Nästa generation optiska fibrer

Vid första anblicken är dessa nya material helt enkelt udda: tunna som ett hårstrå, genomskinliga och fulla av hål. Liksom de optiska fibrerna som är stöttepelaren i telekommunikationsindustrin, är de gjorda av glas. Men där upphör likheterna med konventionella material.

Mitten av var och en av dessa nya fibrer - som tillverkas vid University of Bath i England - är ihålig. I befintliga optiska fibrer överförs ljus genom en glaskärna. I fibrerna som tillverkas i Bath färdas ljus obehindrat genom luften. Ljusstrålen begränsas till den ihåliga kärnan av hålen i det omgivande glasmaterialet, som ser ut som en bikaka i tvärsnitt och skapar en strikt no-go-region för ljus. Förmågan att begränsa ljus i luften på detta sätt, säger Philip Russell, en Bath-fysiker, skulle kunna revolutionera telekommunikationen fullständigt.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Anledningen till spänningen är att åtminstone i princip att sända ljus genom luft snarare än genom glas skulle kunna öka effektiviteten och kapaciteten i dagens höghastighetstelekomnät avsevärt. Dessa nya material, kallade fotoniska kristallfibrer, borde läcka mindre ljus och bära mer intensiva ljuspulser utan förvrängning, vilket minskar behovet av att ständigt förstärka en signal - en dyr syssla i dagens optiska nätverk. Fotoniska kristallfibrer ska kunna förmedla mycket mer information längs fiberoptiska nätverk samtidigt som installations- och underhållskostnaderna sänks. De kommer att vara till befintliga fibrer som en 10-filig motorväg är till en landsväg. De kommer inte bara att ta mer trafik, utan resan blir smidigare och det blir mindre behov av tankning.

Det är fortfarande tidigt i utvecklingen av denna nya generation optiska fibrer. Även de mest avancerade av de nya materialen finns kvar flera år från utbredd kommersiell användning. Men med så mycket på spel - optisk telekommunikation är en mångmiljard-dollar-affär - flera industrilabb, inklusive Corning och en handfull nystartade företag, är på jakt efter sina egna versioner av fotoniska fibrer. Även om det är för tidigt att förutsäga vilken som kommer att råda, konkurrerar rivaliserande tillvägagångssätt som utvecklats vid University of Bath och vid MIT redan head-to-head om att bli morgondagens optiska fiber.

Dessa ansträngningar kan bära frukt lagom för telekommunikationsindustrin. Den enorma expansionen av optisk dataöverföring på långa avstånd under de senaste åren, matad av tillväxten av Internet och dess bandbreddstillämpningar, har fått forskare att hitta sätt att skjuta mer ljus och mer komplexa signaler genom optiska fibrer ( ser Våglängdsmultiplexering , TR mars/april 1999 ). Men många experter tror att det under de kommande decennierna kommer att bli omöjligt att pressa ut mer prestanda ur den nuvarande generationen glasfibrer. Även om det är svårt att förutsäga exakt när vägspärren kommer att nås, tror Jim West, en forskare vid Cornings forskningslaboratorier i New York, definitivt att vi kommer att stöta på dessa gränser. Och det är då nästa generation av fiberoptik kommer att bli avgörande för att mata världens till synes oändliga aptit på bandbredd.

Lätt konversation

Även om fotoniska fibrer är en nästa generations teknik 2001, sträcker sig historien om att förmedla röstdata med hjälp av ljus mer än ett sekel tillbaka i tiden. Efter att ha uppfunnit telefonen 1876 vilade Alexander Graham Bell inte på sina lagrar. 1880 visade han att ljus, snarare än elektricitet, kan föra en persons ord till ett avlägset öra. Bells fotofon använde vibrerande speglar för att överföra ljud via solljus. Men det var en idé långt före sin tid. Att skicka elektriska signaler ner i kopparkablar visade sig vara mycket mer tillförlitligt, och fotofonen glömdes till stor del bort när telefonlinjer insnöade världen.

Efter åtta decennier av koppartrådens överlägsenhet satte uppfinningen av rubinlasern 1960 ljuset tillbaka på kommunikationsagendan. Här fanns en källa som var tillräckligt ljus för att verkligen få ljuset att fungera. Precis som transistorn inledde mikroelektronikens tidsålder, utlöste lasern fotonikens tidsålder. 1970 meddelade Corning stolt att de hade skickat en laserstråle ner i en glasfiber och återvunnit så mycket som en procent av ljuset i andra änden, en kilometer bort (dagens glasfibrer är så effektiva att 80 procent av ljuset kommer att överleva att distans). På 1980-talet började telefonbolagen ersätta kopparkablar med optiska fibrer.

