Serat Optik Generasi Selanjutnya

Pada pandangan pertama, bahan-bahan baru ini hanya aneh: tipis seperti rambut, transparan dan penuh lubang. Seperti serat optik yang menjadi andalan industri telekomunikasi, mereka terbuat dari kaca. Tapi ada kesamaan dengan bahan konvensional datang melengking berhenti.



Bagian tengah dari masing-masing serat baru ini—yang dibuat di University of Bath, di Inggris—berongga. Dalam serat optik yang ada, cahaya ditransmisikan melalui inti kaca. Dalam serat yang dibuat di Bath, cahaya merambat tanpa hambatan melalui udara. Sinar cahaya dibatasi pada inti berongga oleh lubang-lubang di bahan kaca di sekitarnya, yang terlihat seperti sarang lebah di penampang dan menciptakan wilayah yang sangat dilarang untuk cahaya. Kemampuan untuk membatasi cahaya di udara dengan cara ini, kata Philip Russell, seorang fisikawan Bath, dapat sepenuhnya merevolusi telekomunikasi.

5 Paten untuk Diperhatikan

Kisah ini adalah bagian dari edisi Mei 2001 kami





  • Lihat sisa masalah
  • Langganan

Alasan kegembiraan adalah bahwa, setidaknya pada prinsipnya, mengirimkan cahaya melalui udara daripada melalui kaca dapat sangat meningkatkan efisiensi dan kapasitas jaringan telekomunikasi berkecepatan tinggi saat ini. Bahan-bahan baru ini, yang disebut serat kristal fotonik, harus membocorkan lebih sedikit cahaya dan membawa pulsa cahaya yang lebih intens tanpa distorsi, mengurangi kebutuhan untuk terus-menerus meningkatkan sinyal—tugas mahal di jaringan optik saat ini. Serat kristal fotonik harus dapat menyampaikan lebih banyak informasi di sepanjang jaringan serat optik sambil menurunkan biaya pemasangan dan pemeliharaan. Mereka akan ke serat yang ada sebagai jalan bebas hambatan 10-jalur ke jalur pedesaan. Mereka tidak hanya akan mengambil lebih banyak lalu lintas, tetapi perjalanan akan lebih lancar dan akan ada lebih sedikit kebutuhan untuk mengisi bahan bakar.

Ini masih awal dalam pengembangan serat optik generasi baru ini. Bahkan bahan baru yang paling canggih pun masih bertahan beberapa tahun dari penggunaan komersial yang meluas. Tetapi dengan begitu banyak yang dipertaruhkan, telekomunikasi optik adalah bisnis bernilai miliaran dolar-beberapa laboratorium industri, termasuk Corning dan beberapa perusahaan rintisan, sedang mengejar versi serat fotonik mereka sendiri. Meskipun terlalu dini untuk memprediksi mana yang akan menang, pendekatan saingan yang dikembangkan di University of Bath dan di MIT sudah bersaing secara langsung untuk menjadi serat optik masa depan.

Upaya ini mungkin membuahkan hasil tepat pada waktunya untuk industri telekomunikasi. Ekspansi besar-besaran transmisi data optik jarak jauh dalam beberapa tahun terakhir, didorong oleh pertumbuhan Internet dan aplikasi bandwidth-hogging-nya, telah mengarahkan para peneliti untuk menemukan cara untuk memotret lebih banyak cahaya dan sinyal yang lebih kompleks melalui serat optik ( melihat Multiplexing Divisi Panjang Gelombang , TR Maret/April 1999 ). Tetapi banyak ahli percaya bahwa dalam beberapa dekade mendatang akan menjadi mustahil untuk memeras lebih banyak kinerja dari generasi serat kaca saat ini. Meskipun sulit untuk memprediksi secara pasti kapan hambatan akan tercapai, Jim West, seorang ilmuwan di laboratorium penelitian Corning di New York, yakin bahwa kita akan melewati batas tersebut. Dan saat itulah serat optik generasi berikutnya akan menjadi sangat penting dalam memenuhi selera bandwidth dunia yang tampaknya tak ada habisnya.



