Die nächste Generation optischer Fasern

Auf den ersten Blick sind diese neuen Materialien einfach seltsam: dünn wie ein Haar, transparent und voller Löcher. Wie die Glasfasern, die das Rückgrat der Telekommunikationsindustrie darstellen, bestehen sie aus Glas. Doch dort enden die Ähnlichkeiten mit herkömmlichen Materialien kreischend.

Das Zentrum jeder dieser neuartigen Fasern – die an der University of Bath in England hergestellt werden – ist hohl. Bei bestehenden Lichtwellenleitern wird Licht durch einen Glaskern übertragen. In den bei Bath hergestellten Fasern wandert Licht ungehindert durch die Luft. Der Lichtstrahl wird durch die Löcher im umgebenden Glasmaterial auf den hohlen Kern begrenzt, der im Querschnitt wie eine Wabe aussieht und einen strengen Lichtverbotsbereich schafft. Die Möglichkeit, Licht auf diese Weise in der Luft einzuschließen, könnte laut Philip Russell, einem Physiker aus Bath, die Telekommunikation komplett revolutionieren.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2001



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Der Grund für die Aufregung liegt darin, dass das Senden von Licht durch Luft statt durch Glas zumindest im Prinzip die Effizienz und Kapazität heutiger Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsnetze erheblich steigern könnte. Diese neuen Materialien, die als photonische Kristallfasern bezeichnet werden, sollten weniger Licht durchlassen und intensivere Lichtimpulse ohne Verzerrung übertragen, wodurch die Notwendigkeit verringert wird, ein Signal ständig zu verstärken – eine teure Aufgabe in heutigen optischen Netzwerken. Photonische Kristallfasern sollen in der Lage sein, viel mehr Informationen über Glasfasernetze zu übertragen und gleichzeitig die Installations- und Wartungskosten zu senken. Sie werden zu bestehenden Glasfasern wie eine 10-spurige Autobahn zu einer Landstraße führen. Sie werden nicht nur mehr Verkehr beanspruchen, sondern die Fahrt wird reibungsloser und das Auftanken entfällt.

Die Entwicklung dieser neuen Generation optischer Fasern steht noch am Anfang. Selbst die fortschrittlichsten der neuen Materialien bleiben mehrere Jahre von einer weit verbreiteten kommerziellen Verwendung entfernt. Aber da so viel auf dem Spiel steht – optische Telekommunikation ist ein Multimilliarden-Dollar-Geschäft – mehrere Industrielabore, darunter Corning und eine Handvoll Start-ups, sind auf der Jagd nach ihren eigenen Versionen von photonischen Fasern. Es ist noch zu früh, um vorherzusagen, was sich durchsetzen wird, aber konkurrierende Ansätze, die an der University of Bath und am MIT entwickelt wurden, konkurrieren bereits Kopf-an-Kopf, um die Glasfaser von morgen zu werden.

Diese Bemühungen könnten gerade rechtzeitig für die Telekommunikationsbranche Früchte tragen. Die enorme Ausweitung der optischen Datenübertragung über große Entfernungen in den letzten Jahren, gespeist durch das Wachstum des Internets und seiner bandbreitenintensiven Anwendungen, hat Forscher dazu veranlasst, Wege zu finden, mehr Licht und komplexere Signale durch Glasfasern zu schießen ( sehen Wellenlängen-Multiplexing , TR März/April 1999 ). Doch viele Experten gehen davon aus, dass es in den nächsten Jahrzehnten unmöglich sein wird, mehr Leistung aus der aktuellen Glasfasergeneration herauszupressen. Obwohl es schwierig ist, genau vorherzusagen, wann die Straßensperre erreicht wird, glaubt Jim West, ein Wissenschaftler in Cornings Forschungslabors in New York, definitiv, dass wir an diese Grenzen stoßen werden. Und dann wird die nächste Generation von Glasfasern entscheidend sein, um den scheinbar endlosen Appetit der Welt auf Bandbreite zu stillen.

