為什么需要空芯光纖
近年來(lái),隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展,對(duì)高速、大容量、低損耗的光通信系統(tǒng)的需求日益增加。傳統(tǒng)的玻芯光纖,玻璃作為光纖纖芯材質(zhì),具有本征極限,包括容量瓶頸及性能極限。
比如,受玻璃材質(zhì)的通道帶寬制約,它傳遞信息的量有一個(gè)上限,就像水管里的水流量有限一樣。而且,由于非線性、衰減、時(shí)延等均存在理論極限,光信號(hào)在玻璃材質(zhì)光纖中傳輸可能會(huì)變形、減弱或者變慢,這就限制了傳輸性能(如距離、時(shí)延)的進(jìn)一步提升。
為了克服傳統(tǒng)光纖在傳輸過(guò)程中的問(wèn)題,提高光通信的效率和性能,空芯光纖應(yīng)用而生。
什么是空芯光纖
空芯光纖,簡(jiǎn)稱(chēng)HCF(Hollow-core fiber),以空氣為傳輸介質(zhì),替代傳統(tǒng)以“玻芯“作為傳輸媒介的光纖。
空芯光纖和傳統(tǒng)的玻芯光纖一樣,由纖芯、包層和涂覆層三部分組成,不同之處主要在于纖芯和包層。
空芯光纖的纖芯是空氣,包層是基于微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),通常是由一系列微小的空氣孔構(gòu)成。這些空氣孔沿光纖的長(zhǎng)度方向排列,形成特定的周期性結(jié)構(gòu),包層的橫截面就類(lèi)似一個(gè)由硅細(xì)絲網(wǎng)組成的蜂巢。
空芯光纖是如何工作的
傳統(tǒng)光纖基于光的全反射原理實(shí)現(xiàn)光在玻芯中傳輸。
當(dāng)光進(jìn)入光纖中心傳播時(shí),光纖纖芯的折射率n1比包層n2高,而纖芯的損耗比包層低,這樣光會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象,其光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸,借助于接連不斷地全反射,光可以從一端傳導(dǎo)到另一端。
空芯光纖的芯是空氣,由于空氣的折射率小于包層介質(zhì)的折射率,不滿(mǎn)足全反射的條件,所以要在空芯中傳輸光就需要采用特殊設(shè)計(jì)的包層結(jié)構(gòu)。
例如,基于光子帶隙效應(yīng)的空心光子晶體光纖,它的包層由一系列微小的空氣孔構(gòu)成,具有精確設(shè)定的孔徑大小、孔間距和周期,纖芯則為空氣。當(dāng)光入射到纖芯和包層界面上時(shí),會(huì)受到包層中周期排列的空氣孔的強(qiáng)烈散射。這種多重散射產(chǎn)生相干,使得滿(mǎn)足特定波長(zhǎng)和入射角的光波能夠回到芯層中繼續(xù)傳播。
采用這種結(jié)構(gòu),就在纖芯層的折射率小于包層的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)光的引導(dǎo)和傳播。
上面的光子帶隙導(dǎo)波機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象,我們可以盡量用通俗易懂的語(yǔ)言來(lái)解釋它:
想象一下,在一條有許多柱子的長(zhǎng)廊里,柱子按照一定規(guī)律排列,你試著丟一個(gè)球,看球在長(zhǎng)廊里如何滾動(dòng)。
由于柱子的存在,球不會(huì)直接穿過(guò)長(zhǎng)廊,而是會(huì)在柱子之間反彈和滾動(dòng)。在某些情況下,球可能會(huì)因?yàn)橹拥呐帕蟹绞蕉鵁o(wú)法前進(jìn),就像是被“困住”了一樣。
在光子帶隙導(dǎo)波機(jī)制中,光子就像是那個(gè)球,而光子晶體(具有周期性折射率變化的結(jié)構(gòu))就像是那條有很多柱子的長(zhǎng)廊。光子晶體中的空氣孔就像柱子一樣,按照一定的規(guī)律排列。
當(dāng)光波進(jìn)入這種結(jié)構(gòu)時(shí),它會(huì)在空氣孔之間反射和散射,就像球在柱子之間反彈一樣。有些頻率的光波會(huì)因?yàn)檫@種特殊的排列方式而無(wú)法在包層中傳播,就像球在某些情況下無(wú)法前進(jìn)一樣。這些光波就被限制在纖芯中傳播,就像球被“困”在長(zhǎng)廊的某個(gè)區(qū)域一樣。
空芯光纖有哪些優(yōu)勢(shì)
與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的玻芯光纖對(duì)比,空芯光纖在以下幾個(gè)方面具有顯著優(yōu)勢(shì):
1低時(shí)延內(nèi)部空氣芯的低折射率以及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得光在空芯光纖中的傳播速度更快,時(shí)延從5us/km下降至3.46us/km,傳輸時(shí)延相比于現(xiàn)有光纖系統(tǒng)降低30%。對(duì)于當(dāng)前及未來(lái)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)傳輸非常重要。
2超低非線性空氣芯中光與介質(zhì)的相互作用減弱,從而減少了非線性效應(yīng)的產(chǎn)生??招竟饫w的非線性效應(yīng)比常規(guī)玻芯光纖的非線性效應(yīng)低3到4個(gè)數(shù)量級(jí),使得入纖光功率可以大幅提高,從而提升傳輸距離。業(yè)界各設(shè)備廠家包括中興通訊基于這一特性已展開(kāi)相關(guān)光系統(tǒng)研究,如128QAM高階調(diào)制及高功率放大器技術(shù)等,預(yù)期至少可提升系統(tǒng)容量及傳輸距離2倍以上。
3潛在的超低損耗目前空芯光纖可實(shí)現(xiàn)損耗為0.174dB/km,與現(xiàn)有最新一代玻芯光纖性能持平。同時(shí),空芯光纖在通信窗口理論最小極限可低至0.1dB/km以下,比普通玻芯光纖的理論極限0.14dB/km更小。
4超寬工作頻段隨著空芯光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化,可以提供超過(guò)1000nm的超寬頻段,輕松支持O,S,E,C,L,U等波段。
空芯光纖有哪些應(yīng)用場(chǎng)景
那么,空芯光纖將在哪些方面應(yīng)用呢?
應(yīng)用領(lǐng)域 | 具體應(yīng)用 | 描述 |
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長(zhǎng)距離通信 | 跨國(guó)通信、海底光纜、衛(wèi)星通信 | 空芯光纖具有高效、高速、大容量的特點(diǎn),是未來(lái)長(zhǎng)距離通信的首選方案 |
數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算 | 數(shù)據(jù)傳輸 | 空芯光纖的高帶寬和低損耗特性使其成為數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算領(lǐng)域的理想選擇 |
醫(yī)療領(lǐng)域 | 醫(yī)療設(shè)備制造 | 空芯光纖可用于制造醫(yī)療設(shè)備,提供更清晰、更準(zhǔn)確的圖像 |
工業(yè)領(lǐng)域 | 傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建 | 空芯光纖可用于構(gòu)建傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制 |
軍事領(lǐng)域 | 保密通信和偵察系統(tǒng)建設(shè) | 空芯光纖可用于建設(shè)保密通信和偵察系統(tǒng),提高軍事通信的安全性和可靠性 |
總之,空芯光纖作為一種新型的通信技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。它將為未?lái)的通信領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化,讓我們共同期待這一天的到來(lái)吧!