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高壓玻璃處理可將光纖信號損耗降低50%
材料來源:lfwc           錄入時間:2021/6/3 20:25:11

文/John Wallace

 

根據(jù)北海道大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員及行業(yè)合作者進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬,通過在4GPa(約四萬個大氣壓)的高壓下制備石英(SiO2)玻璃光纖,可以顯著改善光纖的數(shù)據(jù)傳輸性能。[1]結(jié)果表明,用這種方法制備的石英玻璃光纖,其傳輸信號的損耗可以降低50%以上,這將大大延伸在無需放大的情況下,數(shù)據(jù)的可傳輸距離。如果這種方法切實(shí)可行,它無疑將是光纖行業(yè)的一個巨大進(jìn)步。

北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所(RIES)的副教授Madoka Ono說:“盡管從技術(shù)上來說,這種方法將具有挑戰(zhàn)性,但我們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以幫助指導(dǎo)未來的物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)工藝。”

圖1:當(dāng)玻璃在較高壓力下淬火時,會使石英玻璃中“導(dǎo)致光散射和信號下降的空隙(黃色)”變得越來越小。

科學(xué)家們正在尋求方法降低光纖中的瑞利光散射,以幫助加速數(shù)據(jù)傳輸(并進(jìn)一步接近量子通信)。Madoka Ono和她的合作伙伴使用多種計(jì)算方法來預(yù)測高溫高壓下,石英玻璃的原子結(jié)構(gòu)會發(fā)生什么變化。他們發(fā)現(xiàn),在加熱玻璃然后在低壓下冷卻(淬火)時,石英原子之間會形成大的空隙。但是當(dāng)此工藝在4GPa下完成時,大多數(shù)大的空隙消失了,玻璃呈現(xiàn)出均勻得多的晶格結(jié)構(gòu)。

具體而言,模型顯示玻璃經(jīng)歷了物理轉(zhuǎn)變,較小環(huán)的原子被消除或“修剪”,從而使較大的環(huán)更緊密地連接在一起。這有助于減少大空隙的數(shù)量和空隙的平均尺寸(這些空隙會導(dǎo)致瑞利散射),從而使信號損耗降低50%以上。

研究人員推測,在較高壓力下使用較低的冷卻速率,甚至可以實(shí)現(xiàn)更大的改進(jìn)。對于具有相似結(jié)構(gòu)的其他類型的無機(jī)玻璃,也可以探索該工藝。但是,實(shí)際上很難在如此高壓下以工業(yè)規(guī)模制造玻璃光纖。

Madoka Ono說:“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‘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。”

Madoka Ono來自北海道大學(xué)RIES納米結(jié)構(gòu)功能材料實(shí)驗(yàn)室。她主要關(guān)注通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析來研究無機(jī)玻璃和石英玻璃的性能。

參考文獻(xiàn)

1. Yongjian Yang et al., npj Computational Materials, (September 17, 2020); doi: 10.1038/s41524-020-00408-1.
 


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