Как Corning разрабатывал технологию производства волоконных световодов
В августе 2010 года волоконной оптике исполнилось 40 лет. В компании Corning, разработавшей технологию изготовления оптического волокна, это событие отмечали особенно широко. Ведь в 1970 году впервые в истории было получено оптическое волокно для передачи сигнала с затуханием менее 20 дБ/км.
Как Corning разрабатывал технологию производства волоконных световодов
В августе 2010 года волоконной оптике исполнилось 40 лет. В компании Corning, разработавшей технологию изготовления оптического волокна, это событие отмечали особенно широко. Ведь в 1970 году впервые в истории было получено оптическое волокно для передачи сигнала с затуханием менее 20 дБ/км. Всего за год до этого, в 1969 году, был проведен первый эксперимент по передаче информации через интернет. В 1970 году изобретен первый полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре. А в 1971 году разработан первый компьютерный чип. И это предопределило начало новой эры.
В 1960 году был изобретен лазер — идеальный источник света. Теперь ученым оставалось только создать оптическую трубку для передачи оптических сигналов. В своей речи по поводу юбилея создания технологии оптического волокна с низким затуханием Питер С. Шульц подчеркнул, что ещё за 30 лет до изобретения лазера в 1930 году в компании Corning проводились серьёзные исследования по технологии производства самых разных изделий из стекла. В частности именно тогда был предложен метод осаждения паров тетрахлорида кремния, позволяющий получать очень чистые стекла (работы Ф.Хайда).
Метод осаждения паров тетрахлорида кремния
В дальнейшем развитие этого метода гидролиза позволило значительно улучшить свойства кварца, получить очень качественные изделия с малым КТР для акустических линий задержки и очень качественных зеркал для телескопов. В 1950-х д-р Роберт Маурер провел серию исследований по рассеиванию света в стекле. В работах, опубликованных в 1956—1960 гг., он показал, что в кварце низкое релеевское рассеивание может быть на порядок меньше, чем в лучших известных стеклах.
Эти результаты пригодились в 1966 году, когда появилась задача создания оптического волокна для передачи информации, и в компании Corning было принято решение о начале работ по созданию технологии производства оптических волокон. Была создана группа, куда вошли Боб Маурер и Питер Шульц. Первый год волновой проект носил в основном теоретический характер. Первоначально ставилась задача разработать одномодовое волокно с затуханием не более 20 дБ/км (аналогично затуханию медной проволоки). В то время лучшие стекла имели затухание 1000 дБ/км.
Таким образом, требовалось улучшить характеристики стекла в 1098!!!! Фантастика. И никаких предпосылок для достижения такого результата, уверенности в возможности снизить затухание в стекле.
После долгих исследований и перехода на кварцевое стекло, и тщательной очистки стекол наконец удалось получить затухание около 10 дБ/м. Именно тогда в компании было принято решение усилить группу по разработке оптических волокон. В январе 1968 года Дон Кек, молодой физик, был принят на работу в компанию Corning и начал работы по проекту оптического волокна.
Усилия группы уже из трех сотрудников были сосредоточены исключительно на кварцевых волокнах, сделанных методом гидролиза. Маурер исследовал физические аспекты задачи. Химик Шульц готовил рецептуру стекла по теоретическим разработкам Маурера. Затем Шульц с Кеком вытягивали стекло в тонкое волокно и наматывали его на приемную катушку.
Затем измеряли чистоту волокна, за это отвечал Кек. Кроме проблемы очистки стекла решалась очень сложная задача создания конструкции оптического волокна. Необходимо было создать такую конструкцию волокна и разработать технологию его изготовления, когда в сердцевине волокна показатель преломления несколько превышал бы показатель преломления всего волокна.
Было проделано много экспериментов, но нужный результат не достигался. И тогда попробовали вносить добавки в сердцевину волокна, осаждая «сажу» внутри трубки преформы. Это было смелое и принципиально новое решение — до этого все старались делать как раз наоборот: избавить сердцевину преформы от любых примесей, сделать еемаксимально чистой. Все было впервые, много неизвестного и нового.
Например, приспособили домашний пылесос для равномерного всасывания паров стекла в стеклянную трубку. Исследователи не знали, отнести ли эту идею к искусству или науке, но волокно получилось без воздушных пузырьков. Для создателей технологии производства оптического волокна Роберта Маурера, Дональда Кека и Питера Шульца это был драматичный, наполненный риском, щедрый на научные удачи и озарения период их жизни.