En optisk fiber kan bära tusentals gånger mer data än en kopparkabel: i princip kan en enda fiber sända upp till 25 biljoner bitar per sekund. Det är tillräckligt med kapacitet för att bära alla telefonsamtal som äger rum när som helst i USA - med utrymme över. Inte konstigt att det världsomspännande nätet av informationsteknologi vävs av ljusbärande glas.

I en konventionell optisk fiber är ljuset begränsat i en inre kiselstav av en beklädnad av glas med en något annorlunda sammansättning än kärnans. Vanligtvis tillsätts små mängder germanium eller fosfor till kärnan (en process som kallas doping), vilket ger den ett annat brytningsindex än beklädnaden. Ljus som träffar gränssnittet mellan kärnan och beklädnaden reflekteras, så signalen studsar fram och tillbaka och stannar kvar i kärnan. Informationen kodas i en serie pulser från elektroniskt styrda lasrar och avfyras ner fibern till en fotodetektor i andra änden, som omvandlar signalen tillbaka till elektrisk form för bearbetning i en telefon, dator eller routingenhet.

Låter bra. Så, var är haken? Det är en fråga om gränser. När kommunikationsnäten blir större, mer trafikerade och mer ambitiösa, blir nackdelarna med konventionella glasfibrer uppenbara, och befintliga optiska fibernätverk kommer så småningom att inte klara sig. En faktor som begränsar prestandan är blekningen av ljussignalen över avstånd. En viss mängd av ljuset sprids - föroreningar i kiseldioxiden stör överföringen av en del av signalen - när den färdas genom glaskärnan; annat ljus kommer helt enkelt från fibern, eftersom gränssnittet mellan glaskärnan och beklädnaden inte är en perfekt spegel.

Oavhjälpta skulle dessa förluster försvaga fiberoptisk kommunikation på långa avstånd: åttio procents överföring över en kilometer skulle lämna mindre än ett spöke av en signal längst ut på en transatlantisk kabel. Svaret är att förstärka ljuset var 70:e kilometer eller så. Men förstärkare är dyra, och de kräver sina egna strömkällor ( ser 5 patent att titta på: Booster Shots ). Varje förstärkare lägger vanligtvis en miljon dollar till priset för en långdistansöverföringsledning. För en kabel som är tusentals kilometer lång börjar det bli riktiga pengar. Och när en förstärkare går sönder i mitten av Atlanten finns det inget annat alternativ än att skicka ut ett skepp för att muddra upp kabeln. Det kostar en förmögenhet att fixa dem på havets botten, säger Baths Russell.

Denna skrämmande ekonomiska verklighet är sporren för att utveckla den nya generationen fibrer. Cambridge, MA-baserade OmniGuide Communications, som grundades förra året av flera MIT-professorer, hävdar att dess nya fibrer kommer att kunna pressa förluster så låga att det inte skulle behövas någon förstärkning. Vad mer, säger företaget, kommer den användbara bandbredden att vara avsevärt större än i befintliga optiska fibrer. Tricket är att ta bort fiberns glaskärna och ersätta den med - ja, ingenting alls.

Ren luft

Det låter så självklart. Ljus färdas genom luften med liten spridning. Så varför inte bara skicka laserljus ner i ett ihåligt glasrör? Svaret ligger i fysiken. För att uppnå den inre reflektion som krävs för att hålla ljuset begränsat i mitten av en konventionell optisk fiber, måste beklädnaden ha ett lägre brytningsindex än det inre mediet. Men alla kända material har ett högre brytningsindex än luft. Så det konventionella arrangemanget fungerar inte för att göra en ihålig fiber.

Vilket innebär att det behövs ett okonventionellt tillvägagångssätt. Ange fotoniska kristallfibrer. Forskare världen över är upptagna med att tillverka material som fungerar som ljusisolatorer, som är ogenomträngliga för ljus precis som de flesta plaster är ogenomträngliga för elektriska strömmar. I fysikens jargong har dessa ljusisolatorer ett fotoniskt bandgap som motsvarar specifika ljusvåglängder; dessa våglängder kan helt enkelt inte komma in i materialet. Om de är gjorda på rätt sätt bör dessa material - till skillnad från beklädnaden i glasfibrer - tillåta praktiskt taget inget ljus att strömma ut från en tom kärna som är insvept i dem.

