Hohlkernfasern sind ein neuartiger Typ von Glasfasern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fasern, deren Kern aus Quarzglas (hauptsächlich aus Siliziumdioxid) besteht, sind Hohlkernfasern im Wesentlichen „leer“ – sie enthalten nur Luft, Inertgas oder Vakuum.
Der Vorteil von Hohlkernfasern gegenüber herkömmlichen Fasern mit Siliziumkarbidkern liegt nicht in der Kostensenkung durch das Fehlen eines massiven Kerns, sondern in der besseren Ausbreitung von Lichtsignalen durch Luft im Vergleich zu Glasfasern.
Eine grundlegende Formel aus dem Physikunterricht verdeutlicht diesen Vorteil:
Dabei stellt (v) die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium dar, (c) die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum – allgemein bekannt als etwa 300,000 Kilometer pro Sekunde – und (n) den Brechungsindex des Mediums. Die Lichtgeschwindigkeit variiert je nach Medium.
Der Brechungsindex von Luft beträgt etwa 1, während andere Medien Brechungsindizes über 1 haben. Wasser hat beispielsweise einen Brechungsindex von 1.33, Kristall 1.55 und Diamant 2.42. Glas variiert je nach Zusammensetzung zwischen 1.5 und 1.9.
Dies bedeutet, dass sich Licht durch herkömmliche Fasern mit Siliziumkern mit einer deutlich geringeren Geschwindigkeit bewegt als ( c ). Experimentelle Daten deuten darauf hin, dass die Verwendung von Hohlkernfasern die Geschwindigkeit von Lichtsignalen im Vergleich zu herkömmlichen Fasern mit Siliziumkern um etwa 47 % erhöhen kann.
Diese Steigerung könnte die Latenzzeit bei der Glasfaserkommunikation um etwa ein Drittel deutlich reduzieren. Nach Berechnungen von Forschungseinrichtungen beträgt die Latenzzeit bei Glasfasern mit Quarzkern etwa 5 Mikrosekunden pro Kilometer, bei Hohlkernfasern hingegen etwa 3.46 Mikrosekunden pro Kilometer. Auf einer Distanz von 1000 Kilometern könnte dies die Latenzzeit um 1.54 Millisekunden reduzieren.
Eine solche Verbesserung der Latenz ist von großer Bedeutung für Branchen, die auf Hochfrequenztransaktionen angewiesen sind, wie etwa der Wertpapierhandel, sowie für Szenarien im Bereich der Ferngesundheitsversorgung und der industriellen Fertigung.
Entwicklung und Evolution von Hohlkernfasern
Als nächstes wollen wir uns die technische Umsetzung von Hohlkern-Glasfasern ansehen. Das Prinzip von Glasfasern besteht im Wesentlichen darin, Licht in einem Kabel einzuschließen.
Herkömmliche Festkern-Lichtwellenleiter bestehen von innen nach außen aus drei Teilen: dem Kern, dem Mantel und der Beschichtung (manchmal mit zusätzlicher Außenhülle).
Wenn Licht in die Glasfaser eintritt, ist der Brechungsindex des Faserkerns (n1) höher als der des Mantels (n2), was zu einer Totalreflexion führt. Dies führt dazu, dass das Licht kontinuierlich reflektiert wird und sich nach vorne ausbreitet.
Da bei Hohlkernfasern der Brechungsindex von Luft niedriger ist als der des Mantels, kommt es nicht zur Totalreflexion.
Um Licht in Hohlkernfasern einzuschließen, ist daher ein neuer technologischer Ansatz erforderlich. Bereits in den 1960er Jahren, als Charles Kao seine wegweisende Arbeit über optische Fasern veröffentlichte, wurde das Konzept der Hohlkernfasern vorgeschlagen. Allerdings war die Materialtechnologie damals noch nicht ausgereift genug, um es umzusetzen.
1987 führten die amerikanischen angewandten Physiker Eli Yablonovitch und Sajeev John erstmals das Konzept der photonischen Kristalle ein und brachten damit den Durchbruch. Photonische Kristalle, auch als photonische Bandlückenmaterialien bekannt, sind künstliche Mikrostrukturen, die durch die periodische Anordnung von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes entstehen.
