Naujos kartos optiniai pluoštai

Iš pirmo žvilgsnio šios naujos medžiagos yra tiesiog keistos: plonos kaip plaukas, skaidrios ir pilnos skylių. Kaip ir optiniai pluoštai, kurie yra pagrindinis telekomunikacijų pramonės pagrindas, jie yra pagaminti iš stiklo. Tačiau panašumai su įprastomis medžiagomis sustoja.

Kiekvieno iš šių naujų pluoštų, pagamintų Bato universitete Anglijoje, centras yra tuščiaviduris. Esamuose optiniuose pluoštuose šviesa perduodama per stiklo šerdį. Bate pagamintuose pluoštuose šviesa netrukdoma sklinda oru. Šviesos spindulį į tuščiavidurę šerdį riboja skylės supančioje stiklo medžiagoje, kuri skerspjūviu atrodo kaip koris ir sukuria griežtai nešviečiančią sritį. Galimybė tokiu būdu apriboti šviesą ore, sako Philipas Russellas, Bato fizikas, gali visiškai pakeisti telekomunikacijas.

Ši istorija buvo mūsų 2001 m. gegužės mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Susijaudinimo priežastis yra ta, kad bent jau iš principo siunčiant šviesą oru, o ne per stiklą, gali padidėti šiandieninių didelės spartos telekomunikacijų tinklų efektyvumas ir pajėgumas. Šios naujos medžiagos, vadinamos fotoniniais kristalų pluoštais, turėtų praleisti mažiau šviesos ir perduoti intensyvesnius šviesos impulsus be iškraipymų, todėl sumažėja poreikis nuolat stiprinti signalą – brangus darbas šiuolaikiniuose optiniuose tinkluose. Fotoniniai kristalų pluoštai turėtų turėti galimybę perduoti daug daugiau informacijos šviesolaidiniais tinklais, tuo pačiu sumažinant įrengimo ir priežiūros išlaidas. Jie bus prie esamų skaidulų, kaip 10 juostų greitkelis yra į kaimo juostą. Jie ne tik sukels didesnį srautą, bet ir kelionė bus sklandesnė, o degalų reikės mažiau.

Šios naujos kartos optinių skaidulų kūrimas vis dar yra ankstyvas. Netgi pažangiausios naujos medžiagos lieka kelerius metus nuo plačiai paplitusio komercinio naudojimo. Tačiau optinėms telekomunikacijoms gresia tiek daug milijardų dolerių vertės verslas – kelios pramoninės laboratorijos, įskaitant „Corning“ ir keletą naujų įmonių, karštai ieško savo fotoninių skaidulų versijų. Nors dar per anksti prognozuoti, kas vyraus, Bato universitete ir MIT sukurti konkuruojantys metodai jau konkuruoja dėl rytojaus optinio pluošto.

Šios pastangos gali duoti vaisių telekomunikacijų pramonei tinkamu laiku. Pastaraisiais metais didžiulis tolimojo optinio duomenų perdavimo išplėtimas, kurį lėmė interneto augimas ir pralaidumą mažinančios programos, paskatino tyrėjus rasti būdų, kaip optinėmis skaidulomis fotografuoti daugiau šviesos ir sudėtingesnius signalus. matyti Bangos ilgio padalijimo tankinimas , TR 1999 m. kovas/balandis ). Tačiau daugelis ekspertų mano, kad per ateinančius dešimtmečius bus neįmanoma išspausti daugiau našumo iš dabartinės kartos stiklo pluošto. Nors sunku tiksliai nuspėti, kada bus pasiekta kliūtis, Jimas Westas, mokslininkas iš Corningo tyrimų laboratorijų Niujorke, tikrai mano, kad įžengsime į šias ribas. Štai tada naujos kartos šviesolaidinis pluoštas taps itin svarbus skatinant begalinį pasaulio apetitą pralaidumui.

Lengvas pokalbis

Nors fotoniniai pluoštai yra naujos kartos technologija 2001 m., balso duomenų perdavimo naudojant šviesą istorija tęsiasi daugiau nei šimtmetį. 1876 ​​m. išradęs telefoną, Aleksandras Grahamas Bellas neužmigo ant laurų. 1880 m. jis parodė, kad šviesa, o ne elektra, gali nešti žmogaus žodžius į tolimą ausį. Bello fotofonas naudojo vibruojančius veidrodžius garsui perduoti per saulės šviesą. Tačiau tai buvo idėja dar gerokai anksčiau. Elektros signalų siuntimas variniais kabeliais pasirodė esąs daug patikimesnis, o fotofonas buvo iš esmės pamirštas, nes telefono linijos apėmė pasaulį.

