6 Minute
Design nou de fibră care redirecționează lumina prin aer
Cercetătorii au proiectat o nouă clasă de fibră optică care înlocuiește miezul convențional solid de silice cu un miez gol umplut cu aer, înconjurat de o microstructură de sticlă proiectată cu precizie. Această fibră microstructurată cu miez gol ghidează lumina cu o atenenuare substanțial mai mică și cu o fereastră de transmisie mai largă decât fibrele standard din sticlă solidă, putând extinde distanța pe care semnalele optice o pot parcurge înainte de a fi necesară amplificarea și crescând capacitatea de date utilizabilă pe legături pe distanțe lungi.
Context științific și importanța pentru telecomunicații
Fibrele optice single‑mode convenționale folosite în telecomunicații se bazează pe un miez solid din sticlă de silice. De-a lungul decadelor, îmbunătățirile de material și proiectare au optimizat aceste fibre, dar absorbția și dispersia intrinsecă în sticlă continuă să provoace pierderi de semnal. În rețele practice, aceste pierderi înseamnă că amplificatoarele optice trebuie plasate la fiecare zeci de kilometri — pentru multe fibre standard, la aproximativ fiecare 20 km se poate pierde jumătate din puterea luminii injectate — ceea ce crește costurile, consumul de energie și complexitatea pentru legăturile terestre, submarine și intercontinentale.
Fibrele cu miez gol minimizează interacțiunea luminii cu sticla solidă prin confinarea majorității modului ghidat în aer cu pierderi reduse. Deoarece aerul are o absorbție și o dispersie mult mai scăzută la lungimile de undă telecom față de sticlă, proiectele cu miez de aer pot reduce semnificativ atenenuarea pe o gamă spectrală mai largă. O fereastră de transmisie cu pierderi scăzute mai extinsă permite, de asemenea, utilizarea simultană a mai multor canale de lungime de undă, sporind debitul brut de date prin multiplexare în lungime de undă (WDM).
Detalii experimentale și măsurători cheie
Condusă de Francesco Poletti la Universitatea din Southampton, echipa a fabricat un ghid de undă microstructurat constând dintr-un canal central gol înconjurat de un tipar de inele subțiri de silice. În teste de laborator controlate, fibra a atins o atenenuare optică de doar 0,091 dB/km la o lungime de undă folosită frecvent în telecomunicații — valoare care corespunde unor semnale ce pot călători aproximativ cu 50% mai mult între stațiile de amplificare comparativ cu multe fibre tradiționale cu miez solid.
Dincolo de atenenuarea scăzută, fibra nouă prezintă o fereastră de transmisie mult mai largă (intervalul de lungimi de undă cu pierderi și distorsiuni reduse), permițând o funcționare broadband mai extinsă și susținând potențial rate agregate de date mai mari. Autorii menționează, de asemenea, că mărirea diametrului miezului de aer ar putea reduce în continuare pierderile, deși această abordare necesită inginerie suplimentară pentru a păstra stabilitatea modului și fabricabilitatea.
Compromisuri de proiectare și fabricare
Fibrele microstructurate cu miez gol impun precizie geometrică ridicată și control al gazelor interne: molecule reziduale absorbante din interiorul miezului gol pot crește pierderile, iar toleranțele de producție afectează confinarea modului și lățimea de bandă. Scalarea de la prototipul de laborator la role de fibre de kilometri va necesita progrese în procesele de tragere, controlul calității și manipularea gazelor.
Implicații pentru rețele, centre de date și cabluri submarine
Dacă sunt industrializate, fibrele cu miez gol ar putea reduce numărul de amplificatoare optice necesare pe legăturile lungi, scăzând consumul de energie și costurile operaționale. Fereastra de transmisie extinsă este atractivă pentru sistemele dense WDM de generație următoare, oferind operatorilor o eficiență spectrală mai mare și rezervă pentru creșterea viitoare a traficului generată de servicii cloud, backhaul 5G/6G și livrare de conținut la rezoluție înaltă.
Aceste fibre sunt, de asemenea, relevante pentru sisteme de sincronizare precisă și comunicații cuantice, unde latența mai scăzută și zgomotul de fază redus din cauza interacțiunii minime cu sticla pot îmbunătăți fidelitatea legăturilor.
Perspective ale experților
Dr. Mira Alvarez, inginer de sisteme optice (ficțională), a comentat: "Abordările cu miez gol sunt una dintre cele mai promițătoare căi pentru a depăși limitele actuale privind pierderile și lățimea de bandă. Rezultatul sub 0,1 dB/km obținut de echipa din Southampton este încurajator — dar testul real va fi fabricarea fiabilă în volum mare și testele de teren în condiții de mediu variabile. Dacă aceste obstacole sunt depășite, operatorii telecom ar putea reconfigura trunchiurile de lungă distanță cu mai puține amplificatoare și consum mult mai mic de energie."
Perspective viitoare și pași următori
Autorii sugerează că o consistență geometrică îmbunătățită, volume de producție mai mari și eliminarea gazelor absorbante din miez vor reduce în continuare atenenuarea și vor îmbunătăți randamentul. Lucrările următoare se vor concentra probabil pe scalarea tragerii fibrelor la lungimi industriale, demonstrarea compatibilității de splicare cu infrastructura de fibră existentă și testarea în medii terestre și submarine. Cercetarea este publicată în Nature Photonics și trasează o foaie de parcurs pentru integrarea fibrelor microstructurate cu miez de aer în rețelele optice comerciale.
Concluzie
Fibrele optice microstructurate cu miez gol oferă o combinație convingătoare de pierderi reduse și lățime de bandă mai mare care ar putea îmbunătăți semnificativ telecomunicațiile pe distanțe lungi. Ghidând lumina preponderent prin aer în loc de sticlă, aceste fibre pot extinde spațierea amplificatoarelor, crește capacitatea spectrală și reduce consumul de energie pe legăturile critice de bază și submarine. Deși provocările de fabricație și integrare persistă, tehnologia reprezintă o direcție promițătoare pentru următoarea generație de comunicații optice globale.
Sursa: sci
Comentarii