Den næste generation af optiske fibre

Ved første øjekast er disse nye materialer simpelthen mærkelige: tynde som et hår, gennemsigtige og fulde af huller. Ligesom de optiske fibre, der er grundpillen i telekommunikationsindustrien, er de lavet af glas. Men dér går lighederne med konventionelle materialer skrigende i stå.

Centrum af hver af disse nye fibre - som er fremstillet ved University of Bath i England - er hult. I eksisterende optiske fibre transmitteres lys gennem en glaskerne. I fibrene fremstillet ved Bath rejser lyset uhindret gennem luften. Lysstrålen er begrænset til den hule kerne af hullerne i det omgivende glasmateriale, der ligner en honeycomb i tværsnit og skaber et strengt no-go-område for lys. Evnen til at begrænse lys i luften på denne måde, siger Philip Russell, en Bath-fysiker, kunne fuldstændig revolutionere telekommunikation.

Denne historie var en del af vores maj 2001-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Årsagen til begejstringen er, at i princippet i hvert fald, at sende lys gennem luften frem for gennem glas kan i høj grad øge effektiviteten og kapaciteten af ​​nutidens højhastigheds-telekommunikationsnetværk. Disse nye materialer, kaldet fotoniske krystalfibre, skulle lække mindre lys og bære mere intense lysimpulser uden forvrængning, hvilket reducerer behovet for konstant at booste et signal - en dyr opgave i nutidens optiske netværk. Fotoniske krystalfibre skulle være i stand til at formidle meget mere information langs fiberoptiske netværk og samtidig sænke installations- og vedligeholdelsesomkostningerne. De vil være til eksisterende fibre, som en 10-sporet motorvej er til en landevej. Ikke alene vil de tage mere trafik, men rejsen vil være mere jævn, og der vil være mindre behov for tankning.

Det er stadig tidligt i udviklingen af ​​denne nye generation af optiske fibre. Selv de mest avancerede af de nye materialer forbliver flere år fra udbredt kommerciel brug. Men med så meget på spil - optisk telekommunikation er en multimilliard-dollar-virksomhed - flere industrielle laboratorier, inklusive Corning og en håndfuld nystartede virksomheder, er på jagt efter deres egne versioner af fotoniske fibre. Selvom det er for tidligt at forudsige, hvad der vil sejre, konkurrerer rivaliserende tilgange udviklet på University of Bath og på MIT allerede indbyrdes om at blive morgendagens optiske fiber.

Disse bestræbelser kan bære frugt lige i tide for telekommunikationsindustrien. Den enorme udvidelse af langdistance optisk datatransmission i de senere år, næret af væksten af ​​internettet og dets båndbredde-hogging applikationer, har fået forskere til at finde måder at skyde mere lys og mere komplekse signaler gennem optiske fibre ( se Bølgelængde Division Multiplexing , TR marts/april 1999 ). Men mange eksperter mener, at det i de kommende årtier bliver umuligt at presse mere ydeevne ud af den nuværende generation af glasfibre. Selvom det er svært at forudsige præcis, hvornår vejspærringen vil blive nået, tror Jim West, en videnskabsmand ved Cornings forskningslaboratorier i New York, bestemt, at vi vil løbe ind i disse grænser. Og det er, når den næste generation af fiberoptik bliver afgørende for at fodre verdens tilsyneladende endeløse appetit på båndbredde.

Let samtale

Selvom fotoniske fibre er en næste generations teknologi i 2001, strækker historien med at formidle stemmedata ved hjælp af lys mere end et århundrede tilbage. Efter at have opfundet telefonen i 1876, hvilede Alexander Graham Bell ikke på laurbærrene. I 1880 viste han, at lys, snarere end elektricitet, kan bringe en persons ord til et fjernt øre. Bells fotofon brugte vibrerende spejle til at transmittere lyd via sollys. Men det var en idé længe før sin tid. At sende elektriske signaler ned ad kobberkabler viste sig at være meget mere pålideligt, og fotofonen blev stort set glemt, da telefonlinjer greb ind i verden.

Efter otte årtier med kobbertråds overherredømme satte opfindelsen af ​​rubinlaseren i 1960 lyset tilbage på kommunikationsdagsordenen. Her var en kilde, der var lys nok til virkelig at sætte lys i gang. Ligesom transistoren indvarslede mikroelektronikkens tidsalder, udløste laseren fotonikkens tidsalder. I 1970 annoncerede Corning stolt, at den havde sendt en laserstråle ned ad en glasfiber og genvundet så meget som én procent af lyset i den anden ende, en kilometer væk (nutidens glasfibre er så effektive, at 80 procent af lyset vil overleve at afstand). I 1980'erne begyndte telefonselskaber at erstatte kobberkabler med optiske fibre.

