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空芯光纤,为什么这么火?

时间:2024-06-20 13:02:45

 

什么是空芯光纤?

 

 

空芯光纤,网上很多文章也称之为“空心光纤”,英文名为Hollow-core fiber(HCF),是一种新型光纤。

 

我们现在普遍使用的传统光纤,都是玻芯光纤。在光纤里面,有石英玻璃(主要成分是二氧化硅)制作的纤芯。

2.jpg传统纤芯 

 

空芯光纤,顾名思义,就是光纤里面不再有实体纤芯,而是“空”的——只有空气、惰性气体或真空。

 

 

那么,空芯光纤,相比于传统玻芯光纤,到底有什么优势呢?为什么现在光通信行业,都非常关注和重视空芯光纤呢?

 

 

研究空芯光纤,并不是因为减少了里面的纤芯能够降低成本,而是因为光信号在空气中传播,比在玻璃纤维中传播更有优势。

 

 

在中学物理里面,我们学过一个重要的公式:

 

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v是光在某种介质中的传播速度。c是光在真空中的传播速度,也就是众所周知的约30万公里/秒。n是这种介质的折射率。

 

 

光在不同的介质中,传播速度是不一样的。

 

 

空气的折射率约等于1。而其它介质的折射率,都大于1。例如水的折射率是1.33,水晶是1.55,钻石是2.42。玻璃按成分不同,大约是1.5~1.9。

 

 

这就意味着,光在传统玻芯光纤中,传播速度要明显小于c。

 

 

根据实验数据,如果采用空芯光纤,光信号的传播速度将会比传统玻芯光纤提升47%左右。

 

 

这将大幅降低光纤通信的时延(大约三分之一)。根据相关研究机构的测算,玻芯光纤的时延大约是5微秒/公里,空芯光纤是3.46微秒/公里。1000公里的距离,可以减少1.54毫秒的时延。

 

 

对于高频率的金融证券交易,以及远程医疗、工业制造等行业场景,这个时延改善具有重要的意义。

 

 

空芯光纤还有很多的优点,小枣君待会再做介绍。

 

 

空芯光纤的发展演进

 

接下来,我们还是先看看空芯光纤的技术实现。

 

 

光纤的原理,说白了,就是把光“困”在有线线缆里。

 

 

传统实心光纤,由内到外,包括纤芯、包层、涂覆层三个部分(有时候外面还有套塑)。

 

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当光进入光纤,光纤纤芯的折射率n1比包层的折射率n2高,会发生全反射现象。然后光就会不停地反射,最终向前传播。

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全反射

 

空芯光纤,因为空气的折射率小于包层的折射率,所以,不会发生全反射现象。

 

 

因此,空芯光纤想要实现对光的“围困”,就必须采用新的技术思路。

 

 

早在上世纪60年代,也就是高锟发表光纤创世论文的时候,就有人曾经提出过空芯光纤的设想。但是,那时候的材料技术还不成熟,所以无法实现。

 

 

1987年,美国应用物理学家伊莱·亚布洛诺维奇(Eli Yablonovitch)和萨杰夫·约翰(Sajeev John)率先提出了光子晶体(photonic crystal)的概念,打破了僵局。

 

 

光子晶体(Photonic Crystal),也叫光子禁带材料,是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。

 

 

简单地说,光子晶体具有“波长选择”的功能,可以有选择地使某个波段的光通过,而阻止其它波长的光通过。

 

 

大家看到有一些五彩斑斓的宝石,还有自然界中蝴蝶翅膀、孔雀翎羽、甲虫外壳等闪烁着的彩色金属光泽,都源于光子晶体特殊的周期性微结构,能够对特定波长的光进行选择性反射。

 

6.jpg

 

基于光子晶体的理论,1991年,英国南安普顿大学的菲利普·罗素(P.St.J.Russel),首次提出了光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)的概念。

 

 

1996年,菲利普·罗素的同事、南安普顿大学光电子学研究中心的乔纳森·奈特(J.C.Knight)和蒂姆·博克斯(Tim Birks)等人,成功研制出实芯光子晶体光纤样品,并证实了光在光子晶体光纤中的传导特性。

 

 
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上图是当时光纤的截面图。大家可以看到,有大量的小孔,且没有明显的纤芯。

 

 

光子晶体光纤的诞生,成功引起了光学研究领域的关注。很多团队都开始加入到对光子晶体光纤的研究中,也加速了相关研究的进展。

 

 

