5 Minutės
Naujas pluošto dizainas, nukreipiantis šviesą per orą
Tyrėjai sukūrė naują optinio pluošto klasę, kurioje tradicinis kietas silicio dioksido branduolys pakeistas tuščiaviduriu oro branduoliu, apsuptu preciziškai sukonstruota stiklo mikrostruktūra. Šis tuščiaviduris mikrostruktūrinis pluoštas veda šviesą su žymiai mažesniu slopinimu ir platesniu perdavimo diapazonu nei standartiniai kieti stiklų pluoštai, todėl optiniai signalai gali keliauti toliau prieš reikalaudami stiprinimo, o ilgųjų nuotolių ryšiuose gali padidėti perduodamų duomenų apimtis.
Mokslinis kontekstas ir svarba telekomunikacijoms
Įprasti vienamode optiniai pluoštai, naudojami telekomunikacijose, sukonstruoti aplink kietą silikatinio stiklo branduolį. Per dešimtmečius tobulinant medžiagas ir dizainą, šie pluoštai tapo labai optimizuoti, tačiau pačios medžiagos absorbcija ir sklaida vis dar sukelia signalo nuostolius. Praktinėse tinkluose tai reiškia, kad optiniai stiprintuvai turi būti talpinami kas dešimtis kilometrų — daugeliui standartinių pluoštų maždaug kas 20 km gali prarasti apie pusę įvestos šviesos galios — kas didina kaštus, energijos sunaudojimą ir sudėtingumą žemės, jūrų ir tarpžemyninių linijų atveju.
Tuščiaviduriai pluoštai sumažina šviesos sąveiką su kietu stiklu, sutelkdami didžiąją dalį vado režimo į mažo nuostolio orą. Kadangi oras telekomunikacinėse bangose turi daug mažesnę absorbciją ir sklaidą nei stiklas, tuščiaviduriai dizainai gali reikšmingai sumažinti slopinimą platesniame spektre. Platesnė mažo nuostolio perdavimo juosta taip pat leidžia vienu metu naudoti daugiau bangos ilgių kanalų, didinant žaliąją pralaidumą per bangų dalijimosi daugiklius (WDM) ir kitus spektrinius metodus.
Eksperimento detalės ir pagrindiniai matavimai
Francesco Poletti vadovaujama komanda Southamptono universitete pagamino mikrostruktūrinį bangolaidį, susidedantį iš tuščiavidurio centrinio kanalo, apsupto plonų silikato žiedų rašto. Kontroliuojamuose laboratoriniuose bandymuose pluoštas pasiekė optinį slopinimą vos 0,091 dB/km dažnai naudojamame telekomunikaciniame bangos ilgyje — tai rodiklis, atitinkantis maždaug 50 % didesnį atstumą tarp stiprinimo stočių, palyginti su daugeliu senesnių kietų branduolių pluoštų.
Be žemo slopinimo, naujasis pluoštas demonstruoja gerokai platesnę perdavimo juostą (t. y. bangos ilgių intervalą su mažu nuostoliu ir deformacija), leidžiančią platesnį plataus juostos veikimą ir potencialiai palaikančią didesnį bendrą duomenų srautą. Autoriai taip pat pažymi, kad didinant oro branduolio skersmenį būtų galima dar labiau sumažinti nuostolius, nors toks sprendimas reikalauja papildomų inžinerinių priemonių, kad būtų išsaugotas režimų stabilumas ir gaminamumas.
Dizaino kompromisai ir gamyba
Tuščiaviduriai mikrostruktūriniai pluoštai reikalauja itin didelio geometrinio tikslumo ir kontroliuojamų vidinių dujų sąlygų: likusios absorbuojančios molekulės tuščiaviduriame branduolyje gali padidinti nuostolius, o gamybos tolerancijos veikia režimų suvaržymą ir juostos plotį. Pereiti nuo laboratorinio koncepcijos prie kilometrinių ritinių prireiks pažangų traukimo procesų, kokybės kontrolės ir dujų valdymo technologijų.
Reikšmė tinklams, duomenų centrams ir povandeniniams kabeliams
Jei būtų pramoniniu būdu įdiegti, tuščiaviduriai pluoštai galėtų sumažinti reikalingų optinių stiprintuvų skaičių ilgose linijose, mažinant energijos suvartojimą ir eksploatacines išlaidas. Išplėsta perdavimo juosta yra patraukli būsimoms tankioms WDM sistemoms, suteikianti operatoriams didesnį spektrinį efektyvumą ir atsargą būsimiems srauto augimo poreikiams, skatinamiems debesų paslaugų, 5G/6G atgalinio kanalo ir aukštos raiškos turinio platinimo.
Šie pluoštai taip pat aktualūs tiksliojo laiko sinchronizavimo ir kvantinių ryšių sistemoms, kur mažesnis delsimas ir sumažintas fazinis triukšmas dėl mažesnės sąveikos su stiklų medžiaga gali pagerinti nuorodų tikslumą.
Eksperto nuomonė
Dr. Mira Alvarez, optinių sistemų inžinierė (fiktyvi), komentavo: "Tuščiaviduriai sprendimai yra viena perspektyviausių krypčių, leidžiančių įveikti esamus praradimų ir pralaidumo apribojimus. Southamptono komandos rezultatas — mažiau nei 0,1 dB/km — yra skatinantis, tačiau tikrasis iššūkis bus patikima masinė gamyba ir lauko bandymai esant skirtingoms aplinkos sąlygoms. Jei šie barjerai bus įveikti, telekomunikacijų operatoriai galėtų pertvarkyti ilgųjų linijų architektūrą su mažiau stiprintuvų ir daug mažesniu energijos vartojimu."
Ateities perspektyvos ir tolesni žingsniai
Autoriai siūlo, kad geresnė geometrinė nuoseklumas, didesnis gamybos kiekis ir absorbcinių dujų pašalinimas iš branduolio toliau sumažins slopinimą ir pagerins išmetimą. Tolimesni darbai greičiausiai bus orientuoti į pluoštų traukimo skalavimą iki pramoninių ilgių, sujungiamumo (splice) demonstravimą su esama pluošto infrastruktūra ir lauko bandymus sausumos bei povandeninėse aplinkose. Tyrimas publikuotas žurnale Nature Photonics ir nubrėžia kelią tuščiavidurių mikrostruktūrinių pluoštų integracijai į komercinius optinius tinklus.
Išvada
Tuščiaviduriai mikrostruktūriniai optiniai pluoštai siūlo patrauklų žemo nuostolio ir platesnės juostos derinį, kuris gali reikšmingai pagerinti ilgųjų nuotolių telekomunikacijas. Vedinėdami šviesą daugiausia per orą, o ne per stiklą, šie pluoštai gali prailginti stiprintuvų tarpus, padidinti spektrinę talpą ir sumažinti energijos suvartojimą kritinėse pagrindinėse ir povandeninėse linijose. Nors gamybos ir integracijos iššūkiai išlieka, technologija atveria perspektyvų kelią kitai pasaulinių optinių ryšių kartai.
Šaltinis: sci
Komentarai