En optisk fiber kan bære tusindvis af gange mere data end et kobberkabel: i princippet kan en enkelt fiber transmittere op til 25 billioner bits i sekundet. Det er nok kapacitet til at bære alle telefonsamtaler, der finder sted på et hvilket som helst tidspunkt i USA - med plads til overs. Det er ikke så mærkeligt, at det verdensomspændende netværk af informationsteknologi bliver vævet af lysbærende glas.

I en konventionel optisk fiber er lyset indespærret i en indvendig silicastav af en beklædning af glas med en lidt anderledes sammensætning end kernens. Typisk tilsættes små mængder germanium eller fosfor til kernen (en proces kaldet doping), hvilket giver den et anderledes brydningsindeks end beklædningen. Lys, der rammer grænsefladen mellem kernen og beklædningen, reflekteres, så signalet hopper frem og tilbage og forbliver inde i kernen. Information indkodes i en serie af impulser fra elektronisk styrede lasere og fyres ned i fiberen til en fotodetektor i den anden ende, som konverterer signalet tilbage til elektrisk form til behandling i en telefon, computer eller routingenhed.

Lyder godt. Så hvor er fangsten? Det er et spørgsmål om grænser. Efterhånden som kommunikationsnetværk bliver større, travlere og mere ambitiøse, bliver ulemperne ved konventionelle glasfibre tydelige, og eksisterende optiske fibernetværk vil i sidste ende være ude af stand til at klare sig. En faktor, der begrænser ydeevnen, er udtoningen af ​​lyssignalet over afstand. En vis mængde af lyset er spredt - urenheder i silicaen forstyrrer transmissionen af ​​noget af signalet - når det bevæger sig gennem glaskernen; andet lys slipper simpelthen helt ud af fiberen, fordi grænsefladen mellem glaskerne og beklædning ikke er et perfekt spejl.

Uudbedret ville disse tab lamme fiberoptisk kommunikation over lang afstand: Firs procent transmission over en kilometer ville efterlade mindre end et spøgelse af et signal i den fjerne ende af et transatlantisk kabel. Svaret er at forstærke lyset hver 70 kilometer eller deromkring. Men forstærkere er dyre, og de kræver deres egne strømkilder ( se 5 patenter at se: Booster Shots ). Hver forstærker tilføjer typisk en million dollars til prisen på en langdistancetransmissionslinje. For et kabel, der er tusindvis af kilometer langt, begynder det at summere til rigtige penge. Og når en forstærker bryder sammen midt i Atlanterhavet, er der ingen anden mulighed end at sende et skib ud for at mudre kablet op. Det koster en formue at ordne dem på bunden af ​​havet, siger Baths Russell.

Denne skræmmende økonomiske virkelighed er ansporet til at udvikle den nye generation af fibre. Cambridge, MA-baserede OmniGuide Communications, grundlagt sidste år af adskillige MIT-professorer, hævder, at deres nye fibre vil være i stand til at presse tabene så lave, at der ikke er behov for nogen forstærkning. Hvad mere er, siger virksomheden, vil den anvendelige båndbredde være væsentligt større end i eksisterende optiske fibre. Tricket er at fjerne fiberens glaskerne og erstatte den med - ja, ingenting overhovedet.

Ren luft

Det lyder så indlysende. Lys rejser gennem luften med lidt spredning. Så hvorfor ikke bare sende laserlys ned i et hult glasrør? Svaret ligger i fysikken. For at opnå den indvendige refleksion, der er nødvendig for at holde lyset begrænset i midten af ​​en konventionel optisk fiber, skal beklædningen have et lavere brydningsindeks end det indre medium. Men alle kendte materialer har et højere brydningsindeks end luft. Så det konventionelle arrangement virker ikke ved fremstilling af en hul fiber.

Hvilket betyder en ukonventionel tilgang er nødvendig. Indtast fotoniske krystalfibre. Forskere verden over har travlt med at lave materialer, der fungerer som lysisolatorer, som er ufremkommelige for lys, ligesom det meste plast er ufremkommelige for elektriske strømme. I fysikkens jargon har disse lysisolatorer et fotonisk båndgab svarende til specifikke bølgelængder af lys; disse bølgelængder kan simpelthen ikke trænge ind i materialet. Hvis de er lavet korrekt, bør disse materialer - i modsætning til beklædningen i glasfibre - tillade praktisk talt intet lys at slippe ud fra en tom kerne pakket ind i dem.

