如果二氧化硅玻璃纖維是在高壓下制造的,那么光的信號(hào)衰減可以減少一半。 Signalloss along optical communication networks could be cut in half if silica glassfibers are manufactured under high pressure.
研究人員在 journal npj Computational Materials雜志上報(bào)告,通過(guò)在高壓下生產(chǎn)由石英玻璃制成的光纖,可以改善光纖數(shù)據(jù)傳輸。使用計(jì)算機(jī)仿真,北海道大學(xué)(Hokkaido University),賓夕法尼亞州立大學(xué)(ThePennsylvania State University)的研究人員及其行業(yè)合作伙伴從理論上表明,石英玻璃纖維的信號(hào)衰減可以減少50%,可以極大延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離,減少放大器的使用。
北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所副教授小野真香(Madoka Ono)說(shuō):“由于缺乏對(duì)原子級(jí)材料的了解,近年來(lái)對(duì)光學(xué)通訊最重要的材料石英玻璃的優(yōu)化停滯了。” “我們的發(fā)現(xiàn)(本文內(nèi)容:通過(guò)改變壓力,優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu))可以指導(dǎo)未來(lái)的物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程,盡管技術(shù)上還存在一定的挑戰(zhàn)。”
光纖已經(jīng)徹底改變了全球的高帶寬,長(zhǎng)距離通信。承載所有這些信息的光纜主要由石英玻璃纖維制成。該材料堅(jiān)固、靈活、柔軟,非常適合以光的形式低成本傳輸信息。但是由于光被材料散射,數(shù)據(jù)信號(hào)在到達(dá)其最終目的地之前逐漸減弱。放大器(amplifier)或其他工具用于在信息減弱之前中繼,以確保信息成功傳遞。科學(xué)家們正在尋求減少瑞利散射(Rayleigh scattering)造成的光衰減,以幫助加速數(shù)據(jù)傳輸并更接近量子通信。
玻璃材料是常規(guī)光纖的基礎(chǔ)材料,光在波導(dǎo)纖維中傳輸必然受到瑞利散射的影響,這是造成光傳輸衰減的重要機(jī)理。 Ono和合作者使用多種計(jì)算方法來(lái)預(yù)測(cè)高溫高壓下石英玻璃的原子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么。發(fā)現(xiàn)在低壓下將玻璃加熱然后冷卻時(shí),會(huì)在二氧化硅原子之間形成較大的空隙(void),這稱(chēng)為淬火(quenching)。但是,當(dāng)此過(guò)程發(fā)生在4吉帕斯卡(GPa)以下時(shí),大多數(shù)大空隙消失了,玻璃呈現(xiàn)出更加均勻的晶格結(jié)構(gòu)。
具體描述,模型顯示玻璃經(jīng)歷了物理轉(zhuǎn)變,原子的較小環(huán)(smaller rings of atoms)被消除(eliminated)或“修剪”( “pruned”),從而使較大的環(huán)更緊密地連接在一起。這有助于減少大的空隙的數(shù)量和空隙的平均大小,這些空隙會(huì)導(dǎo)致光散射,并將信號(hào)損失減少50%以上。
當(dāng)玻璃在較高壓力下淬火時(shí),石英玻璃中的空隙(黃色)會(huì)導(dǎo)致光的散射和信號(hào)的降解,變得越來(lái)越小 研究人員懷疑,在較高壓力下使用較低的冷卻速度可以實(shí)現(xiàn)更大的改進(jìn)。對(duì)于具有相似結(jié)構(gòu)的其他類(lèi)型的無(wú)機(jī)玻璃,也可以探索該方法。但是,實(shí)際上很難在如此高壓下以工業(yè)規(guī)模制造玻璃纖維。
小野說(shuō):“現(xiàn)在我們知道理想的壓力,我們希望這項(xiàng)研究將有助于推動(dòng)能夠生產(chǎn)這種超透明石英玻璃的高壓制造設(shè)備的發(fā)展。”
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:更低衰耗的光纖? - 玻璃的原子級(jí)別高壓處理降低衰減
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