Naturligtvis kommer många ämnen att hindra ljus från att passera igenom; men det beror i allmänhet på att materialen helt enkelt absorberar ljuset istället för att reflektera det. Och även om du kanske tänker på metalliska speglar-silverglas-som bra ljusreflektorer, är sanningen att de inte är tillräckligt reflekterande för att fungera i fiberoptik; de absorberar och skingra en liten men betydande del av en inkommande stråle. En ljussignal som färdades nerför ett silverfodrat glasrör skulle bara färdas en kort sträcka innan den spreds helt. Fotoniska bandgapmaterial blockerar å andra sidan alla fotoner med speciella våglängder; det mötande ljuset reflekteras nästan perfekt. Med andra ord, de är precis grejen för att begränsa ljus inuti ett ihåligt rör.

1998 tillverkade Yoel Fink, då en doktorand vid MIT, en perfekt spegel av ett fotoniskt bandgapmaterial. Andra hade tidigare gjort specialiserade speglar av tunna lager av dielektriska material (material som innehåller elektriskt laddade partiklar men som har isolerande egenskaper). Dessa speglar har fotoniska bandgap och kan vara extremt effektiva reflektorer, men de har ett stort fel: de fungerar endast med ljus som slår helt ansikte mot, vilket begränsar deras användning till specialiserade applikationer. Fink kom på hur man gör en version av en dielektrisk spegel som reflekterar ljus som kommer mot den från alla vinklar, som materialet skulle behöva i kärnan av en fiberoptisk tråd.

När du väl har en sådan spegel är det (åtminstone för fotonikforskare) uppenbart att se den kommersiella potentialen. Fink och ett par av hans MIT-professorer, fysikern John Joannopoulos och materialvetaren Edwin Thomas, tillsammans med Uri Kolodny, grundade OmniGuide. Företagets mål är att använda den perfekta spegeln som beklädnad för en optisk fiber. Föreställ dig att ta en platt spegel och böja den runt insidan av ett rör, och du har en grov bild av en OmniGuide-fiber.

Så hur små är förlusterna av ljus i en sådan nästa generations fiber? Eftersom företaget fortfarande är i ett tidigt skede håller grundarna den informationen nära sina bröst. Allt jag är fri att säga i det här skedet, säger Joannopoulos, är att med en OmniGuide [fiber] med ihåliga rör skulle vi i princip kunna uppnå mindre förluster än optisk fiber. Men för en telekomindustri som vill driva mer och mer ljus genom optiska nätverk - och så småningom möta gränserna för nuvarande generations fibrer - är till och med sådana noggrant formulerade uttalande lockande.

Företaget utvecklar en serie fiberprodukter baserade på OmniGuide-konceptet. Dessa fibrer är, i teorin, mycket effektivare för att överföra ljus än en vanlig optisk fiber. De borde faktiskt kunna övervinna de nuvarande begränsningarna hos glasfibrer, och uppnå bland annat mindre signalförlust när ljuset färdas ner i fibern. En sådan ökad prestanda är möjlig, säger Fink, nu biträdande professor i materialvetenskap vid MIT, eftersom vi kan uppnå en oöverträffad grad av instängdhet.

OmniGuide-fibrerna ska kunna förmedla mycket mer intensiva signaler än vanliga optiska fibrer. Högintensivt ljus som rör sig i glasfibrer lider av förvrängningar som kan störa överföringen av signaler vid olika våglängder, vilket orsakar överhörning mellan kanaler såvida de inte är vitt åtskilda i frekvens. Denna effekt begränsar antalet olika våglängder du kan stoppa i en konventionell glasfiber, och även hur ljusa de kan vara. Eftersom signaler i luften inte utsätts för dessa effekter, förklarar Fink, kan OmniGuide-fibern förmedla signaler med högre effekt, med kanaler placerade närmare varandra. Det är goda nyheter för telekomföretag, eftersom starkare signaler färdas längre innan förluster börjar äventyra dem, och närmare kanaler gör att mer data kan packas inom ett givet våglängdsområde.

