Волоконная оптика помогла доставить эту статью на устройство, с которого вы ее читаете. Крошечные нити из сверхпрозрачного стекла играют решающую роль практически во всем, что происходит в Интернете - от соединения массивных центров обработки данных до доставки фильма "Мандалорианец" на ваш телевизор. А поскольку во время пандемии в некоторых районах использование широкополосного доступа выросло более чем на 40 процентов, эти быстрые трубы необходимы как никогда.
В этом году открытию, которое сделало возможным весь этот быстрый обмен данными, исполняется 50 лет. В 1970 году группа ученых, работавших в компании Corning, занимающейся производством стекла, разработала метод изготовления чистого кварцевого стекла, позволяющий сигналам - письмам, веб-сайтам, сессиям Fortnite - проходить через нити толщиной 125 микрон в виде импульсов лазерного света с беспрецедентной эффективностью. Сообщения передаются на большие расстояния гораздо быстрее и экономичнее, чем аналогичные сигналы по медным проводам, которые лежат в основе обычных стационарных телефонов и кабельных соединений.
На протяжении десятилетий один и тот же завод в Уилмингтоне, штат Северная Каролина, производит волокно. Производимые ими нити связываются в провода, из которых состоит все - от трансатлантических подводных кабелей до интернет-кабеля, входящего в ваш дом.
Струи пламени наносят частицы на вращающиеся стержни. Просто расплавив песок, который в основном состоит из кремнезема, можно получить стекло, но этот зернистый материал не обеспечит той оптической чистоты, которая необходима для распространения света по всему миру. Поэтому компания Corning производит свой собственный чистый диоксид кремния. Чтобы сформировать так называемую "заготовку" - стержень, который в конечном итоге превратится в нить волокна - пламенные струи выдувают из резервуаров основные элементы волокна. Образовавшиеся частицы, известные как сажа, попадают на вращающиеся керамические стержни, накапливаясь, как снежный ком. Второй слой с несколько иным химическим составом создает отражающий барьер, который не позволит фотонам улетучиться, когда они скачут по трубе, выполняющей роль волновода. Corning называет эту часть производственного процесса "укладкой".
Печь соединяет частицы в цельный кусок. Пустая удочка (подвешенная слева) больше похожа на огромную палку мела, чем на нетронутый кусок стекла. Сажа налипла слоями, но общая структура очень пористая, и молекулы еще не полностью соединились друг с другом. После этого роботизированный механизм погрузит каждый цилиндр в раскаленную печь на несколько часов для приготовления и осветления.
[Слева] Незаконченная заготовка поступает в печь. [Справа] Заготовки выходят из печи чистыми. Corning называет процесс приготовления консолидацией. В то время как заготовка, поступающая в печь слева, выглядит мутной, та, что выходит справа, представляет собой твердую, прозрачную массу. Под воздействием тепла молекулы кремнезема плотно соединяются друг с другом, делая стекло плотным и свободным от примесей, которые могут препятствовать его способности пропускать свет. Corning удаляет керамический стержень, который первоначально использовался для сбора сажи, и оставленное им отверстие закрывается по мере плавления материала. Конечный результат имеет те же оптические свойства, что и тонкое волокно, но в гораздо большем масштабе.
На этапе вытяжки расплавляются заготовки, которые по мере прохождения через машину (слева) вытягиваются в длинные пряди (справа). Чтобы растянуть толстые стеклянные трубки в ультратонкие нити, оборудование справа нагревает цилиндры примерно до 2 000 градусов Цельсия. (Для сравнения, обычное оконное стекло плавится при ничтожных 600 градусах Цельсия). По мере плавления вещества образуется толстый слой, и гравитация тянет субстрат вниз на несколько этажей по трубе, в то время как датчики контролируют его температуру. Внизу машина - или, иногда, человек - отрезает кусок, чтобы подготовить волокно к прядению на катушки.
Каждый тип волокна имеет цветовую кодировку для простоты восприятия. Готовый продукт покрывают цветными полимерами, прежде чем машины наматывают его на катушки. Поскольку волоконно-оптический кабель содержит десятки или даже тысячи нитей с тонко различающимися свойствами и, следовательно, с разными допусками, например, на изгиб под углом 90 градусов, оттенки дают техникам и производителям кабеля простой визуальный метод идентификации каждого типа. Например, провод в вашем доме может включать 72 жилы, а провод, передающий данные через Атлантику, может иметь более 5 000.