Po aštuonių dešimtmečių varinės vielos viršenybės, rubino lazerio išradimas 1960 m. vėl išryškino komunikacijos darbotvarkę. Čia buvo pakankamai ryškus šaltinis, kad šviesa iš tikrųjų galėtų veikti. Kaip tranzistorius pradėjo mikroelektronikos amžių, lazeris sukėlė fotonikos amžių. 1970 m. Corningas išdidžiai paskelbė, kad nusiuntė lazerio spindulį žemyn stiklo pluoštu ir atgavo net vieną procentą šviesos kitame gale, už kilometro (šiandien stiklo pluoštai yra tokie veiksmingi, kad 80 procentų šviesos išliks. atstumas). Devintajame dešimtmetyje telefonų kompanijos varinius kabelius pradėjo keisti optiniais pluoštais.

Optinis pluoštas gali perduoti tūkstančius kartų daugiau duomenų nei varinis kabelis: iš esmės vienas pluoštas gali perduoti iki 25 trilijonų bitų per sekundę. To pakanka visiems pokalbiams telefonu, vykstantiems bet kuriuo momentu Jungtinėse Amerikos Valstijose – lieka vietos. Nenuostabu, kad pasaulinis informacinių technologijų tinklas yra audžiamas iš šviesą nešančio stiklo.

Įprastiniame optiniame pluošte šviesa yra apribota silicio dioksido vidiniame strype stiklo apvalkalu, kurio sudėtis šiek tiek skiriasi nuo šerdies sudėties. Paprastai į šerdį pridedamas nedidelis germanio arba fosforo kiekis (procesas vadinamas dopingu), todėl jai skiriasi nuo apvalkalo lūžio rodiklis. Šviesa, patenkanti į šerdies ir apvalkalo sąsają, atsispindi, todėl signalas atsimuša pirmyn ir atgal ir lieka šerdyje. Informacija užkoduojama elektroniniu būdu valdomų lazerių impulsų serijomis, o šviesolaidis nukreipiamas į fotodetektorių kitame gale, kuris paverčia signalą atgal į elektrinę formą, kad būtų galima apdoroti telefone, kompiuteryje ar maršruto parinkimo įrenginyje.

Skamba puikiai. Taigi, kur yra laimikis? Tai ribų klausimas. Ryšių tinklams didėjant, intensyvėjant ir ambicingesniems, įprasto stiklo pluošto trūkumai tampa akivaizdūs, o esami optinio pluošto tinklai ilgainiui nebepajėgs susidoroti. Vienas veiksnys, ribojantis veikimą, yra šviesos signalo išblukimas per atstumą. Tam tikras šviesos kiekis yra išsklaidytas – silicio dioksido priemaišos sutrikdo kai kurių signalų perdavimą, kai jis sklinda per stiklo šerdį; kita šviesa tiesiog išeina iš pluošto, nes sąsaja tarp stiklo šerdies ir apvalkalo nėra tobulas veidrodis.

Neištaisyti šie nuostoliai sugadintų tolimojo šviesolaidinio ryšio ryšį: aštuoniasdešimt procentų perdavimo per kilometrą tolimajame transatlantinio kabelio gale liktų mažiau nei signalo vaiduoklis. Atsakymas yra stiprinti šviesą kas 70 kilometrų. Tačiau stiprintuvai yra brangūs ir jiems reikia savo maitinimo šaltinių ( matyti 5 patentai, kuriuos reikia žiūrėti: sustiprinti šūviai ). Kiekvienas stiprintuvas paprastai prideda milijoną dolerių prie tolimojo perdavimo linijos kainos. Už tūkstančių kilometrų ilgio kabelį pradeda skaičiuoti tikri pinigai. O kai stiprintuvas sugenda Atlanto vandenyno viduryje, nelieka nieko kito, kaip tik išsiųsti laivą, kuris išgis kabelį. Sutaisyti juos vandenyno dugne kainuoja daug pinigų, sako Bato Russellas.