Leichte Konversation

Obwohl photonische Fasern 2001 eine Technologie der nächsten Generation waren, reicht die Geschichte der Übertragung von Sprachdaten mithilfe von Licht mehr als ein Jahrhundert zurück. Nach der Erfindung des Telefons im Jahr 1876 ruhte sich Alexander Graham Bell nicht auf seinen Lorbeeren aus. 1880 zeigte er, dass Licht statt Elektrizität die Worte einer Person zu einem fernen Ohr tragen kann. Bells Fotophon verwendet vibrierende Spiegel, um Schall über das Sonnenlicht zu übertragen. Aber es war eine Idee, lange vor ihrer Zeit. Das Senden elektrischer Signale über Kupferkabel erwies sich als viel zuverlässiger, und das Fotophon geriet weitgehend in Vergessenheit, als die Telefonleitungen die Welt verschlangen.

Nach acht Jahrzehnten der Vormachtstellung des Kupferdrahts brachte die Erfindung des Rubinlasers im Jahr 1960 wieder Licht auf die Kommunikationsagenda. Hier war eine Quelle, die hell genug war, um wirklich Licht zum Laufen zu bringen. So wie der Transistor das Zeitalter der Mikroelektronik einläutete, läutete der Laser das Zeitalter der Photonik ein. 1970 gab Corning stolz bekannt, dass es einen Laserstrahl durch eine Glasfaser geschickt und am anderen Ende, einen Kilometer entfernt, bis zu einem Prozent des Lichts zurückgewonnen hat (die heutigen Glasfasern sind so effizient, dass 80 Prozent des Lichts das überleben Distanz). In den 1980er Jahren begannen Telefongesellschaften, Kupferkabel durch Glasfasern zu ersetzen.

Eine Glasfaser kann tausendmal mehr Daten übertragen als ein Kupferkabel: Im Prinzip kann eine einzelne Faser bis zu 25 Billionen Bits pro Sekunde übertragen. Das ist genug Kapazität, um alle Telefongespräche zu führen, die zu jedem Zeitpunkt in den Vereinigten Staaten stattfinden – mit noch freiem Platz. Kein Wunder, dass das weltweite Netz der Informationstechnologie aus lichtdurchlässigem Glas gewoben wird.

In einer herkömmlichen Lichtleitfaser wird Licht in einem Innenstab aus Quarzglas durch eine Ummantelung aus Glas mit einer etwas anderen Zusammensetzung als der des Kerns eingeschlossen. Typischerweise werden dem Kern geringe Mengen Germanium oder Phosphor zugesetzt (ein Vorgang, der als Dotierung bezeichnet wird), wodurch er einen anderen Brechungsindex als der Mantel erhält. Licht, das auf die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel trifft, wird reflektiert, sodass das Signal hin und her springt und im Kern verbleibt. Informationen werden in einer Reihe von Impulsen von elektronisch gesteuerten Lasern codiert und durch die Faser zu einem Fotodetektor am anderen Ende gefeuert, der das Signal zur Verarbeitung in einem Telefon, Computer oder Routing-Gerät wieder in elektrische Form umwandelt.

Klingt gut. Also, wo ist der Haken? Es ist eine Frage der Grenzen. Da Kommunikationsnetze größer, ausgelastet und ehrgeiziger werden, werden die Nachteile herkömmlicher Glasfasern offensichtlich, und bestehende Glasfasernetze werden schließlich nicht in der Lage sein, damit fertig zu werden. Ein Faktor, der die Leistung einschränkt, ist das Verblassen des Lichtsignals über die Entfernung. Ein gewisser Teil des Lichts wird gestreut – Verunreinigungen in der Kieselsäure stören die Übertragung eines Teils des Signals – während es durch den Glaskern wandert; anderes Licht entweicht einfach ganz aus der Faser, weil die Grenzfläche zwischen Glaskern und Mantel kein perfekter Spiegel ist.

Ohne Abhilfe würden diese Verluste die Glasfaserkommunikation über lange Distanzen lahmlegen: 80 Prozent der Übertragung über einen Kilometer würden weniger als den Geist eines Signals am anderen Ende eines transatlantischen Kabels hinterlassen. Die Antwort ist, das Licht alle 70 Kilometer oder so zu verstärken. Aber Verstärker sind teuer und benötigen ihre eigenen Stromquellen ( sehen 5 Patente im Auge behalten: Booster Shots ). Jeder Verstärker erhöht typischerweise den Preis einer Fernübertragungsleitung um eine Million Dollar. Für ein Kabel von tausenden Kilometern Länge beginnt sich das zu echtem Geld zu summieren. Und wenn mitten im Atlantik ein Verstärker ausfällt, bleibt nichts anderes übrig, als ein Schiff auszusenden, um das Kabel auszubaggern. Es kostet ein Vermögen, sie auf dem Meeresgrund zu reparieren, sagt Russell von Bath.

