Написал несколько дней назад“Светкоммуникациятехнологические тенденции（Связь）”когда,Упоминается волокно с полой сердцевиной.

Многие читатели очень интересуются этой технологией и спрашивают, что такого особенного в этом полом оптическом волокне.

В сегодняшней статье я дам вам подробное введение в науку.

█ Что такое полое волокно?

Оптическое волокно с полой сердцевиной, которое во многих статьях в Интернете также называют «оптическим волокном с полой сердцевиной», на английском языке называется «Hollow-core fibre» (HCF). Это новый тип оптического волокна.

Традиционные оптические волокна, которые мы обычно используем сейчас, представляют собой оптические волокна со стеклянным сердечником. Внутри оптического волокна находится сердцевина из кварцевого стекла (основной компонент — кремнезем).

Традиционное ядро

Оптическое волокно с полой сердцевиной, как следует из названия, означает, что в оптическом волокне больше нет физической сердцевины, а оно «пустое» — только воздух, инертный газ или вакуум.

Итак, каковы преимущества оптического волокна с полым сердечником по сравнению с традиционным оптическим волокном со стеклянным сердечником? Почему индустрия оптической связи сейчас уделяет столько внимания и внимания полому оптическому волокну?

Исследование полого волокна,Это не потому, что уменьшение внутренней сердцевины волокна может снизить затраты.,Но потому чтоОптические сигналы распространяются по воздуху, что более выгодно, чем распространение по стекловолокну.。

В средней школе по физике мы выучили важную формулу:

v — скорость распространения света в определенной среде. c — скорость распространения света в вакууме, обычно известная как около 300 000 километров в секунду. n – показатель преломления этой среды.

В разных средах свет распространяется с разной скоростью.

Показатель преломления воздуха равен примерно 1. Показатель преломления других сред больше 1. Например, показатель преломления воды равен 1,33, кристалла — 1,55, а алмаза — 2,42. В зависимости от состава стекла он составляет примерно от 1,5 до 1,9.

Это означает, что скорость распространения света в традиционном оптическом волокне со стеклянным сердечником значительно меньше c.

Согласно экспериментальным данным, при использовании оптического волокна с полой сердцевиной скорость распространения оптических сигналов будет примерно на 47% выше, чем у традиционного оптического волокна со стеклянной сердцевиной.

Это позволит существенно снизить задержку оптоволоконной связи (примерно на треть). По расчетам соответствующих исследовательских институтов, задержка волокна со стеклянным сердечником составляет примерно 5 микросекунд/км, а с полым волокном — 3,46 микросекунды/км. Расстояние в 1000 километров позволяет сократить задержку на 1,54 миллисекунды.

Для высокочастотных транзакций с финансовыми ценными бумагами, а также для телемедицины, промышленного производства и других отраслевых сценариев такое улучшение задержки имеет большое значение.

Оптическое волокно с полой сердцевиной также имеет множество преимуществ, о которых Сяо Цзаоцзюнь расскажет позже.

█ Разработка и эволюция полого оптического волокна

Далее давайте посмотрим на техническую реализацию полого оптического волокна.

Грубо говоря, принцип оптического волокна заключается в том, чтобы «задерживать» свет в проводных кабелях.

Традиционное твердое оптическое волокно изнутри наружу состоит из трех частей: сердцевины, оболочки и покрытия (иногда снаружи имеется формовка).

Когда свет попадает в оптическое волокно, показатель преломления n1 сердцевины волокна превышает показатель преломления n2 оболочки, и происходит полное отражение. Затем свет продолжает отражаться и в конечном итоге распространяется вперед.

полное отражение

полое оптическое волокно,Потому что показатель преломления воздуха меньше показателя преломления оболочки.,так,Явления полного отражения не произойдет.

Поэтому, если полое оптическое волокно хочет добиться «осады» света, оно должно принять новые технические идеи.

Еще в 1960-х годах, когда Као Кун опубликовал свою статью о создании оптического волокна, кто-то предложил идею оптического волокна с полой сердцевиной. Однако технология материалов в то время еще не была развита, поэтому ее невозможно было реализовать.

В 1987 году американские физики-прикладники Эли Яблонович и Саджив Джон впервые предложили концепцию фотонного кристалла, выйдя из тупика.