Ši bauginanti ekonominė tikrovė yra naujos kartos pluošto kūrimo paskata. Kembridžas, MA įsikūrusi „OmniGuide Communications“, kurią pernai įkūrė keli MIT profesoriai, teigia, kad jos naujieji pluoštai galės sumažinti nuostolius taip, kad nereikėtų jokio stiprinimo. Be to, bendrovės teigimu, naudojamas pralaidumas bus daug didesnis nei esamų optinių skaidulų. Gudrybė yra nuimti stiklo pluošto šerdį ir pakeisti ją niekuo.

Grynas oras

Tai skamba taip akivaizdžiai. Šviesa sklinda oru su maža sklaida. Taigi kodėl gi ne tiesiog nusiųsti lazerio šviesą į tuščiavidurį stiklinį vamzdelį? Atsakymas slypi fizikoje. Norint pasiekti vidinį atspindį, būtiną, kad šviesa būtų apribota įprasto optinio pluošto centre, apvalkalas turi turėti mažesnį lūžio rodiklį nei vidinė terpė. Tačiau visos žinomos medžiagos turi didesnį lūžio rodiklį nei oras. Taigi įprastas išdėstymas neveikia gaminant tuščiavidurį pluoštą.

O tai reiškia, kad reikia netradicinio požiūrio. Įveskite fotoninių kristalų pluoštus. Mokslininkai visame pasaulyje užsiima medžiagų, veikiančių kaip šviesos izoliatoriai, gamyba, kurios yra nepralaidžios šviesai, kaip ir dauguma plastikų nepraleidžia elektros srovės. Kalbant fizikos žargonu, šie šviesos izoliatoriai turi fotoninės juostos tarpą, atitinkantį tam tikrus šviesos bangos ilgius; tie bangos ilgiai tiesiog negali patekti į medžiagą. Jei jos pagamintos teisingai, šios medžiagos, skirtingai nei stiklo pluošto apmušalai, neturėtų leisti praktiškai išeiti iš tuščios šerdies, apvyniotos jomis.

Žinoma, daugelis medžiagų neleis šviesai prasiskverbti; bet taip paprastai yra todėl, kad medžiagos tiesiog sugeria šviesą, o ne ją atspindi. Ir nors galite manyti, kad metaliniai veidrodžiai – pasidabruotas stiklas – yra geri šviesos atšvaitai, tiesa ta, kad jie beveik neatspindi, kad veiktų šviesolaidinėje optikoje; jie sugeria ir išsklaido nedidelę, bet reikšmingą įeinančio pluošto dalį. Šviesos signalas, sklindantis sidabriniu stikliniu vamzdžiu, nukeliautų tik trumpą atstumą, kol visiškai išsisklaidytų. Kita vertus, fotoninės juostos tarpo medžiagos blokuoja visus tam tikro bangos ilgio fotonus; artėjanti šviesa atsispindi beveik tobulai. Kitaip tariant, jie yra tik tam, kad apribotų šviesą tuščiaviduriame vamzdyje.

1998 m. Yoelis Finkas, tuometinis MIT absolventas, pagamino puikų veidrodį iš fotoninės juostos tarpo medžiagos. Kiti anksčiau gamindavo specializuotus veidrodžius iš plonų dielektrinių medžiagų sluoksnių (medžiagų, kuriose yra elektra įkrautų dalelių, bet turinčių izoliacinių savybių). Šie veidrodžiai turi fotoninių juostų tarpus ir gali būti itin veiksmingi atšvaitai, tačiau jie turi didelį trūkumą: jie veikia tik tada, kai šviesa patenka į absoliučiai priešingą pusę, todėl juos galima naudoti tik specializuotose srityse. Finkas sugalvojo, kaip sukurti dielektrinio veidrodžio variantą, kuris atspindėtų į jį patenkančią šviesą iš visų kampų, nes ši medžiaga turėtų būti optinio pluošto sriegio šerdyje.

