Новые достижения в области оптоволоконных технологий от ученых из РФ и Индии

Группа специалистов из РФ и Индии исследовала параметры пары классов оптических волокон с особой микроструктурой. Смысл опытов – поиск способов сделать передачу информации быстрее, стабильнее, надежнее.

Передача информации в виде световых импульсов осуществима на многокилометровые расстояния на скоростях в сотни гигабит в секунду. Коаксиальным или Ethernet-кабелям, где данные передаются в виде электрического разряда, подобные показатели не доступны.

Среда для распространения световой волны – оптическое волокно. Несмотря на достигнутый прогресс, ученые не прекращают исследования. Не так давно были представлены новые усовершенствования, ценные для телекоммуникационной, медицинской и других отраслей, где востребовано оптоволокно.

Микроструктура и эффективность

Группа специалистов из РФ и Индии исследовала параметры пары классов оптических волокон с особой микроструктурой. Смысл опытов – поиск способов сделать передачу информации быстрее, стабильнее, надежнее.

В ходе исследования была подготовлена модель распространения световой волны в различных волокнах с микроструктурой. Ученые определили модовые и дисперсионные показатели коммуникационных линий. Микроструктура предполагает распространение оптического импульса по светопроводящим каналам. Как правило, они состоят из небольших воздушных полостей, пустот, показатель преломления которых отличен от базового материала.

Линии связи с микроструктурой более совершенны, в сравнении со стандартными. Они допускают точную корректировку показателя преломления, совместимы с требовательными приложениями, чувствительными датчиками, детекторами.

Специфика анализа

Группа специалистов рассмотрела дисперсионные параметры пары классов усовершенствованных волокон с гексагональной микроструктурой. Ассиметричная сердцевина первого класса сделана в виде пропуска одного отверстия, второго – с кольцевой структурой. Расчеты продемонстрировали, что для асимметричного сердечника характерна поддержка лишь пары мод, кольцевого – 12. Впрочем, асимметрия способствует сохранению исходной конфигурации световых импульсов – они не расширяются, что ценно для телекоммуникационных приложений.

Особенности работы волокон позволили сделать следующие выводы об их оптимальном применении:

• Асимметричное – маломодовые системы и устройства, например индикаторы деформаций, давления, температуры и прочих физических величин. Сигнал передается максимально стабильно.
• Кольцевое – технологичные телекоммуникационные системы, требующие максимальной пропускной способности.

“Собранная информация, выводы, сделанные специалистами – все это может использоваться как база для дальнейшего совершенствования оптических волокон с микроструктурой, поиска новых конфигураций сердцевины.” – отмечают в LANart (lan-art.ru).

Модернизированное оптоволокно планируется использовать не только в обычных коммуникационных линиях, но и в сложном многофункциональном оборудовании. Его возможности должны быть достаточны для фильтрации, трансформации сигнала, быстрого переключения между подключенными системными модулями.

Совершенствование материалов

Успехами поделились и специалисты, представляющие нижегородский Институт химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН. Им удалось получить халькогенидное стекло с идеальными оптическими свойствами, собрать на его базе лазер, генерирующий световой импульс, длина волны которого составляет 5.8 мкм.

Характеристики селенидного стекла выше стандартного. Отмечен почти двукратный прирост поддерживаемой длины волны, с обычных 3.9 мкм до 5.8. Дополнительное преимущество – возможность активации лазера от недорогого диода, что снижает себестоимость оборудования, расширяет области его эксплуатации. Исследователи полагают, что разработка однозначно будет полезна в медицине, промышленных системах автоматизации и безопасности.

Направленность исследований

Для оптоволокна, сформированного сердечником и оболочкой из стекла, модифицированного редкоземельными металлами, характерна способность к поглощению внешних оптических импульсов, генерированию – собственных, отличных по спектральному диапазону.

Стандарт для выпуска лазеров, работающих в среднем ИК-диапазоне – стекла, улучшенные фторидом и теллуритом. Ограничение – длина волны в 3.9 мкм. Для некоторых областей этого хватает, но для медицинских, производственных систем – недостаточно.

Нижегородским ученым удалось улучшить стекло халькогенидными добавками. Лазеры на его основе создают ИК-волну от 5.6 до 5.83 микрометров. Этот диапазон соответствует даже медицинским и химическим приложениям. Волна уверенно фиксирует следующее:

• Патологии органов пищеварения.
• Заболевания эндокринной системы.
• Превышения в среде ПДК серы, углерода и других вредных веществ.

Подобная чувствительность объясняется спектральным диапазоном – он четко соответствует полосе поглощения органических, неорганических соединений.

Производство

Алгоритм выпуска модифицированного стекла:

1. Изготовление селенидного материала высокой чистоты. Базовое требование – минимум посторонних примесей, газов и металлов.
2. Добавление празеодима. Для реализации технологического процесса используется кварцевый реактор. Формируется вакуумная среда, повышается температура. Пары селена пропускают через германий и сурьму. В сформированный газ при температуре около 780 градусов по технологии парового транспорта добавляются галлий и празеодим.
3. Выплавка материала.
4. Закалка и отжиг стеклянных заготовок.

Технология сложна, но сложность компенсируется результатом. Чистота материала максимальна, содержание посторонних примесей измеряется десятитысячными долями процента. Технологичное стекло – основа для сердечника оптоволокна. Для тестов нижегородские специалисты создали пробный 50-метровый отрезок, общий диаметр которого – 0.22 миллиметра, а сердечника – 0.026.

Испытания и итоги

Конечно, эксперимент не имел бы смысла без практической части. Нижегородские ученые проверили, насколько эффективно световод способен продуцировать лазерное излучение, каковы его спектральные, энергетические параметры.

Источником света стал обычный ИК-диод, формирующий волну длиной 1.46 мкм. Волокно увеличивало показатель до 5.83 мкм, повышало мощность. Замеры показали, что сигнал на выходе такой же, как в высокотехнологичных лазерах.

Максим Суханов, один из ведущих специалистов ИХВВ РАН, подчеркнул, что группа продолжит исследования. Новая задача – сделать лазер мощнее, оптимизировать расход энергии. Максим полагает, что решить поставленную задачу удастся за счет дальнейшего обогащения материала празеодимом. Сфер, где можно использовать модифицированный лазер, множество, но наиболее существенны его параметры для медицины. Он поможет упростить и повысить точность массы патологий, вплоть до наиболее серьезных.