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未来通信的“光速之路”:空芯光纤再成关注焦点!
来源:贤集网   浏览次数:580  发布时间:2024-06-05

研究人员开发了空芯光纤来代替玻璃介质导光,以提高传输速度,消除不良的非线性效应。在空气芯导光条件下,光速接近真空速度,与掺杂锗硅玻璃等传统纤维材料相比,空气的非线性效应和损伤阈值要小得多。且空芯光纤的中空通道允许化学样品的渗透,可以应用在高灵敏度的化学/气体传感。比如基于光纤的光流控装置和光催化装置。


近年来已经报道了实现空芯光纤的不同机制,如光子带隙、 Kagome型空心芯导光、反共振导光、全向反射等。然而,这些设计通常涉及复杂的光纤几何形状,只能允许在狭窄的光谱范围内传输。此外,这些空芯光纤仍然受到根本上现有的限制:包层玻璃材料由于孔隙包覆结构造成散射损耗。。


Leon Zhang等人研究展示了一种全新的气导光纤,它使用新开发的“零折射率”材料作为引导介质。近零(epsilon-near-zero,ENZ)材料,或零折射率材料,其真实的相对介电常数Re(ε)在一定波长减少到零。他们研究了一种基于厚ENZ涂层的空气导空芯光纤。


1、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。


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。


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。


2、自主工艺的优化降低了生产成本


通过自主工艺的优化,中国光纤企业大幅降低了光纤的生产成本。自主研发的工艺使得产能、产量和技术优势达到了世界领先水平。中国光纤企业在全球十大光纤企业中,有七家中国企业,光纤产业链的技术优势催生了新一代的多芯光纤和空芯光纤产品。


借助电子显微镜,可见光纤内有八条光通道,即为八芯光纤,每条道都能承载不同的数据,传输速度可达到千万亿字节每秒,相比于单芯光纤,可以在更小的体积内传输更多的数据。这种新型多芯光纤变得越来越重要,成为5G通信和工业信息通信的重要传输方式。


空芯光纤的产品,内部处于真空状态,就像太空中的无阻尼数据传输通道,可以使搭载数据的光信号真正接近光速,传输速度可达光速,这种产品未来肯定会在广泛应用领域中有很大的市场。


3、传统光纤基于光的全反射原理实现光在玻芯中传输


当光进入光纤中心传播时,光纤纤芯的折射率n1比包层n2高,而纤芯的损耗比包层低,这样光会发生全反射现象,其光能量主要在纤芯内传输,借助于接连不断地全反射,光可以从一端传导到另一端。


空芯光纤的芯是空气,由于空气的折射率小于包层介质的折射率,不满足全反射的条件,所以要在空芯中传输光就需要采用特殊设计的包层结构。


例如,基于光子带隙效应的空心光子晶体光纤,它的包层由一系列微小的空气孔构成,具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期,纤芯则为空气。


当光入射到纤芯和包层界面上时,会受到包层中周期排列的空气孔的强烈散射。这种多重散射产生相干,使得满足特定波长和入射角的光波能够回到芯层中继续传播。


采用这种结构,就在纤芯层的折射率小于包层的情况下,实现对光的引导和传播。


上面的光子带隙导波机制是一个复杂的光学现象,我们可以尽量用通俗易懂的语言来解释它:


想象一下,在一条有许多柱子的长廊里,柱子按照一定规律排列,你试着丢一个球,看球在长廊里如何滚动。


由于柱子的存在,球不会直接穿过长廊,而是会在柱子之间反弹和滚动。在某些情况下,球可能会因为柱子的排列方式而无法前进,就像是被“困住”了一样。


在光子带隙导波机制中,光子就像是那个球,而光子晶体(具有周期性折射率变化的结构)就像是那条有很多柱子的长廊。光子晶体中的空气孔就像柱子一样,按照一定的规律排列。


当光波进入这种结构时,它会在空气孔之间反射和散射,就像球在柱子之间反弹一样。有些频率的光波会因为这种特殊的排列方式而无法在包层中传播,就像球在某些情况下无法前进一样。这些光波就被限制在纤芯中传播,就像球被“困”在长廊的某个区域一样。


4、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。