Усилители из стекла с висмутом повысят пропускную способность интернета в 5 раз

Ученые из Москвы и Нижнего Новгорода создали усилитель для длин волн телекоммуникационного диапазона. Это устройство размером с ноутбук состоит из стекла с добавками висмута. Когда лазерное излучение проходит сквозь такой световод, оно становится более сфокусированным. Благодаря этому передаваемый сигнал усиливается: диапазон длин волн здесь в пять раз больше, чем в современных устройствах.

Так как подобные усилители используются в оптоволоконных кабелях, обеспечивающих интернет-соединение, новое устройство теоретически позволит кратно увеличить количество данных, передаваемых по оптоволокну, сообщила пресс-служба Российского научного фонда.

Оптоволоконные кабели, протянутые на суше и под водой, обеспечивают передачу информации на большие расстояния, а потому лежат в основе современных линий связи и интернет-технологий. Чтобы обмен данными происходил максимально эффективно, помимо оптических кабелей используют устройства, усиливающие сигнал, — это помогает передавать данные на большие расстояния без потерь. 

Сейчас такие усилители делают из кварцевого стекла и эрбия — редкоземельного металла, — и их использование позволило за последние 10 лет в сотни раз повысить скорость передачи данных. Однако современные усилители работают только с сигналами, длина волны которых составляет 1550 нанометров. Для работы с большими массивами информации сегодня требуются новые усилители с большим диапазоном усиления.

Ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова (Москва) и Института химии высокочистых веществ имени Г. Г. Девятых (Нижний Новгород) предложили использовать новый тип усилителя сигнала для оптоволоконного кабеля, заменив эрбий в составе устройства на другой химический элемент — висмут. Висмут выбрали, потому что он способен люминесцировать (светиться) в ближнем инфракрасном спектре, покрывающем диапазон работы телекоммуникационных линий связи.

Ученые создали «сердцевину» из диоксида кремния — особо чистого стекла, — которую заполнили слоями фосфоросиликатного стекла с висмутом (смесь оксида кремния с фосфором и висмутом) и германосиликатного стекла с висмутом (смесь оксида кремния с германием и висмутом). Затем трубку со слоями стекла сплавили в стеклянный стержень. Полученные структуры вытянули в световоды, которые в свою очередь послужили основой для создания усилителей.

Работу оптоволоконного кабеля с усилителем нового типа проверили, пропустив через него излучение светодиодного лазера. Оказалось, что устройство способно усиливать сигнал с длинами волн от 1250 до 1500 нанометров — рекордной сейчас полосой пропускания (250 нанометров). Теоретически это означает, что через оптоволоконный кабель с таким усилителем можно будет передавать в 5 раз больше данных в секунду, чем по стандартному оптоволокну.

«В будущем наши основные усилия будут направлены на детальное исследование таких усилителей и, соответственно, дальнейшее улучшение характеристик современных оптоволоконных кабелей. Основной акцент мы сделаем на практическом применении подобного типа устройств. Мы хотим создать эффективные лазеры и усилители в широком диапазоне длин волн, чтобы их можно было использовать в сетях связи нового поколения», — рассказал руководитель проекта, кандидат химических наук Андрей Умников, старший научный сотрудник Института химии высокочистых веществ имени Г. Г. Девятых.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в Journal of Lightwave Technology.