Percakapan Ringan

Meskipun serat fotonik merupakan teknologi generasi berikutnya pada tahun 2001, sejarah penyampaian data suara menggunakan cahaya telah berlangsung lebih dari satu abad. Setelah menemukan telepon pada tahun 1876, Alexander Graham Bell tidak berpuas diri. Pada tahun 1880 ia menunjukkan bahwa cahaya, daripada listrik, dapat membawa kata-kata seseorang ke telinga yang jauh. Photophone Bell menggunakan cermin bergetar untuk mengirimkan suara melalui sinar matahari. Tapi itu adalah ide jauh sebelum waktunya. Mengirim sinyal listrik melalui kabel tembaga terbukti jauh lebih andal, dan sebagian besar photophone dilupakan karena saluran telepon menjerat dunia.

Setelah delapan dekade supremasi kawat tembaga, penemuan laser ruby ​​​​pada tahun 1960 menempatkan cahaya kembali pada agenda komunikasi. Ini adalah sumber yang cukup terang untuk benar-benar membuat cahaya bekerja. Sama seperti transistor yang mengantarkan era mikroelektronika, laser memicu era fotonik. Pada tahun 1970 Corning dengan bangga mengumumkan bahwa ia telah mengirimkan sinar laser ke serat kaca dan memulihkan sebanyak satu persen cahaya di ujung yang lain, satu kilometer jauhnya (serat kaca saat ini sangat efisien sehingga 80 persen cahaya akan bertahan selama itu. jarak). Pada 1980-an, perusahaan telepon mulai mengganti kabel tembaga dengan serat optik.

Serat optik dapat membawa ribuan kali lebih banyak data daripada kabel tembaga: pada prinsipnya, satu serat dapat mengirimkan hingga 25 triliun bit per detik. Itu kapasitas yang cukup untuk membawa semua percakapan telepon yang terjadi kapan saja di Amerika Serikat-dengan ruang kosong. Tidak heran jika web teknologi informasi di seluruh dunia ditenun dari kaca pembawa cahaya.



Dalam serat optik konvensional, cahaya dibatasi dalam batang bagian dalam silika oleh lapisan kaca dengan komposisi yang sedikit berbeda dari inti. Biasanya, sejumlah kecil germanium atau fosfor ditambahkan ke inti (proses yang disebut doping), memberikan indeks bias yang berbeda dari cladding. Cahaya yang mengenai antarmuka antara inti dan kelongsong dipantulkan, sehingga sinyal memantul bolak-balik dan tetap berada di dalam inti. Informasi dikodekan dalam serangkaian pulsa dari laser yang dikendalikan secara elektronik dan ditembakkan ke serat ke fotodetektor di ujung yang lain, yang mengubah sinyal kembali menjadi bentuk listrik untuk diproses di telepon, komputer, atau perangkat perutean.

Kedengarannya bagus. Jadi, di mana tangkapannya? Ini masalah batasan. Ketika jaringan komunikasi menjadi lebih besar, lebih sibuk dan lebih ambisius, kelemahan serat kaca konvensional menjadi jelas, dan jaringan serat optik yang ada pada akhirnya tidak akan mampu mengatasinya. Salah satu faktor yang membatasi kinerja adalah memudarnya sinyal cahaya karena jarak. Sejumlah cahaya tersebar-kotoran dalam silika mengganggu transmisi beberapa sinyal-saat perjalanan melalui inti kaca; cahaya lain hanya lolos dari serat sama sekali, karena antarmuka antara inti kaca dan kelongsong bukanlah cermin yang sempurna.

Jika tidak diperbaiki, kerugian ini akan melumpuhkan komunikasi serat optik jarak jauh: transmisi delapan puluh persen lebih dari satu kilometer akan meninggalkan kurang dari bayangan sinyal di ujung kabel transatlantik. Jawabannya adalah memperkuat cahaya setiap 70 kilometer atau lebih. Tetapi amplifier mahal, dan mereka membutuhkan sumber daya sendiri ( melihat 5 Paten yang Harus Diperhatikan: Bidikan Booster ). Setiap amplifier biasanya menambahkan satu juta dolar ke harga saluran transmisi jarak jauh. Untuk kabel sepanjang ribuan kilometer, itu mulai menambah uang sungguhan. Dan ketika amplifier rusak di tengah Atlantik, tidak ada pilihan selain mengirim kapal untuk mengeruk kabel. Memerlukan banyak biaya untuk memperbaikinya di dasar laut, kata Russell dari Bath.

