Nová generace optických vláken

Na první pohled jsou tyto nové materiály prostě zvláštní: tenké jako vlas, průhledné a plné děr. Stejně jako optická vlákna, která jsou základem telekomunikačního průmyslu, jsou vyrobena ze skla. Ale tam se podobnosti s konvenčními materiály skřípěním zastaví.

Střed každého z těchto nových vláken – která se vyrábí na univerzitě v Bath v Anglii – je dutý. Ve stávajících optických vláknech je světlo přenášeno skleněným jádrem. Ve vláknech vyrobených v Bath se světlo nerušeně šíří vzduchem. Světelný paprsek je omezen na duté jádro pomocí otvorů v okolním skleněném materiálu, který v průřezu vypadá jako plástev a vytváří přísně zakázanou oblast pro světlo. Schopnost omezit světlo ve vzduchu tímto způsobem, říká Philip Russell, fyzik z Bath, by mohla zcela změnit telekomunikace.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z května 2001

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Důvodem vzrušení je, že alespoň v principu by vysílání světla vzduchem spíše než přes sklo mohlo výrazně zvýšit efektivitu a kapacitu dnešních vysokorychlostních telekomunikačních sítí. Tyto nové materiály, nazývané vlákna fotonických krystalů, by měly propouštět méně světla a přenášet intenzivnější světelné pulsy bez zkreslení, což snižuje potřebu neustálého posilování signálu – což je v dnešních optických sítích nákladná práce. Vlákna fotonických krystalů by měla být schopna přenášet mnohem více informací po sítích z optických vláken a zároveň snížit náklady na instalaci a údržbu. Budou ke stávajícím vláknům, jako je 10proudová dálnice na zemský pruh. Nejen, že zaberou větší provoz, ale cesta bude plynulejší a nebude potřeba tankovat.

Ve vývoji této nové generace optických vláken je stále ještě brzy. I ty nejpokročilejší z nových materiálů zůstávají několik let od rozšířeného komerčního použití. Ale když je v sázce tolik – optické telekomunikace jsou multimiliardový byznys – několik průmyslových laboratoří, včetně Corningu a hrstky startupů, intenzivně hledá vlastní verze fotonických vláken. I když je příliš brzy předpovídat, které zvítězí, konkurenční přístupy vyvinuté na University of Bath a na MIT již mezi sebou soutěží o to, aby se staly optickým vláknem zítřka.

Toto úsilí může přinést ovoce právě včas pro telekomunikační průmysl. Obrovský rozmach dálkového optického přenosu dat v posledních letech, živený růstem internetu a jeho aplikacemi omezujícími šířku pásma, vedl výzkumníky k nalezení způsobů, jak střílet více světla a složitější signály přes optická vlákna ( vidět Multiplexování s dělením vlnových délek , TR březen/duben 1999 ). Mnoho odborníků se však domnívá, že v nadcházejících desetiletích nebude možné vymáčknout ze současné generace skleněných vláken další výkon. Ačkoli je těžké přesně předpovědět, kdy bude překážka dosažena, Jim West, vědec z výzkumných laboratoří Corning v New Yorku, rozhodně věří, že na tyto limity narazíme. A to je okamžik, kdy se příští generace optických vláken stane zásadní pro nasycení zdánlivě nekonečné chuti světa po šířce pásma.

Lehká konverzace

Přestože jsou fotonická vlákna v roce 2001 technologií nové generace, historie přenosu hlasových dat pomocí světla sahá více než jedno století zpět. Po vynalezení telefonu v roce 1876 Alexander Graham Bell neusnul na vavřínech. V roce 1880 ukázal, že světlo, spíše než elektřina, může přenést slova člověka do vzdáleného ucha. Bellův fototelefon používal vibrační zrcadla k přenosu zvuku přes sluneční světlo. Ale byl to nápad dávno před svým časem. Posílání elektrických signálů po měděných kabelech se ukázalo jako mnohem spolehlivější a na fototelefon se zapomnělo, protože telefonní linky propletly svět.

Po osmi desetiletích nadvlády měděného drátu přinesl vynález rubínového laseru v roce 1960 světlo zpět do agendy komunikací. Zde byl zdroj dostatečně jasný na to, aby světlo skutečně fungovalo. Stejně jako tranzistor zahájil věk mikroelektroniky, laser zažehl věk fotoniky. V roce 1970 Corning hrdě oznámil, že vyslal laserový paprsek dolů po skleněném vláknu a obnovil až jedno procento světla na druhém konci, kilometr daleko (dnešní skleněná vlákna jsou tak účinná, že 80 procent světla přežije. vzdálenost). V 80. letech minulého století začaly telefonní společnosti nahrazovat měděné kabely optickými vlákny.