Фотонный кристалл, также называемый фотонным материалом с запрещенной зоной, представляет собой искусственную микроструктуру, состоящую из сред с различными показателями преломления, расположенных периодически.

Проще говоря, фотонные кристаллы обладают функцией «выбора длины волны», которая может избирательно пропускать свет определенного диапазона длин волн и предотвращать прохождение света других длин волн.

Как видите, в природе существуют разноцветные драгоценные камни, а также красочный металлический блеск крыльев бабочек, перьев павлина, панцирей жуков и т. д. Все они возникают из-за особой периодической микроструктуры фотонных кристаллов, способных обрабатывать свет. определенные длины волн.

Основываясь на теории фотонных кристаллов, в 1991 году Филип Рассел (P.St.J.Russel) из Университета Саутгемптона, Великобритания, впервые предложил концепцию фотонно-кристаллического волокна (Photonic Crystal Fiber, PCF).

В 1996 году коллеги Филипа Рассела, Дж. К. Найт и Тим Биркс из Исследовательского центра оптоэлектроники Университета Саутгемптона, и другие успешно разработали образец фотонно-кристаллического оптического волокна с твердым сердечником и подтвердили характеристики проводимости света в фотонно-кристаллических волокнах.

На рисунке выше показано поперечное сечение оптического волокна того времени. Как видите, здесь имеется большое количество мелких отверстий и нет явной сердцевины волокна.

Рождение фотонно-кристаллического волокна успешно привлекло внимание в области оптических исследований. Многие команды начали присоединяться к исследованиям фотонно-кристаллических оптических волокон, что также ускорило прогресс соответствующих исследований.

В 1998 году Джонатан Найт и другие объявили об открытии «волноводного эффекта фотонной запрещенной зоны в оптических волокнах» и подготовили первое в мире фотонно-кристаллическое волокно с фотонной запрещенной зоной (Фотонно-кристаллическое волокно с запрещенной зоной, PBG-PCF).

В 1999 году Филип Рассел и другие опубликовали статью в журнале Science и предложили одномодовое фотонное фотонно-кристаллическое волокно с запрещенной зоной (HC-SM-PBG-PCF). Вскоре после этого Р.Ф. Креган и другие официально разработали образец. (Обратите внимание, что это должно быть самое раннее в мире оптическое волокно с полой сердцевиной.)

Поперечное сечение полых фотонно-кристаллических волокон различной конструкции

Как показано на рисунке выше, вся фотонная запрещенная зона фотонно-кристаллического волокна (PBG-PCF) выглядит как соты.

Поэтому в то время его еще называли дырчатым волокном (Holey Fiber, HF) и микроструктурированным волокном (Micro-Structured Fiber, MSF).

Сердцевина оптического волокна полая и заполнена воздухом. Оболочка оптического волокна представляет собой большое количество отверстий для воздуха, расположенных в периодическом порядке, все с точно заданными размерами, расстоянием между отверстиями и периодичностью.

Когда оптический сигнал поступает в оптическое волокно, фотоны попадают в оболочку из воздушного сердечника. Периодически расположенные воздушные отверстия в оболочке образуют фотонно-кристаллическую структуру, предотвращающую прохождение фотонов определенной частоты через оболочку и позволяющую им «отскакивать» обратно к сердцевине волокна. Таким образом, фотоны могут продолжать распространяться только вдоль сердцевины воздушного волокна.

После появления фотонно-кристаллического волокна с запрещенной зоной, хотя ученые и пытались его улучшить, они до сих пор не могут решить проблему потерь. Потери этого типа оптического волокна всегда были на уровне д Б/км, и подготовка к ним затруднена.

Это препятствовало применению полого оптического волокна. Поэтому ученые продолжают исследовать и хотят найти новые структуры из полых оптических волокон.

Исследователи предложили полое волокно типа Кагоме. Позднее на основе исследований полых волокон типа Кагоме были предложены антирезонансные полые волокна, которые стали основным направлением исследований в отрасли.

Антирезонансное полое волокно (ранний тип)

В 2019 году команда Франческо Полетти из Исследовательского центра оптоэлектроники Университета Саутгемптона изобрела знаменитое вложенное антирезонансное безузловое волокно (NANF), которое снизило потери в полых волокнах до 1,3 д Б/км.

Всего год спустя, в 2020 году, Lumenisity, промышленное подразделение Саутгемптонского университета, сократило потери в оптическом волокне NANF до 0,28 д Б/км, вызвав сенсацию во всей отрасли.