Selvfølgelig vil mange stoffer forhindre lys i at passere igennem; men det skyldes generelt, at materialerne simpelthen absorberer lyset i stedet for at reflektere det. Og selvom du måske tænker på metalliske spejle-forsølvet glas-som gode lysreflektorer, er sandheden, at de ikke er nær reflekterende nok til at fungere i fiberoptik; de absorberer og spreder en lille, men betydelig del af en indkommende stråle. Et lyssignal, der rejser ned ad et sølvbeklædt glasrør, ville kun rejse en kort afstand, før det spredes helt. Fotoniske båndgab-materialer blokerer på den anden side alle fotoner med bestemte bølgelængder; det modkørende lys reflekteres næsten perfekt. Med andre ord, de er lige noget for at lukke lys inde i et hult rør.

I 1998 fremstillede Yoel Fink, dengang en MIT kandidatstuderende, et perfekt spejl ud af et fotonisk bånd-gap materiale. Andre havde tidligere lavet specialiserede spejle af tynde lag af dielektriske materialer (materialer, der indeholder elektrisk ladede partikler, men som har isolerende egenskaber). Disse spejle har fotoniske båndgab og kan være ekstremt effektive reflektorer, men de har en stor fejl: de virker kun med lys, der rammer helt ansigtet, hvilket begrænser deres anvendelse til specialiserede applikationer. Fink fandt ud af, hvordan man lavede en version af et dielektrisk spejl, der reflekterer lys, der kommer mod det fra alle vinkler, som materialet skulle i kernen af ​​en fiberoptisk tråd.

Når først du har sådan et spejl, er det (i det mindste for fotonikforskere) indlysende at se det kommercielle potentiale. Fink og et par af hans MIT-professorer, fysiker John Joannopoulos og materialeforsker Edwin Thomas, var sammen med Uri Kolodny med til at stifte OmniGuide. Virksomhedens mål er at bruge det perfekte spejl som beklædning til en optisk fiber. Forestil dig at tage et fladt spejl og bøje det rundt om indersiden af ​​et rør, og du har et groft billede af en OmniGuide-fiber.

Så hvor små er tabene af lys i sådan en næste generations fiber? Fordi virksomheden stadig er i de tidlige stadier, holder grundlæggerne den information tæt på deres bryster. Det eneste, jeg kan sige på nuværende tidspunkt, siger Joannopoulos, er, at vi med et hulrør OmniGuide [fiber] i princippet kunne opnå mindre tab end optisk fiber. Men for en telekomindustri, der ønsker at skubbe mere og mere lys gennem optiske netværk - og til sidst står over for grænserne for den nuværende generation af fibre - er selv sådanne omhyggeligt formulerede udtalelser fristende.

Virksomheden udvikler en serie af fiberprodukter baseret på OmniGuide-konceptet. Disse fibre er i teorien langt mere effektive til at transmittere lys end en standard optisk fiber. De skulle faktisk være i stand til at overvinde de nuværende begrænsninger af glasfibre, og opnå blandt andet mindre signaltab, når lyset bevæger sig ned ad fiberen. En sådan øget ydeevne er mulig, siger Fink, nu assisterende professor i materialevidenskab ved MIT, fordi vi kan opnå en uovertruffen grad af indespærring.

OmniGuide-fibrene skulle være i stand til at formidle meget mere intense signaler end normale optiske fibre. Højintensivt lys, der bevæger sig i glasfibre, lider af forvrængninger, der kan forstyrre transmissionen af ​​signaler ved forskellige bølgelængder, hvilket forårsager krydstale mellem kanaler, medmindre de er vidt adskilt i frekvens. Denne effekt begrænser antallet af forskellige bølgelængder, du kan fylde i en konventionel glasfiber, og også hvor lyse de kan være. Fordi signaler i luften ikke lider under disse effekter, forklarer Fink, kan OmniGuide-fiberen overføre signaler ved højere kræfter, med kanaler placeret tættere på hinanden. Det er gode nyheder for teleselskaber, da stærkere signaler rejser længere, før tab begynder at kompromittere dem, og tættere kanaler betyder, at flere data kan pakkes inden for et givet bølgelængdeområde.