Diese entmutigende wirtschaftliche Realität ist der Ansporn für die Entwicklung der neuen Fasergeneration. OmniGuide Communications mit Sitz in Cambridge, MA, das letztes Jahr von mehreren MIT-Professoren gegründet wurde, behauptet, dass seine neuen Fasern in der Lage sein werden, die Verluste so gering zu halten, dass keine Verstärkung erforderlich wäre. Zudem soll die nutzbare Bandbreite deutlich größer sein als bei bestehenden Glasfasern. Der Trick besteht darin, den Glaskern der Faser zu entfernen und durch - nun ja, gar nichts zu ersetzen.

Pure Luft

Es klingt so offensichtlich. Licht wandert mit geringer Streuung durch die Luft. Warum also nicht einfach Laserlicht durch eine hohle Glasröhre schicken? Die Antwort liegt in der Physik. Um die interne Reflexion zu erreichen, die erforderlich ist, um das Licht in der Mitte einer herkömmlichen optischen Faser zu halten, muss der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als das innere Medium. Aber alle bekannten Materialien haben einen höheren Brechungsindex als Luft. Die konventionelle Anordnung funktioniert also nicht bei der Herstellung einer Hohlfaser.

Das bedeutet, dass ein unkonventioneller Ansatz erforderlich ist. Geben Sie photonische Kristallfasern ein. Forscher weltweit sind damit beschäftigt, Materialien herzustellen, die als Lichtisolatoren fungieren, die für Licht undurchlässig sind, genauso wie die meisten Kunststoffe für elektrische Ströme undurchlässig sind. Im Jargon der Physik haben diese Lichtisolatoren eine photonische Bandlücke, die bestimmten Lichtwellenlängen entspricht; diese Wellenlängen können einfach nicht in das Material eindringen. Bei richtiger Verarbeitung sollten diese Materialien - anders als die Ummantelung aus Glasfasern - aus einem darin eingewickelten leeren Kern praktisch kein Licht entweichen lassen.

Natürlich verhindern viele Substanzen den Lichtdurchtritt; Dies liegt jedoch im Allgemeinen daran, dass die Materialien das Licht einfach absorbieren, anstatt es zu reflektieren. Und während Sie sich metallische Spiegel – versilbertes Glas – als gute Lichtreflektoren vorstellen könnten, ist die Wahrheit, dass sie nicht annähernd genug reflektieren, um in Faseroptik zu funktionieren; sie absorbieren und zerstreuen einen kleinen, aber signifikanten Teil eines einfallenden Strahls. Ein Lichtsignal, das sich durch eine silberbeschichtete Glasröhre ausbreitet, würde nur eine kurze Strecke zurücklegen, bevor es vollständig zerstreut wird. Auf der anderen Seite blockieren Materialien mit photonischer Bandlücke alle Photonen bestimmter Wellenlängen; das einfallende Licht wird nahezu perfekt reflektiert. Mit anderen Worten, sie sind genau das Richtige, um Licht in einem Hohlrohr einzuschließen.

1998 fertigte Yoel Fink, damals Doktorand am MIT, einen perfekten Spiegel aus einem Material mit photonischer Bandlücke. Andere hatten zuvor spezielle Spiegel aus dünnen Schichten dielektrischer Materialien hergestellt (Materialien, die elektrisch geladene Partikel enthalten, aber isolierende Eigenschaften haben). Diese Spiegel haben photonische Bandlücken und können äußerst effiziente Reflektoren sein, aber sie haben einen großen Fehler: Sie arbeiten nur mit Licht, das absolut frontal einfällt, was ihren Einsatz auf spezielle Anwendungen beschränkt. Fink hat herausgefunden, wie man eine Version eines dielektrischen Spiegels herstellt, der das einfallende Licht aus allen Winkeln reflektiert, wie es das Material im Kern eines Glasfaserfadens tun müsste.

Wie wird Neugier angetrieben?

Sobald Sie einen solchen Spiegel haben, ist das kommerzielle Potenzial (zumindest für Photonik-Forscher) offensichtlich. Fink und zwei seiner MIT-Professoren, der Physiker John Joannopoulos und der Materialwissenschaftler Edwin Thomas, waren zusammen mit Uri Kolodny Mitbegründer von OmniGuide. Ziel des Unternehmens ist es, den perfekten Spiegel als Mantel für eine Glasfaser zu verwenden. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen flachen Spiegel und biegen ihn um die Innenseite einer Röhre, und Sie erhalten ein grobes Bild einer OmniGuide-Faser.

