Полое волокно — это новый тип оптического волокна. В отличие от традиционных волокон, которые содержат сердцевину из кварцевого стекла (в основном состоящего из диоксида кремния), волокна с полой сердцевиной по существу «пусты» — содержат только воздух, инертный газ или вакуум.
Значение волокон с полой сердцевиной по сравнению с традиционными волокнами с кварцевой сердцевиной заключается не в снижении стоимости из-за отсутствия твердой сердцевины, а в превосходном распространении световых сигналов по воздуху, а не по стеклянным волокнам.
Фундаментальная формула из школьной физики иллюстрирует это преимущество:
Здесь (v) представляет скорость света в среде, (c) — скорость света в вакууме, обычно известную как примерно 300,000 XNUMX километров в секунду, — и (n) — показатель преломления среды. Скорость света варьируется в разных средах.
Показатель преломления воздуха равен примерно 1, тогда как другие среды имеют показатель преломления больше 1. Например, вода имеет показатель преломления 1.33, кристалл 1.55 и алмаз 2.42. Стекло варьируется от 1.5 до 1.9 в зависимости от его состава.
Это означает, что свет проходит через традиционные волокна с кварцевой сердцевиной со скоростью, значительно меньшей, чем (c). Экспериментальные данные показывают, что использование волокон с полой сердцевиной может увеличить скорость световых сигналов примерно на 47% по сравнению с традиционными волокнами с кварцевой сердцевиной.
Такое увеличение могло бы существенно сократить задержку в оптоволоконной связи примерно на одну треть. По расчетам исследовательских институтов, латентность волокон с кварцевой сердцевиной составляет примерно 5 микросекунд на километр, тогда как для полых волокон — около 3.46 микросекунд на километр. На расстоянии 1000 километров это могло бы сократить задержку на 1.54 миллисекунды.
Такое уменьшение задержки имеет большое значение для отраслей, которые полагаются на высокочастотные транзакции, таких как торговля финансовыми ценными бумагами, а также для удаленного здравоохранения и промышленного производства.
Развитие и эволюция полого волокна
Далее давайте рассмотрим техническую реализацию полого оптоволокна. Принцип оптических волокон по существу заключается в ограничении света внутри кабеля.
Традиционные оптические волокна с твердой сердцевиной состоят изнутри наружу из трех частей: сердцевины, оболочки и покрытия (иногда с дополнительной внешней оболочкой).
Когда свет попадает в оптическое волокно, показатель преломления сердцевины волокна (n1) выше, чем показатель преломления оболочки (n2), что приводит к полному внутреннему отражению. Это заставляет свет постоянно отражаться и распространяться вперед.
В полых волокнах, поскольку показатель преломления воздуха ниже, чем у оболочки, полного внутреннего отражения не происходит.
Поэтому для ограничения света внутри полых волокон требуется новый технологический подход. Еще в 1960-х годах, когда Чарльз Као опубликовал свою основополагающую статью об оптических волокнах, была предложена концепция полых волокон. Однако материальная технология в то время не была достаточно зрелой, чтобы реализовать это.
В 1987 году американские физики-прикладники Эли Яблонович и Саджив Джон впервые представили концепцию фотонных кристаллов, выйдя из тупика. Фотонные кристаллы, также известные как фотонные материалы с запрещенной зоной, представляют собой искусственные микроструктуры, образованные периодическим расположением сред с разными показателями преломления.
Проще говоря, фотонные кристаллы имеют функцию «выбора длины волны», позволяющую проходить определенным длинам волн света и блокируя другие. Переливающиеся драгоценные камни, крылья бабочек, павлиньи перья и панцири жуков, которые в природе демонстрируют красочный металлический блеск, — все они черпают свои уникальные оптические свойства из периодических микроструктур фотонных кристаллов, которые избирательно отражают определенные длины волн света.
Основываясь на теории фотонных кристаллов, в 1991 году Филип Рассел из Университета Саутгемптона впервые предложил концепцию фотонно-кристаллических волокон (ФКВ). В 1996 году его коллеги Джонатан Найт и Тим Биркс из Исследовательского центра оптоэлектроники Саутгемптонского университета успешно разработали образцы фотонно-кристаллических волокон с твердой сердцевиной и продемонстрировали характеристики передачи света в этих волокнах.
На изображении выше показано поперечное сечение оптического волокна в то время. Как вы можете видеть, здесь имеется множество маленьких отверстий и нет явного ядра.
