Nowa generacja światłowodów

Na pierwszy rzut oka te nowe materiały są po prostu dziwne: cienkie jak włos, przezroczyste i pełne dziur. Podobnie jak światłowody będące podstawą branży telekomunikacyjnej, są one wykonane ze szkła. Ale tam podobieństwa z konwencjonalnymi materiałami zatrzymują się z piskiem opon.

Środek każdego z tych nowatorskich włókien – które są wytwarzane na Uniwersytecie w Bath w Anglii – jest pusty. W istniejących światłowodach światło przechodzi przez szklany rdzeń. We włóknach wykonanych w Bath światło przemieszcza się w powietrzu bez przeszkód. Wiązka światła jest ograniczona do wydrążonego rdzenia przez otwory w otaczającym materiale szklanym, który wygląda jak plaster miodu w przekroju i tworzy obszar, w którym światło nie może się przedostać. Zdolność do ograniczenia światła w powietrzu w ten sposób, mówi Philip Russell, fizyk z Bath, może całkowicie zrewolucjonizować telekomunikację.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2001 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Powodem ekscytacji jest to, że przynajmniej w zasadzie wysyłanie światła przez powietrze, a nie przez szkło, może znacznie zwiększyć wydajność i przepustowość dzisiejszych szybkich sieci telekomunikacyjnych. Te nowe materiały, zwane włóknami kryształów fotonicznych, powinny przepuszczać mniej światła i przenosić bardziej intensywne impulsy świetlne bez zniekształceń, zmniejszając potrzebę ciągłego wzmacniania sygnału – co jest kosztownym obowiązkiem w dzisiejszych sieciach optycznych. Światłowody z kryształów fotonicznych powinny być w stanie przesyłać znacznie więcej informacji w sieciach światłowodowych, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów instalacji i konserwacji. Będą one prowadziły do ​​istniejących włókien, tak jak 10-pasmowa autostrada prowadzi do wiejskiego pasa. Nie tylko zwiększą ruch, ale podróż będzie płynniejsza i zmniejszy się potrzeba tankowania.

Jest jeszcze wcześnie w rozwoju tej nowej generacji światłowodów. Nawet najbardziej zaawansowany z nowych materiałów pozostaje kilka lat od powszechnego użytku komercyjnego. Ale stawką jest tak wiele - telekomunikacja optyczna jest biznesem wartym miliardy dolarów - kilka laboratoriów przemysłowych, w tym Corning i garstka start-upów, poszukuje własnych wersji włókien fotonicznych. Chociaż jest zbyt wcześnie, aby przewidzieć, który z nich zwycięży, konkurencyjne podejścia opracowane na University of Bath i MIT już konkurują ze sobą, aby stać się światłowodem jutra.

Wysiłki te mogą przynieść owoce w samą porę dla branży telekomunikacyjnej. Ogromna ekspansja optycznej transmisji danych na duże odległości w ostatnich latach, napędzana rozwojem Internetu i jego zastosowań, które ograniczają przepustowość, skłoniła naukowców do znalezienia sposobów na wysyłanie większej ilości światła i bardziej złożonych sygnałów przez światłowody ( zobaczyć Multipleksowanie z podziałem długości fali , TR marzec/kwiecień 1999 ). Wielu ekspertów uważa jednak, że w nadchodzących dziesięcioleciach niemożliwe będzie wyciśnięcie większej wydajności z obecnej generacji włókien szklanych. Chociaż trudno jest przewidzieć dokładnie, kiedy blokada zostanie osiągnięta, Jim West, naukowiec z laboratoriów badawczych Corning w Nowym Jorku, zdecydowanie uważa, że ​​natkniemy się na te ograniczenia. I wtedy nowa generacja światłowodów stanie się kluczowa w zaspokajaniu pozornie nieskończonego apetytu na przepustowość na świecie.