Einfach ausgedrückt verfügen photonische Kristalle über eine „Wellenlängenauswahl“-Funktion, die bestimmte Wellenlängen des Lichts durchlässt, während andere blockiert werden. Die schillernden Edelsteine, Schmetterlingsflügel, Pfauenfedern und Käferpanzer, die in der Natur einen farbenfrohen metallischen Glanz aufweisen, verdanken ihre einzigartigen optischen Eigenschaften allesamt den periodischen Mikrostrukturen photonischer Kristalle, die selektiv bestimmte Wellenlängen des Lichts reflektieren.
Basierend auf der Theorie der photonischen Kristalle schlug Philip Russell von der Universität Southampton 1991 erstmals das Konzept der photonischen Kristallfasern (PCFs) vor. 1996 entwickelten seine Kollegen Jonathan Knight und Tim Birks am Optoelectronics Research Centre der Universität Southampton erfolgreich Proben von Festkern-Photonenkristallfasern und demonstrierten die Lichtübertragungseigenschaften innerhalb dieser Fasern.
Das Bild oben zeigt den Querschnitt einer Glasfaser aus dieser Zeit. Wie man sehen kann, gibt es zahlreiche kleine Löcher und keinen offensichtlichen Kern.
Die Einführung photonischer Kristallfasern (PCFs) erregte die Aufmerksamkeit der optischen Forschungsgemeinschaft. Viele Teams begannen, sich an der Forschung zu PCFs zu beteiligen und beschleunigten damit verbundene Fortschritte. 1998 gaben Jonathan Knight und seine Kollegen die Entdeckung des „photonischen Bandlückenführungseffekts in Fasern“ bekannt und produzierten die weltweit erste photonische Bandlücken-Photonenkristallfaser (PBG-PCF). 1999 veröffentlichten Philip Russell und sein Team einen Artikel in Science, in dem sie die Hohlkern-Singlemode-Photonen-Bandlücken-Photonenkristallfaser (HC-SM-PBG-PCF) vorschlugen. Kurz darauf entwickelten RF Cregan und sein Team erfolgreich ein Muster, das als die weltweit erste Hohlkernfaser gilt.
Im Bild oben sind verschiedene strukturelle Designs von Hohlkern-Photonenkristallfasern dargestellt. Die gesamte PBG-PCF ähnelt einer Bienenwabe. Daher wurde sie damals auch als Holey Fiber (HF) und Micro-Structured Fiber (MSF) bezeichnet. Der Kern der Faser ist hohl und mit Luft gefüllt. Der Mantel besteht aus zahlreichen periodisch angeordneten Luftlöchern, alle mit genau festgelegten Lochdurchmessern, Abständen und Perioden. Wenn ein optisches Signal in die Faser eintritt, bewegen sich Photonen vom Luftkern in den Mantel. Die periodisch angeordneten Luftlöcher im Mantel bilden eine photonische Kristallstruktur, die Photonen bestimmter Frequenzen daran hindert, durch den Mantel zu gelangen, und sie zurück in den Kern „abprallen“ lässt. Somit können sich Photonen nur weiter entlang des Luftkerns ausbreiten.
Trotz kontinuierlicher Bemühungen der Wissenschaftler, PBG-PCFs zu verbessern, konnten sie das Verlustproblem nicht lösen. Der Verlust dieser Fasern blieb auf dem dB/km-Niveau und ihre Herstellung ist eine Herausforderung. Dies hat die praktische Anwendung von Hohlkernfasern behindert. Folglich erforschten Wissenschaftler weiterhin neue Hohlkernfaserstrukturen. Forscher schlugen die Hohlkernfaser vom Kagome-Typ vor. Später führten sie auf der Grundlage der Forschung an Hohlkernfasern vom Kagome-Typ antiresonante Hohlkernfasern ein, die zu einer gängigen Forschungsrichtung in der Branche wurden.