MIT-metoden är dock bara ett sätt att göra en fotonisk fiber. Andra forskare har producerat material med fotoniska bandgap som i tvärsnitt är som en bikaka där hålen bildar strukturer som vägrar komma in till ljus av vissa våglängder. Dessa typer av fotoniska kristaller, först tillverkade i slutet av 1980-talet, blockerar också nästan totalt ljus. Glasfibrerna som tillverkas i Bath, till exempel, penetreras av en ordnad uppsättning hål som löper parallellt med tråden längs hela dess längd; i mitten finns en tom kärna i vilken ljus nästan helt kan begränsas. För att ge en viss indikation på precisionen som är involverad i att tillverka fibrerna, om de långa, parallella hålen var diametern på kanalen som förbinder England och Frankrike, skulle de experimentella fibrerna som tillverkades i Bath nå Jupiter. Hur borrar man så perfekta tunnlar genom en glassträng som är tunnare än ett människohår?

Lyckligtvis behöver hålen inte borras alls. De är genialiskt konstruerade genom att dra glasfibrerna från ett knippe ihåliga kapillärrör. Rören packas ihop i en hexagonal uppsättning några centimeter breda och bunten värms upp för att mjuka upp glaset. När arrayen dras ut till en fin fiber, krymps dess tvärsnitt med en faktor på tusen eller så men förblir spetsad med hål.

Till en början gjorde Bath-fysikerna en ljusledande kanal i kärnan av fibern genom att ersätta den centrala glaskapillären med en solid glasstav. Men ändå bättre än att bära ljuset i en solid kärna vore att skicka det genom en ihålig kärna genom luft, med de mycket låga förluster och frånvaro av distorsion som det medför. I samarbete med Douglas Allan, en forskare vid Corning, lyckades Bath-teamet uppnå ljusinneslutning i en fotonisk kristallfiber med ihålig kärna 1999. Nyligen har de format optiska fibrer många meter långa av sina nya material.

Fotonisk finish

Att ta på befintliga optiska fibrer kommer att vara en stor uppgift. Konventionella glasfibrer har optimerats under flera decennier och tillverkas med hjälp av väl förankrad teknologi. Däremot representerar de nya fotoniska fibrerna en okänd tillverkning. Dels måste deras struktur vara exakt. De befintliga [tillverknings]systemen är helt enkelt inte upp till det, medger Russell.

Ändå står företag i kö för att möta kommersialiseringsutmaningarna. Fink säger att OmniGuide arbetar med en serie produkter baserade på olika långa fibrer. Projekten omfattar utveckling av aktiva fiberbaserade enheter för optisk omkoppling, samt utveckling av fibrer för ljustransmission över 10 till 100 meter, vilket kan vara användbart för uppgifter som att koppla upp servrar över korta avstånd. Långdistansfibrer för telenät kommer att ha störst inverkan, säger Fink, men dessa kommer att ta lite tid.

Forskare från Bath-gruppen har lanserat sin egen spinoff, BlazePhotonics, och har säkrat finansiering från riskkapitalföretag i Storbritannien och USA. I Danmark tillverkar ett företag som heter Crystal Fibre, startat av forskare vid Danmarks Tekniska Universitet i Lyngby som var tidiga samarbetspartners med Bath-gruppen, fotoniska fibrer med en solid glaskärna. Även om dess ursprungliga produkter kan tjäna sådana syften som att begränsa ljus i högprecisionslasrar, är det ingen som förlorar det stora priset ur sikte. Telekommunikation är definitivt målet på medellång sikt, säger VD Michael Kjaer.

Liksom grundarna av Danmarks Crystal Fibre, har forskare vid Corning arbetat nära med Bath-forskarna tidigare, men de tävlar nu till marknaden på egen hand. Jim West rapporterar att företaget nu kan göra fotoniska fibrer upp till hundra meter långa. Men han reserverar sig för att bedöma om det nya materialet så småningom kommer att förändra informationsmotorvägen. Konventionella optiska fibrer, påpekar han, är en svår handling att toppa. Det är först när du börjar arbeta med de senaste versionerna som du inser hur anmärkningsvärda de är.

Även om ljussändning genom luft kan lösa många av begränsningarna hos dagens fibrer, ställer det till sina egna problem. För det första är luftens sammansättning inte enhetlig; som ett resultat kan ljus sändas på olika sätt i olika delar av världen. Luften i Storbritannien skiljer sig mycket från luften i Sahara, förklarar West.

Det är en fascinerande teknik, säger West om den nya generationen fotoniska kristallfibrer, men det är en lång väg att gå.

Ändå, om dessa nya material så småningom uppfyller sin potential att omvandla långdistansöverföring inom telekommunikationsindustrin, kommer det att vara en resa väl värd att ta.

Dölj