Мы можем поближе взглянуть на структуру волокна NANF:

Вложенное антирезонансное безузловое волокно (NANF)

В середине волокна NANF находится газонаполненная сердцевина. Вокруг сердцевины волокна расположены параллельные стеклянные трубки. Внутри каждой стеклянной трубки вставлена ​​еще одна стеклянная трубка.

Это называется одиночным вложением. Если вы вложите еще один, это будет двойное вложение.

Одинарное и двойное вложение

Цель вложения связана с «резонансом».

Резонанс еще называют резонансом и интерференцией. Две волны, синхронизированные друг с другом и имеющие максимальную амплитуду, являются резонансами. Энергия в некоторых частотных точках минимизируется, что является антирезонансом, или антирезонансом, или антирезонансом.

Вложенные стеклянные трубки образуют «резонансную полость».

Принцип антирезонансного оптического волокна (фото г-на Чжан Дечао)

Спектр пропускания имеет несколько пиков. Пики разделены на несколько областей с высокой отражающей способностью, также известных как антирезонансные окна. Внутри этих окон падение от полой сердцевины приведет к очень сильным отражениям, тем самым значительно уменьшая потери на утечку волокна.

Между стеклянными трубками по бокам отсутствует контакт, который называется безузловым. Если есть узлы, это приведет к большим потерям.

Волокно NANF решает проблему ограничения фотонной запрещенной зоны фотонно-кристаллического волокна, а его теоретические потери и полоса пропускания лучше, чем у нынешнего волокна со стеклянным сердечником, поэтому оно привлекло большое внимание со стороны отрасли.

Полое волокно с фотонной запрещенной зоной и вложенное антирезонансное безузловое волокно

За последние несколько лет такие компании, как British Telecom, Comcast и euNetworks, внедрили технологию полых волокон Lumenisity NANF.

British Telecom использует NANF для построения транспортных сетей мобильной связи, а также проводит тесты распределения квантовых ключей на NANF.

Comcast в партнерстве с Lumenisity развернула 40-километровую гибридную оптоволоконную линию с воздушным сердечником и традиционную оптоволоконную линию в Филадельфии для проведения тестирования и проверки совместимости.

Компания euNetworks проложила 14-километровый участок полого оптического волокна Lumenisity между Лондоном и Базилдоном в Великобритании, чтобы соединить два центра обработки данных, критически важные для финансовых транзакций.

Из-за огромной коммерческой ценности полого оптического волокна Microsoft напрямую приобрела всю компанию Lumenisity 9 декабря 2022 года. Цена сделки неизвестна, но она точно не низкая.

В настоящее время ведущие отечественные производители оптического волокна, такие как YOFC и Hengtong, активно внедряют технологию полого оптического волокна. Многие университеты также проводят исследования в этой области. Не говоря уже о трех основных операторах, они следят за развитием технологии полых волокон.

Я считаю, что в ближайшие несколько лет исследования и внедрение полых оптических волокон будут еще более ускоряться.

█ Преимущества полого волокна

Давайте поговорим о преимуществах полого оптического волокна.

1. Меньшая задержка

Это было подробно представлено ранее.

2. Меньшие потери

Потери при передаче полого оптического волокна также являются важным техническим показателем оптического волокна. Чем ниже потери в оптическом волокне, это означает, что оптический сигнал может передаваться по оптическому волокну на большее расстояние, и сигнал легче идентифицировать и демодулировать на противоположном конце.

При передаче оптических сигналов в воздухе потери определенно меньше, чем при передаче в кварцевом стекле.

Как уже упоминалось, потери тока, достигаемые при использовании полого оптического волокна, составляют 0,174 д Б/км, что соответствует характеристикам последнего поколения существующего оптического волокна со стеклянным сердечником.

По данным исследовательских институтов, теоретический минимальный предел потерь для полого оптического волокна может составлять всего 0,1 д Б/км, что меньше, чем у обычного оптического волокна со стеклянным сердечником (0,14 д Б/км).

3. Поддержка большего количества оптических диапазонов

Оптическое волокно с полой сердцевиной не поглощает свет и может легко поддерживать O, S, E, C, L, U и другие световые диапазоны.

