漫谈空芯光纤
来源:    发布时间: 2023-09-13 14:31   482 次浏览   大小:  16px  14px  12px


空芯光纤发展历史

自从1966年英国华裔科学家高琨博士提出通信光纤发展路径以来,光纤通信几乎贯穿了随后整个人类社会的发展,并且极大地改变了人们的生活方式。到如今,随着科技的不断进步,人们对于光纤性能的要求越来越高,传统的实芯石英光纤由于其本身的限制,如材料的吸收、色散、非线性、低损伤阈值等属性,使得其在光纤通信、高功率激光输出、超快光学、非线性光学等领域都表现出局限性,制约了相关行业的发展和进步。

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实芯石英光纤全反射原理

为了突破传统实芯石英光纤的局限,研究人员一直在坚持研究和探索。在研究过程中,纤芯为空气的空芯光纤Hollow Core FiberHCF)应运而生。空芯光纤的结构相对于传统光纤较为特殊,其通过其特定的包层结构,可以将光限制在空气纤芯中进行传输,这就改变了光在光纤中的传输介质,从根本上避免了由于在材料本征限制而带来的问题。空芯光纤的出现,为解决当前传统光纤的局限提供了一个理想的解决方案。

  空芯光纤的结构多种多样,为了得到性能更加优异的光纤,研究人员针对空芯光纤的结构不断优化。从最开始的布拉格包层空芯光纤的提出,研究人员对于空芯光纤的研究就不曾停止,但进展十分缓慢。直到1996年,光子晶体光纤概念的提出,才极大地加速了空芯光纤的发展。三年后即成功制造第一根空气导光的光子带隙型空芯光纤。随后研究人员又提出了Kagome型空芯光纤。这种光纤的结构与光子带隙型的光纤类似,但是其并不支持光子带隙传输,不过Kagome光纤能够同时在多个传输频带进行传输,并且在总体覆盖的光谱范围更广。科学家们对Kagome光纤进行了深入的研究后提出了反谐振反射光波导(ARROW)导光机理。而反谐振空芯光纤则是在研究Kagome 过程中发现的。相比于其他的空芯光纤,反谐振空芯光纤结构更加简单,并且当纤芯边界为负曲率(纤芯边界曲率与纤芯圆形的曲率方向相反)时能表现出更好的性能,并且它外面的一圈管状结构对光纤的性能影响也不大。因此,反谐振空芯光纤逐渐成为研究人员研究的重点。

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2 带隙型光子晶体光纤

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3  Kagome空芯光纤图片

4负曲率空芯光纤(来源:张德朝)

 

 反谐振反射原理 

    反谐振反射原理如图5所示,它是利用光在光纤内的管状玻璃薄膜间来回相干反射将光限制在空气芯附近并沿轴线传输。光纤内的这种玻璃薄膜的作用就像是FP谐振腔一样,使得传输谱线呈现多峰的,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。带隙导引型光纤的特性主要取决于包层微结构的特殊设计,而这种抗谐振光纤的低损耗波段可以只通过改变玻璃薄膜的厚度来实现,并且研究已经表明,这种光纤能够在任意波长都提供比现有常规光纤更低的损耗。


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5 反谐振反射机理 (来源:张德朝)

 

通过结构设计优化,反谐振空芯光纤损耗已从发明初期的500dB/km降至0.138dB/km,超越了实芯光纤0.142dB/km的损耗极限,是未来超高速光传输系统可能的理想介质。当然在通信领域,光纤作为大规模商用的产品必须标准化。以往实芯光纤只需统一模场直径等关键特性,无需限定掺杂和结构,即可实现互连互通。但反谐振空芯光纤变为以结构决定光纤特性,结构不同则无法直接互连,必须实现归一与标准化,为大规模工业生产铺平道路,从而实现低成本规模量产。   

衡量规模化量产能力的重要指标是光纤的拉丝长度。空芯光纤的生产工艺流程和实芯光纤几乎完全不一样,简单讲就是用结构代替了材料来实现光纤的功能,如图6所示。生产流程变化后,反谐振空芯光纤如何尽快达到和实芯石英光纤可以比拟的拉丝长度,实现低成本规模量产,这是当前空芯光纤产业化的研究热点和重点。中国移动正在与北京大学、暨南大学等伙伴从光纤设计与拉制、面向空芯光纤的光通信系统攻关、产业生态和标准化等方面深度合作,联合推进空芯光纤及其光传输系统技术发展。并提出利用高阶调制测量非线性相移的空芯光纤超低非线性系数测量方法,首次实现空芯光纤克尔非线性系数的上限测定。