At lægge på trykket forbedrer glas til fiberoptik

Hurtig, nøjagtig kommunikation på verdensplan er mulig via fiberoptiske kabler, men så gode som de er, de er ikke perfekte. Nu, forskere fra Penn State og AGC Inc. i Japan antyder, at det silicaglas, der bruges til disse kabler, ville have mindre signaltab, hvis det blev fremstillet under højt tryk.

"Signaltab betyder, at vi er nødt til at bruge forstærkere hver 80 til 100 kilometer (50 til 62 miles), " sagde John C. Mauro, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Efter den afstand, signalet ville ikke blive registreret korrekt. På tværs af kontinenter eller på tværs af oceaner bliver det en stor sag."

Glasfibre mister signalstyrke på grund af Rayleigh-spredning - spredning af lys, der kommer fra fluktuationer i glassets atomare struktur.

"Glas, på atomær skala, er heterogen, " sagde Mauro. "Den har en åben porøsitet på en atomær skala, der opstår tilfældigt."

Trådene i fiberoptiske kabler er lavet af silicaglas med ultrahøj renhed.

"Historisk set, det største gennembrud var opdagelsen, der førte til den originale optiske fiber – hvordan man slipper af med vandet i glasset, " sagde Mauro.

Normalt har glas meget vand, der absorberer signalet ved de frekvenser, der almindeligvis bruges til telekommunikation. Ved at bruge en modificeret form for kemisk dampaflejring, fibrene kunne gøres fri for vand. Men, som næsten alt glas, optiske fibre fremstilles ved omgivende tryk.

Mauro og hans team brugte molekylære simuleringer til at undersøge virkningerne af tryk, når de fremstillede optiske fibre. De rapporterede deres resultater i npj Beregningsmaterialer . Simuleringerne viste, at ved brug af trykhærdning af glasset, Rayleigh-spredningstabet kunne reduceres med mere end 50 %.

Trykbehandling af glasset ville gøre materialet mere homogent og mindske de mikroskopiske huller i strukturen. Dette ville skabe et materiale med højere middeldensitet med mindre variabilitet.

"Vi ledte efter de uafhængige processer, der kan kontrollere middelværdi og varians, " sagde Mauro. "Vi indså, at trykdimensionen ikke var blevet undersøgt tidligere."

Mauros arbejde er en molekylær simulering, men Madoka Ono fra AGC Inc.'s Materials Integration Laboratories, som er lektor i Research Institute for Electronic Science ved Hokkaido University i Japan, testede bulkstykker af silicaglas og fandt ud af, at resultaterne stemte overens med simuleringen.

"Det optimale tryk, vi fandt, var 4 gigapascal, " sagde Mauro. "Men der er stadig en procesudfordring, der skal løses."

At fremstille optisk fiber under tryk, glasset skal dannes og afkøles under tryk, mens det er i glasovergangsfasen - temperaturerne, når glasset er klæbrigt, ikke et fast stof og ikke rigtig flydende. For at gøre dette vil det kræve et trykkammer, der er i stand til 40, 000 atmosfærer.