Первые результаты технологии
Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер ШульцИ вот спустя почти 4 года с начала работ был получен результат, затухание было снижено до 17 дБ/км. Это был август 1970 года, пятница. Дональд Кек занимался рутинной проверкой образцов. В четверг была проведена вытяжка волокна из новой смеси, в пятницу волокно подвергли тепловой обработке. Когда работа была закончена, было уже поздно, Кек спешил домой на выходные, но решил сделать ещё один быстрый замер.
Поставив волокно на испытательный стенд, он наблюдал за тем, как лазерный луч проходил через сердцевину, отражался от противоположного конца и возвращался обратно. Впоследствии Кек говорил, что он почти физически ощутил присутствие духа великого изобретателя Эдисона. Обычно лабораторные журналы ведутся чрезвычайно сухо. Но в тот день, в 1970 году, Кек сделал запись, которой суждено остаться в веках:
«Мы сделали это! Затухание равно 17 дБ. Эврика!»
Произошло событие, положившее начало новой эре передачи информации. Для подтверждения результата изготовили несколько волокон (испортив при этом несколько пылесосов) и достигли значений 16 дБ/км на 1 километр волокна.
В мае 1970 года подали патентную заявку на метод изготовления оптических волокон. В сентябре 1970 года публично объявили, что разработали волокно с затуханием 17 дБ/км и опубликовали статью. По иронии судьбы в обзорной статье, опубликованной в том же месяце в IEEE, было заявлено:
«В настоящее время используются в оптоволоконных системах стекла с потерями порядка децибела на метр для лучших стекол, что делает этот материал явно непригодным для дальней передачи».
Все в группе разработчиков были осторожны, не обсуждали особенности волокна, композиции и методы изготовления вне лаборатории, поскольку вскоре поняли, что были далеко впереди конкурентов, включая британские почтовое отделение, STL и AT&T.
Развитие технологии производства многомодового волокна
Руководство Corning в 1971 году решило переместить проект в стадию инженерной разработки. Была поставлена задача, и инженеры разработали установки для производства достаточного количества волокна для предоставления образцов потенциальным клиентам и партнерам совместной разработки, с которыми работала бизнес-группа.
Работа над технологией не закончилась. К этому времени выяснилось, что первоочередной является задача создания многомодового оптического волокна для того, чтобы воспользоваться преимуществами коммерчески доступных многомодовых светодиодов. Под многомодовое волокно была разработана новая технология. В июне 1972 года были разработаны волокна, легированные Ge, с затуханием 4 дБ/км без необходимости какой-либо термообработки. Прочность волокна была превосходной.
Вскоре была разработана технология изготовления градиентного многомодового волокна. В начале 1973 года Роберт Маурер, Дональд Кек и Питер Шульц опубликовали документ на основе измерений этих волокон, предсказав, что потери в волокне могут достигнуть 0,2 дБ/км при 1550 нм, что очень близко к значениям, регулярно достигаемым сегодня в производстве. К 1975 году в компании Corning усилились скептические настроения. За пять прошедших лет не удалось продать ничего, кроме образцов.
К 1976 году компания Corning уже десять лет работала над волноводами и все ещё ни гроша не заработала на этом. Многие фирмы посчитали бы, что технология с треском провалилась, а в Corning решили, что именно теперь разработка волноводов должна стать задачей всей корпорации. В 1975 году компания Corning, не имея ни обеспеченного рынка сбыта, ни портфеля заказов, начала строительство экспериментального завода, способного производить 5000 км волокна в год, который заработал в 1976 году.
Этот этап работы просто таки «засасывал» деньги, это было как строительство сети бензоколонок ещё до того, как был изобретён автомобиль. В 1978 году был построен полномасштабный завод по производству оптического волокна.
После оформления патентных заявок Corning другие исследователи в США и Японии разработали свои вариации технологий Corning. Это метод наружного осаждения MCVD, разработанный Mac Чесни и О’Коннер в лаборатории Bell в конце 1973, и метод торцевого осаждения VAD, разработанный Идзава, Миясита и Hanawa в компании NТТ в 1977 году.
Сегодня, спустя 40 лет, проложено уже 1,3 миллиарда километров волокон, и по-прежнему при производстве практически каждого волокна используется процесс осаждения и композиция стекол, которые были предложены в первоначальном патенте Corning.
Пройден большой путь, и в памяти изобретателей оптического волокна навсегда останутся взлеты и падения на этом пути, и возвышенное ощущение успеха, которое испытали талантливые и преданные своему делу работники компании Corning, совершившие волоконно-оптическую революцию в области связи.
Поделиться:
