Историческая справка об оптической связи

 

Оптические методы передачи информации существовали с не­запамятных времен. Первобытный человек использовал для этих целей ночью зажженные факелы или костры, а днем — сигналь­ные дымы. Такие способы были хорошо известны в Древнем Китае, у ассирийцев, в Египте, начиная с первых цивилизаций. Согласно преданию, в 1084 г. до н.э. Агамемнон, предводитель ахейского войска, с помощью девяти эстафет из огней на холмах передал своей жене весть о взятии Трои и о своем скором возвращении. Длина этой «оптической линии связи» составила 800 км и была превзойдена лишь в наше время, спустя почти 3000 лет. Правда, использована эта информация была весьма своеоб­разно: в день возвращения из-под Трои в Аргос Агамемнон был убит своей любимой женой Клитемнестрой и её любовником Эгистом. Справедливость всё же восторжествовала: Орест, сын Агамемнона и Клитемнестры, возмужав, отомстил за смерть отца.

Оптика является одной из древнейших наук. В освоении оп­тического излучения можно выделить два исторических этапа. 11ервый связан в основном с изучением наблюдаемого непосред­ственно глазом видимого света и соответствует развитию клас­сической оптики. Эволюция взглядов на природу света иллюст­рирует диалектический характер познания. Великие мыслители древности считали, что световые лучи исходят из глаз (Платон).

Нa основе учения о зрительных лучах, исходящих из глаз, Эвклид, Птолемей и другие мыслители древности создали теорию отражения света от плоских и сферических зеркал, ими было положено начало развития геометрической оптики. Теории зри­тельных лучей в древности противопоставлялась еще более фантастическая теория Эпикура и Лукреция о «слепках» с предметов, светящихся во всех направлениях и попадающих в глаз. Затем появилась корпускулярная концепция, или теория истечения, под­держиваемая вначале Декартом, а затем Ньютоном. Согласно этой теории свет представляет совокупность мельчайших частиц — корпускул, движущихся по определенной траектории

световому лучу. Эта теория наглядно и естественно объясняла in кие явления, как прямолинейность распространения света в од­нородных средах, отражение света от поверхности зеркал, прело­мление светового луча на границе двух сред, а также его искривление при распространении в неоднородных средах. Одновремен­но X. Гюйгенсом была предложена интерпретация тех же явле­ний на основе понятий «световая волна» и «волновая поверх­ность», согласно которым свет представляет волны, распрост­раняющиеся в пространстве. Лучи света являются чисто абст­рактным понятием и определяются как кривые, ортогональные пол новым поверхностям.

Главным доводом Ньютона против волновой теории было отсутствие вещественной среды («эфира») в мировом пространстве. Явления, связанные с периодичностью (кольца Ньютона), it корпускулярной теории объяснялись тем, что частицы враща-ются. Пространство, пробегаемое такой частицей за один обо­рот, сопоставлялось с некоей «длиной волны». Полярность (в • о и ременной терминологии поляризацию) Ньютон считал свой-с i ном только твердых частиц. Огибание (дифракцию) он пытался истолковать «отталкивательным» и «притягательным» действи­ем вещества на световые корпускулы. Вслед за Ньютоном и XVIII в. большинство ученых стали склоняться к корпускуляр­ной теории, и у волновой теории, блестяще развитой Гюйгенсом, < охранялось лишь немного последователей.

Только на рубеже XVIII —XIX веков англичанином Томасом Юнгом были начаты серьезные исследования интерференции и дифракции, а французом Огюстеном Френелем дано их полное теоретическое объяснение на основе волновой теории Гюйгенса. Кроме того, Френель показал, что представления о волновой природе не противоречат факту прямолинейности распростра­нения света в однородной среде. Точностью своих предсказаний волновая теория в первой половине XIX в. победила теорию истечения. К концу XIX в. Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал, что всякая све­товая волна является электромагнитным возмущением особого рода. Опыты Г. Герца и А. С. Попова экспериментально под­твердили это.

Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы диф­ференциальных уравнений Максвелла, явилась вершиной первого «классического» этапа развития оптики и наших представлений о природе света.

Второй этап развития оптики тесно связан с революционными открытиями в физике в начале XX в. Характерно, что именно изучение оптических спектров поглощения и испускания привело к необходимости введения понятий о квантовых скачках и кванте действия h как минимальном действии, которые ввел в 1900 г. М. Планк для объяснения спектра излучения черного тела. Впос­ледствии постоянная h, имеющая размерность «действия» [Дж*с], была названа постоянной Планка. В 1905 г. А. Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, предположив, что планковские кванты энергии E=hv существуют в виде реальных частиц, названных им свето­выми квантами. Таким образом, Эйнштейну удалось объяснить открытый ранее фотоэффект.

