Højt tryk er nøglen til bedre optiske fibre

Optisk fiberdatatransmission kan forbedres væsentligt ved at producere fibrene, lavet af silica glas, under højt tryk, forskere fra Japan og USA rapporterer i tidsskriftet npj Beregningsmaterialer .

Ved hjælp af computersimuleringer, forskere ved Hokkaido Universitet, Pennsylvania State University og deres industrisamarbejdspartnere viser teoretisk, at signaltab fra silicaglasfibre kan reduceres med mere end 50 procent, som dramatisk kunne forlænge afstanden, kan data transmitteres uden behov for forstærkning.

"Forbedringer i silicaglas, det vigtigste materiale til optisk kommunikation, er gået i stå i de senere år på grund af manglende forståelse af materialet på atomniveau, " siger lektor Madoka Ono fra Hokkaido University's Research Institute of Electronic Science (RIES). "Vores resultater kan nu hjælpe med at guide fremtidige fysiske eksperimenter og produktionsprocesser, selvom det vil være teknisk udfordrende."

Optiske fibre har revolutioneret høj båndbredde, langdistancekommunikation over hele verden. Kablerne, der bærer al den information, er hovedsageligt lavet af fine tråde af silicaglas, lidt tykkere end et menneskehår. Materialet er stærkt, fleksibel og meget god til at overføre information, i form af lys, til lave omkostninger. Men datasignalet forsvinder, før det når sin endelige destination på grund af lys, der er spredt. Forstærkere og andre værktøjer bruges til at indeholde og videresende informationen, før den spredes, sikre, at den bliver leveret med succes. Forskere søger at reducere lysspredning, kaldet Rayleigh-spredning, at hjælpe med at accelerere datatransmission og komme tættere på kvantekommunikation.

Ono og hendes samarbejdspartnere brugte flere beregningsmetoder til at forudsige, hvad der sker med den atomare struktur af silicaglas under høj temperatur og højt tryk. De fandt store hulrum mellem silica-atomer, når glasset varmes op og derefter køles ned, som kaldes quenching, under lavt tryk. Men når denne proces sker under 4 gigapascal (GPa), de fleste af de store hulrum forsvinder, og glasset får en meget mere ensartet gitterstruktur.

Specifikt, modellerne viser, at glasset går under en fysisk transformation, og mindre ringe af atomer elimineres eller "beskæres", så større ringe kan slutte sig tættere sammen. Dette hjælper med at reducere antallet af store hulrum og den gennemsnitlige størrelse af hulrum, som forårsager lysspredning, og reducere signaltab med mere end 50 procent.

Forskerne formoder, at der kan opnås endnu større forbedringer ved at bruge en langsommere afkølingshastighed ved højere tryk. Processen kan også undersøges for andre typer uorganisk glas med lignende strukturer. Imidlertid, faktisk at fremstille glasfibre under så høje tryk i industriel skala er meget vanskeligt.

"Nu hvor vi kender det ideelle pres, vi håber, at denne forskning vil hjælpe med at anspore udviklingen af ​​højtryksfremstillingsenheder, der kan producere dette ultra-transparente silicaglas, " siger Ono.