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Neues Faserdesign, das Licht durch Luft lenkt
Forscher haben eine neue Klasse von optischen Fasern entwickelt, die den herkömmlichen festen Siliziumdioxid‑Kern durch einen hohlen Luftkern ersetzt, umgeben von einer präzise strukturierten Glas‑Mikrostruktur. Diese hohlkernige, mikrostrukturierte Faser leitet Licht mit deutlich geringerer Dämpfung und einem breiteren Übertragungsfenster als Standard‑Festglasfasern, wodurch optische Signale potenziell länger reisen können, bevor eine Verstärkung erforderlich ist, und die nutzbare Datenkapazität von Langstreckenverbindungen erhöht werden kann.
Wissenschaftlicher Hintergrund und Bedeutung für die Telekommunikation
Konventionelle Single‑Mode‑Glasfasern, die in der Telekommunikation eingesetzt werden, basieren auf einem festen Siliziumdioxid‑Kern. Trotz jahrzehntelanger Material‑ und Designverbesserungen führen intrinsische Absorption und Streuung im Glas weiterhin zu Signalverlusten. In praktischen Netzen bedeutet dieser Verlust, dass optische Verstärker alle Dutzende Kilometer platziert werden müssen – bei vielen Standardfasern können z. B. alle rund 20 km etwa die Hälfte der eingespeisten Lichtleistung verloren gehen – was Kosten, Energieverbrauch und Komplexität für terrestrische, Seekabel‑ und interkontinentale Verbindungen erhöht.
Hohlkernfasern minimieren die Wechselwirkung des Lichts mit festem Glas, indem sie den Großteil der geführten Mode in niedriger‑verlustiger Luft halten. Da Luft bei Telekommunikationswellenlängen deutlich geringere Absorption und Streuung als Glas aufweist, können hohlkernige Designs die Dämpfung über ein breiteres Spektrum deutlich reduzieren. Ein größeres niederverlustiges Übertragungsfenster erlaubt zudem die gleichzeitige Nutzung weiterer Wellenlängenkanäle und steigert dadurch den Rohdurchsatz durch Wellenlängenmultiplexing (WDM).
Versuchsdetails und wichtige Messgrößen
Unter der Leitung von Francesco Poletti an der University of Southampton stellte das Team einen mikrostrukturierten Wellenleiter her, der aus einem hohlen zentralen Kanal besteht, umgeben von einer Anordnung dünner Siliziumdioxid‑Ringe. In kontrollierten Laborprüfungen erreichte die Faser eine optische Dämpfung von nur 0,091 dB/km bei einer häufig verwendeten Telekom‑Wellenlänge — ein Verlustwert, der Signalübertragungen etwa 50 % weiter zwischen Verstärkerstationen erlaubt im Vergleich zu vielen älteren Festkernfasern.
Neben der geringen Dämpfung weist die neue Faser ein deutlich breiteres Übertragungsfenster (den Bereich der Wellenlängen mit geringem Verlust und geringer Verzerrung) auf, was breitere Breitband‑Betriebsmodi ermöglicht und potenziell höhere aggregierte Datenraten unterstützt. Die Autoren weisen außerdem darauf hin, dass eine Vergrößerung des Luftkern‑Durchmessers die Verluste weiter senken könnte, obwohl dieser Ansatz zusätzliche Ingenieursarbeiten erfordert, um die Modenstabilität und die Herstellbarkeit zu erhalten.
Konstruktionskompromisse und Herstellung
Hohlkern‑mikrostrukturierte Fasern erfordern hohe geometrische Präzision und Kontrolle über die inneren Gase: Restabsorber‑Moleküle im hohlen Kern können den Verlust erhöhen, und Produktions‑Toleranzen beeinflussen Modenkonfinement und Bandbreite. Die Skalierung vom Labor‑Proof‑of‑Concept auf kilometerlange Faserspulen erfordert Fortschritte bei Ziehprozessen, Qualitätskontrolle und Gasmanagement.
Auswirkungen auf Netzwerke, Rechenzentren und Seekabel
Bei industrieller Umsetzung könnten hohlkernige Fasern die Anzahl benötigter optischer Verstärker auf langen Strecken reduzieren und so Energieverbrauch und Betriebskosten senken. Das erweiterte Übertragungsfenster ist attraktiv für nächste‑Generation‑Dense‑WDM‑Systeme und bietet Betreibern höhere spektrale Effizienz sowie Spielraum für künftiges Verkehrs‑Wachstum durch Cloud‑Dienste, 5G/6G‑Backhaul und hochauflösende Inhaltsbereitstellung.
Diese Fasern sind zudem für präzise Zeitübertragung und QuantKommunikationssysteme relevant: Geringere Laufzeit und reduzierte Phasenstörungen durch geringere Glaswechselwirkung können die Link‑Fidelity verbessern.
Experteneinschätzung
Dr. Mira Alvarez, Optical Systems Engineer (fiktiv), kommentierte: "Hohlkern‑Ansätze gehören zu den vielversprechendsten Wegen, um die derzeitigen Grenzen bei Dämpfung und Bandbreite zu überwinden. Das Sub‑0,1 dB/km‑Ergebnis des Southampton‑Teams ist ermutigend — der eigentliche Prüfstand wird allerdings die zuverlässige Großserienherstellung und Feldtests unter variablen Umweltbedingungen sein. Sollten diese Hürden genommen werden, könnten Telekom‑Betreiber Langstrecken‑Strecken mit weniger Verstärkern und deutlich geringerem Energiebedarf neu gestalten."
Zukunftsaussichten und nächste Schritte
Die Autoren schlagen vor, dass verbesserte geometrische Konsistenz, höhere Produktionsvolumina und die Eliminierung absorbierender Gase im Kern die Dämpfung weiter senken und die Ausbeute erhöhen werden. Zukünftige Arbeiten werden sich wahrscheinlich auf das Skalieren der Faserziehprozesse auf industrielle Längen, die Demonstration von Spleiß‑Kompatibilität mit bestehender Faserinfrastruktur und Feldtests in terrestrischen sowie subsea‑Umgebungen konzentrieren. Die Forschung erscheint in Nature Photonics und skizziert eine Roadmap zur Integration hohlkerniger mikrostrukturierter Fasern in kommerzielle optische Netzwerke.
Fazit
Hohlkern‑mikrostrukturierte Glasfasern bieten eine überzeugende Kombination aus niedrigerem Verlust und breiterer Bandbreite, die die Langstrecken‑Telekommunikation deutlich verbessern könnte. Indem sie Licht größtenteils durch Luft statt durch Glas führen, können diese Fasern die Distanz zwischen Verstärkern vergrößern, die spektrale Kapazität erhöhen und den Energieverbrauch auf wichtigen Backbone‑ und Seekabelstrecken reduzieren. Zwar bleiben Herstellungs‑ und Integrationsherausforderungen bestehen, doch stellt die Technologie eine vielversprechende Richtung für die nächste Generation globaler optischer Kommunikation dar.
Quelle: sci
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