Optické vlákno může přenášet tisíckrát více dat než měděný kabel: v zásadě může jediné vlákno přenášet až 25 bilionů bitů za sekundu. To je dostatečná kapacita pro přenos všech telefonních hovorů probíhajících kdykoli ve Spojených státech – s rezervou místa. Není divu, že celosvětová síť informačních technologií je utkána ze světlonosného skla.

V běžném optickém vláknu je světlo omezeno ve vnitřní tyči z oxidu křemičitého pláštěm ze skla s mírně odlišným složením, než má jádro. Typicky se do jádra přidávají malá množství germania nebo fosforu (proces zvaný doping), což mu dává jiný index lomu než plášť. Světlo dopadající na rozhraní mezi jádrem a pláštěm se odráží, takže signál se odráží tam a zpět a zůstává uvnitř jádra. Informace jsou zakódovány v sérii pulzů z elektronicky řízených laserů a vystřeleny po vláknu do fotodetektoru na druhém konci, který převádí signál zpět do elektrické formy pro zpracování v telefonu, počítači nebo směrovacím zařízení.

Zní dobře. Takže, kde je háček? Je to otázka limitů. S tím, jak se komunikační sítě stávají většími, vytíženějšími a ambicióznějšími, se nevýhody konvenčních skleněných vláken stávají evidentními a stávající sítě s optickými vlákny si nakonec nebudou schopny poradit. Jedním z faktorů, který omezuje výkon, je slábnutí světelného signálu na vzdálenost. Určité množství světla je rozptýleno – nečistoty v oxidu křemičitém narušují přenos části signálu – když prochází skleněným jádrem; jiné světlo prostě uniká z vlákna úplně, protože rozhraní mezi skleněným jádrem a pláštěm není dokonalé zrcadlo.

Bez nápravy by tyto ztráty ochromily dálkovou komunikaci z optických vláken: osmdesát procent přenosu na kilometr by zanechalo na vzdáleném konci transatlantického kabelu méně než přízračný signál. Odpovědí je zesílit světlo každých zhruba 70 kilometrů. Ale zesilovače jsou drahé a vyžadují vlastní zdroje energie ( vidět 5 patentů ke shlédnutí: Booster Shots ). Každý zesilovač obvykle přidává milion dolarů k ceně dálkového přenosového vedení. U kabelu dlouhého tisíce kilometrů to začíná dávat skutečné peníze. A když se ve střední části Atlantiku porouchá zesilovač, nezbývá než vyslat loď, aby kabel vybagrovala. Oprava je na dně oceánu stojí jmění, říká Bath’s Russell.

Tato skličující ekonomická realita je podnětem pro vývoj nové generace vláken. OmniGuide Communications se sídlem v Cambridge, MA, založená minulý rok několika profesory MIT, tvrdí, že její nová vlákna budou schopna stlačit ztráty tak nízké, že by nebylo potřeba žádné zesílení. A co víc, společnost říká, že využitelná šířka pásma bude podstatně větší než u stávajících optických vláken. Trik je odstranit skleněné jádro vlákna a nahradit ho - no, vůbec nic.

Čistý vzduch

Zní to tak jasně. Světlo se šíří vzduchem s malým rozptylem. Tak proč prostě neposílat laserové světlo po duté skleněné trubici? Odpověď leží ve fyzice. Aby se dosáhlo vnitřního odrazu nezbytného k udržení světla omezeného ve středu běžného optického vlákna, musí mít plášť nižší index lomu než vnitřní médium. Ale všechny známé materiály mají vyšší index lomu než vzduch. Konvenční uspořádání tedy při výrobě dutého vlákna nefunguje.

Což znamená, že je zapotřebí nekonvenčního přístupu. Zadejte vlákna fotonického krystalu. Vědci po celém světě jsou zaneprázdněni výrobou materiálů, které fungují jako světelné izolátory, které jsou neprostupné pro světlo, stejně jako většina plastů je neprostupná pro elektrické proudy. Ve žargonu fyziky mají tyto světelné izolátory fotonickou mezeru v pásmu odpovídající specifickým vlnovým délkám světla; tyto vlnové délky prostě nemohou vstoupit do materiálu. Pokud jsou tyto materiály správně vyrobeny, neměly by na rozdíl od opláštění skleněnými vlákny umožnit únik prakticky žádného světla z prázdného jádra, které je v nich obaleno.

