В поисках лучшего лазера

Он составляет важнейшую часть каждого проигрывателя компакт-дисков, устройства считывания штрих-кодов в супермаркете и пишущей головки лазерного принтера. Впрочем, в представлении большинства лазер ассоциируется, как правило, с медицинским оборудованием или даже с оружием агрессивных внеземных цивилизаций. В научно-фантастических романах и фильмах лазер всегда выступал как символ технологий будущего, хотя на практике соответствующие механизмы давно уже успешно используются при построении современных телекоммуникационных магистралей.

Инженеры молодой компании Novalux разработали новую лазерную технологию Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser (NECSEL), позволяющую существенно увеличить объемы трафика в волоконно-оптических сетях и снизить стоимость его пересылки. Информация о появлении подобных решений — бальзам на душу представителей зарождающейся отрасли, оборот которой за последний год вырос на 40%. Лазерный луч начинает все шире применяться при организации беспроводной связи и для вывода на экран телевизионного изображения.

«Когда речь заходит о лазерах, всем на ум приходят старые фильмы о Джеймсе Бонде, — заметил президент и генеральный директор Novalux Малколм Томпсон, прежде работавший техническим директором исследовательского центра Xerox Palo Alto Research Center. — Если помните, там как-то фигурировало смертельное оружие, испускавшее испепеляющий луч. Концептуально здесь все правильно, но сегодня столь мощная энергия используется только при газовой резке или лазерной обработке материалов. Гораздо большее распространение в настоящее время получили довольно маломощные полупроводниковые лазеры, например, те, которые находят применение в пишущих головках лазерных принтеров».

Как работает лазер

В списке 20 наиболее важных научных достижений ХХ столетия, составленном американской Академией наук, лазер и волоконно-оптические каналы связи заняли место рядом с электрификацией. Однако стоит заметить, что в течение достаточно длительного периода лазерные технологии практически не находили применения и не играли существенной роли в решении социальных и научных задач.

«Некоторые мои друзья долго подшучивали над этим ?прекрасным решением, с помощью которого ничего нельзя сделать?, — вспоминал научный консультант Novalux Чарлз Таунс. — Они не видели в нем перспектив».

Таунс известен как один из изобретателей мазера — технологии, очень похожей на лазерную, но использующую вместо луча микроволны. Первый свой патент за применение лазера в телекоммуникационных устройствах он получил в 1960 году, а в 1964 ему была присуждена Нобелевская премия в области физики (наряду с советскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым — Прим. ред.).

Сегодня лазеры широко используются для настройки волоконно-оптических каналов передачи информации, генерации и усиления сигналов, а также для передачи этих сигналов по волоконным линиям. Чтобы понять, каким образом лазерным технологиям удалось совершить прорыв в области телекоммуникаций, нужно знать принцип работы лазера.

Лазерный луч представляет собой световой импульс, генерируемый в результате радиационного излучения. При бомбардировке атома электронами они выходят на высокоэнергетическую орбиту. Но поскольку траектория эта неустойчива, атомы возвращаются на свою нормальную орбиту, испуская при этом фотоны — световые волны. На этом принципе построено любое световое излучение.

Одинаковые атомы при бомбардировке электронами получают одинаковый энергетический заряд, двигаясь при этом параллельно. Если удастся добиться того, чтобы энергия атомов освобождалась одновременно, световые волны начнут усиливать друг друга, мощь излучения будет расти, а световой поток в конечном итоге превратится в единый когерентный луч. С другой стороны, при вступлении волн в контакт с неразряженными атомами они рассеиваются.

На начальном этапе развития технологии прежде всего необходимо было подобрать материалы, атомы которых могли быть приведены в состояние, необходимое для лазерной эмиссии. Теодору Мэйману удалось решить эту задачу и синтезировать искусственный рубин, на базе которого работали первые лазерные установки. Обе стороны рубина отражали свет, при этом отражающая способность одной из них была значительно выше другой. Мэйман направлял на рубин голубой луч, взаимодействие которого с примесями хрома приводило к освобождению атомной энергии и инициировало лазерное излучение.

Мэйман использовал твердотельный лазер, источником энергии в котором выступал рубин. Сегодня известны и другие вещества, способные вызывать лазерное излучение: твердые материалы, газы, жидкости и полупроводники. Каждое вещество генерирует луч определенной мощности и частоты, поэтому они находят применение в различных областях.

Точный и экономичный

Полупроводниковые лазеры, получившие в настоящее время очень широкое распространение, весьма компактны и отличаются низким энергопотреблением. Существует два вида подобных лазерных установок: с торцевым излучением и с вертикальной полостью. В устройствах с торцевым излучением, которые стоят дешевле установок с вертикальной полостью, боковые стороны полупроводника расщеплены и образуют зеркало. Именно оттуда и выходит луч. Ежегодно выпускается более 50 млн. таких устройств, применяющихся в проигрывателях компакт-дисков. Но поскольку зеркала не обеспечивают точной фокусировки луча, использовать их в высокопроизводительных сетях невозможно.

Волоконно-оптические линии связи построены на основе более точных лазерных установок с вертикальной полостью. Они размещаются на тысячах маленьких подложек. Размеры самих лазерных устройств не превышают одного кубического миллиметра. Высокой точности удается добиться за счет встраивания в каждое зеркало более тысячи дополнительных слоев, называемых верхними и нижними зеркалами Брэгга.