Im Jahr 2019 erfand das Team um Francesco Poletti am Optoelectronics Research Centre der University of Southampton die berühmte Nested Antiresonant Nodeless Fiber (NANF), die den Verlust von Hohlkernfasern auf 1.3 dB/km reduzierte. Nur ein Jahr später, im Jahr 2020, reduzierte Lumenisity, die Industrietochter der University of Southampton, den Verlust von NANF-Fasern auf 0.28 dB/km und sorgte damit in der Branche für Aufsehen.
Schauen wir uns die Struktur der NANF-Fasern genauer an:
Der Kern der NANF-Faser ist mit Luft gefüllt. Um den Kern herum befinden sich parallele Glasröhren, in denen jeweils eine weitere Glasröhre steckt. Diese Konfiguration wird als Einzelverschachtelung bezeichnet. Wenn eine weitere Röhre darin steckt, spricht man von Doppelverschachtelung.
Der Zweck der Verschachtelung hängt mit der „Resonanz“ zusammen.
Resonanz, auch Interferenz genannt, tritt auf, wenn zwei Wellen synchron sind, was zu maximaler Amplitude führt. Umgekehrt wird bei bestimmten Frequenzen die Energie minimiert, was als Antiresonanz bezeichnet wird. Die ineinander verschachtelten Glasröhren sind so konzipiert, dass sie einen „Resonanzhohlraum“ bilden.
Das Übertragungsspektrum weist mehrere Spitzen auf. Die Bereiche zwischen diesen Spitzen sind hochreflektierende Zonen, auch als Antiresonanzfenster bekannt. Innerhalb dieser Fenster erfährt das vom Hohlkern eintretende Licht eine hohe Reflexion, was den Faserleckverlust erheblich reduziert. Die Seiten der Glasröhren berühren sich nicht, was als knotenfrei bezeichnet wird. Wären Knoten vorhanden, würden sie erhebliche Verluste verursachen.
NANF-Fasern haben die Einschränkungen von photonischen Kristallfasern mit photonischem Bandabstand (PBG-PCFs) überwunden und bieten einen höheren theoretischen Verlust und eine bessere Übertragungsbandbreite als aktuelle Glasfasern, wodurch sie in der Industrie erhebliche Aufmerksamkeit auf sich ziehen.
Unternehmen wie BT, Comcast und euNetworks haben in den letzten Jahren die NANF-Hohlfasertechnologie von Lumenisity übernommen. BT hat NANF zum Aufbau des Backhauls für Mobilfunknetze verwendet und Quantenschlüsselverteilungstests auf NANF durchgeführt. Comcast arbeitete mit Lumenisity zusammen, um in Philadelphia eine 40 Kilometer lange Hybridverbindung aus Hohlfaser und herkömmlichen Fasern für Kompatibilitätstests zu verlegen. euNetworks verlegte zwischen London und Basildon ein 14 Kilometer langes Segment der Lumenisity-Hohlfaser, um zwei für Finanztransaktionen wichtige Rechenzentren zu verbinden.
Aufgrund des erheblichen kommerziellen Werts von Hohlkernfasern hat Microsoft am 9. Dezember 2022 Lumenisity übernommen. Der Transaktionspreis wurde nicht bekannt gegeben, war aber zweifellos beträchtlich.
Vorteile von Hohlkernfasern
Lassen Sie uns die Vorteile von Hohlkernfasern besprechen.
1. Niedrigere Latenz
Dies wurde bereits früher ausführlich erläutert.
2. Geringerer Verlust
Der Übertragungsverlust ist ein entscheidender technischer Parameter für Glasfasern. Geringerer Verlust bedeutet, dass das optische Signal innerhalb der Faser eine größere Distanz zurücklegen kann, wodurch es am Empfangsende leichter erkannt und demoduliert werden kann. Optische Signale erleiden bei der Übertragung durch Luft weniger Verlust als bei Quarzglas. Wie bereits erwähnt, können aktuelle Hohlkernfasern einen Verlust von 0.174 dB/km erreichen, vergleichbar mit der neuesten Generation von Glasfasern. Forschungsinstituten zufolge kann der theoretische Mindestverlust von Hohlkernfasern auf unter 0.1 dB/km gesenkt werden, was niedriger ist als der von Standard-Glasfasern (0.14 dB/km).
