揭秘空芯光纖：未來(lái)通信的“光速之路”

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？

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！