Прорыв» по производству топлива для первого в мире опытного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем, является действительно ядерным прорывом. Экспериментальный завод строится в Томской области, на базе Сибирского химического комбината. Это настоящее ..
2015-10-11 3730 0 Технология
2
Рейтинг инновационной перспективности
Международная консалтинговая фирма KPMG Llp, занимающаяся международным аудитом, консалтингом и технологиями, составила рейтинг инновационной перспективности стран мира. Рейтинг стал результатом опроса 811 инвесторов, генеральных менеджеров и экспертов крупнейших компаний в сфере высоких технологий в развитых регионах ..
2013-07-19 1576 3 Технология
0
Ученые: солнечные батареи будут работать в ИК диапозоне
Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) совершили огромный прорыв в технологии солнечных батарей – ученые создали новый тип фотоэлементов, способных работать в инфракрасном диапазоне. До сих пор солнечные батареи не способны были функционировать в подобных условиях. Эта новая технология может ..
2012-06-26 2955 0 Технология
2
Искусственные мышцы смогут сделать роботов очень сильными
Классическая сцена из научно-фантастического фильма, когда робот получил увечья, повредил участок кожи и его металлический скелет оголился. Похоже, такое будущее не за горами, ведь инновации стремятся к тому, чтобы улучшить искусственные мышцы. Последний прорыв в этой области ..
2013-09-12 2723 0 Технология
1
В РФ активно идут испытания перспективного ядерного топлива
Российские атомщики в настоящее время активно ведут испытания новейшего ядерного топлива, предназначенного для использования в атомном проекте РФ «Прорыв», цель которого — отработка новых технологий для атомной энергетики будущего, сообщил научный руководитель ОАО «НИКИЭТ», глава технического комитета ..
2014-10-08 2148 0 Технология
1
Удалось вырастить углеродные нанотрубки с заданными характеристиками
Углеродные нанотрубки ― очень полезный предмет. Это и сверхпроводимость, и новые способы генерации энергии. Они могут придавать особые свойства полимерам и очищать воду от свинца. По мнению специалистов, за углеродными нантрубками будущее оптики, микроэлектроники, медицины, строительства и множества других ..
2013-08-29 1613 0 Технология
0
Ученые создали солнечную панель из минерала
Ученые из Оксфордского университета в Великобритании показали, что можно использовать некоторые типы перовскита для замены тонкопленочных кремниевых ячеек солнечных батарей, используя такие же основные методы обработки, и даже получить энергетическую эффективность преобразования в 15 процентов. В своей статье, опубликованной ..
2013-09-13 1525 0 Технология
0
Прорыв в области медицины: протезы должны стать живыми органами
Ученые сделали настоящий прорыв в разработке протезов. Им удалось создать совершено новый материал, с помощью которого можно восстанавливать поврежденные нервные окончания, а также без каких-либо проблем соединять их между собою при помощи специальных электронных устройств. Необходимо отметить, ..
2012-03-17 3471 0 Технология
0
Новые полупроводники: время без перезарядки больше в десять раз
Исследователи из Рочестерского технологического института, международного консорциума полупроводников SEMATECH и Техасского государственного университета, продемонстрировали, что новые методы и материалы для создания интегральных микросхем, позволяют снизить потребление энергии до уровня, при котором время работы без перезарядки для портативных устройств увеличивается ..
2014-01-15 1352 0 Технология
0
В Японии научились создавать нервные клетки из кожи
В Японии специалистами создана универсальная методика получения нервных клеток из кожи. Данная разработка сможет помочь, по утверждению исследователей, в будущем лечить людей с повреждениями тканей ЦНС, которые возникают в результате поражений мозга, как головного, так и спинного. О прогрессе ученых ..
2015-05-04 1820 0 Технология
0
В России создали ядерные таблетки для "реакторов будущего"
Специалисты предприятия топливной компании госкорпорации «Росатом» ТВЭЛ «Сибирский химический комбинат» (СХК, ЗАТО Северск Томской области) впервые в мире изготовили и поставили заказчику несколько тонн таблеток ядерного топлива из нитрида урана, необходимых для моделирования новых ..
2017-01-07 4495 0 Технология
0
Медведеву показали генную миграцию
Президент России Дмитрий Медведев сегодня посетил крупнейший в России биотехнологический центр в поселке Вольгинский (Владимирская область), где провел заседание Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России. Перед началом совещания президент побывал в лабораториях центра. Ему продемонстрировали весь производственный цикл. ..
2012-03-21 1509 0 Технология
1
Будущее альтернативной электроэнергетики
По мнение экспертов, слово «альтернативный» в отношении солнечной и ветровой электроэнергетики вскоре должно исчезнуть. И с 2013 года энергия возобновляемых источников энергии станет более «привычной». Ветровые электростанции уже обеспечивают 2% электроэнергии в мире, и их способность удваивается каждые три года. Если этот ..
2013-06-2 3362 0 Технология
0