6 دقیقه
طراحی جدید فیبری که نور را از طریق هوا هدایت میکند
پژوهشگران کلاس جدیدی از فیبرهای نوری را طراحی کرده‌اند که هستهٔ معمولیِ جامدِ سیلیکا را با هسته‌ای توخالی از هوا جایگزین میکند که اطراف آن را یک ریزساختار شیشه‌ای با الگوی دقیق فراگرفته است. این فیبر میکروساختاری با هستهٔ توخالی، نور را با تلفات بسیار کمتر و یک بازهٔ انتقال پهن‌تر نسبت به فیبرهای شیشهایِ جامد استاندارد هدایت میکند؛ امری که می‌تواند فاصلهٔ بین تقویت‌کننده‌های نوری را در ارتباطات دوربرد افزایش داده و ظرفیت قابل استفادهٔ داده در لینک‌های بین‌قاره‌ای و طولانی را بالا ببرد.
پیشینهٔ علمی و اهمیت آن برای مخابرات
فیبرهای تک‌حالتهٔ مرسوم در مخابرات بر پایهٔ هسته‌ای از شیشهٔ سیلیکا ساخته شده‌اند. با وجود بهبودهای فراوان در مواد و طراحی طی دهه‌ها، جذب و پراکندگی ذاتی در شیشه هنوز موجب افت سیگنال می‌شود. در شبکههای واقعی این افت باعث می‌شود تا تقویت‌کننده‌های نوری هر چند ده کیلومتر جای‌گذاری شوند — برای بسیاری از فیبرهای استاندارد، تقریباً هر 20 کیلومتر نیمی از توان ورودی ممکن است از دست برود — که این موضوع هزینه، مصرف انرژی و پیچیدگی را برای لینک‌های زمینی، زیردریایی و بین‌قاره‌ای افزایش میدهد.
فیبرهای هستهتوخالی با محدود کردن تعامل نور با شیشهٔ جامد و متمرکز کردن بخش اعظم حالت هدایتشده در هوای کمتلفات، این مشکل را کاهش می‌دهند. از آن‌جا که هوا در طول‌موج‌های مخابراتی جذب و پراکندگی بسیار کمتری نسبت به شیشه دارد، طراحی‌های هستهتوخالی میتوانند تضعیف را به‌طرزی چشمگیر کاهش دهند و در بازهٔ طیفی وسیع‌تری عملکرد با تلفات پایین ارائه کنند. داشتن یک پنجرهٔ انتقال با تلفات پایین و پهن‌تر همچنین اجازه میدهد کانال‌های طول‌موج بیشتری هم‌زمان مورد استفاده قرار گیرند و از طریق تقسیم‌طول‌موج (WDM) توان خام انتقال داده افزایش یابد.
جزئیات آزمایش و اندازه‌گیری‌های کلیدی
با هدایت فرانچسکو پولتی در دانشگاه ساوت‌همپتون، تیم یک موجبر میکروساختاری شامل کانال مرکزی توخالی محاط‌شده در الگوی حلقه‌های نازک سیلیکا را ساخت. در آزمایش‌های کنترل‌شدهٔ آزمایشگاهی، این فیبر به تضعیف نوری تا 0.091 دسی‌بل بر کیلومتر در یک طول‌موج رایج مخابراتی دست یافت — رقمی که نشان‌دهندهٔ امکان عبور سیگنال‌ها تقریباً 50٪ مسافت بیشتر بین ایستگاه‌های تقویت‌کننده نسبت به بسیاری از فیبرهای قدیمیِ هستهٔ جامد است.
علاوه بر تضعیف پایین، فیبر جدید پنجرهٔ انتقال بسیار وسیع‌تری نشان میدهد (دامنهٔ طول‌موج‌هایی که هم تلفات و هم اعوجاج کمتری دارند)، که امکان عملیات پهن‌باند وسیع‌تر و پشتیبانی از نرخ‌های دادهٔ تجمعی بالاتر را فراهم می‌آورد. نویسندگان همچنین اشاره می‌کنند که افزایش قطر هستهٔ هوایی می‌تواند تلفات را بیشتر کاهش دهد، هرچند این رویکرد نیازمند مهندسی اضافی برای حفظ پایداری مدال و قابلیت تولید است.
