文/John Wallace

根據(jù)北海道大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員及行業(yè)合作者進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬，通過在4GPa（約四萬個(gè)大氣壓）的高壓下制備石英（SiO2）玻璃光纖，可以顯著改善光纖的數(shù)據(jù)傳輸性能。^[1]結(jié)果表明，用這種方法制備的石英玻璃光纖，其傳輸信號的損耗可以降低50％以上，這將大大延伸在無需放大的情況下，數(shù)據(jù)的可傳輸距離。如果這種方法切實(shí)可行，它無疑將是光纖行業(yè)的一個(gè)巨大進(jìn)步。

北海道大學(xué)電子科學(xué)研究所（RIES）的副教授Madoka Ono說：“盡管從技術(shù)上來說，這種方法將具有挑戰(zhàn)性，但我們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以幫助指導(dǎo)未來的物理實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)工藝。”

科學(xué)家們正在尋求方法降低光纖中的瑞利光散射，以幫助加速數(shù)據(jù)傳輸（并進(jìn)一步接近量子通信）。Madoka Ono和她的合作伙伴使用多種計(jì)算方法來預(yù)測高溫高壓下，石英玻璃的原子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么變化。他們發(fā)現(xiàn)，在加熱玻璃然后在低壓下冷卻（淬火）時(shí)，石英原子之間會(huì)形成大的空隙。但是當(dāng)此工藝在4GPa下完成時(shí)，大多數(shù)大的空隙消失了，玻璃呈現(xiàn)出均勻得多的晶格結(jié)構(gòu)。

具體而言，模型顯示玻璃經(jīng)歷了物理轉(zhuǎn)變，較小環(huán)的原子被消除或“修剪”，從而使較大的環(huán)更緊密地連接在一起。這有助于減少大空隙的數(shù)量和空隙的平均尺寸（這些空隙會(huì)導(dǎo)致瑞利散射），從而使信號損耗降低50％以上。

研究人員推測，在較高壓力下使用較低的冷卻速率，甚至可以實(shí)現(xiàn)更大的改進(jìn)。對于具有相似結(jié)構(gòu)的其他類型的無機(jī)玻璃，也可以探索該工藝。但是，實(shí)際上很難在如此高壓下以工業(yè)規(guī)模制造玻璃光纖。

Madoka Ono說：“現(xiàn)在我們知道理想的壓力，我們希望這項(xiàng)研究將有助于推動(dòng)‘能夠生產(chǎn)這種超透明石英玻璃的高壓制造設(shè)備’的發(fā)展。”

Madoka Ono來自北海道大學(xué)RIES納米結(jié)構(gòu)功能材料實(shí)驗(yàn)室。她主要關(guān)注通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析來研究無機(jī)玻璃和石英玻璃的性能。

參考文獻(xiàn)

1. Yongjian Yang et al., npj Computational Materials, (September 17, 2020); doi: 10.1038/s41524-020-00408-1.