Появление фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) успешно привлекло внимание оптического исследовательского сообщества. Многие команды начали присоединяться к исследованиям PCF, ускоряя соответствующие разработки. В 1998 году Джонатан Найт и его коллеги объявили об открытии «эффекта регулирования фотонной запрещенной зоны в волокнах» и создали первое в мире фотонно-кристаллическое волокно с фотонной запрещенной зоной (PBG-PCF). В 1999 году Филип Рассел и его команда опубликовали в журнале Science статью, в которой предложили одномодовое фотонно-кристаллическое волокно с полой сердцевиной (HC-SM-PBG-PCF). Вскоре после этого РФ Креган и его команда успешно разработали образец, который считается первым в мире полым волокном.
Различные структурные конструкции фотонно-кристаллических волокон с полой сердцевиной показаны на изображении выше. Вся PBG-PCF напоминает соты. Поэтому в то время его также называли дырчатым волокном (HF) и микроструктурированным волокном (MSF). Сердцевина волокна полая и заполнена воздухом. Оболочка состоит из множества периодически расположенных отверстий для воздуха, все с точно установленными диаметрами, интервалами и периодами. Когда оптический сигнал попадает в волокно, фотоны перемещаются из воздушной сердцевины в оболочку. Периодически расположенные воздушные отверстия в оболочке образуют фотонно-кристаллическую структуру, не позволяющую фотонам определенных частот проходить через оболочку и «отбрасывать» их обратно в ядро. Таким образом, фотоны могут продолжать распространяться только вдоль воздушного ядра.
Несмотря на постоянные усилия ученых по улучшению PBG-PCF, им не удалось решить проблему потерь. Потери в этих волокнах остаются на уровне дБ/км, а их изготовление представляет собой сложную задачу. Это затруднило практическое применение полых волокон. Следовательно, ученые продолжали исследовать новые структуры из полых волокон. Исследователи предложили полое волокно типа Кагоме. Позже, на основе исследований полых волокон типа Кагоме, они представили антирезонансные полые волокна, которые стали основным направлением исследований в отрасли.
В 2019 году команда Франческо Полетти из Исследовательского центра оптоэлектроники Университета Саутгемптона изобрела знаменитое вложенное антирезонансное безузловое волокно (NANF), позволяющее снизить потери в полых волокнах до 1.3 дБ/км. Всего год спустя, в 2020 году, Lumenisity, промышленное подразделение Саутгемптонского университета, сократило потери в волокнах NANF до 0.28 дБ/км, вызвав сенсацию в отрасли.
Давайте подробнее рассмотрим структуру NANF-волокон:
Сердцевина волокна NANF заполнена воздухом. Сердцевину окружают параллельные стеклянные трубки, каждая из которых вложена внутри другой стеклянной трубки. Эта конфигурация известна как одиночное вложение. Если внутрь вложена еще одна трубка, это называется двойным вложением.
Цель вложения связана с «резонансом».
Резонанс, также известный как интерференция, возникает, когда две волны синхронизированы, что приводит к максимальной амплитуде. И наоборот, на определенных частотах энергия минимизируется, что называется антирезонансом. Вложенные друг в друга стеклянные трубки образуют «резонансную полость».
Спектр пропускания имеет несколько пиков. Области между этими пиками представляют собой зоны высокого отражения, также известные как антирезонансные окна. Внутри этих окон свет, попадающий из полого сердечника, будет сильно отражаться, что значительно снижает потери на утечку волокна. Стороны стеклянных трубок не соприкасаются друг с другом, что называется безузловым. Если бы узлы присутствовали, они бы привели к значительным потерям.
Волокна NANF преодолели ограничения фотонно-кристаллических волокон с запрещенной зоной (PBG-PCF) и обеспечивают теоретические потери и полосу пропускания, превосходящие существующие волокна со стеклянным сердечником, что привлекло значительное внимание отрасли.
Такие компании, как BT, Comcast и euNetworks, в последние годы внедрили технологию полого волокна NANF от Lumenisity. Компания BT использовала NANF для построения транзитной сети мобильной связи и провела тесты распределения квантовых ключей на NANF. Comcast в сотрудничестве с Lumenisity развернула 40-километровую гибридную линию из полых и традиционных волокон в Филадельфии для тестирования совместимости. euNetworks развернула 14-километровый сегмент полого оптоволокна Lumenisity между Лондоном и Базилдоном, чтобы соединить два центра обработки данных, критически важные для финансовых транзакций.