Lekka rozmowa

Chociaż w 2001 r. włókna fotoniczne są technologią nowej generacji, historia przesyłania danych głosowych za pomocą światła sięga ponad sto lat. Po wynalezieniu telefonu w 1876 roku Alexander Graham Bell nie spoczął na laurach. W 1880 roku pokazał, że światło, a nie elektryczność, może przenosić słowa człowieka do odległego ucha. Fotofon Bella wykorzystywał wibrujące lustra do przesyłania dźwięku za pośrednictwem światła słonecznego. Ale był to pomysł na długo przed czasem. Wysyłanie sygnałów elektrycznych miedzianymi kablami okazało się znacznie bardziej niezawodne, a fotofon został w dużej mierze zapomniany, gdy linie telefoniczne splątały świat.

Po ośmiu dekadach dominacji drutu miedzianego, wynalezienie lasera rubinowego w 1960 r. ponownie wprowadziło światło na program komunikacyjny. Tutaj było źródło wystarczająco jasne, aby naprawdę uruchomić światło. Tak jak tranzystor zapoczątkował erę mikroelektroniki, tak laser zapoczątkował erę fotoniki. W 1970 roku Corning z dumą ogłosił, że wysłał wiązkę laserową w dół włókna szklanego i odzyskał aż jeden procent światła z drugiego końca, kilometr dalej (dzisiejsze włókna szklane są tak wydajne, że 80 procent światła przetrwa tak dystans). W latach 80-tych firmy telefoniczne zaczęły zastępować kable miedziane światłowodami.

Światłowód może przenosić tysiące razy więcej danych niż kabel miedziany: w zasadzie jedno włókno może przesyłać do 25 bilionów bitów na sekundę. To wystarczająca pojemność, aby przeprowadzić wszystkie rozmowy telefoniczne odbywające się w dowolnym momencie w Stanach Zjednoczonych – z wolnym miejscem. Nic dziwnego, że światowa sieć technologii informacyjnej jest utkana ze szkła przenoszącego światło.

W konwencjonalnym światłowodzie światło jest zamknięte w wewnętrznym pręcie z krzemionki za pomocą okładziny szklanej o nieco innym składzie niż rdzeń. Zazwyczaj do rdzenia dodaje się niewielkie ilości germanu lub fosforu (proces zwany domieszkowaniem), co nadaje mu inny współczynnik załamania niż płaszcz. Światło padające na powierzchnię styku między rdzeniem a okładziną jest odbijane, więc sygnał odbija się w przód iw tył i pozostaje w rdzeniu. Informacje są kodowane w postaci serii impulsów z elektronicznie sterowanych laserów i wysyłane przez światłowód do fotodetektora na drugim końcu, który przekształca sygnał z powrotem w postać elektryczną do przetworzenia w telefonie, komputerze lub urządzeniu trasującym.

Brzmi wspaniale. Więc gdzie jest haczyk? To kwestia granic. Ponieważ sieci komunikacyjne stają się coraz większe, bardziej ruchliwe i bardziej ambitne, wady konwencjonalnych światłowodów szklanych stają się oczywiste, a istniejące sieci światłowodowe w końcu nie będą w stanie sobie z tym poradzić. Jednym z czynników ograniczających wydajność jest zanikanie sygnału świetlnego na odległość. Pewna ilość światła ulega rozproszeniu — zanieczyszczenia w krzemionce zakłócają transmisję części sygnału — gdy przechodzi on przez szklany rdzeń; inne światło po prostu całkowicie ucieka z włókna, ponieważ granica między rdzeniem szklanym a okładziną nie jest idealnym lustrem.

Nienaprawione straty te sparaliżowałyby długodystansową łączność światłowodową: osiemdziesiąt procent transmisji na kilometr pozostawiłoby mniej niż widmo sygnału na drugim końcu kabla transatlantyckiego. Odpowiedzią jest wzmacnianie światła co około 70 kilometrów. Ale wzmacniacze są drogie i wymagają własnych źródeł zasilania ( zobaczyć 5 patentów do obejrzenia: strzały wzmacniające ). Każdy wzmacniacz zwykle dodaje milion dolarów do ceny dalekosiężnej linii przesyłowej. W przypadku kabla o długości tysięcy kilometrów zaczyna to generować prawdziwe pieniądze. A kiedy wzmacniacz ulegnie awarii na środku Atlantyku, nie ma innego wyjścia, jak wysłać statek, aby pogłębił kabel. Naprawienie ich na dnie oceanu kosztuje fortunę, mówi Russell z Bath.

