Die COVID-19-Krise hat Menschen weltweit gezwungen, ihr Arbeits- und Sozialleben rasant zu verändern, und Gemeinschaften sind stärker denn je auf das Internet angewiesen. Die stetig steigende Zahl von Zoom-Konferenzen und Webinaren hat die Notwendigkeit unterstrichen, die Technologie, die all dies ermöglicht hat, weiterzuentwickeln.
Seit über 50 Jahren sind Quarzglasfasern das bevorzugte Übertragungsmedium für optische Hochgeschwindigkeitskommunikation und bilden die Grundlage für das globale Internet und Cloud-basierte Dienste, die von Haushalten und Unternehmen weltweit genutzt werden. Sie werden außerdem für die Anlagenüberwachung in der Öl- und Gasindustrie, die Strukturüberwachung von Eisenbahnen und Brücken, medizinische Endoskope und viele weitere Anwendungen eingesetzt – allesamt Teil eines globalen Marktes mit einem Volumen von 40 Milliarden US-Dollar.
Aufgrund der Lichtstreuung im Glas geht jedoch ein Teil der übertragenen Energie verloren – ein Prozess, der als Dämpfung bekannt ist. Dieser Energieverlust wird mit abnehmender Wellenlänge des Lichts zu einem immer größeren Problem. Die höheren Übertragungsverluste in optischen Fasern schränken die Leistungsfähigkeit aller Anwendungen, die kürzere Wellenlängen erfordern, erheblich ein.
In dieser neuen Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Forscher der Universität Southampton gezeigt, dass die Lichtführung durch luftgefüllte Fasern eine mögliche Methode darstellt, um diese unüberwindliche Dämpfungsgrenze, die durch die Streuung an Glas entsteht, zu überwinden.
Ein Team des Optoelektronik-Forschungszentrums (ORC) der Universität hat drei verschiedene Hohlkernfasern entwickelt, deren Verluste bei technologisch relevanten Wellenlängen von 660, 850 und 1060 Nanometern mit denen von Vollglasfasern vergleichbar oder sogar niedriger sind. Die geringere Dämpfung in einer Faser, die Licht durch Luft leitet, eröffnet Potenzial für Fortschritte in der Quantenkommunikation, Datenübertragung und Laserleistungsübertragung.
Professor Francesco Poletti vom ORC erklärt: „Seit den 1970er Jahren wurden viele alternative Glasarten und Wellenleitertechnologien untersucht, um dieses Problem zu lösen, aber alles war vergeblich.“.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Hohlkernfasern das Potenzial haben, die derzeitigen optischen Fasern bei mehreren in der aktuellen optischen Technologie verwendeten Wellenlängen zu übertreffen. Sie weisen nicht nur eine geringere Dämpfung auf, sondern können auch höheren Laserintensitäten standhalten, wie sie beispielsweise zum Schmelzen von Gestein und zum Bohren von Ölquellen benötigt werden, und ermöglichen die Herstellung effizienterer Laser für die Fertigung.“.
Professor Poletti fügte hinzu, dass Hohlkernfasern auch unverzerrte Laserimpulse mit so hohen Spitzenleistungspegeln übertragen können, dass diese bei Übertragung durch Standardglasfasern unbrauchbar wären, und dass sie die Lichtpolarisation erhalten, die für die Herstellung genauerer Sensoren und bildgebender Endoskope erforderlich ist.
Die in diesem Artikel beschriebenen Fasern sind das Ergebnis von über zehn Jahren Forschung des ORC zur Entwicklung knotenloser antiresonanter verschachtelter Fasern (NANF). Diese spezielle Art von Hohlkernfasern schließt Licht dank dünner Glasmembranen, die den Kern umgeben, in einem zentralen Vakuum ein. Die ersten Fasern wiesen eine Dämpfung von 5 Dezibel (dB) bzw. eine Lichtdurchlässigkeit von nur 30 % pro Meter Faser auf. Neue physikalische Erkenntnisse, Beiträge der internationalen Forschungsgemeinschaft und bedeutende Fortschritte in der Fertigungstechnologie unter der Leitung des Teams aus Southampton haben dazu geführt, dass eine der in dieser Studie vorgestellten Fasern diese Werte um den Faktor 10.000 verbessert und eine Dämpfung von nur 5 dB pro 10 Kilometer erreicht.
Professor Poletti fuhr fort: „Die von uns entwickelte Technologie hat das Potenzial, die Entwicklung schnellerer Rechenzentren mit kürzerer Latenz für den Endnutzer, präziserer Gyroskope für interplanetare Missionen und effizienterer laserbasierter Fertigung zu ermöglichen, um nur einige Beispiele zu nennen.“.
Das Team der Universität Southampton, das diese optische Fasertechnologie mit Mitteln aus dem ERC-Projekt Lightpipe erfunden und entwickelt hat, arbeitet weiterhin an der Verbesserung der optischen Leistung dieser Fasern und der Herstellung längerer Längen zu geringeren Kosten.
Professor Sir David Payne, Direktor des Zentrums für optoelektronische Forschung, fügte hinzu:
„Die Übertragungskapazität von Glasfasern ist so enorm, dass wir nie gedacht hätten, sie jemals vollständig auszuschöpfen. Doch in den letzten fünf bis zehn Jahren ist uns klar geworden, dass wir kurz davor stehen, und die Auswirkungen von COVID-19 haben diese Entwicklung noch beschleunigt. Das bedeutet, dass wir herkömmliche Fasern nicht mehr modifizieren können, um die Kapazität zu erhöhen; stattdessen müssen wir auf die Bündelungsmethode zurückgreifen und große Mengen neuer Glasfaserkabel verlegen. Das ist zwar möglich, aber es erhöht die Kosten.“.
„Ein schnelleres, zuverlässigeres Internet mit größerer Bandbreite würde uns helfen, unser derzeitiges Niveau an Online-Arbeit und sozialer Interaktion aufrechtzuerhalten und uns zudem ermöglichen, dies in Bereichen wie 3D-Videokonferenzen und virtueller Realität weiter auszubauen.“.
Professor Poletti schloss: „Wir sind überzeugt, dass wir endlich eine Lösung gefunden haben könnten, die das Potenzial besitzt, die vollständig festen Silicafasern, die seit einem halben Jahrhundert die Grundlage für Anwendungen im Haushalt und in der Industrie bilden, zu ergänzen und in vielen Fällen zu ersetzen.“.