معادلات طراحی و تولید
فیبرهای میکروساختاری هستهتوخالی نیازمند دقت هندسی بسیار بالا و کنترل گازهای داخلی هستند: مولکول‌های جاذب باقی‌مانده در داخل هستهٔ توخالی میتوانند تلفات را افزایش دهند و تلرانس‌های تولید بر محصورسازی مد و پهنای‌باند تأثیر می‌گذارند. مقیاسبندی از نمونهٔ آزمایشگاهی تا قرقرههای کیلومتری فیبر مستلزم پیشرفت در فرایند کشش، کنترل کیفیت و مدیریت گازها خواهد بود.
پیامدها برای شبکه‌ها، مراکز داده و کابلهای زیردریایی
در صورت صنعتی‌شدن، فیبرهای هستهتوخالی میتوانند تعداد تقویت‌کننده‌های نوری مورد نیاز در لینک‌های طولانی را کاهش دهند و بدین‌ترتیب مصرف انرژی و هزینهٔ عملیاتی را پایین آورند. بازهٔ گسترده‌تر انتقال برای سیستم‌های WDM متراکم نسل بعدی جذاب است و به اپراتورها بهره‌وری طیفی بالاتر و ظرفیت رشد ترافیک آتی ناشی از خدمات ابری، بکهاول 5G/6G و پخش محتوای با وضوح بالا میدهد.
این فیبرها برای سیستم‌های زمان‌بندی دقیق و ارتباطات کوانتومی نیز مرتبط‌اند، جایی که کاهش تاخیر و نویز فازی کمتر به‌دلیل تعامل کمتر با شیشه می‌تواند به بهبود وفاداری لینک کمک کند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر میرا آلوارز، مهندس سامانه‌های نوری (نمونهٔ ساختگی)، اظهار داشت: "رویکردهای هستهتوخالی یکی از امیدوارکننده‌ترین مسیرها برای شکست محدودیت‌های کنونی در تلفات و پهنای‌باند هستند. نتیجهٔ زیر 0.1 دسی‌بل بر کیلومتر تیم ساوت‌همپتون دلگرم‌کننده است — اما آزمون واقعی، تولید انبوه قابل‌اطمینان و آزمایش‌های میدانی در شرایط محیطی متغیر خواهد بود. اگر این موانع رفع شوند، اپراتورهای مخابراتی میتوانند پایه‌های دوربرد را با تقویت‌کننده‌های کمتر و مصرف انرژی بسیار پایین‌تر بازطراحی کنند."
چشم‌اندازهای آتی و گام‌های بعدی
نویسندگان پیشنهاد می‌کنند که بهبود یکنواختی هندسی، افزایش حجم تولید و حذف گازهای جاذب داخل هسته تضعیف را بیشتر کاهش داده و بهره‌وری را افزایش خواهد داد. کارهای بعدی احتمالاً روی مقیاسبندی فرایند کشش به طول‌های صنعتی، اثبات سازگاری اتصالات (splice) با زیرساخت‌های فیبر موجود و آزمایش میدانی در محیط‌های زمینی و زیردریایی متمرکز خواهد بود. این پژوهش در Nature Photonics منتشر شده و نقشه‌راهی برای ادغام فیبرهای میکروساختاری هستهتوخالی در شبکههای نوری تجاری ترسیم میکند.
نتیجه‌گیری
فیبرهای نوری میکروساختاری با هستهٔ توخالی ترکیبی قانع‌کننده از تلفات کمتر و پهنای‌باند وسیع‌تر ارائه می‌دهند که می‌تواند ارتباطات دوربرد را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد. با هدایت نور عمدتاً از طریق هوا به‌جای شیشه، این فیبرها میتوانند فاصلهٔ بین تقویتکنندهها را افزایش دهند، ظرفیت طیفی را بالا ببرند و مصرف انرژی در لینک‌های حیاتی بک‌بون و زیردریایی را کاهش دهند. گرچه چالشهایی در تولید و یکپارچه‌سازی باقی است، این فناوری مسیر امیدوارکننده‌ای برای نسل بعدی ارتباطات نوری جهانی به‌شمار می‌رود.
منبع: sci
.avif)
نظرات