Realitas ekonomi yang menakutkan ini adalah pendorong untuk mengembangkan serat generasi baru. OmniGuide Communications yang berbasis di Cambridge, MA, didirikan tahun lalu oleh beberapa profesor MIT, mengklaim bahwa serat barunya akan mampu menekan kerugian begitu rendah sehingga tidak perlu amplifikasi apa pun. Terlebih lagi, perusahaan mengatakan, bandwidth yang dapat digunakan akan jauh lebih besar daripada serat optik yang ada. Triknya adalah melepaskan inti kaca serat dan menggantinya dengan baik, tidak ada sama sekali.

Udara murni

Kedengarannya sangat jelas. Cahaya merambat melalui udara dengan sedikit hamburan. Jadi mengapa tidak mengirim sinar laser ke tabung kaca berongga? Jawabannya terletak pada fisika. Untuk mencapai refleksi internal yang diperlukan untuk menjaga cahaya terbatas di tengah serat optik konvensional, kelongsong harus memiliki indeks bias yang lebih rendah daripada media dalam. Tetapi semua bahan yang diketahui memiliki indeks bias lebih tinggi daripada udara. Jadi susunan konvensional tidak bekerja dalam pembuatan hollow fiber.

Yang berarti diperlukan pendekatan yang tidak konvensional. Masukkan serat kristal fotonik. Para peneliti di seluruh dunia sibuk membuat bahan yang bertindak sebagai isolator cahaya, yang tidak dapat dilewati cahaya seperti kebanyakan plastik yang tidak dapat dilewati arus listrik. Dalam jargon fisika, isolator cahaya ini memiliki celah pita fotonik yang sesuai dengan panjang gelombang cahaya tertentu; panjang gelombang itu tidak bisa masuk ke materi. Jika dibuat dengan benar, bahan-bahan ini—tidak seperti kelongsong dalam serat kaca—seharusnya hampir tidak ada cahaya yang keluar dari inti kosong yang terbungkus di dalamnya.

Tentu saja, banyak zat akan menghentikan cahaya untuk melewatinya; tapi ini umumnya karena bahan hanya menyerap cahaya daripada memantulkannya. Dan sementara Anda mungkin berpikir cermin metalik-kaca perak-sebagai reflektor cahaya yang baik, kenyataannya adalah bahwa mereka hampir tidak cukup reflektif untuk bekerja di serat optik; mereka menyerap dan menghilangkan bagian kecil tapi signifikan dari sinar yang masuk. Sinyal cahaya yang merambat melalui tabung kaca berlapis perak hanya akan menempuh jarak pendek sebelum menyebar seluruhnya. Bahan celah pita fotonik, di sisi lain, memblokir semua foton dengan panjang gelombang tertentu; cahaya yang datang dipantulkan hampir sempurna. Dengan kata lain, mereka hanya untuk membatasi cahaya di dalam tabung hampa.

Pada tahun 1998, Yoel Fink, saat itu seorang mahasiswa pascasarjana MIT, membuat cermin sempurna dari bahan celah pita fotonik. Yang lain sebelumnya telah membuat cermin khusus dari lapisan tipis bahan dielektrik (bahan yang mengandung partikel bermuatan listrik tetapi memiliki sifat isolasi). Cermin-cermin ini memiliki celah pita fotonik, dan dapat menjadi reflektor yang sangat efisien, tetapi mereka memiliki kelemahan utama: mereka hanya bekerja dengan cahaya yang benar-benar mencolok secara langsung, membatasi penggunaannya untuk aplikasi khusus. Fink menemukan cara membuat versi cermin dielektrik yang memantulkan cahaya yang datang dari semua sudut, seperti bahan yang harus ada di inti benang serat optik.

tes dna untuk keturunan

Begitu Anda memiliki cermin seperti itu, melihat potensi komersialnya (setidaknya bagi peneliti fotonik) jelas. Fink dan sepasang profesor MIT-nya, fisikawan John Joannopoulos dan ilmuwan material Edwin Thomas, bersama dengan Uri Kolodny, mendirikan OmniGuide. Tujuan perusahaan adalah menggunakan cermin yang sempurna sebagai pelapis untuk serat optik. Bayangkan mengambil cermin datar dan membengkokkannya di sekitar bagian dalam tabung, dan Anda memiliki gambaran kasar tentang serat OmniGuide.