Wie gering sind also die Lichtverluste in einer solchen Faser der nächsten Generation? Da sich das Unternehmen noch in den Kinderschuhen befindet, halten die Gründer diese Informationen fest im Kopf. Alles, was ich zu diesem Zeitpunkt sagen kann, sagt Joannopoulos, ist, dass wir mit einer Hohlrohr-OmniGuide [Faser] prinzipiell weniger Verluste erzielen könnten als mit Glasfaser. Aber für eine Telekommunikationsbranche, die immer mehr Licht durch optische Netze bringen möchte – und schließlich an die Grenzen der Glasfaser der aktuellen Generation stößt – sind selbst solche sorgfältig formulierten Ankündigungen verlockend.

Das Unternehmen entwickelt eine Reihe von Faserprodukten basierend auf dem OmniGuide-Konzept. Diese Fasern sind theoretisch weitaus effizienter bei der Lichtübertragung als eine Standard-Lichtleitfaser. Tatsächlich sollten sie in der Lage sein, die derzeitigen Beschränkungen von Glasfasern zu überwinden und unter anderem einen geringeren Signalverlust zu erreichen, wenn das Licht die Faser entlang wandert. Eine solche Leistungssteigerung sei möglich, sagt Fink, jetzt Assistenzprofessor für Materialwissenschaften am MIT, weil wir einen konkurrenzlosen Grad an Einschließung erreichen können.

Die OmniGuide-Fasern sollten in der Lage sein, viel intensivere Signale zu übertragen als normale optische Fasern. Hochintensives Licht, das sich in Glasfasern ausbreitet, leidet unter Verzerrungen, die die Übertragung von Signalen bei verschiedenen Wellenlängen stören können, was zu Übersprechen zwischen Kanälen führt, es sei denn, sie sind in der Frequenz weit getrennt. Dieser Effekt begrenzt die Anzahl der verschiedenen Wellenlängen, die Sie in eine herkömmliche Glasfaser stopfen können, und auch, wie hell sie sein können. Da Signale in der Luft diese Effekte nicht erleiden, erklärt Fink, kann die OmniGuide-Faser Signale mit höheren Leistungen übertragen, wobei die Kanäle enger beieinander liegen. Das sind großartige Neuigkeiten für Telekommunikationsunternehmen, da stärkere Signale weiter übertragen werden, bevor Verluste sie beeinträchtigen, und engere Kanäle bedeuten, dass mehr Daten innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs gepackt werden können.

Der MIT-Ansatz ist jedoch nur eine Möglichkeit, eine photonische Faser herzustellen. Andere Forscher haben Materialien mit photonischer Bandlücke hergestellt, die im Querschnitt wie eine Honigwabe sind, in der die Löcher Strukturen bilden, die den Eintritt von Licht bestimmter Wellenlängen verhindern. Diese Art von photonischen Kristallen, die erstmals in den späten 1980er Jahren hergestellt wurden, blockieren auch das Licht fast vollständig. Die bei Bath hergestellten Glasfasern sind beispielsweise von einer geordneten Anordnung von Löchern durchdrungen, die über seine gesamte Länge parallel zum Faden verlaufen; in der Mitte befindet sich ein leerer Kern, in dem das Licht nahezu perfekt eingegrenzt werden kann. Um einen Hinweis auf die Präzision bei der Herstellung der Fasern zu geben, würden die in Bath hergestellten experimentellen Fasern Jupiter erreichen, wenn die langen, parallelen Löcher den Durchmesser des Chunnels hätten, der England und Frankreich verbindet. Wie bohrt man so perfekte Tunnel durch einen Glasstrang, der dünner als ein menschliches Haar ist?

Zum Glück müssen die Löcher überhaupt nicht gebohrt werden. Sie sind genial konstruiert, indem die Glasfasern aus einem Bündel hohler Kapillarröhrchen gezogen werden. Die Rohre werden in einer sechseckigen Anordnung von einigen Zentimetern Breite zusammengepackt und das Bündel wird erhitzt, um das Glas zu erweichen. Wenn das Array zu einer feinen Faser herausgezogen wird, wird sein Querschnitt um einen Faktor von ungefähr tausend geschrumpft, bleibt jedoch mit Löchern durchzogen.