1998年,乔纳森·奈特等人,宣布发现了“光纤中的光子带隙导波效应”,并制备出世界首根光子带隙型光子晶体光纤(Photonic band gap photonic crystal Fiber,PBG-PCF)。

 

 

1999年,菲利普·罗素等人,在《Science》发表论文,提出了空芯单模光子带隙型光子晶体光纤(Hollow Core Single-Mode Photonic band gap photonic crystal Fiber,HC-SM-PBG-PCF)。不久后,克里根(R.F.Cregan)等人,正式研制出样品。(注意,这应该是世界上最早的空芯光纤。)

 

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不同结构设计的空芯光子晶体光纤截面图

 

如上图所示,整个光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)看上去就像一个蜂窝煤。

 

 

因此,当时也被称为多孔光纤(Holey Fiber,HF)和微结构光纤(Micro-Structured Fiber,MSF)。

 

 

光纤的纤芯是中空的,充满了空气。光纤的包层,是大量的空气孔,按周期性排列,全部具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期。

 

 

光信号进入光纤,光子就会从空气纤芯进入包层。包层中周期排列的空气孔,会组成光子晶体结构,让特定频率的光子无法传过包层,给它“弹”回纤芯。这样,光子就只能顺着空气纤芯,继续传播下去。

 

 

光子带隙型光子晶体光纤出现之后,尽管科学家一直在试图改进,但仍然无法解决损耗问题。这类光纤的损耗,一直处于dB/Km的级别,且制备存在困难。

 

 

这对空芯光纤的应用落地造成了阻碍。于是,科学家们继续探索,想要找到新的空芯光纤结构。

 

 

研究人员提出了Kagome型空芯光纤。后来,基于对Kagome型空芯光纤的研究,又提出了反谐振空芯光纤,成为业界主流研究方向。

 

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反谐振空芯光纤(早期型)

 

2019年,南安普顿大学光电研究中心的弗朗西斯科·伯乐蒂(Francesco Poletti)团队发明了著名的嵌套式抗共振无节点光纤(Nested Antiresonant Nodeless Fiber,NANF),将空芯光纤的损耗降到1.3 dB/km。

 

 

仅仅一年后,2020年,南安普顿大学的产业化子公司Lumenisity,就将NANF光纤的损耗降到0.28 dB/km,轰动了整个行业。

 

10.jpg

 

我们可以仔细看看NANF光纤的结构:

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嵌套式反谐振无节点光纤(NANF)

 

NANF光纤的中间是充气纤芯。纤芯周围,是平行的玻璃管。每个玻璃管内,又嵌套(Nested)了另一根玻璃管。

 

 

这种叫单嵌套。如果再嵌一根,就是双嵌套。

 

12.png

单嵌套和双嵌套

 

嵌套的目的,就和“谐振”有关。

 

 

谐振也叫共振、干涉。两个波,步调一致,出现幅度最大化,就是谐振。有一部分频点的能量是最小化的,是反谐振,或者叫反共振、抗谐振。

 

 

嵌套的玻璃管,是为了形成一个“谐振腔”。

 

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反谐振光纤原理(图片来自张德朝先生)

 

传输谱线呈现多峰。峰值之间被分隔为多个高反射区,也称为抗谐振窗口。在这些窗口内,从空芯入射将会导致很高的反射,从而极大地降低光纤的泄漏损耗。

 

 

玻璃管之间,侧面是没有接触的,这叫做无节点(nodeless)。如果有节点,会导致出现较大的损耗。

 

