Исключительные свойства оптических волокон нового поколения

Оптические волокна из кварцевого стекла традиционно используются для высокоскоростной оптической связи, обеспечивающей работу Интернета и облачных сервисов. Однако, из-за рассеяния света внутри стекла часть мощности теряется в процессе передачи (явление известно, как затухание).

При передаче более коротких длин волн света, ослабление сигнала увеличивается. Таким образом, значительные потери при передаче по оптоволокну ограничивают возможности его использования в случаях, когда требуется передать именно более короткие длины волн света.

В новом исследовании, ученые из Саутгемптонского университета продемонстрировали, что направление света через наполненные воздухом волокна позволяет решить эту проблему.

В новых оптических волокнах полая сердцевина окружена множеством тонких стеклянных по-верхностей выбранной толщины, которые действуют как зеркала для определенных длин волн и помогают удерживать свет в полости. Это позволяет снизить потери мощности, которые в настоящее время наблюдаются в стандартных стеклянных волокнах. Предоставлено Саутгемптонским университетом.

 

Команда исследователей создала полые волокна с потерями, меньшими, чем те, которые достигаются в твердых стеклянных волокнах на технологически важных длинах волн 660, 850 и 1060 нанометров. Направляя свет через наполненные воздухом волокна, исследователи значительно снизили затухание, а также ограничения, которые оно вызывает. Более низкое затухание в волокне, которое направляет свет через воздух, открывает возможности для достижений в квантовой связи, передаче данных и доставке лазерной энергии.

Учёным удалось создать опытный образец антирезонансного микроструктурированного све-товода с полой сердцевиной. Изделие обладает нетипичным для волоконной оптики механиз-мом формирования и удержания в сердцевине передаваемого излучения: свет отражается от кварцевых стенок, окружающих полую сердцевину, за счёт явления антирезонанса. Благодаря этому эффекту оптоволокно имеет широкие перспективы применения.

На последующих этапах были разработаны поверхности, имеющие физическую форму, подобную форме вложенных или гнездовых трубок. Конструкция обеспечивала формирование мод (моды - возможные направления распространения луча), которые исследователи направляли через воздушную сердцевину своего волокна. Оригинальность конструкции помогает сохранить яркость испускаемого лазерного света с низкими потерями на распространение (минимизация количества фотонов, теряемых при распространении). Они также сохранили степень поляризации света, необходимую для улучшения существующих сенсорных технологий и эндоскопических устройств. Это важно, поскольку свет, направляемый вдоль волокна, будет распространяться со стабильным распределением и не будет подвергаться изменениям или внешним возмущениям.

В отличие от обычного волоконно-оптического кабеля, в котором свет движется через стекло или пластик, пустотелые обладают повышенной скоростью передачи и меньшими потерями сигнала

Исследования улучшенных оптических волокон - ключ к успеху во многих фотонных приложениях. В частности, это улучшит производительность Интернета, который в значительной степени зависит от оптических волокон для передачи данных, где существующие технологии достигают предела своих возможностей.

Проблема измерения сигналов, рассеянных обратно в полых волокнах

У оптического волокна свет, попадающий в него, по мере распространения частично отражается назад, что называется обратным рассеянием. Это обратное рассеяние часто крайне нежелательно, поскольку оно вызывает ослабление сигналов, распространяющихся по оптическому волокну, и ограничивает производительность многих волоконно-оптических устройств, таких как оптоволоконные гироскопы, которые используются для навигации на авиалайнерах, подводных лодках и космических кораблях.

Однако возможность надежного и точного измерения обратного рассеяния может быть полезна также и в других случаях, например, при определении характеристик волоконных кабелей, где обратное рассеяние используется для контроля состояния кабеля и определения местоположения любых разрывов по его длине.

Но последнее поколение вложенных антирезонансных безузловых волокон с полой сердцевиной (NANF) демонстрируют обратное рассеяние, которое настолько низкое, что его было невозможно измерить.

Чтобы решить эту проблему, исследователи Центра исследований оптоэлектроники (ORC) Саутгемптонского университета объединились с коллегами из Центра оптики, фотоники и лазеров (COPL) Университета Лаваля, Квебек.

Они разработали прибор, который позволил измерить чрезвычайно слабые сигналы, рассеянные обратно в полых волокнах. Устройство позволило подтвердить теоретические предсказания о том, что обратное рассеяние на четыре порядка меньше, чем в стандартных полностью стеклянных световодах.

Оптические волокна с полой сердцевиной - новые возможности использования

Новые волокна с полой сердцевиной обладают потенциалом, превосходящим существующие оптические волокна на различных длинах волн, используемых сегодня в оптических технологиях. Они не только имеют более низкое затухание, но и также могут выдерживать высокие интенсивности лазерного излучения, например, необходимые для плавления горных пород и бурения нефтяных скважин, а также для производства совершенных лазеров.

Волокна с полой сердцевиной также могут передавать неискаженные лазерные импульсы с пиковыми уровнями мощности, достаточно высокими, которые было невозможно передавать по стандартным стеклянным волокнам. Кроме того они сохраняют поляризацию света, необходимую для создания более точных датчиков и эндоскопов для визуализации скрытых объектов.

Предлагаемая технология имеет потенциал для использования в более быстрых центрах обработки данных с более короткими задержками для конечного пользователя, более точных гироскопов для межпланетных миссий, более эффективного производства на основе лазеров и многих других.

Волокна с полой сердцевиной обеспечат более быстрый и надежный Интернет с большей про-пускной способностью поможет поддерживать высокий уровень онлайн-работы и общения, а также позволит продвинуться дальше в таких областях, как 3D-видеоконференции и вирту-альная реальность.