Kai turite tokį veidrodį, komercinio potencialo matymas (bent jau fotonikos tyrinėtojams) yra akivaizdus. Finkas ir pora jo MIT profesorių, fizikas Johnas Joannopoulosas ir medžiagų mokslininkas Edwinas Thomas, kartu su Uri Kolodny įkūrė „OmniGuide“. Bendrovės tikslas yra naudoti tobulą veidrodį kaip optinio pluošto apvalkalą. Įsivaizduokite, kad paimate plokščią veidrodį ir sulenkiate jį aplink vamzdelio vidų ir gausite neapdorotą OmniGuide pluošto vaizdą.

Taigi, kokie maži yra šviesos nuostoliai tokiame naujos kartos pluošte? Kadangi įmonė vis dar yra pradinėje stadijoje, įkūrėjai šią informaciją laiko šalia savo krūtinės. Viskas, ką šiuo metu galiu pasakyti, sako Joannopoulos, yra tai, kad naudojant tuščiavidurį OmniGuide [šviesolaidį] iš esmės galėtume patirti mažiau nuostolių nei naudojant optinį skaidulą. Tačiau telekomunikacijų pramonei, siekiančiai per optinius tinklus stumti vis daugiau šviesos ir galiausiai susiduriančiai su dabartinės kartos skaidulų ribomis, net tokie kruopščiai suformuluoti teiginiai yra viliojantys.

Bendrovė kuria pluoštinių produktų seriją, pagrįstą OmniGuide koncepcija. Teoriškai šie pluoštai šviesą praleidžia daug efektyviau nei standartinis optinis pluoštas. Iš tiesų, jie turėtų įveikti dabartinius stiklo pluošto apribojimus ir, be kita ko, pasiekti mažiau signalo praradimo šviesai sklindant pluoštu. Toks padidintas našumas yra įmanomas, sako Finkas, dabar MIT medžiagų mokslo docentas, nes galime pasiekti neprilygstamą uždarumo laipsnį.

„OmniGuide“ skaidulos turėtų perduoti daug intensyvesnius signalus nei įprasti optiniai pluoštai. Didelio intensyvumo šviesa, sklindanti stiklo pluoštu, kenčia nuo iškraipymų, kurie gali sutrikdyti signalų perdavimą skirtingais bangos ilgiais ir sukelti kryžminį pokalbį tarp kanalų, nebent jie yra plačiai atskirti dažniu. Šis efektas apriboja skirtingų bangų ilgių, kuriuos galite įterpti į įprastą stiklo pluoštą, skaičių ir jų ryškumą. Kadangi ore esantys signalai nepatiria šių efektų, aiškina Finkas, OmniGuide šviesolaidis gali perduoti signalus didesnėmis galiomis, kai kanalai yra arčiau vienas kito. Tai puiki žinia telekomunikacijų įmonėms, nes stipresni signalai nukeliauja toliau, kol nuostoliai pradeda juos pažeisti, o artimesni kanalai reiškia, kad tam tikrame bangos ilgio diapazone galima supakuoti daugiau duomenų.

Tačiau MIT metodas yra tik vienas iš būdų sukurti fotoninį pluoštą. Kiti tyrėjai sukūrė fotoninės juostos tarpo medžiagas, kurios skerspjūviu yra tarsi koris, kuriame skylės sudaro struktūras, kurios neleidžia patekti į tam tikro bangos ilgio šviesą. Tokie fotoniniai kristalai, pirmą kartą pagaminti devintojo dešimtmečio pabaigoje, taip pat beveik visiškai užstoja šviesą. Pavyzdžiui, į Bath pagamintą stiklo pluoštą prasiskverbia tvarkingas skylių rinkinys, einantis lygiagrečiai sriegiui per visą jo ilgį; centre yra tuščia šerdis, kurioje šviesa gali būti beveik tobulai apribota. Kad būtų galima paaiškinti pluoštų kūrimo tikslumą, jei ilgos lygiagrečios skylės atitiktų Angliją ir Prancūziją jungiančio kanalo skersmenį, Bate pagaminti eksperimentiniai pluoštai pasiektų Jupiterį. Kaip išgręžti tokius tobulus tunelius per stiklo sruogą, plonesnę už žmogaus plaukus?

Laimei, skylių visai nereikia gręžti. Jie išradingai sukonstruoti ištraukiant stiklo pluoštą iš tuščiavidurių kapiliarinių vamzdelių pluošto. Vamzdžiai supakuoti į šešiakampę kelių centimetrų pločio matricą, o pluoštas šildomas, kad stiklas suminkštėtų. Kai masyvas ištraukiamas į smulkų pluoštą, jo skerspjūvis susitraukia maždaug tūkstantį kartų, bet lieka su skylutėmis.

