Jednym z ograniczeń światłowodów wykonanych z włókna szklanego jest problem z przesyłaniem wiązek laserowych o bardzo dużej mocy. Zazwyczaj takie próby kończą się uszkodzeniami włókien szklanych, które z kolei prowadzą do rozpraszania wiązki laserowej na zewnątrz włókna. Nic zatem dziwnego, że od jakiegoś czasu naukowcy pracowali nad stworzeniem światłowodów, które całkowicie pozbawione są włókien szklanych.
Naukowcy z Wydziałów Fizyki oraz Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu Marylandu (UMD) zaprezentowali właśnie działający światłowód, w którym wewnątrz przewodu zamiast włókna szklanego znajduje się powietrze. Co ważne, w ten sposób udało się praktycznie usunąć wyżej wymienione ograniczenia bez jakiegokolwiek uszczerbku dla przepustowości.
Światłowód, a właściwie falowód powietrzny
Aby skutecznie przesyłać informacje światłowodem wypełnionym powietrzem, naukowcy dodali do przewodu urządzenie emitujące ultrakrótkie impulsy laserowe, które niejako wytwarzają falowód we wnętrzu samego przewodu. Impuls taki powoduje powstanie pierścienia światła o wysokiej mocy, który przemieszczając się rozgrzewa cząsteczki powietrza napotkane na swojej drodze tworząc tym samym pierścień cieplejszego powietrza o niższej gęstości otaczający znajdujący się w środku rdzeń niezmienionego powietrza. Na granicy tych dwóch ośrodków dochodzi do załamania wiązki światła przenoszącej informacje, dokładnie tak jak w szklanym światłowodzie. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość przesyłania wiązek laserowych o wysokiej mocy.
Czytaj także: Światłowód może być szybszy niż myślimy. Naukowcy przesłali nim rekordową ilość danych
Na początku 2023 roku naukowcy opublikowali artykuł naukowy, w którym opisali testy, w których udało się stworzyć świetlne falowody o długości nawet 50 metrów. Taki falowód istnieje przez zaledwie kilkadziesiąt milisekund, ale w tym czasie pozwala przesłać informacje. Po upływie tego czasu natomiast pierścień rozgrzanego powietrza wraca do temperatury otoczenia. Co może zaskakiwać, do wytworzenia owych pierścieni wystarczy laser o mocy jednego wata. Zysk jest ogromny, bowiem umożliwia on przesyłanie wiązek laserowych o mocy nawet jednego megawata.
W pierwszych testach naukowcy wykorzystywali do generowania falowodu laser emitujący impulsy co 100 milisekund. Problem w tym, że powstający za jego pomocą falowód rozpraszał się już po 30 ms. Po czym przez kolejne 70 ms wiązka laserowa z danymi ulegała rozproszeniu. W najnowszej pracy opublikowanej w periodyku Optica badacze wykorzystali do wytworzenia falowodu laser emitujący impulsy co 1 ms. W efekcie świetlny tunel utrzymywany był w niezmienionym stanie, bowiem kolejne impulsy nie pozwalały na jego ochładzanie. Dzięki temu przesyłana za jego pomocą wiązka laserowa z danymi nie ulegała żadnemu rozproszeniu.
Naukowcy zwracają uwagę, że falowody o długości rzędu kilometrów są szersze. To z kolei oznacza, że chłodzenie takiego falowodu jest wolniejsze, a więc do jego utrzymania wystarczający będzie laser o niższej częstotliwości generowania impulsów niż 1000 Hz. Wszystko wskazuje zatem na to, że utrzymywanie falowodu powietrznego powinno być stosunkowo łatwo osiągalne już przy obecnie istniejącej technologii. Może się zatem okazać, że szklane światłowody stopniowo będą zastępowane falowodami powietrznymi.