Фундаментальную роль для последующего развития кванто­вой электроники сыграла работа А. Эйнштейна (1917 г.), в кото­рой он, рассмотрев термодинамическое равновесие системы мо­лекул, ввел понятие индуцированного излучения. На возмож­ность использования индуцированного излучения для наблюде­ния отрицательного поглощения (усиления) впервые указал в 1940 г. В. А. Фабрикант.

В конце 1954 г. независимо и почти одновременно в лаборато­рии колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева в Мо­скве под руководством А. М. Прохорова был разработан конк­ретный проект, а в лаборатории излучений физического факуль­тета Колумбийского университета в Нью-Йорке под руковод­ством Ч. Таунеа был создан действующий мазер на пучке молекул аммиака. Это был цервый прибор, работавший на квантовых принципах, в основе которого лежало явление усиления электро­магнитных колебаний с помощью индуцированного излучения. За эти работы Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а затем совместно с американским физиком Ч. Таунсом — Нобелевская премия. Таким образом, 1954 год может быть назван годом рождения квантовой электроники как самостоятельной науки.

Методы, развитые первоначально для радиодиапазона (пер­вый аммиачный мазер работал на длине волны 1,25 см), затем были перенесены в оптический диапазон, и в 1960 г. был создан рубиновый лазер, а в 1961 г.— газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Наука и техника впервые получили когерент­ный источник световых волн. Это дало толчок развитию таких новых областей науки, как нелинейная оптика, голография. Осно­вополагающие работы по голографии были выполнены Д. Габо-ром и Ю. Н. Денисюком.

Параллельно с развитием квантовой электроники быстрыми темпами развивалась физика полупроводников и полупровод­никовая электроника. Успехи в этих областях привели к созданию эффективных полупроводниковых фотоприемников и генерато­ров света — приборов, составляющих основу полупроводнико­вой оптоэлектроники. Назовем главные вехи в развитии данной отрасли. В 1873 г. В. Смит обнаружил в слоях селена фотопрово­димость — изменение сопротивления под действием освещения, открыв тем самым внутренний фотоэффект. Внешний фотоэф­фект был открыт в 1888 г. А. Г. Столетовым. В 1923 г. О. В. Лосев наблюдал свечение кристаллов карборунда (карбида кремния) под действием электрического тока и дал правильное объяснение этому явлению, которое легло в основу действия современных электролюминесцентных источников света. В 1960 г. в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в Москве был рассмотрен принцип работы полупроводникового инжекционного лазера, а в 1962 г. в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе в Ленинграде было обнаружено эффективное рекомбинационное излучение и наблюдалось вынужденное излу­чение в кристаллах арсенида галлия. Параллельно в Физико-тех­ническом институте Ж. И. Алферовым с сотрудниками успешно проводились работы по получению гетеропереходов и созданию на их базе эффективных приемников и источников света. В 1968 —1970 гг. ими были созданы низкопороговые полупрово­дниковые лазеры, в том числе работающие в непрерывном режи­ме при комнатной температуре. За эти работы акад. Ж. И. Алфе­рову в 2000 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Применение квантово-размерных слоев и сверхрешеток позволи­ло создать полупроводниковые лазеры с характеристиками, близ­кими к теоретическому пределу. Важным моментом в развитии

оптической электроники явилось получение оптических волокон с низкими потерями (< 1 дБ/км), что обеспечило возможность их применения в качестве эффективных оптических волноводов. Раз­работка эффективных полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме, и создание оптических волокон с малыми потерями привели к рождению и быстрому развитию новой системы передачи информации через волоконно-оптические ли­нии связи (ВОЛС), общая протяженность которых составляет миллионы километров. Разрабатываются оптические волокна с потерями до 0,005 дБ/км. Отчетливо просматриваются тенден­ции к увеличению скорости передачи информации, которая в со­временных ВОЛС уже достигает 2,4 Гбит/с (до 10 Гбит/с). В ла­бораторных условиях продемонстрирована возможность пере­дачи оптической информации на скоростях 1000 Гбит/с. Это требует новых подходов в электронике. Методами интегральной оптики создаются оптические аналоги электронных схем, работа­ющие на частотах до 10¹² Гц. Интенсивно ведутся работы по созданию устройств оптической памяти. В настоящее время сто­ит вопрос о разработке оптических вычислительных машин, ра­ботающих на новых принципах. Но это лишь начало. По мнению большинства специалистов, оптическая электроника будет в зна­чительной мере определять технику завтрашнего дня.