Точность порождает экономичность. В то время как лазерная установка с торцевым излучением в проигрывателе компакт-дисков потребляет около 30 мВт, ее эквиваленту с вертикальной полостью достаточно всего лишь 2 мВт. Чем ближе к окружности траектория луча, тем точнее лазерные «пары» вписываются в волоконно-оптический кабель. В результате сигналы распространяются гораздо дальше без дополнительного усиления, а это также означает экономию.

Инженерам компании Novalux удалось сконструировать мощный, рассчитанный на 300 мВт лазер с вертикальной полостью, отличающийся от обычных установок компактностью и дешевизной изготовления.

«Дальнейшее расширение волоконно-оптических сетей связи будет определяться стоимостью и производительностью перспективных лазерных технологий, — пояснил Томпсон. — Низкая стоимость является дополнительным стимулом для построения новых волоконно-оптических сетей. Волоконно-оптический кабель достаточно дешев, чего не скажешь о лазерных устройствах. Однако в дальнейшем Novalux планирует выпускать очень маленькие устройства на базе технологии NECSEL мощностью 1 Вт».

Быстрее вперед

Ожидается, что в случае успешного завершения тестирования, которое проводится в настоящее время компанией Telcordia Technologies (ранее она называлась Bellcore), оборудование NECSEL появится на рынке уже в начале следующего года. Представители Telcordia сертифицируют аппаратные средства независимых производителей на соответствие сетевым стандартам. Появляются и новые области применения лазера. Вот лишь несколько примеров.

Беспроводная технология передачи данных. Лазерные установки используются для так называемого «распространения информации в свободном пространстве». Такую технологию предлагает, к примеру, компания TeraBeam Networks, применяющая лазерный луч для беспроводной передачи данных в пределах прямой видимости. Подобные решения могут оказаться особенно эффективными при построении сетей в черте города.

Волоконно-оптические каналы для офиса и дома. Отрезок, на котором деловые и домашние пользователи подключаются к высокоскоростным магистралям, называется «последней милей». Из-за дороговизны лазерного оборудования, требуемого для пересылки сигнала, и высокой стоимости прокладки волоконно-оптических линий большинство телекоммуникационных компаний при организации последней мили по-прежнему предпочитают использовать медный кабель. Но в этом случае скорость передачи данных, как правило, ограничена 10 Мбит/с. Для повышения производительности можно применять сразу несколько линий, однако стоимость при этом существенно возрастает. Домашние пользователи смогут, наконец, получить доступ к высокоскоростным волоконно-оптическим каналам, когда цены на лазерные устройства упадут, и установка такого оборудования в каждом доме будет оправданна с экономической точки зрения.

Коммуникации в автомобиле. «В будущем волоконная оптика появится в каждой машине, — считает вице-президент Novalux Гэри Оппендал. — Зачем владельцам автомобилей нужна такая быстрая связь? Дело в том, что необходимо уменьшать вес транспортных средств. Конструкторы встраивают в машины все новые и новые системы, пытаясь в то же время сделать их легче. Mercedes-Benz уже использует для снижения веса автомобиля волоконно-оптический кабель».

Цифровой кинотеатр. «Поскольку лазер обеспечивает управление изображением практически на молекулярном уровне, появляется возможность получать как фронтальные, так и задние проекции исключительно высокого качества, — отметил Томпсон. — Размеры их варьируют от настольного монитора до большого экрана в кинотеатре. Велика вероятность того, что уже в ближайшем будущем век электронно-лучевых телевизионных трубок и плоскопанельных мониторов завершится, и на смену им придут совершенно иные устройства».

Лидар. Принцип работы лидара — устройства, предназначенного для обнаружения и определения характеристик световых волн (light detection and ranging — lidar), аналогичен радару. Но если радар для изменения скорости, расстояния и направления использует радиоволны, то лидар построен на основе лазерного диода. Кроме того, в нем применяется гораздо более тонкий луч, обеспечивающий более качественное считывание. В отличие от обычного радара лазерный луч труднее обнаружить, что повышает целесообразность его использования в военных целях. Однако прежде чем устанавливать лидары на самолеты, необходимо добиться уменьшения размеров устройства.

Анализ поверхности Марса. В ближайшее время агентство NASA намерено использовать спектроскопию для исследования поверхности Марса. Поскольку пустыни планеты сильно продуваются, вся ее поверхность покрыта слоем глины и других примесей толщиной около 2 мм. При изучении проб грунта, воздуха и воды лазер способен прожигать верхний слой, добираясь до вещества, находящегося в глубине. Поскольку спектральный сигнал каждого атома уникален, ученые смогут выделить из образцов все составляющие, даже если элемент присутствует в веществе в пропорции две части на миллион.

Волоконная оптика

Лазеры нового поколения

Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser (NECSEL)

Лазер компании Novalux — аналогичен существующим лазерам с вертикальным резонатором, но дешевле, к тому же имеет большую выходную мощность, что, при использовании их в волоконно-оптических линиях обеспечивает большую полосу пропускания

Коротко о лазере