14.png

NANF光纤解决了光子带隙型光子晶体光纤的瓶颈限制,而且理论损耗与传输带宽都优于当前的玻芯光纤,因此备受行业关注。

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光子带隙型空芯光纤 vs 嵌套式反谐振无节点光纤

 
英国电信、康卡斯特(Comcast)、euNetworks等公司,前几年都采用了Lumenisity的NANF空芯光纤技术。
 
英国电信将NANF用于移动网络承载网的建设,还在NANF上进行了量子密钥分发测试。
 
康卡斯特与Lumenisity合作,在费城部署了一条40公里的混合空芯光纤和传统光纤链路,进行兼容性等方面的测试验证。
 
euNetworks公司在英国伦敦和巴西尔登之间,部署了一段14公里长的Lumenisity空芯光纤,以连接两个对金融交易至关重要的数据中心。
 
因为空芯光纤的巨大商业价值,2022年12月9日,微软直接将Lumenisity公司整个收购了。交易价格不详,但肯定不低。
 
目前,国内头部光纤厂商,比如长飞、亨通,都在积极布局空芯光纤技术。很多高校也在进行这方面的研究。三大运营商更不用说了,死死盯着空芯光纤技术的相关进展。
 
相信接下来的这几年,空芯光纤的研究和落地将会进一步提速。
 
 
空芯光纤的优点
 
我们再来说说空芯光纤的优点。
 
1.更低的时延
 
这个前面已经详细介绍过了。
 
2.更低的损耗
 
空芯光纤传输损耗也是光纤的一项重要技术指标。光纤的损耗越低,意味着光信号在光纤中能够传输的距离更远,信号在对端更容易被识别和解调出来。
 
光信号在空气中传输,损耗肯定是小于在石英玻璃中传输的。
 
刚才也已经提到了,目前空芯光纤可实现损耗为0.174 dB/km,与现有最新一代玻芯光纤性能持平。
 
根据研究机构的说法,空芯光纤的理论损耗最小极限可低至0.1 dB/km以下,比普通玻芯光纤(0.14 dB/km)更小。
 
3.支持更多的光波段
 
空芯光纤不挑光,可以轻松支持O,S,E,C,L,U等多种波段的光。
 
4.减少了非线性效应
 
空芯光纤的非线性效应比常规玻芯光纤的非线性效应低3到4个数量级,使得入纤光功率可以大幅提高,从而提升传输距离。
 
5.能传输高功率激光
 
传统玻芯光纤在进行高功率激光传输时,会吸收激光能量,导致材料缺陷处形成热积累或纤芯与包层的温度分布不均匀,从而产生光纤损伤。
 
空芯光纤的话,超过99%的光功率在空气中传输,光场与材料重极小,因此在相同的传输功率下有更低的材料吸收,也就拥有更高的激光损伤阈值。
 
简单来说,就是不容易被高功率激光(千瓦级)烧坏。
 
除了以上列举的优点之外,空心光纤还有低色散、低热敏感性、抗辐照等优势。这都是行业非常关注空芯光纤技术发展的原因。
 
 
空芯光纤的应用场景
 
第一类场景,当然是通信。
 
空芯光纤的低损耗、低时延,非常适合光纤通信用途。尤其是前面提到的时延敏感型通信场景。
 
第二类场景,是传感。也就是利用光纤进行环境感知。
 
空芯光纤具备更强的灵活性和大孔径特性,可以用于光学传感领域,测量温度、压力、流量和化学成分等参数。
 
第三类场景,激光应用。
 
刚才说了,空芯光纤能扛得住高功率激光。所以,可以将它用于传送激光束,例如工业制造的激光切割、刻蚀,以及人体深处来改善病变组织的成像和治疗。
传送激光,其实也是某种形式的传送能量。这也有很大的应用想象空间。
 
 
最后的话
 

 

总而言之,空芯光纤是一个好东西。它拥有很多的优点,应用前景非常广阔。加大对这项技术的关注和投入,是很有必要的。

 

 

目前,空芯光纤仍然努力降低自身损耗,提升性能指标。

 

 

想要让这项技术加速落地,我们还需要关注以下几点:

 

 

1.光纤内部结构的标准化,到底采用什么样的架构进行定型,并投入规模生产。

 

 

2.如何改进工艺,降低制造难度,做到批量化和高合格率生产。

 

 

3.现网部署可能遇到的工程化问题,提前验证,做好方案。最简单一点,空芯光纤如果断了,该如何熔接。

 

 

4.如何加快布局产业链,在材料、器件等方面,做好配套支持。

 

 

随着时间的推移,希望这些问题都能找到答案。也希望空芯光纤早日进入成熟商用阶段,给我们的网络带来进一步的能力提升。

 

 

 

参考资料:

 

1、南安普顿大学光电研究中心(ORC)相关论文;
2、《反谐振空芯光纤或将成为超高速光传输系统的理想介质》,中国移动李晗;
3、《光子晶体光纤30周年:微结构光纤简史》,Thorlabs;
4、《光子晶体光纤的特性及应用发展趋势》,江苏亨通光纤,陈伟;
5、《揭秘空芯光纤:未来通信的“光速之路”》,中兴文档;
6、《空心NANF光纤,什么是反谐振无节点》,光通信女人;
7、《空芯光纤HCF最新进展》,Fiber,知乎。
 
 


  来源:鲜枣课堂  
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