Ta zniechęcająca rzeczywistość gospodarcza jest bodźcem do rozwoju nowej generacji włókien. Firma OmniGuide Communications z Cambridge w stanie Massachusetts, założona w zeszłym roku przez kilku profesorów z MIT, twierdzi, że nowe włókna będą w stanie zredukować straty tak nisko, że nie będzie potrzeby stosowania jakiegokolwiek wzmocnienia. Co więcej, mówi firma, użyteczna przepustowość będzie znacznie większa niż w istniejących światłowodach. Sztuczka polega na tym, aby usunąć szklany rdzeń światłowodu i zastąpić go – cóż, w ogóle niczym.

Czyste powietrze

Brzmi to tak oczywiste. Światło przemieszcza się w powietrzu z niewielkim rozpraszaniem. Dlaczego więc nie wysłać światła laserowego do pustej szklanej rurki? Odpowiedź leży w fizyce. Aby uzyskać wewnętrzne odbicie niezbędne do utrzymania światła w środku konwencjonalnego światłowodu, płaszcz musi mieć niższy współczynnik załamania niż ośrodek wewnętrzny. Ale wszystkie znane materiały mają wyższy współczynnik załamania niż powietrze. Tak więc konwencjonalny układ nie działa przy wytwarzaniu pustego włókna.

Co oznacza, że ​​potrzebne jest niekonwencjonalne podejście. Wprowadź włókna kryształów fotonicznych. Naukowcy na całym świecie są zajęci wytwarzaniem materiałów, które działają jak izolatory światła, które są nieprzepuszczalne dla światła, tak jak większość tworzyw sztucznych jest nieprzepuszczalna dla prądu elektrycznego. W żargonie fizyki te izolatory światła mają fotoniczną przerwę energetyczną odpowiadającą określonym długościom fal światła; te długości fal po prostu nie mogą wejść do materiału. Jeśli są wykonane prawidłowo, materiały te — w przeciwieństwie do okładziny z włókien szklanych — nie powinny praktycznie pozwalać na ucieczkę światła z owiniętego w nie pustego rdzenia.

Oczywiście wiele substancji powstrzyma światło przed przechodzeniem; ale generalnie dzieje się tak dlatego, że materiały po prostu pochłaniają światło, a nie je odbijają. I choć można by pomyśleć o metalowych lustrach – posrebrzanym szkle – jako o dobrych reflektorach światła, prawda jest taka, że ​​nie są one wystarczająco odblaskowe, aby pracować w światłowodach; pochłaniają i rozpraszają niewielką, ale znaczącą część nadchodzącej wiązki. Sygnał świetlny podróżujący w dół szklanej rurki pokrytej srebrem przebyłby tylko niewielką odległość, zanim całkowicie się rozproszył. Z drugiej strony materiały z fotoniczną przerwą energetyczną blokują wszystkie fotony o określonych długościach fal; nadchodzące światło odbija się niemal idealnie. Innymi słowy, są po prostu tym, co ogranicza światło w pustej rurce.

W 1998 roku Yoel Fink, wówczas absolwent MIT, wyprodukował idealne lustro z materiału z fotoniczną przerwą pasmową. Inni wykonali wcześniej wyspecjalizowane lustra z cienkich warstw materiałów dielektrycznych (materiałów, które zawierają cząstki naładowane elektrycznie, ale mają właściwości izolacyjne). Zwierciadła te mają fotoniczne przerwy wzbronione i mogą być niezwykle wydajnymi reflektorami, ale mają poważną wadę: działają tylko przy uderzaniu światła absolutnie naprzeciw, co ogranicza ich zastosowanie do specjalistycznych zastosowań. Fink wymyślił, jak zrobić wersję lustra dielektrycznego, które odbija światło padające ze wszystkich kątów, tak jak materiał musiałby być w rdzeniu światłowodu.

