Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны создали оптоволокно с сердцевиной, заполненной воздухом или газом. Это позволило уменьшить затухание сигнала при перемещении на большие расстояния. Статья исследователей опубликована в журнале Nature Photonics.
Современные оптические волокна обычно имеют твердую сердцевину. В волокнах такого полотна, благодаря эффекту полного внутреннего отражения свет может перемещаться на достаточно большие расстояния. Однако, интенсивность светового сигнала падает примерно в два раза через каждые 15 километров. Сигнал продолжает ослабевать и на расстоянии в 300 километров его уже практически невозможно обнаружить. Поэтому, чтобы свет продолжал двигаться, его необходимо усиливать через равные промежутки времени.
Теперь физики нашли способ избежать этого затухания. Для этого они создали полые волокна с сердцевиной, заполненной воздухом или газом. В такой среде свет затухает меньше. Однако его скорость падает при увеличении давления воздуха, а при его уменьшении световым потоком становится труднее управлять.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи использовали технологию, похожую на оптический пинцет: они воздействовали на молекулы воздуха внутри волокон с помощью звуковой волны, которая формировала их в отдельные кластеры. Благодаря дифракции света на этих кластерах, ученые смогли увеличить интенсивность изначального пучка в 100 тысяч раз при его ослаблении на определенном расстоянии от источника.
Помимо улучшения характеристик телекоммуникационных сетей, новую технологию, по словам авторов, можно использовать, например, для изготовления чрезвычайно точных термометров. Она также может найти применение в создании временной оптической памяти, так как такой метод позволяет управлять характеристиками света в оптоволокне - научившись останавливать свет в оптоволокне на микросекунду (на порядок дольше, чем достижимо сейчас), как раз и можно таким способом получить кратковременную оптическую память.
Эта технология применима к любому типу света, от инфракрасного до ультрафиолетового, и работает с любым газовым наполнителем.
«Мы всего лишь повысили давление воздуха в волокне, чтобы получить контролируемое сопротивление, — рассказал участник проекта, аспирант Фань Ян (Fan Yang). — Молекулы воздуха сжимаются и формируют равномерно расположенные кластеры. Это создаёт звуковую волну, которая увеличивается по амплитуде и эффективно рассеивает свет от мощного источника в направлении ослабленного луча, позволяя усиливать его в 100 000 раз».
Данный метод называется «Интенсивное усиление Бриллюэна в газе с использованием волноводов с полой сердцевиной».
Среди всех нелинейных эффектов стимулированное рассеяние Бриллюэна дает наивысший выигрыш в твердых материалах и демонстрирует передовые функции фотоники в волноводах. Большая сжимаемость газов предполагает, что вынужденное рассеяние Бриллюэна может повысить эффективность по сравнению с конденсированными материалами. Здесь, используя заполненное газом волокно с полой сердцевиной при высоком давлении, мы достигаем сильного усиления Бриллюэна на единицу длины, что в шесть раз превышает усиление, наблюдаемое в волокнах с твердой сердцевиной из кварца. Это большое усиление выигрывает от более высокой молекулярной плотности и меньшего акустического затухания при более высоком давлении в сочетании с плотным ограничением света. Используя этот подход, мы демонстрируем способность выполнять большие оптические усиления в волноводах с полой сердцевиной.