Παρά το γεγονός ότι ο σύγχρονος κόσμος βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ψηφιακή οπτική επικοινωνία, δεν έχει υπάρξει σημαντική βελτίωση στην ελάχιστη απώλεια – ένα μέτρο της απώλειας οπτικής ισχύος ανά χιλιόμετρο – στις οπτικές ίνες εδώ και περίπου 40 χρόνια. Η μείωση αυτής της απώλειας θα σήμαινε ότι το σήμα θα μπορούσε να ταξιδεύει σε μεγαλύτερες αποστάσεις χωρίς ενίσχυση, οδηγώντας έτσι σε μεταφορά περισσότερων δεδομένων, ταχύτερο ίντερνετ και πιο αποδοτικά δίκτυα.
Οι σημερινές ίνες μεταδίδουν το φως μέσα από πυρήνες πυριτίου, οι οποίοι έχουν περιορισμένο περιθώριο βελτίωσης ως προς τις απώλειες. Μια άλλη επιλογή είναι οι οπτικές ίνες με κοίλο πυρήνα (HCF), που θεωρητικά επιτρέπουν υψηλότερες ταχύτητες, αφού το φως ταξιδεύει ταχύτερα στον αέρα από ό,τι στο πυρίτιο. Ωστόσο, οι επιστήμονες δυσκολεύονταν να σχεδιάσουν HCF που να αποδίδουν καλύτερα από τις ίνες πυριτίου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι απώλειες ήταν μεγαλύτερες ή ο σχεδιασμός ήταν μη πρακτικός.
Η καινοτομία από το Πανεπιστήμιο του Southampton και τη Microsoft
Πλέον, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Southampton και τη Microsoft ισχυρίζονται ότι πέτυχαν σημαντική πρόοδο στο σχεδιασμό HCF, σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics. Η νέα ίνα επιτυγχάνει ιστορικά χαμηλή απώλεια 0,091 dB/km στα 1.550 nm, σε σύγκριση με το ελάχιστο των 0,14 dB/km για ίνες πυριτίου. Ο νέος σχεδιασμός διατηρεί χαμηλές απώλειες της τάξης των 0,2 dB/km σε εύρος 66 THz και προσφέρει ταχύτερη μετάδοση κατά 45%.
Οι συγγραφείς της μελέτης εξηγούν: «Απώλειες κάτω των 0,2 dB/km, συμβατές με επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, καθίστανται δυνατές από 700 nm έως πάνω από ~2.400 nm. Αυτό προσφέρει την ευκαιρία να βελτιστοποιηθούν τα μήκη κύματος μετάδοσης που επιλέγονται με βάση το πού τα οπτοηλεκτρονικά εξαρτήματα και οι τεχνολογίες ενίσχυσης παρουσιάζουν την καλύτερη απόδοση και επιτυγχάνουν το χαμηλότερο κόστος ανά bit, καθώς και τη δυνατότητα παροχής μετάδοσης χαμηλών απωλειών σε μήκη κύματος που μέχρι στιγμής ήταν απρόσιτα».
Η τεχνολογία πίσω από την ίνα
Χρησιμοποιώντας προηγμένη μοντελοποίηση, οι ερευνητές ελαχιστοποίησαν τρεις βασικούς μηχανισμούς απώλειας: διαρροή, σκέδαση επιφάνειας και μικροκάμψεις, και δοκίμασαν ίνες μήκους έως 15 km για να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματά τους. Η νέα ίνα είναι ένας τύπος nested antiresonant nodeless hollow core fiber (DNANF) με πυρήνα από αέρα που περιβάλλεται από μία εξαιρετικά μηχανικά σχεδιασμένη μικροδομή από γυαλί.
Δυνατότητες και μελλοντικές εφαρμογές
Η ομάδα πιστεύει ότι περαιτέρω έρευνα μπορεί να μειώσει τις απώλειες ακόμη περισσότερο, ενδεχομένως έως και 0,01 dB/km, και να βοηθήσει στην προσαρμογή της ίνας για λειτουργία με χαμηλές απώλειες σε διαφορετικά μήκη κύματος. Ακόμη και οι απώλειες που επιτεύχθηκαν, όμως, ανοίγουν το δρόμο για μεγαλύτερες αποστάσεις χωρίς ενίσχυση σε υποθαλάσσια και επίγεια καλώδια, αλλά και για εφαρμογές όπως η υψηλής ισχύος μετάδοση λέιζερ και η αισθητηριακή τεχνολογία.
Οι συγγραφείς καταλήγουν λέγοντας:
«Λαμβάνοντας υπόψη τα αναφερόμενα αποτελέσματα, είμαστε βέβαιοι ότι, με τις εξελίξεις στους παραγόμενους όγκους, τη γεωμετρική συνέπεια και τη μειωμένη παρουσία απορροφητικών αερίων στον πυρήνα, τα DNANF HCF θα καθιερωθούν ως μια κεντρική τεχνολογία κυματοδήγησης. Αυτή η καινοτομία έχει τη δυνατότητα να επιτρέψει το επόμενο τεχνολογικό άλμα στις επικοινωνίες δεδομένων.»
More information: Marco Petrovich et al, Broadband optical fibre with an attenuation lower than 0.1 decibel per kilometre, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01747-5
Journal information: Nature Photonics
