通过压力改善光纤玻璃材料的性能

当玻璃在较高压力下淬火时，二氧化硅玻璃中的空隙（如图中黄色所示）变得更小。全球范围内通过光纤电缆进行快速、准确的通信是可能的，但尽管如此，它们并不完美。现在，宾州州立大学和日本旭硝子玻璃公司的研究人员提出，如果在高压下生产，用于这些光缆的硅玻璃的信号损耗会更小。

“信号丢失意味着我们每80到100公里（50到62英里）就要使用放大器，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授John C. Mauro说，“在那个距离之后，信号就不能被正确地检测到了。跨越大陆或大洋，这将成为一件大事。”

玻璃纤维失去信号强度是因为玻璃原子结构的波动引起的光的瑞利散射。Mauro说：“玻璃在原子尺度上是异质的。它在原子尺度上有一个随机出现的开放孔隙。”而光缆线是由超高纯度的石英玻璃制成的。Mauro说：“从历史上看，最大的突破是发现了原始光纤中如何去除其中的水分子。”

通常情况下，玻璃中含有大量的水分子，可以吸收电信常用频率下的信号。使用一种改进的化学气相沉积法，光纤维中可以几乎不含水分子。但是，像几乎所有的玻璃一样，光纤是在环境压力下制造的。

Mauro和他的团队利用分子模拟来研究制作光纤时压力的影响。他们在npj Computational Materials杂志上报告了他们的结果。模拟结果表明，采用压力猝灭法，玻璃的瑞利散射损耗可降低50%以上。

对玻璃进行压力处理可以使材料更加均匀，并减少结构中的微孔。这将允许我们在较少变化条件下创建一个具有更高的平均密度的材料。

“我们正在寻找能够控制均值和方差的独立过程，”Mauro说，“而我们以前没有意识到的压力这一条件。”

Mauro的工作是分子模拟，但是日本北海道大学电子科学研究所的副教授、AGC公司材料集成实验室的Madoka Ono测试了大块二氧化硅玻璃，发现结果与模拟相符。

“我们发现的最佳压力是4吉帕，”Mauro说，“但仍有一个流程挑战需要解决。”

为了在压力下制造光纤，当玻璃处于玻璃化转变阶段时，玻璃需要在压力下成型和冷却。玻璃是粘性的，不是固体，也不是真正的液体。要做到这一点，需要一个能够承受40000个大气压的压力室。

原文链接：https://phys.org/news/2020-12-pressure-glass-fiber-optics.html