Kiedy już masz takie lustro, dostrzeżenie komercyjnego potencjału jest (przynajmniej dla badaczy fotoniki) oczywiste. Fink i para jego profesorów z MIT, fizyk John Joannopoulos i materiałoznawca Edwin Thomas wraz z Uri Kolodnym są współzałożycielami OmniGuide. Celem firmy jest wykorzystanie idealnego lustra jako okładziny światłowodu. Wyobraź sobie, że bierzesz płaskie lustro i wyginasz je wokół wnętrza tuby, a otrzymujesz surowy obraz włókna OmniGuide.

Jak więc małe są straty światła w takim włóknie nowej generacji? Ponieważ firma jest wciąż na wczesnym etapie, założyciele trzymają te informacje blisko siebie. Wszystko, co mogę powiedzieć na tym etapie, mówi Joannopoulos, to to, że dzięki OmniGuide [światłowód] z wydrążoną rurką moglibyśmy w zasadzie osiągnąć straty mniejsze niż światłowód. Jednak dla branży telekomunikacyjnej, która chce przepuszczać coraz więcej światła przez sieci optyczne – i ostatecznie mierzy się z ograniczeniami światłowodów obecnej generacji – nawet tak starannie sformułowane oświadczenia są kuszące.

Firma opracowuje serię produktów światłowodowych w oparciu o koncepcję OmniGuide. Włókna te są teoretycznie znacznie wydajniejsze w przepuszczaniu światła niż standardowe światłowody. Rzeczywiście, powinny one być w stanie przezwyciężyć obecne ograniczenia światłowodów szklanych, osiągając między innymi mniejsze straty sygnału w miarę przemieszczania się światła w światłowodzie. Tak zwiększona wydajność jest możliwa, mówi Fink, obecnie adiunkt na wydziale materiałoznawstwa na MIT, ponieważ możemy osiągnąć niezrównany stopień zamknięcia.

Włókna OmniGuide powinny być w stanie przenosić znacznie silniejsze sygnały niż zwykłe włókna światłowodowe. Światło o dużej intensywności podróżujące we włóknach szklanych cierpi z powodu zniekształceń, które mogą zakłócać transmisję sygnałów o różnych długościach fal, powodując krzyżowanie się kanałów między kanałami, chyba że są one szeroko rozdzielone częstotliwościowo. Ten efekt ogranicza liczbę różnych długości fal, które można umieścić w konwencjonalnym włóknie szklanym, a także ogranicza jasność. Fink wyjaśnia, że ​​ponieważ sygnały w powietrzu nie mają takich efektów, światłowód OmniGuide może przekazywać sygnały o wyższych mocach, z kanałami rozmieszczonymi bliżej siebie. To świetna wiadomość dla firm telekomunikacyjnych, ponieważ silniejsze sygnały docierają dalej, zanim straty zaczną je zagrażać, a bliższe kanały oznaczają, że w danym zakresie długości fal można upakować więcej danych.

Podejście MIT to jednak tylko jeden sposób na wytworzenie światłowodu fotonicznego. Inni badacze stworzyli fotoniczne materiały z przerwą energetyczną, które w przekroju przypominają plaster miodu, w którym dziury tworzą struktury uniemożliwiające dostęp światła o określonej długości fali. Tego rodzaju kryształy fotoniczne, po raz pierwszy wytworzone pod koniec lat 80., również prawie całkowicie blokują światło. Na przykład włókna szklane wykonane w Bath są penetrowane przez uporządkowany układ otworów biegnących równolegle do nici na całej jej długości; w centrum znajduje się pusty rdzeń, w którym światło może być prawie idealnie zamknięte. Aby dać pewne wskazówki dotyczące precyzji wykonania włókien, gdyby długie, równoległe otwory miały średnicę kanału łączącego Anglię i Francję, eksperymentalne włókna wykonane w Bath dotarłyby do Jowisza. Jak wiercić tak doskonałe tunele w szklanym kosmyku cieńszym od ludzkiego włosa?