4. Уменьшите нелинейные эффекты

Нелинейный эффект полого волокна на 3–4 порядка ниже, чем у обычного волокна со стеклянным сердечником, что позволяет значительно увеличить входную оптическую мощность, тем самым увеличивая расстояние передачи.

5. Способен передавать мощный лазер.

Когда традиционные оптические волокна со стеклянным сердечником осуществляют передачу мощного лазера, они поглощают лазерную энергию, вызывая накопление тепла на дефектах материала или неравномерное распределение температуры между сердцевиной и оболочкой, что приводит к повреждению волокна.

В оптическом волокне с полой сердцевиной более 99% оптической мощности передается по воздуху, а вес между световым полем и материалом чрезвычайно мал. Таким образом, при одинаковой мощности передачи наблюдается меньшее поглощение материала и более низкое поглощение материала. он также имеет более высокий порог повреждения лазером.

Проще говоря, это означает, что его нелегко сжечь лазерами большой мощности (киловаттного уровня).

Помимо перечисленных выше преимуществ, полые оптические волокна также обладают такими преимуществами, как низкая дисперсия, низкая термическая чувствительность и радиационная стойкость. Именно по этим причинам отрасль уделяет большое внимание развитию технологии полых оптических волокон.

█ Сценарии применения полого оптического волокна

Первый тип сценария – это, конечно же, общение.

Низкие потери и низкая задержка полого оптического волокна очень подходят для целей оптоволоконной связи. Особенно упомянутые ранее сценарии связи, чувствительные к задержкам.

Второй тип сценария – сенсорный. То есть использовать оптическое волокно для измерения окружающей среды.

Оптическое волокно с полой сердцевиной обладает большей гибкостью и характеристиками большой апертуры и может использоваться в области оптического зондирования для измерения таких параметров, как температура, давление, расход и химический состав.

Третий тип сценария — применение лазера.

Как упоминалось ранее, оптическое волокно с полой сердцевиной может выдерживать воздействие мощных лазеров. Таким образом, его можно использовать для доставки лазерных лучей, например, при лазерной резке и травлении в промышленном производстве, а также глубоко в тело человека для улучшения визуализации и лечения больных тканей.

Телепортирующий лазер на самом деле представляет собой некую форму телепортирующейся энергии. Это также дает большой простор для воображения приложений.

█ Заключительные слова

В целом, полое волокно – это хорошо. Он имеет множество преимуществ и имеет широкие перспективы применения. Необходимо повысить внимание и инвестиции в эту технологию.

В настоящее время в полых оптических волокнах все еще ведется активная работа по снижению собственных потерь и улучшению эксплуатационных показателей.

Для ускорения внедрения данной технологии нам также необходимо обратить внимание на следующие моменты:

1. Стандартизация внутренней структуры оптического волокна, какую архитектуру следует принять для доработки и запустить в крупносерийное производство.

2. Как улучшить процесс, снизить сложность производства и добиться серийного производства с высоким уровнем квалификации.

3. Заранее проверьте любые инженерные проблемы, которые могут возникнуть во время развертывания сети, и составьте план. Самый простой вопрос: если полое оптическое волокно сломано, как его соединить.

4. Как ускорить построение производственной цепочки и обеспечить вспомогательную поддержку материалами, устройствами и т. д.

Надеемся, со временем ответы на эти вопросы будут найдены. Мы также надеемся, что полое оптическое волокно как можно скорее выйдет на зрелую коммерческую стадию и расширит возможности нашей сети.

Выше приведено все содержание сегодняшней статьи, спасибо за просмотр!

Ссылки:

1. Статьи, относящиеся к Исследовательскому центру оптоэлектроники (ORC) Саутгемптонского университета;

2. «Антирезонансное полое оптическое волокно может стать идеальной средой для сверхскоростных систем оптической передачи», Ли Хан, China Mobile;

3. «30-летие фотонно-кристаллических волокон: краткая история микроструктурированных волокон», Thorlabs;

4. «Характеристики и тенденции развития применения фотонно-кристаллических волокон», Оптические волокна Цзянсу Хэнтун, Чэнь Вэй;

5. «Раскрытие секрета полого оптического волокна: «световая дорога» для будущих коммуникаций», документ ZTE;

6. «Полое оптическое волокно NANF, что такое антирезонансное безузловое», Оптическая связь Женщина;

7. «Последние достижения в области полого волокна HCF», Fiber, Zhihu.