3. Unterstützung mehrerer optischer Bänder
Hohlkernfasern können problemlos verschiedene Bänder wie O, S, E, C, L und U unterstützen.
4. Reduzierte nichtlineare Effekte
Die nichtlinearen Effekte bei Hohlkernfasern sind drei bis vier Größenordnungen geringer als bei herkömmlichen Glasfasern. Dadurch ist eine deutlich höhere optische Eingangsleistung und damit größere Übertragungsdistanzen möglich.
5. Hochleistungslaserübertragung
Herkömmliche Glasfasern absorbieren bei der Übertragung von Hochleistungslasern Laserenergie, was zu Wärmestaus an Materialfehlern oder einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen Kern und Mantel führt und so zu Faserschäden führt. Bei Glasfasern mit Hohlkern werden über 99 % der optischen Leistung durch die Luft übertragen, wodurch die Wechselwirkung mit dem Material minimiert wird. Dies führt zu einer geringeren Materialabsorption und einer höheren Laserzerstörschwelle bei gleicher Übertragungsleistung.
Einfach ausgedrückt besteht bei Hohlkernfasern eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch Hochleistungslaser (Kilowatt-Bereich).
Neben den oben genannten Vorteilen zeichnen sich Hohlkernfasern auch durch geringe Dispersion, geringe Wärmeempfindlichkeit und Strahlungsbeständigkeit aus, was das große Interesse der Industrie an der Entwicklung der Hohlkernfasertechnologie begründet.
Anwendungen von Hohlkernfasern
1. Kommunikation
Aufgrund der geringen Verluste und Latenzzeiten eignen sich Hohlkernfasern ideal für die optische Kommunikation, insbesondere in latenzempfindlichen Kommunikationsszenarien.
2. Sensorik
Hohlkernfasern können aufgrund ihrer größeren Flexibilität und großen Apertur in der optischen Sensorik zum Messen von Parametern wie Temperatur, Druck, Strömung und chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden.
3. Laseranwendungen
Wie bereits erwähnt, können Hohlkernfasern Hochleistungslasern standhalten. Sie können zur Übertragung von Laserstrahlen für industrielle Fertigungsprozesse wie Laserschneiden und -ätzen sowie zur Bildgebung und Behandlung erkrankter Gewebe tief im menschlichen Körper verwendet werden. Die Übertragung von Lasern ist im Wesentlichen eine Form der Energieübertragung, die über erhebliche potenzielle Anwendungen verfügt.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hohlkernfasern sehr vorteilhaft sind und ein breites Anwendungsspektrum haben. Es ist wichtig, dieser Technologie mehr Aufmerksamkeit und Investitionen zu widmen. Derzeit laufen Bemühungen, die Verluste zu reduzieren und die Leistungskennzahlen von Hohlkernfasern zu verbessern. Um den Einsatz dieser Technologie zu beschleunigen, müssen wir uns auf die folgenden Punkte konzentrieren:
1. Standardisierung der internen Faserstruktur. Bestimmung der optimalen Architektur für Standardisierung und Massenproduktion.
2. Prozessverbesserung. Reduzierung der Fertigungskomplexität, um eine Produktion im großen Maßstab und mit hoher Ausbeute zu erreichen.
3. Technische Herausforderungen bei der Bereitstellung. Vorwegnahme und Bewältigung potenzieller technischer Probleme bei der Bereitstellung in der Praxis, z. B. wie Hohlkernfasern gespleißt werden, wenn sie brechen.
4. Beschleunigung der Entwicklung der Industriekette. Sicherstellung einer angemessenen Unterstützung bei Materialien und Komponenten.
Wir hoffen, dass diese Probleme im Laufe der Zeit gelöst werden und dass Hohlkernfasern bald ein ausgereiftes kommerzielles Stadium erreichen und so die Kapazitäten unseres Netzwerks weiter verbessern.