基于NANF技術(shù)的新型空芯光纖是如何降低損耗的

光纖光纜制造商Lumenisity公司基于嵌套式反諧振無節(jié)點(diǎn)光纖（NANF）技術(shù)推出名為CoreSmart的新型空芯光纖光纜，用于在超過10公里的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用（DWDM）的應(yīng)用。據(jù)了解，CoreSmart在很寬的溫度范圍內(nèi)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(dǎo)光原理

與常規(guī)的光纖波導(dǎo)導(dǎo)光的全反射原理不同，空芯光纖的芯是空氣，要導(dǎo)光就完全依賴于包層對(duì)光的約束。為了在玻璃毛細(xì)管的內(nèi)壁上鍍膜方便，初期孔徑比較大，但孔徑大了傳輸?shù)哪Ｊ揭搽S之增多，因此這種結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的單模傳輸。

隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸開始出現(xiàn)特殊設(shè)計(jì)的包層結(jié)構(gòu)，例如空心光子晶體光纖。它的導(dǎo)光原理是光子晶體帶隙效應(yīng)，與半導(dǎo)體中帶隙概念類似，這種光纖的包層空氣孔結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)格的周期性。纖芯的引入使這種周期性結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí)，就形成了具有一定頻寬的缺陷態(tài)或局域態(tài)，而只有特定頻率的光波可以在這個(gè)缺陷區(qū)域中傳播，其他頻率的光波則不能傳播，從而形成對(duì)光的約束。采用這種結(jié)構(gòu)，芯層的折射率就不必大于包層了，從而更具實(shí)用價(jià)值的空芯光纖應(yīng)運(yùn)而生。

這種結(jié)構(gòu)的光纖起初的損耗特別大，基本上是～dB／cm級(jí)別。直至目前，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)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于抗諧振原理的空芯光纖。它是利用光在光纖內(nèi)的管狀玻璃薄膜間來回相干反射將光限制在空氣芯附近并沿軸線傳輸。光纖內(nèi)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(xiàn)多峰的，峰值之間被分隔為多個(gè)高反射區(qū)，也稱為抗諧振窗口。在這些窗口內(nèi)，從空芯掠入射將會(huì)導(dǎo)致很高的反射，從而極大地降低光纖的泄露損耗。帶隙導(dǎo)引型光纖的特性主要取決于包層微結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)，并且研究已經(jīng)表明，這種光纖能夠在任意波長(zhǎng)都提供比現(xiàn)有常規(guī)光纖更低的損耗。

基于NANF技術(shù)的新型空芯光纖

而到2019年，采用雙琉璃管嵌套抗諧振無節(jié)點(diǎn)光纖（NANF）技術(shù)，南安普頓大學(xué)將空芯光纖的損耗降到1.3dB／km。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，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(jìn)一步的，在今年的OFC上，南安普頓大學(xué)的研究者們還將這一記錄推進(jìn)到0.28dB／km損耗，光纖長(zhǎng)度提升到1.7km。通過在設(shè)計(jì)方面做了一些改進(jìn)，1510到1610nm范圍內(nèi)損耗為0.28±0.04dB／km，到1640nm處損耗略高一點(diǎn)，約為0.3dB／km，這已經(jīng)非常接近于單模長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)的需求了。在過去的18個(gè)月內(nèi)，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(xiàn)有光纖最低損耗的2倍。同時(shí)最大傳輸距離也提升了10倍，從最開始的75km延長(zhǎng)到750km。

光纖損耗的降低主要取決于兩項(xiàng)技術(shù)的引入，其一為玻璃管接觸處不使用節(jié)點(diǎn)連接，這避免了節(jié)點(diǎn)處玻璃厚度的增加從而產(chǎn)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(qū)域泄露降低一千倍，同時(shí)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(kuò)展了3倍，提升到1520～1650nm的120多nm。光纖長(zhǎng)度的增加則主要是因?yàn)楣饫w拉制工藝的改善，從原來的500m到后來的1.2km再到最近的1.7km，他們采用了更大的預(yù)制棒來拉絲，一致性更好。

進(jìn)一步地，通過對(duì)比有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，他們還將空芯光纖的損耗按一定比例分解為光泄露損耗，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(guī)則散射，這將是空芯光纖損耗的終極制約因素，它潛在的極限可小于0.1dB／km。

現(xiàn)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(shí)延低，這在降低DSP功耗，提高功率預(yù)算等方面提供比常規(guī)光纖更好的性能。短期內(nèi)來看雖然在長(zhǎng)距傳輸領(lǐng)域不會(huì)取代普通光纖，但在一些短距的對(duì)延時(shí)敏感的應(yīng)用，如AR／VR應(yīng)用，遠(yuǎn)程醫(yī)療，自動(dòng)駕駛，銀行金融業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)等，還是有可能率先用上基于空芯光纖光通信的，但前提是制造工藝成熟，與普通光纖熔接簡(jiǎn)單且低損耗，價(jià)格下降到與普通光纖接近。