Iš pradžių Bath fizikai padarė šviesai laidų kanalą pluošto šerdyje, centrinį stiklo kapiliarą pakeisdami kietu stikliniu lazdele. Bet vis tiek geriau, nei nešti šviesą kietoje šerdyje, būtų siųsti ją per tuščiavidurį šerdį per orą su labai mažais nuostoliais ir be iškraipymų. Bendradarbiaudama su Douglasu Allanu, Corningo tyrėju, Batho komandai 1999 m. pavyko pasiekti šviesos izoliaciją tuščiavidurio fotoninio kristalo pluošte. Neseniai jie suformavo daugelio metrų ilgio optinius pluoštus iš savo naujų medžiagų.

Fotoninė apdaila

Esamų optinių skaidulų perėmimas bus sudėtingas dalykas. Įprasti stiklo pluoštai buvo optimizuoti kelis dešimtmečius ir pagaminti naudojant gerai įsitvirtinusias technologijas. Priešingai, nauji fotoniniai pluoštai yra nežinoma gamyba. Viena vertus, jų struktūra turi būti tiksli. Esamos [gamybos] sistemos tiesiog nėra tinkamos, pripažįsta Russellas.

Vis dėlto įmonės ruošiasi įveikti komercializavimo iššūkius. Finkas sako, kad „OmniGuide“ kuria gaminių seriją, pagamintą iš skirtingo ilgio pluoštų. Projektai apima optinio perjungimo aktyviųjų skaidulų įrenginių kūrimą, taip pat skaidulų, skirtų šviesos perdavimui per 10–100 metrų, kūrimą, kuris galėtų būti naudingas atliekant tokias užduotis kaip serverių prijungimas nedideliais atstumais. Finkas teigia, kad didžiausią poveikį turės tolimojo ryšio šviesolaidžiai telekomunikacijų tinklams, tačiau tai užtruks šiek tiek laiko.

„Bath“ grupės tyrėjai įkūrė savo „Spinoff“ įmonę „BlazePhotonics“ ir užsitikrino finansavimą iš rizikos kapitalo įmonių Jungtinėje Karalystėje ir JAV. Danijoje įmonė Crystal Fibre, kurią įkūrė Danijos technikos universiteto Lyngby mieste mokslininkai, kurie anksčiau bendradarbiavo su Bath grupe, gamina fotoninius pluoštus su kietu stiklo šerdimi. Nors pradiniai gaminiai gali būti naudojami tokiems tikslams kaip apriboti šviesą didelio tikslumo lazeriuose, niekas nepameta iš akių didelio prizo. Telekomunikacijos tikrai yra vidutinės trukmės tikslas, sako generalinis direktorius Michaelas Kjaeras.

Kaip ir Danijos krištolo pluošto įkūrėjai, Corningo mokslininkai praeityje glaudžiai bendradarbiavo su Bath tyrėjais, tačiau dabar jie patys lenktyniauja į rinką. Jimas Westas praneša, kad bendrovė dabar gali gaminti iki šimto metrų ilgio fotoninius pluoštus. Tačiau jis apsisprendžia, ar naujos medžiagos galiausiai pakeis informacijos greitkelį. Jis pažymi, kad įprastus optinius pluoštus sunku papildyti. Tik pradėjęs dirbti su naujausiomis versijomis supranti, kokios jos nuostabios.

Nors šviesos siuntimas oru gali išspręsti daugelį šiandieninių pluoštų apribojimų, tai kelia savų problemų. Viena vertus, oro sudėtis nėra vienoda; dėl to šviesa įvairiose pasaulio vietose gali būti perduodama skirtingai. Oras JK labai skiriasi nuo oro Sacharoje, aiškina Westas.

Tai žavi technologija, sako Westas apie naujos kartos fotoninių kristalų pluoštus, tačiau dar reikia daug nuveikti.

Vis dėlto, jei šios naujos medžiagos galiausiai išnaudos savo potencialą pakeisti tolimojo perdavimo telekomunikacijų pramonėje, tai bus verta kelionė.

paslėpti