Из-за значительной коммерческой стоимости полых волокон Microsoft приобрела Lumenisity 9 декабря 2022 года. Цена сделки не разглашалась, но, несомненно, была значительной.
Преимущества полых волокон
Давайте обсудим преимущества полых волокон.
1. Низкая задержка
Это было подробно описано ранее.
2. Меньшие потери
Потери при передаче являются важнейшим техническим параметром для оптических волокон. Меньшие потери означают, что оптический сигнал может распространяться дальше по волокну, что упрощает его распознавание и демодуляцию на приемном конце. Оптические сигналы испытывают меньшие потери при передаче по воздуху по сравнению с кварцевым стеклом. Как упоминалось ранее, современные волокна с полой сердцевиной могут достигать потерь 0.174 дБ/км, что сопоставимо с последним поколением волокон со стеклянным сердечником. По данным исследовательских институтов, теоретические минимальные потери для полых волокон могут быть снижены до уровня ниже 0.1 дБ/км, что ниже, чем у стандартных волокон со стеклянным сердечником (0.14 дБ/км).
3. Поддержка нескольких оптических диапазонов.
Волокна с полой сердцевиной могут легко поддерживать различные полосы, такие как O, S, E, C, L и U.
4. Уменьшение нелинейных эффектов
Нелинейные эффекты в волокнах с полой сердцевиной на 3–4 порядка ниже, чем в обычных волокнах со стеклянной сердцевиной, что позволяет значительно увеличить входную оптическую мощность и, таким образом, увеличить дальность передачи.
5. Передача мощного лазера
Традиционные волокна со стеклянным сердечником поглощают лазерную энергию во время передачи мощного лазера, что приводит к накоплению тепла в местах дефектов материала или неравномерному распределению температуры между сердцевиной и оболочкой, что приводит к повреждению волокна. В полых волокнах более 99% оптической мощности передается через воздух, что сводит к минимуму взаимодействие с материалом. Это приводит к более низкому поглощению материала и более высокому порогу лазерного повреждения при той же мощности излучения.
Проще говоря, полые волокна с меньшей вероятностью будут повреждены лазерами высокой мощности (киловаттного уровня).
Помимо перечисленных выше преимуществ, полые волокна также обладают низкой дисперсией, низкой температурной чувствительностью и стойкостью к радиации, что обусловливает повышенный интерес отрасли к развитию технологии полых волокон.
Применение волокон с полой сердцевиной
1. Связь
Низкие потери и низкая задержка полых волокон делают их идеальными для оптической связи, особенно в сценариях связи, чувствительных к задержкам.
2. Зондирование
Волокна с полой сердцевиной, обладающие большей гибкостью и большой апертурой, могут использоваться в оптических датчиках для измерения таких параметров, как температура, давление, поток и химический состав.
3. Применение лазера
Как упоминалось ранее, полые волокна могут выдерживать воздействие мощных лазеров. Их можно использовать для передачи лазерных лучей для промышленных производственных процессов, таких как лазерная резка и травление, а также для визуализации и лечения больных тканей глубоко внутри человеческого тела. Передача лазеров — это, по сути, форма передачи энергии, которая имеет значительные потенциальные применения.
Заключение
Таким образом, полые волокна имеют большие преимущества и имеют широкий спектр применения. Крайне важно повысить внимание и инвестиции в эту технологию. В настоящее время продолжаются усилия по снижению потерь и улучшению показателей производительности полых волокон. Чтобы ускорить внедрение этой технологии, нам необходимо сосредоточиться на следующих моментах:
1. Стандартизация структуры внутреннего волокна. Определение оптимальной архитектуры для стандартизации и массового производства.
2. Улучшение процесса. Снижение сложности производства для достижения крупномасштабного и высокопроизводительного производства.
3. Инженерные проблемы при развертывании. Прогнозирование и решение потенциальных инженерных проблем в реальных условиях эксплуатации, например, как сращивать полые волокна в случае их разрыва.
4. Ускорение развития отраслевых цепочек. Обеспечение адекватной поддержки в материалах и компонентах.
Мы надеемся, что со временем эти проблемы будут решены и что полые волокна вскоре достигнут зрелой коммерческой стадии, что еще больше расширит возможности нашей сети.