Новые полые оптические волокна: прорыв в передаче света после 40 лет стагнации

Новости криптобиржи

Оптические волокна давно стали основой глобальных коммуникаций, обеспечивая передачу световых сигналов на огромные расстояния с минимальными потерями. Однако в течение почти четырех десятилетий уровень затухания передаваемого сигнала оставался практически неизменным, что ограничивало возможности улучшения скорости и качества связи. Недавние научные разработки, представленные исследователями из Университета Саутгемптона, поставили точку в этом затянувшемся застое, предложив принципиально новый подход к конструкции оптических волокон. Речь идет о полых сердцевинах, внутри которых свет проходит через воздух, а не через традиционное стекло. Такая инновация значительно уменьшает затухание и позволяет передавать данные быстрее по сравнению с классическими стеклянными волокнами.

Основой традиционных оптических кабелей служит стеклянная сердцевина, окруженная слоем стекла с меньшим показателем преломления. Свет излучается внутри сердцевины, удерживаясь в ней благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Этот механизм надежно задерживает свет и направляет его вдоль волокна, но создает определённый предел скорости и качества прохождения сигнала. В новаторском подходе учёные Университета Саутгемптона отказались от стеклянной сердцевины, заменив её воздухом, обладающим гораздо меньшим показателем преломления и практически идеальной прозрачностью. Это позволило свести к минимуму рассеяние света, которое неизбежно при прохождении через стекло, и тем самым снизить потери сигнала.

Однако отказ от стекла в сердцевине поставил перед учёными сложную техническую задачу: традиционный механизм полного внутреннего отражения здесь не работает, поскольку воздушное ядро имеет меньший показатель преломления. Для решения этой проблемы разработчики применили принцип антирезонанса. Этот метод основан на использовании ультратонких стеклянных мембран, окружающих воздушный канал, которые по своей структуре напоминают тонкие пленки мыльного пузыря. Благодаря эффекту антирезонансного отражения эти мембраны способны отражать свет определённых частот обратно в воздушное ядро, обеспечивая эффективное его удержание и передачу без существенных утрат. Конструкция полого волокна представляет собой многослойную структуру, состоящую из стеклянных капилляров, аккуратно собранных и вытянутых в тонкий нитевидный волокно с сохранением внутренней геометрии на микроскопическом уровне.

 

Такая архитектура формирует важный элемент - центральный воздушный канал, окружённый тонкими стеклянными слоями, выполняющими роль отражающих стенок по принципу антирезонанса. Исследования новой разработки показали впечатляющие результаты. Потери сигнала снизились до 0,091 децибела на километр - это примерно на треть меньше, чем в лучших классических волокнах, для которых затухание составляет 0,14 децибела на километр. Такой показатель обещает существенное сокращение числа необходимых промежуточных усилителей в длинных кабельных линиях, что ведет к значительному снижению эксплуатационных затрат и уменьшению энергопотребления. Это особенно актуально в контексте "зелёных" технологий и стремления к сокращению углеродного следа телекоммуникационных систем.

 

Помимо уменьшения потерь, полые волокна демонстрируют значительно расширенную пропускную способность. На фоне стандартных волокон с полосой пропускания около 10 терагерц, новое волокно обеспечивает до 54 терагерц, обеспечивая передачу множества каналов одновременно. Даже при более консервативных показателях, соответствующих затуханию в 0,1 децибела на километр, полые волокна предлагают пропускную способность почти вдвое выше традиционных изделий. Ключевым преимуществом является и повышение скорости передачи данных. Свет в воздухе движется быстрее, чем в стекле, что позволяет уменьшить задержку сигналов до 45% по сравнению с классическими волокнами.

 

Это открывает новые возможности для обслуживания приложений с высокими требованиями к времени отклика - онлайн-игр, дистанционных операций и скоростной обработки данных, включая обучение искусственного интеллекта и больших языковых моделей. Разработка уже вышла за пределы лаборатории: крупная технологическая компания Microsoft начала тестировать полые волокна в своих сетях, успешно внедряя их в реальных условиях и подтверждая совместимость с существующим оборудованием. Такие полевые испытания являются важным шагом к коммерческому применению технологии и её постепенному распространению в глобальной сети. Несмотря на большие перспективы, пока перед учёными стоит задача масштабирования производства. Изготовление коротких идеальных образцов не вызывает трудностей, но выпуск волокон в тысячах километров по приемлемой стоимости - серьёзная инженерная и технологическая проблема.

Команда из Саутгемптона продолжает работу по оптимизации дизайна и разработке методов промышленного производства. Учёные надеются в дальнейшем уменьшить потери ещё на порядок и адаптировать антирезонансные волокна под разные частотные диапазоны, что позволит использовать новые, более эффективные усилители и оборудование. В отрасли эти достижения уже оценивают как революционные. Эксперты с многолетним опытом разработки специализированных волокон отмечают, что прогресс в полых волокнах откроет долгожданные перспективы для их применения в дальних и сверхдальних кабельных линиях, где до сих пор доминируют традиционные решения. Таким образом, новые полые оптические волокна знаменуют качественный переход к новым технологиям передачи данных.

Они совмещают в себе экологическую ответственность, повышение пропускной способности и снижение затрат, создавая основу для следующего поколения телекоммуникационных сетей. Наука и промышленность стоят на пороге нового этапа, который изменит правила игры в цифровой коммуникации и позволит удовлетворить растущий спрос на высокоскоростной, надежный и энергоэффективный интернет по всему миру. .