Zunächst bauten die Bath-Physiker einen lichtleitenden Kanal im Kern der Faser, indem sie die zentrale Glaskapillare durch einen massiven Glasstab ersetzten. Aber immer noch besser, als das Licht in einem festen Kern zu tragen, wäre es, es durch einen hohlen Kern durch die Luft zu schicken, mit den sehr geringen Verlusten und ohne Verzerrung, die dies mit sich bringt. In Zusammenarbeit mit Douglas Allan, einem Forscher bei Corning, ist es dem Team von Bath im Jahr 1999 gelungen, Lichteinschluss in einer photonischen Kristallfaser mit Hohlkern zu erreichen. Kürzlich haben sie aus ihren neuartigen Materialien viele Meter lange optische Fasern geformt.

Photonisches Finish

Die Übernahme bestehender Glasfasern wird eine große Aufgabe. Herkömmliche Glasfasern wurden über mehrere Jahrzehnte optimiert und werden mit bewährter Technologie hergestellt. Im Gegensatz dazu stellen die neuen photonischen Fasern eine Herstellungsunbekannte dar. Zum einen muss ihre Struktur exakt sein. Die bestehenden [Fertigungs-]Systeme sind dem einfach nicht gewachsen, gibt Russell zu.

Dennoch stehen Unternehmen Schlange, um die Herausforderungen der Kommerzialisierung zu meistern. Laut Fink arbeitet OmniGuide an einer Reihe von Produkten, die auf unterschiedlich langen Fasern basieren. Zu den Projekten gehören die Entwicklung aktiver faserbasierter Geräte für optisches Switching sowie die Entwicklung von Fasern für die Lichtübertragung über 10 bis 100 Meter, die für Aufgaben wie die Verbindung von Servern über kurze Distanzen nützlich sein könnten. Langstreckenfasern für Telekommunikationsnetze werden die größte Wirkung haben, sagt Fink, aber diese werden noch ein wenig Zeit in Anspruch nehmen.

Forscher der Bath-Gruppe haben ihr eigenes Spin-off BlazePhotonics ins Leben gerufen und sich Finanzierungen von Risikokapitalfirmen in Großbritannien und den USA gesichert. In Dänemark stellt ein Unternehmen namens Crystal Fibre, das von Wissenschaftlern der Technischen Universität von Dänemark in Lyngby gegründet wurde, die früher mit der Bath-Gruppe zusammenarbeiteten, photonische Fasern mit einem massiven Glaskern her. Während die ersten Produkte beispielsweise zum Einschließen von Licht in hochpräzisen Lasern dienen, verliert niemand den großen Preis aus den Augen. Telekommunikation sei auf jeden Fall das mittelfristige Ziel, sagt CEO Michael Kjaer.

Wie die Gründer von Crystal Fibre in Dänemark haben Wissenschaftler von Corning in der Vergangenheit eng mit den Bath-Forschern zusammengearbeitet, aber jetzt rasen sie alleine auf den Markt. Jim West berichtet, dass das Unternehmen nun photonische Fasern mit einer Länge von bis zu hundert Metern herstellen kann. Aber er behält sich ein Urteil darüber vor, ob die neuen Materialien letztendlich die Datenautobahn verändern werden. Herkömmliche Glasfasern seien schwer zu toppen. Erst wenn man anfängt, mit den State-of-the-Art-Versionen zu arbeiten, merkt man, wie bemerkenswert sie sind.

Obwohl das Senden von Licht durch die Luft viele der Einschränkungen heutiger Fasern lösen kann, wirft es seine eigenen Probleme auf. Zum einen ist die Luftzusammensetzung nicht einheitlich; Infolgedessen kann Licht in verschiedenen Teilen der Welt unterschiedlich übertragen werden. Die Luft in Großbritannien unterscheidet sich stark von der Luft in der Sahara, erklärt West.

Es ist eine faszinierende Technologie, sagt West über die neue Generation von photonischen Kristallfasern, aber es ist noch ein weiter Weg.

Wenn diese neuen Materialien jedoch ihr Potenzial zur Transformation der Fernübertragung in der Telekommunikationsbranche letztendlich ausschöpfen, wird es eine Reise wert sein.

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