Исследователи из Великобритании в области фотоники разработали новый тип полого волоконного оптического кабеля, который может передавать световые сигналы на 45% дальше, чем современные телекоммуникационные волокна, прежде чем потребуется усиление.
Учёные из Microsoft Azure Fiber и Саутгемптонского университета назвали это «прорывным результатом», который прокладывает путь к революции в оптической связи.
Дальнейшие усовершенствования нового волокна могут сделать возможным создание более энергоэффективных оптических сетей с беспрецедентной пропускной способностью.
«Мы сообщили о том, что считаем одним из наиболее значительных улучшений в волноводной оптической технологии за последние 40 лет», — пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.
Развитие оптических волокон с низкими потерями в 1970-х годах открыло новую эру цифровых коммуникаций, сделав возможными глобальные телекоммуникационные сети и появление интернета.
С тех пор в этой области ведутся исследования, направленные на то, чтобы оптические волокна могли передавать больше информации в более широких полосах пропускания, одновременно снижая затухание и увеличивая расстояние, на которое сигнал может пройти до необходимости усиления.
Однако «минимальное затухание» волокон из кварцевого стекла — потеря оптической мощности в кабеле на протяжении 1 км — оставалось практически неизменным: с 0,154 дБ/км в 1985 году до 0,1396 дБ/км в 2024 году.
Это означает, что примерно половина света, передаваемого через оптическое волокно, теряется после прохождения примерно 20 км, что требует регулярного размещения оптических усилителей для передачи сигналов на большие расстояния.
Новый оптический волновод превосходит традиционные оптические волокна как по потерям, так и по полосе пропускания.
Вместо традиционного твёрдого сердечника из кварцевого стекла в новой конструкции используется «сердечник из воздуха, окружённый тщательно разработанной микроструктурой стекла для направления света».
Свет передаётся в заполненной воздухом области, чтобы избежать рассеяния и поглощения, которые вызывают потерю мощности сигнала в твёрдых стеклянных волокнах.
Сканирующая электронная микрофотография центрального воздушного сердечника изготовленного волокна, состоящего из 5 наборов двойных вложенных трубок из диоксида кремния, сложенных и сплавленных внутри трубки оболочки.
«Этот подход не только снижает затухание и другие явления ухудшения сигнала, но и увеличивает скорость передачи данных на 45%», — пишут авторы.
В лабораторных экспериментах команда показала, что свет с длиной волны 1550 нм — обычно используемый в оптической связи — затухает на 0,091 дБ/км в новом волокне.
Это затухание возрастает до 0,1 дБ/км для окна пропускания от 1481 нм до 1625 нм (18 ТГц).
«Не учитывая поглощения газами в сердцевине и не имеющие фундаментального происхождения, волокно направляет свет с затуханием менее 0,2 дБ/км от 1250 нм до 1730 нм (66 ТГц), что на 260% лучше, чем у современных телекоммуникационных волокон (25 ТГц)», — добавляют авторы.
Моделирование также предполагает, что более жёсткое волокно с более толстым внешним слоем оболочки и большим воздушным сердечником может обеспечить ещё более низкие потери сигнала, чем указано в исследовании.
По словам авторов, это потенциально может ознаменовать «новую эру в связи на большие расстояния, а также в дистанционной передаче лазерных лучей».
Однако для подтверждения этого необходимы дополнительные исследования.
«Мы уверены, что с усовершенствованием объёмов производства, геометрической согласованности и снижением присутствия поглощающих газов в сердцевине двойные вложенные антирезонансные безузловые полые волоконные волноводы утвердятся в качестве ключевой волноводной технологии», — заключают авторы.
«Эта инновация может стать основой для следующего технологического скачка в области передачи данных».