Jadi seberapa kecil kehilangan cahaya pada serat generasi berikutnya? Karena perusahaan ini masih dalam tahap awal, para pendiri menyimpan informasi itu di dada mereka. Semua yang dapat saya katakan pada tahap ini, kata Joannopoulos, adalah bahwa dengan [serat] OmniGuide tabung berongga, pada prinsipnya kita dapat mencapai kerugian yang lebih kecil daripada serat optik. Tetapi untuk industri telekomunikasi yang ingin mendorong lebih banyak cahaya melalui jaringan optik - dan akhirnya menghadapi batas serat generasi saat ini - bahkan pernyataan yang dibuat dengan hati-hati seperti itu menggiurkan.

Perusahaan sedang mengembangkan serangkaian produk serat berdasarkan konsep OmniGuide. Serat ini, secara teori, jauh lebih efisien dalam mentransmisikan cahaya daripada serat optik standar. Memang, mereka harus mampu mengatasi keterbatasan serat kaca saat ini, mencapai, antara lain, lebih sedikit kehilangan sinyal saat cahaya merambat ke bawah serat. Performa yang meningkat seperti itu dimungkinkan, kata Fink, yang sekarang menjadi asisten profesor ilmu material di MIT, karena kita dapat mencapai tingkat kurungan yang tak tertandingi.

Serat OmniGuide harus mampu menyampaikan sinyal yang jauh lebih intens daripada serat optik biasa. Cahaya berintensitas tinggi yang merambat dalam serat kaca mengalami distorsi yang dapat mengganggu transmisi sinyal pada panjang gelombang yang berbeda, menyebabkan pembicaraan silang antar saluran kecuali jika frekuensinya dipisahkan secara luas. Efek ini membatasi jumlah panjang gelombang berbeda yang dapat Anda masukkan ke dalam serat kaca konvensional, dan juga seberapa terangnya. Karena sinyal di udara tidak mengalami efek ini, Fink menjelaskan, serat OmniGuide dapat menyampaikan sinyal dengan kekuatan yang lebih tinggi, dengan saluran yang berjarak lebih dekat. Itu adalah berita bagus bagi perusahaan telekomunikasi, karena sinyal yang lebih kuat bergerak lebih jauh sebelum kerugian mulai mengganggu mereka, dan saluran yang lebih dekat berarti lebih banyak data dapat dikemas dalam rentang panjang gelombang tertentu.

Pendekatan MIT, bagaimanapun, hanyalah salah satu cara untuk membuat serat fotonik. Peneliti lain telah menghasilkan bahan celah pita fotonik yang, pada penampang melintang, seperti sarang lebah di mana lubang membentuk struktur yang menolak masuknya cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Jenis kristal fotonik ini, pertama kali dibuat pada akhir 1980-an, juga hampir sepenuhnya menghalangi cahaya. Serat kaca yang dibuat di Bath, misalnya, ditembus oleh susunan lubang yang sejajar dengan benang sepanjang keseluruhannya; di tengah adalah inti kosong di mana cahaya hampir dapat dibatasi dengan sempurna. Untuk memberikan beberapa indikasi presisi yang terlibat dalam pembuatan serat, jika lubang paralel yang panjang adalah diameter Chunnel yang menghubungkan Inggris dan Prancis, serat eksperimental yang dibuat di Bath akan mencapai Jupiter. Bagaimana cara mengebor terowongan yang begitu sempurna melalui untaian kaca yang lebih tipis dari sehelai rambut manusia?

Untungnya, lubangnya tidak perlu dibor sama sekali. Mereka secara cerdik dibangun dengan menarik serat kaca dari seikat tabung kapiler berongga. Tabung dikemas bersama dalam susunan heksagonal dengan lebar beberapa sentimeter, dan bundel dipanaskan untuk melunakkan kaca. Saat susunan ditarik keluar menjadi serat halus, penampangnya menyusut sekitar seribu kali lipat tetapi tetap berlubang.

Awalnya, fisikawan Bath membuat saluran penghantar cahaya di inti serat dengan mengganti batang kaca padat untuk kapiler kaca pusat. Tapi masih lebih baik daripada membawa cahaya dalam inti padat akan mengirimkannya melalui inti berongga-melalui udara, dengan kerugian yang sangat rendah dan tidak adanya distorsi yang menyertainya. Bekerja sama dengan Douglas Allan, seorang peneliti di Corning, tim Bath berhasil mencapai kurungan cahaya dalam serat kristal fotonik inti berongga pada tahun 1999. Baru-baru ini mereka telah membentuk serat optik sepanjang beberapa meter dari bahan baru mereka.