Samozřejmě, že mnoho látek zabrání průchodu světla; ale to je obecně proto, že materiály prostě světlo absorbují, než aby ho odrážely. A i když byste si mohli myslet, že kovová zrcadla – postříbřené sklo – jsou dobré světelné reflektory, pravdou je, že nejsou ani zdaleka dostatečně odrazivé, aby fungovaly ve vláknové optice; absorbují a rozptylují malou, ale významnou část přicházejícího paprsku. Světelný signál putující po stříbrem lemované skleněné trubici by urazil jen krátkou vzdálenost, než se úplně rozptýlil. Na druhé straně materiály s fotonickým pásmem blokují všechny fotony určitých vlnových délek; dopadající světlo se odráží téměř dokonale. Jinými slovy, jsou právě to, co omezuje světlo uvnitř duté trubice.

V roce 1998 Yoel Fink, tehdy postgraduální student MIT, vyrobil dokonalé zrcadlo z materiálu s fotonickou mezerou v pásmu. Jiní již dříve vyráběli specializovaná zrcadla z tenkých vrstev dielektrických materiálů (materiálů, které obsahují elektricky nabité částice, ale mají izolační vlastnosti). Tato zrcadla mají fotonické mezery v pásmu a mohou být extrémně účinnými reflektory, ale mají hlavní nedostatek: fungují pouze se světlem dopadajícím zcela lícem, což omezuje jejich použití na specializované aplikace. Fink přišel na to, jak vyrobit verzi dielektrického zrcadla, které odráží světlo dopadající na něj ze všech úhlů, jako by to musel být materiál v jádru vlákna z optických vláken.

Jakmile máte takové zrcadlo, vidět komerční potenciál je (alespoň pro výzkumníky fotoniky) zřejmé. Fink a dvojice jeho profesorů MIT, fyzik John Joannopoulos a materiálový vědec Edwin Thomas, spolu s Uri Kolodnym spoluzaložili OmniGuide. Cílem společnosti je použít dokonalé zrcadlo jako plášť pro optické vlákno. Představte si, že vezmete ploché zrcadlo a ohnete ho kolem vnitřku trubky, a máte hrubý obrázek vlákna OmniGuide.

Jak malé jsou tedy ztráty světla v takovém vláknu nové generace? Vzhledem k tomu, že společnost je stále v raných fázích, zakladatelé si tyto informace uchovávají v blízkosti své hrudi. Vše, co mohu v této fázi říci, říká Joannopoulos, je, že s dutým trubkovým OmniGuide [vláknem] bychom mohli v zásadě dosáhnout ztrát nižších než u optického vlákna. Ale pro telekomunikační průmysl, který chce protlačit stále více světla přes optické sítě – a nakonec čelí limitům vláken současné generace – jsou i takto pečlivě formulovaná prohlášení vzrušující.

Společnost vyvíjí řadu produktů z vláken založených na konceptu OmniGuide. Tato vlákna jsou teoreticky mnohem efektivnější v přenosu světla než standardní optické vlákno. Ve skutečnosti by měly být schopny překonat současná omezení skleněných vláken a dosáhnout mimo jiné menší ztráty signálu při průchodu světla vláknem. Takový zvýšený výkon je možný, říká Fink, nyní odborný asistent materiálové vědy na MIT, protože můžeme dosáhnout bezkonkurenčního stupně omezení.

Vlákna OmniGuide by měla být schopna přenášet mnohem intenzivnější signály než běžná optická vlákna. Světlo s vysokou intenzitou putující ve skleněných vláknech trpí zkreslením, které může narušit přenos signálů na různých vlnových délkách, což způsobí přeslechy mezi kanály, pokud nejsou frekvenčně široce odděleny. Tento efekt omezuje počet různých vlnových délek, které můžete nacpat do běžného skleněného vlákna, a také to, jak jasné mohou být. Protože signály ve vzduchu těmito účinky netrpí, vysvětluje Fink, vlákno OmniGuide může přenášet signály s vyššími výkony, s kanály rozmístěnými blíže k sobě. To je skvělá zpráva pro telekomunikační společnosti, protože silnější signály putují dále, než je začnou kompromitovat ztráty, a užší kanály znamenají, že v daném rozsahu vlnových délek lze sbalit více dat.