Na szczęście otworów wcale nie trzeba wiercić. Są pomysłowo skonstruowane poprzez wyciąganie włókien szklanych z wiązki pustych kapilar. Rurki są pakowane razem w sześciokątny układ o szerokości kilku centymetrów, a wiązka jest podgrzewana w celu zmiękczenia szkła. Gdy macierz jest wyciągana do postaci cienkiego włókna, jej przekrój kurczy się około tysiąca razy, ale pozostaje spleciony z otworami.

Początkowo fizycy Bath wykonali kanał przewodzący światło w rdzeniu światłowodu, zastępując centralną szklaną kapilarę litym szklanym prętem. Ale wciąż lepszym niż noszenie światła w stałym rdzeniu byłoby wysłanie go przez pusty rdzeń przez powietrze, z bardzo niskimi stratami i brakiem zniekształceń, które się z tym wiążą. We współpracy z Douglasem Allanem, naukowcem z Corning, zespołowi Bath udało się w 1999 roku ograniczyć światło w światłowodzie z kryształu fotonicznego o pustym rdzeniu. Ostatnio z nowatorskich materiałów uformowali światłowody o długości wielu metrów.

Wykończenie fotoniczne

Przejęcie istniejących światłowodów będzie trudnym zadaniem. Konwencjonalne włókna szklane były optymalizowane przez kilka dziesięcioleci i są wytwarzane przy użyciu dobrze ugruntowanej technologii. Natomiast nowe włókna fotoniczne stanowią nieznaną produkcję. Po pierwsze, ich struktura musi być dokładna. Istniejące systemy [wytwarzania] po prostu nie nadają się do tego, przyznaje Russell.

Mimo to firmy stawiają czoła wyzwaniom komercjalizacji. Fink mówi, że OmniGuide pracuje nad serią produktów opartych na włóknach o różnej długości. Projekty obejmują opracowanie aktywnych urządzeń światłowodowych do przełączania optycznego, a także rozwój światłowodów do transmisji światła na długości od 10 do 100 metrów, które mogą być przydatne do zadań takich jak łączenie serwerów na krótkie odległości. Największy wpływ będą miały światłowody dalekiego zasięgu dla sieci telekomunikacyjnych, mówi Fink, ale zajmie to trochę czasu.

Badacze z grupy Bath uruchomili własny spin-off, BlazePhotonics i pozyskali finansowanie od firm venture capital w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych. W Danii firma Crystal Fibre, założona przez naukowców z duńskiego Uniwersytetu Technicznego w Lyngby, którzy byli wczesnymi współpracownikami grupy Bath, produkuje włókna fotoniczne z litym rdzeniem szklanym. Choć jej początkowe produkty mogą służyć m.in. do ograniczania światła w laserach o wysokiej precyzji, nikt nie traci z oczu wielkiej nagrody. Telekomunikacja jest zdecydowanie celem średnioterminowym, mówi CEO Michael Kjaer.

Podobnie jak założyciele duńskiego Crystal Fibre, naukowcy z Corning ściśle współpracowali z badaczami z Bath w przeszłości, ale teraz sami ścigają się na rynku. Jim West donosi, że firma może teraz wytwarzać włókna fotoniczne o długości do stu metrów. Zastrzega jednak możliwość oceny, czy nowe materiały w końcu przekształcą autostradę informacyjną. Zwraca uwagę, że konwencjonalne światłowody są trudną czynnością do przebicia. Dopiero gdy zaczniesz pracować z najnowocześniejszymi wersjami, zdasz sobie sprawę, jak są niezwykłe.

Chociaż przesyłanie światła przez powietrze może rozwiązać wiele ograniczeń dzisiejszych włókien, to stwarza własne problemy. Po pierwsze, skład powietrza nie jest jednolity; w rezultacie światło może być przepuszczane w różny sposób w różnych częściach świata. Powietrze w Wielkiej Brytanii bardzo różni się od powietrza na Saharze, wyjaśnia West.

To fascynująca technologia, mówi West o nowej generacji światłowodów fotonicznych, ale przed nami jeszcze długa droga.

Jeśli jednak te nowe materiały w końcu wykorzystają swój potencjał przekształcania transmisji na duże odległości w branży telekomunikacyjnej, będzie to podróż warta odbycia.

ukryć