Optisk fiberdataöverföring kan förbättras avsevärt genom att producera fibrerna, gjord av kiselglas, under högt tryck, forskare från Japan och USA rapporterar i tidskriften npj Beräkningsmaterial .

Med hjälp av datorsimuleringar, forskare vid Hokkaido University, Pennsylvania State University och deras industrisamarbetspartners visar teoretiskt att signalförlusten från kiseldioxidglasfibrer kan minskas med mer än 50 procent, som dramatiskt skulle kunna förlänga avståndet kan data överföras utan behov av förstärkning.

"Förbättringar av silikaglas, det viktigaste materialet för optisk kommunikation, har stannat de senaste åren på grund av bristande förståelse för materialet på atomnivå, " säger docent Madoka Ono vid Hokkaido Universitys forskningsinstitut för elektronisk vetenskap (RIES). "Våra resultat kan nu hjälpa till att vägleda framtida fysiska experiment och produktionsprocesser, även om det kommer att vara tekniskt utmanande."

Optiska fibrer har revolutionerat hög bandbredd, långdistanskommunikation över hela världen. Kablarna som bär all den informationen är huvudsakligen gjorda av fina trådar av silikaglas, något tjockare än ett människohår. Materialet är starkt, flexibel och mycket bra på att överföra information, i form av ljus, till låg kostnad. Men datasignalen slocknar innan den når sin slutdestination på grund av att ljuset sprids. Förstärkare och andra verktyg används för att innehålla och vidarebefordra informationen innan den sprids, säkerställa att den levereras framgångsrikt. Forskare försöker minska ljusspridningen, kallas Rayleigh scattering, för att påskynda dataöverföringen och komma närmare kvantkommunikation.

Ono och hennes medarbetare använde flera beräkningsmetoder för att förutsäga vad som händer med atomstrukturen hos kiseldioxidglas under hög temperatur och högt tryck. De hittade stora tomrum mellan kiseldioxidatomer som bildas när glaset värms upp och sedan kyls ner, som kallas släckning, under lågt tryck. Men när denna process sker under 4 gigapascal (GPa), de flesta av de stora tomrummen försvinner och glaset får en mycket mer enhetlig gallerstruktur.

Specifikt, modellerna visar att glaset går under en fysisk transformation, och mindre ringar av atomer elimineras eller "beskärs" så att större ringar kan förenas närmare varandra. Detta hjälper till att minska antalet stora tomrum och den genomsnittliga storleken på tomrum, som orsakar ljusspridning, och minska signalförlusten med mer än 50 procent.

Forskarna misstänker att ännu större förbättringar kan uppnås med en långsammare kylningshastighet vid högre tryck. Processen kan också utforskas för andra typer av oorganiskt glas med liknande strukturer. Dock, att faktiskt tillverka glasfibrer under så höga tryck i industriell skala är mycket svårt.

"Nu när vi vet det ideala trycket, vi hoppas att denna forskning kommer att hjälpa till att stimulera utvecklingen av högtryckstillverkningsanordningar som kan producera detta ultratransparenta kiselglas, " säger Ono.