Přístup MIT je však pouze jedním ze způsobů, jak vyrobit fotonické vlákno. Jiní výzkumníci vytvořili materiály s fotonickým pásmem, které jsou v průřezu jako plástve, v nichž díry tvoří struktury, které brání pronikání světla určitých vlnových délek. Tyto druhy fotonických krystalů, poprvé vyrobené koncem 80. let 20. století, také téměř úplně blokují světlo. Například skleněná vlákna vyrobená v Bathu jsou prostoupena soustavou otvorů probíhajících paralelně s nití po celé její délce; ve středu je prázdné jádro, ve kterém může být světlo téměř dokonale omezeno. Abychom uvedli přesnost výroby vláken, pokud by dlouhé, paralelní otvory měly průměr Chunnelu spojujícího Anglii a Francii, experimentální vlákna vyrobená v Bathu by dosáhla Jupiteru. Jak lze vyvrtat tak dokonalé tunely přes skleněný pramen tenčí než lidský vlas?

Naštěstí se otvory nemusí vůbec vrtat. Jsou důmyslně konstruovány tažením skleněných vláken ze svazku dutých kapilár. Trubky jsou zabaleny do šestiúhelníkového pole o šířce několika centimetrů a svazek je zahříván, aby sklo změklo. Když je pole vytaženo do jemného vlákna, jeho průřez se zmenší asi tisíckrát, ale zůstane protkaný dírami.

Zpočátku fyzici z Bath vytvořili světlovodivý kanál v jádru vlákna tím, že nahradili centrální skleněnou kapiláru pevnou skleněnou tyčinkou. Ale stále lepší než přenášení světla v pevném jádru by bylo poslat ho vzduchem s dutým jádrem s velmi nízkými ztrátami a absencí zkreslení, které to přináší. Ve spolupráci s Douglasem Allanem, výzkumníkem z Corningu, se týmu Bath v roce 1999 podařilo dosáhnout omezení světla ve vláknu fotonického krystalu s dutým jádrem. Nedávno ze svých nových materiálů vytvořili optická vlákna dlouhá mnoho metrů.

Fotonická povrchová úprava

Převzetí stávajících optických vláken bude náročný úkol. Konvenční skleněná vlákna byla během několika desetiletí optimalizována a jsou vyráběna pomocí dobře zavedené technologie. Naproti tomu nová fotonická vlákna představují výrobní neznámou. Jednak musí být jejich struktura přesná. Stávající [výrobní] systémy na to prostě nestačí, připouští Russell.

Společnosti však stále čekají na výzvy komercializace. Fink říká, že OmniGuide pracuje na řadě produktů založených na vláknech různých délek. Projekty zahrnují vývoj aktivních zařízení na bázi vláken pro optické přepínání a také vývoj vláken pro přenos světla na vzdálenost 10 až 100 metrů, což by mohlo být užitečné pro úkoly, jako je připojení serverů na krátké vzdálenosti. Největší dopad budou mít dálková vlákna pro telekomunikační sítě, říká Fink, ale bude to chvíli trvat.

Výzkumníci ze skupiny Bath spustili svůj vlastní spinoff, BlazePhotonics, a zajistili financování od firem rizikového kapitálu ve Spojeném království a Spojených státech. V Dánsku vyrábí fotonická vlákna s pevným skleněným jádrem společnost Crystal Fibre, kterou založili vědci z Technické univerzity v Dánsku v Lyngby, kteří byli ranými spolupracovníky se skupinou Bath. Zatímco jeho počáteční produkty mohou sloužit takovým účelům, jako je omezení světla ve vysoce přesných laserech, nikdo neztrácí ze zřetele velkou cenu. Telekomunikace jsou rozhodně střednědobým cílem, říká generální ředitel Michael Kjaer.

Stejně jako zakladatelé dánského Crystal Fibre i vědci z Corningu v minulosti úzce spolupracovali s výzkumníky z Bath, ale nyní se na trh vrhají sami. Jim West uvádí, že společnost nyní může vyrábět fotonická vlákna dlouhá až sto metrů. Vyhrazuje si však úsudek o tom, zda nové materiály nakonec informační superdálnici promění. Poukazuje na to, že konvenční optická vlákna jsou obtížně zvládnutelná. Teprve když začnete pracovat s nejmodernějšími verzemi, uvědomíte si, jak jsou pozoruhodné.

Ačkoli vysílání světla vzduchem může vyřešit mnohá omezení dnešních vláken, přináší to své vlastní problémy. Za prvé, složení vzduchu není jednotné; v důsledku toho může být světlo v různých částech světa přenášeno odlišně. Vzduch ve Spojeném království je velmi odlišný od vzduchu na Sahaře, vysvětluje West.

Je to fascinující technologie, říká West o nové generaci vláken fotonických krystalů, ale je před námi ještě dlouhá cesta.

Přesto, pokud tyto nové materiály nakonec naplní svůj potenciál transformace dálkového přenosu v telekomunikačním průmyslu, bude to cesta, kterou stojí za to podniknout.

skrýt