Selesai Fotonik

Mengambil serat optik yang ada akan menjadi tugas yang sulit. Serat kaca konvensional telah dioptimalkan selama beberapa dekade dan dibuat menggunakan teknologi yang tertanam dengan baik. Sebaliknya, serat fotonik baru mewakili manufaktur yang tidak diketahui. Untuk satu hal, struktur mereka harus tepat. Sistem [fabrikasi] yang ada tidak sesuai dengan itu, Russell mengakui.

Namun, perusahaan berbaris untuk memenuhi tantangan komersialisasi. Fink mengatakan OmniGuide sedang mengerjakan serangkaian produk berdasarkan serat panjang yang berbeda. Proyek termasuk pengembangan perangkat berbasis serat aktif untuk switching optik, serta pengembangan serat untuk transmisi cahaya lebih dari 10 sampai 100 meter, yang dapat berguna untuk tugas-tugas seperti menghubungkan server jarak pendek. Serat jarak jauh untuk jaringan telekomunikasi akan memiliki dampak terbesar, kata Fink, tetapi ini akan memakan sedikit waktu.

Para peneliti dari grup Bath telah meluncurkan spin-off mereka sendiri, BlazePhotonics, dan telah mendapatkan pendanaan dari perusahaan modal ventura di Inggris dan Amerika Serikat. Di Denmark sebuah perusahaan bernama Crystal Fibre, dimulai oleh para ilmuwan di Technical University of Denmark di Lyngby yang merupakan kolaborator awal dengan grup Bath, membuat serat fotonik dengan inti kaca padat. Sementara produk awalnya mungkin melayani tujuan seperti membatasi cahaya dalam laser presisi tinggi, tidak ada yang melupakan hadiah besar. Telekomunikasi jelas merupakan target jangka menengah, kata CEO Michael Kjaer.

Seperti pendiri Crystal Fibre Denmark, para ilmuwan di Corning telah bekerja sama dengan para peneliti Bath di masa lalu, tetapi mereka sekarang berlomba ke pasar sendiri. Jim West melaporkan bahwa perusahaan sekarang dapat membuat serat fotonik hingga panjang seratus meter. Tapi dia memiliki penilaian tentang apakah materi baru pada akhirnya akan mengubah jalan raya informasi. Serat optik konvensional, ia menunjukkan, adalah tindakan yang sulit untuk diungguli. Hanya ketika Anda mulai bekerja dengan versi mutakhir, Anda menyadari betapa luar biasanya mereka.

Meskipun mengirimkan cahaya melalui udara dapat memecahkan banyak keterbatasan serat saat ini, hal itu menimbulkan masalah tersendiri. Untuk satu hal, komposisi udara tidak seragam; akibatnya, cahaya dapat ditransmisikan secara berbeda di berbagai belahan dunia. Udara di Inggris sangat berbeda dengan udara di Sahara, jelas West.

Ini adalah teknologi yang menarik, kata West tentang generasi baru serat kristal fotonik, tetapi perjalanan masih panjang.

Namun, jika bahan-bahan baru ini pada akhirnya memenuhi potensinya untuk mengubah transmisi jarak jauh di industri telekomunikasi, itu akan menjadi perjalanan yang layak dilakukan.

bersembunyi

Teknologi Aktual

Kategori

Tidak Dikategorikan

Teknologi

Bioteknologi

Kebijakan Teknologi

Perubahan Iklim

Manusia Dan Teknologi

Bukit Silikon

Komputasi

Majalah Berita Mit

Kecerdasan Buatan

Ruang Angkasa

Kota Pintar

Blockchain

Cerita Fitur

Profil Alumni

Koneksi Alumni

Fitur Berita Mit

1865

Pandangan Ku

77 Jalan Massal

Temui Penulisnya

Profil Dalam Kemurahan Hati

Terlihat Di Kampus

Surat Alumni

Berita

Pemilu 2020

Dengan Indeks

Di Bawah Kubah

Pemadam Kebakaran

Cerita Tak Terbatas

Proyek Teknologi Pandemi

Dari Presiden

Sampul Cerita

Galeri Foto

Direkomendasikan