基於NANF技術的新型空芯光纖:市售的損耗最低的可部署空氣芯光纜

2020-12-12 電子發燒友

基於NANF技術的新型空芯光纖：市售的損耗最低的可部署空氣芯光纜

OFweek光通訊網 發表於 2020-12-10 14:08:38

　　近日，光纖光纜製造商Lumenisity公司基於嵌套式反諧振無節點光纖（NANF）技術推出名為CoreSmart的新型空芯光纖光纜，用於在超過10公裡的網絡上實現密集波分復用（DWDM）的應用。據了解，CoreSmart在很寬的溫度範圍內損耗約為2 dB／km，是迄今為止市售的損耗最低的可部署空氣芯光纜。

　　空芯光纖的導光原理

　　與常規的光纖波導導光的全反射原理不同，空芯光纖的芯是空氣，要導光就完全依賴於包層對光的約束。為了在玻璃毛細管的內壁上鍍膜方便，初期孔徑比較大，但孔徑大了傳輸的模式也隨之增多，因此這種結構難以實現較長距離的單模傳輸。

　　隨著技術的發展，逐漸開始出現特殊設計的包層結構，例如空心光子晶體光纖。它的導光原理是光子晶體帶隙效應，與半導體中帶隙概念類似，這種光纖的包層空氣孔結構具有嚴格的周期性。纖芯的引入使這種周期性結構遭到破壞時，就形成了具有一定頻寬的缺陷態或局域態，而只有特定頻率的光波可以在這個缺陷區域中傳播，其他頻率的光波則不能傳播，從而形成對光的約束。採用這種結構，芯層的折射率就不必大於包層了，從而更具實用價值的空芯光纖應運而生。

　　這種結構的光纖起初的損耗特別大，基本上是～dB／cm級別。直至目前，經過二十多年的發展，這種結構的空芯光纖的損耗可能最好的也很難做到2dB／km以下了。為了克服空芯光纖損耗大的問題，人們最近又提出了一種基於抗諧振原理的空芯光纖。它是利用光在光纖內的管狀玻璃薄膜間來回相干反射將光限制在空氣芯附近並沿軸線傳輸。

　　光纖內的這種玻璃薄膜的作用就像是FP諧振腔一樣，使得傳輸譜線呈現多峰的，峰值之間被分隔為多個高反射區，也稱為抗諧振窗口。在這些窗口內，從空芯掠入射將會導致很高的反射，從而極大地降低光纖的洩露損耗。帶隙導引型光纖的特性主要取決於包層微結構的特殊設計，而這種抗諧振光纖的低損耗波段可以只通過改變玻璃薄膜的厚度來實現，並且研究已經表明，這種光纖能夠在任意波長都提供比現有常規光纖更低的損耗。

　　基於NANF技術的新型空芯光纖

　　而到2019年，採用雙琉璃管嵌套抗諧振無節點光纖（NANF）技術，南安普頓大學將空芯光纖的損耗降到1.3dB／km。經過結構優化後，C＋L波段的損耗降到0.65dB／km，首次表明了空芯光纖的損耗可接近普通光纖的潛能。

　　更進一步的，在今年的OFC上，南安普頓大學的研究者們還將這一記錄推進到0.28dB／km損耗，光纖長度提升到1.7km。通過在設計方面做了一些改進，1510到1610nm範圍內損耗為0.28±0.04dB／km，到1640nm處損耗略高一點，約為0.3dB／km，這已經非常接近於單模長距傳輸系統的需求了。在過去的18個月內，他們將空芯光纖的損耗降低了10倍，從3.5降至0.28dB／km，僅僅為現有光纖最低損耗的2倍。同時最大傳輸距離也提升了10倍，從最開始的75km延長到750km。

　　光纖損耗的降低主要取決於兩項技術的引入，其一為玻璃管接觸處不使用節點連接，這避免了節點處玻璃厚度的增加從而產生諧振影響光纖性能；其二是在大玻璃管中嵌套小玻璃管，來將光從空芯區域洩露降低一千倍，同時將包層玻璃管的厚度減小一半，到0.5um。這樣不僅降低了損耗，而且將空芯光纖的低損耗窗口擴展了3倍，提升到1520～1650nm的120多nm。光纖長度的增加則主要是因為光纖拉制工藝的改善，從原來的500m到後來的1.2km再到最近的1.7km，他們採用了更大的預製棒來拉絲，一致性更好。

　　進一步地，通過對比有限元仿真與實驗測試結果，他們還將空芯光纖的損耗按一定比例分解為光洩露損耗，微彎損耗和表面散射損耗，其中表面散射損耗，是由表面粗糙度引起的不規則散射，這將是空芯光纖損耗的終極制約因素，它潛在的極限可小於0.1dB／km。

　　現在空芯光纖損耗低到跟普通光纖非常接近了，適合用來做光傳輸，而且還具有很好的特性，色散低，非線性低，時延低，這在降低DSP功耗，提高功率預算等方面提供比常規光纖更好的性能。短期內來看雖然在長距傳輸領域不會取代普通光纖，但在一些短距的對延時敏感的應用，如AR／VR應用，遠程醫療，自動駕駛，銀行金融業務相關數據中心網絡等，還是有可能率先用上基於空芯光纖光通信的，但前提是製造工藝成熟，與普通光纖熔接簡單且低損耗，價格下降到與普通光纖接近。

　　責任編輯：xj

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