Теоретическое понимание того, что делает одни полые оптические волокна более эффективными, чем другие, вдохновит на разработку новых волокон с малыми потерями

В последние годы был достигнут огромный прогресс в повышении эффективности оптических волокон за счет разработки кабелей, обеспечивающих более быструю передачу данных с более широкой полосой пропускания. Самые большие улучшения были сделаны в области полых волокон — типа волокна, которое, как известно, является «утечкой», но также имеет важное значение для многих применений.

Теперь ученые впервые это выяснили. Почему Некоторые конструкции волокон, наполненных воздухом, работают более эффективно, чем другие.

Тайна была раскрыта недавним выпускником докторской степени доктором Лией Мерфи и почетным профессором Дэвидом Бердом из Центра фотоники и фотоники в Университете Бата.

Теоретический и вычислительный анализ исследователей дает четкое объяснение явления, которое другие физики наблюдали на практике: полые оптические волокна, в конструкции которых используются стеклянные нити, вызывают чрезвычайно малые потери света при перемещении от источника к месту назначения.

Д-р Мерфи сказал: «Эта работа интересна, потому что она добавляет новую перспективу к 20-летнему разговору о том, как прокладывать антилегкие полые волокна. Я очень оптимистично настроен, что это побудит исследователей экспериментировать с новыми интересными конструкциями полых волокон. где потери света остаются очень низкими».

Коммуникационная революция

В последние годы оптические волокна изменили связь, сыграв жизненно важную роль в обеспечении экспоненциального роста скорости передачи данных. Специально разработанные волокна также стали незаменимыми в области обработки изображений, лазеров и датчиков (как видно, например, в датчиках давления и температуры, используемых в суровых условиях).

Лучшие волокна обладают некоторыми удивительными свойствами — например, импульс света может пройти более 50 километров по стандартному волокну из кварцевого стекла и при этом сохранить более 10% своей первоначальной интенсивности (эквивалентно способности видеть насквозь 50 километров воды).

Но тот факт, что свет проходит через твердое тело, означает, что современные волокна имеют некоторые недостатки. Кварцевое стекло становится непрозрачным, когда свет, который оно пытается передать, попадает в средние инфракрасные и ультрафиолетовые лучи электромагнитного спектра. Это означает, что приложения, которым требуется свет на этих длинах волн (например, спектрометры и инструменты, используемые астрофизиками), не могут использовать стандартные волокна.

Кроме того, световые импульсы высокой интенсивности искажаются в стандартных волокнах и даже могут разрушить само волокно.

Исследователи усердно работают над устранением этих недостатков и вкладывают свои усилия в разработку оптических волокон, которые проводят свет по воздуху, а не по стеклу.

Однако это влечет за собой ряд проблем: основное свойство света заключается в том, что ему не нравится быть ограниченным областью с низкой плотностью, такой как воздух. Оптические волокна, в которых вместо стекла используется воздух, негерметичны в своей сердцевине (как была бы труба, если бы вода могла просачиваться по бокам).

Потери на удержание (или потери на утечку) — это мера потери интенсивности света при его прохождении через волокно, и основная цель исследований — улучшить конструкцию структуры волокна, чтобы уменьшить эти потери.

полые стержни

Наиболее перспективные конструкции включают центральный полый сердечник, который окружен и ограничен специальной оболочкой. Внутри оболочки прорезаны очень тонкие полые стеклянные капилляры, прикрепленные к внешнему покровному стеклу.

При такой установке характеристики потерь полого волокна близки к характеристикам обычного волокна.

Интересной особенностью этих полых волокон является то, что теоретическое понимание того, как и почему они так хорошо проводят свет, не поспевает за экспериментальным прогрессом.

В течение почти двух десятилетий у ученых было хорошее физическое понимание того, как тонкие стеклянные стенки капилляров сталкиваются с полым сердечником.зеленый на схеме) служат для отражения света обратно в сердцевину, что предотвращает утечку. Но теоретическая модель, включающая только этот механизм, сильно переоценивает потери на ограничение, и вопрос о том, почему реальные волокна направляют свет намного эффективнее, чем предсказывает простая теоретическая модель, до сих пор остается без ответа.

Доктор Мерфи и профессор Бирд описывают свою модель в статье, опубликованной на этой неделе в ведущем журнале. оптика.

Теоретический и расчетный анализ сосредоточен на роли секций стеклянных стенок капилляров (красный на схеме) не обращен ни к внутреннему сердечнику, ни к внешней стенке волокнистой структуры.

Исследователи из Бата продемонстрировали, что помимо поддержки основных элементов облицовки облицовки, эти элементы играют важную роль в направлении света, создавая структуру волновых полей рассеянного света (Серые изогнутые линии на схеме). Авторы назвали эффект этих структур «азимутальным удержанием».

Хотя основная идея того, как работает азимутальное удержание, проста, эта концепция кажется удивительно мощной в объяснении взаимосвязи между геометрией структуры оболочки и потерями удержания волокна.

«Мы ожидаем, что концепция азимутального удержания будет важна для других исследователей, изучающих эффект утечки света полыми волокнами, а также для тех, кто занимается разработкой и изготовлением новых конструкций», — сказал доктор Мерфи, первый автор статьи. .

Профессор Бэрд, руководивший проектом, добавил: «Это был действительно полезный проект, и ему требовалось время и пространство, чтобы подумать о вещах по-другому, а затем проработать все детали.

«Мы начали работать над этой проблемой при первом отключении, и сейчас я переживаю свой первый год на пенсии. Статья предлагает исследователям новый взгляд на утечку света в полых волокнах, и я уверен, что это приведет к экспериментировать с новыми конструкциями».

Доктор Мерфи финансировался Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам Великобритании.