MIT-tilgangen er dog kun én måde at lave en fotonisk fiber på. Andre forskere har produceret fotoniske bånd-gab materialer, der i tværsnit er som en honeycomb, hvor hullerne danner strukturer, der nægter adgang til lys af bestemte bølgelængder. Disse former for fotoniske krystaller, først lavet i slutningen af ​​1980'erne, blokerer også næsten totalt lys. Glasfibrene fremstillet i Bath, for eksempel, er gennemtrængt af en velordnet række af huller, der løber parallelt med tråden langs hele dens længde; i midten er en tom kerne, hvori lyset kan være næsten perfekt begrænset. For at give en indikation af præcisionen involveret i fremstillingen af ​​fibrene, hvis de lange, parallelle huller var diameteren af ​​Chunnelen, der forbinder England og Frankrig, ville de eksperimentelle fibre fremstillet ved Bath nå Jupiter. Hvordan borer man så perfekte tunneler gennem en glasstreng, der er tyndere end et menneskehår?

Heldigvis skal hullerne slet ikke bores. De er genialt konstrueret ved at trække glasfibrene fra et bundt hule kapillarrør. Rørene pakkes sammen i et sekskantet array nogle få centimeter i bredden, og bundtet opvarmes for at blødgøre glasset. Efterhånden som arrayet trækkes ud til en fin fiber, bliver dens tværsnit krympet med en faktor på tusind eller deromkring, men forbliver fyldt med huller.

Til at begynde med lavede Bath-fysikerne en lysledende kanal i kernen af ​​fiberen ved at erstatte den centrale glaskapillær med en solid glasstang. Men stadig bedre end at bære lyset i en solid kerne ville være at sende det gennem en hul kerne-gennem luft, med de meget lave tab og fravær af forvrængning, det medfører. I samarbejde med Douglas Allan, en forsker ved Corning, lykkedes det Bath-teamet at opnå lysindeslutning i en hulkerne fotonisk krystalfiber i 1999. For nylig har de dannet mange meter lange optiske fibre ud af deres nye materialer.

Fotonisk finish

At overtage eksisterende optiske fibre vil være en stor opgave. Konventionelle glasfibre er blevet optimeret gennem flere årtier og er fremstillet ved hjælp af godt forankret teknologi. I modsætning hertil repræsenterer de nye fotoniske fibre en ukendt fremstilling. For det første skal deres struktur være nøjagtig. De eksisterende [fabrikations]systemer er simpelthen ikke op til det, indrømmer Russell.

Alligevel står virksomhederne i kø for at møde kommercialiseringsudfordringerne. Fink siger, at OmniGuide arbejder på en række produkter baseret på fibre af forskellig længde. Projekterne omfatter udvikling af aktive fiberbaserede enheder til optisk switching, samt udvikling af fibre til lystransmission over 10 til 100 meter, som kunne være nyttige til opgaver som at forbinde servere over korte afstande. Langdistancefibre til telenet vil have den største indflydelse, siger Fink, men det vil tage lidt tid.

Forskere fra Bath-gruppen har lanceret deres eget spinoff, BlazePhotonics, og har sikret sig finansiering fra venturekapitalfirmaer i Storbritannien og USA. I Danmark laver en virksomhed kaldet Crystal Fibre, startet af forskere ved Danmarks Tekniske Universitet i Lyngby, som var tidlige samarbejdspartnere med Bath-gruppen, fotoniske fibre med en solid glaskerne. Selvom dets oprindelige produkter kan tjene sådanne formål som at begrænse lys i højpræcisionslasere, er der ingen, der mister den store præmie af syne. Telekommunikation er bestemt det mellemfristede mål, siger administrerende direktør Michael Kjaer.

Ligesom grundlæggerne af Danmarks Krystalfiber har forskerne i Corning tidligere arbejdet tæt sammen med Bath-forskerne, men de ræser nu til markedspladsen på egen hånd. Jim West rapporterer, at virksomheden nu kan lave fotoniske fibre op til hundrede meter lange. Men han forbeholder sig vurderingen af, om de nye materialer i sidste ende vil transformere informationsmotorvejen. Konventionelle optiske fibre, påpeger han, er en svær handling at toppe. Det er først, når du begynder at arbejde med de avancerede versioner, at du indser, hvor bemærkelsesværdige de er.

Selvom at sende lys gennem luft kan løse mange af begrænsningerne ved nutidens fibre, udgør det sine egne problemer. For det første er sammensætningen af ​​luft ikke ensartet; som følge heraf kan lys transmitteres forskelligt i forskellige dele af verden. Luft i Storbritannien er meget anderledes end luft i Sahara, forklarer West.

Det er en fascinerende teknologi, siger West om den nye generation af fotoniske krystalfibre, men der er lang vej igen.

Alligevel, hvis disse nye materialer til sidst opfylder deres potentiale til at transformere langdistancetransmission i telekommunikationsindustrien, vil det være en rejse, der er værd at tage.

skjule