"Optiska fibrer med ihålig kärna med jämförbar dämpning för kiseldioxidfibrer mellan 600 och 1100 nm" har publicerats i Nature Communications med DOI 10.1038/s41467-020-199107
Nästa generation optisk fiber kan komma ett steg närmare eftersom en ny studie har visat att fibrer med ett ihåligt centrum, skapad i Southampton, kan minska effektförlusten som för närvarande upplevs i standardglasfibrer.
Covid-19-krisen har sett människor över hela världen snabbt flytta sina arbeten och sociala liv online och samhällen har aldrig förlitat sig på internet mer. Det ständigt ökande antalet Zoom-samtal och webinarier har belyst behovet av att fortsätta utveckla den teknik som har gjort detta möjligt.
I över 50 år, optiska fibrer gjorda av kiseldioxidglas har varit det valda överföringsmediet för optisk höghastighetskommunikation – som driver det globala internet och molnbaserade tjänster som används av hushåll och företag runt om i världen. De används också för att känna av olje- och gasinstallationer, strukturövervakning för järnvägar och broar, medicinska endoskop och många fler applikationer som en del av en global marknad för 40 miljarder dollar.
Dock, på grund av "spridning" av ljuset inuti glaset, en bråkdel av den överförda effekten går förlorad, en process som kallas dämpning, och denna effektförlust blir allt mer ett problem när ljusets våglängd förkortas. Denna högre överföringsförlust genom fibern utgör en allvarlig begränsning för prestandan för alla applikationer som kräver kortare våglängder.
I denna nya studie, publiceras i Naturkommunikation , forskare från University of Southampton har visat att styrning av ljus genom luftfyllda fibrer erbjuder ett potentiellt sätt att övervinna denna oöverstigliga dämpningsgräns som satts av glasets spridning.
Ett team från universitetets Optoelectronics Research Center (ORC) skapade tre olika ihåliga fibrer, med förluster jämförbara eller lägre än de som uppnås i fasta glasfibrer runt tekniskt relevanta våglängder på 660, 850 och 1, 060 nanometer. Den lägre dämpningen, i en fiber som leder ljus genom luft, erbjuder potential för framsteg inom kvantkommunikation, dataöverföring, och leverans av laserkraft.
Professor Francesco Polettif från ORC sa, "Många alternativa glastyper och vågledartekniker har undersökts sedan 1970-talet för att försöka lösa detta problem, allt till ingen nytta."
"Våra resultat visar att fibrer med ihålig kärna har potential att överträffa de nuvarande optiska fibrerna vid olika våglängder som används inom optisk teknik idag. De har inte bara lägre dämpning, de kan också motstå högre laserintensiteter, som de som behövs för att smälta stenar och borra oljekällor, samt producera mer effektiva lasrar för tillverkning."
Professor Poletti tillade att de ihåliga kärnfibrerna också kan sända oförvrängda laserpulser med toppeffektnivåer så höga att de skulle vara oanvändbara om de överförs av standardglasfibrer, och bevara polariseringen av ljus som behövs för att producera mer exakta sensorer och bildendoskop.
Fibrerna som utvecklats och rapporterats i tidningen är resultatet av över tio års forskning av ORC för att utveckla Nested Antiresonant Nodeless Fibers (NANFs), en speciell typ av ihåliga kärnfibrer som begränsar ljuset i det centrala tomrummet tack vare tunna glasmembran som omger kärnan. Deras första fibrer hade dämpningar på 5 decibel (dB), dvs endast 30 % av ljustransmissionen, för varje meter fiber. Ny fysisk förståelse med bidrag från det världsomspännande samhället, och betydande utveckling inom tillverkningsteknologi ledd av Southampton-teamet, har nu fått en av fibrerna som rapporterats i denna studie att förbättra detta med en faktor 10, 000 genom att uppnå en dämpning på endast 5 dB var 10:e kilometer.
Professor Poletti fortsatte. "Tekniken vi utvecklar har potential att stödja utvecklingen av snabbare datacenter med kortare förseningar för slutanvändaren, mer exakta gyroskop för interplanetära uppdrag, effektivare laserbaserad tillverkning, för att bara nämna några."
University of Southampton -teamet som har uppfunnit och utvecklat denna optiska fiberteknologi under finansiering från ERC -projektet Lightpipe fortsätter att arbeta med att förbättra dessa fibrers optiska prestanda, samtidigt som man producerar längre längder till en lägre kostnad.
Professor Sir David Payne, chef för Optoelectronics Research Center, Lagt till, "Transmissionskapaciteten för optiska fibrer är så stor att vi aldrig trodde att vi skulle nå den punkt där vi skulle använda allt. Men under de senaste fem till tio åren, vi har insett att vi nu är nära att göra just det och effekten av covid-19 har accelererat detta ytterligare. Detta innebär att vi inte längre kan finjustera konventionella fibrer för att bryta mer kapacitet utan måste ta till slägghammaren att installera ett stort antal nya fiberkablar. Detta är möjligt men driver upp kostnaderna.
"En snabbare, ett mer tillförlitligt internet med större bandbredd skulle hjälpa oss att upprätthålla våra nuvarande nivåer av onlinearbete och umgänge och även göra det möjligt för oss att ta detta vidare inom områden som 3D-videokonferenser och virtuell verklighet."
Professor Poletti sa:"Vi är övertygade om att vi äntligen kan ha identifierat en lösning med potential att komplettera, och i många fall, ersätta helt fasta kiseldioxidfibrer som har varit stöttepelaren i hushåll och kommersiella tillämpningar i ett halvt sekel."
