中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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研究人員開(kāi)發(fā)了空芯光纖來(lái)代替玻璃介質(zhì)導光，以提高傳輸速度，消除不良的非線(xiàn)性效應。在空氣芯導光條件下，光速接近真空速度，與摻雜鍺硅玻璃等傳統纖維材料相比，空氣的非線(xiàn)性效應和損傷閾值要小得多。且空芯光纖的中空通道允許化學(xué)樣品的滲透，可以應用在高靈敏度的化學(xué)/氣體傳感。比如基于光纖的光流控裝置和光催化裝置。
近年來(lái)已經(jīng)報道了實(shí)現空芯光纖的不同機制，如光子帶隙、 Kagome型空心芯導光、反共振導光、全向反射等。然而，這些設計通常涉及復雜的光纖幾何形狀，只能允許在狹窄的光譜范圍內傳輸。此外，這些空芯光纖仍然受到根本上現有的限制：包層玻璃材料由于孔隙包覆結構造成散射損耗。。
Leon Zhang等人研究展示了一種全新的氣導光纖，它使用新開(kāi)發(fā)的“零折射率”材料作為引導介質(zhì)。近零（epsilon-near-zero，ENZ）材料，或零折射率材料，其真實(shí)的相對介電常數Re(ε)在一定波長(cháng)減少到零。他們研究了一種基于厚ENZ涂層的空氣導空芯光纖。
1、什么是空芯光纖
空芯光纖，網(wǎng)上很多文章也稱(chēng)之為“空心光纖”，英文名為Hollow-core fiber（HCF），是一種新型光纖。
我們現在普遍使用的傳統光纖，都是玻芯光纖。在光纖里面，有石英玻璃（主要成分是二氧化硅）制作的纖芯。
空芯光纖，顧名思義，就是光纖里面不再有實(shí)體纖芯，而是“空”的——只有空氣、惰性氣體或真空。那么，空芯光纖，相比于傳統玻芯光纖，到底有什么優(yōu)勢呢？為什么現在光通信行業(yè)，都非常關(guān)注和重視空芯光纖呢？研究空芯光纖，并不是因為減少了里面的纖芯能夠降低成本，而是因為光信號在空氣中傳播，比在玻璃纖維中傳播更有優(yōu)勢。
根據實(shí)驗數據，如果采用空芯光纖，光信號的傳播速度將會(huì )比傳統玻芯光纖提升47%左右。
這將大幅降低光纖通信的時(shí)延（大約三分之一）。根據相關(guān)研究機構的測算，玻芯光纖的時(shí)延大約是5微秒/公里，空芯光纖是3.46微秒/公里。1000公里的距離，可以減少1.54毫秒的時(shí)延。
對于高頻率的金融證券交易，以及遠程醫療、工業(yè)制造等行業(yè)場(chǎng)景，這個(gè)時(shí)延改善具有重要的意義。
2、自主工藝的優(yōu)化降低了生產(chǎn)成本
通過(guò)自主工藝的優(yōu)化，中國光纖企業(yè)大幅降低了光纖的生產(chǎn)成本。自主研發(fā)的工藝使得產(chǎn)能、產(chǎn)量和技術(shù)優(yōu)勢達到了世界領(lǐng)先水平。中國光纖企業(yè)在全球十大光纖企業(yè)中，有七家中國企業(yè)，光纖產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)優(yōu)勢催生了新一代的多芯光纖和空芯光纖產(chǎn)品。
借助電子顯微鏡，可見(jiàn)光纖內有八條光通道，即為八芯光纖，每條道都能承載不同的數據，傳輸速度可達到千萬(wàn)億字節每秒，相比于單芯光纖，可以在更小的體積內傳輸更多的數據。這種新型多芯光纖變得越來(lái)越重要，成為5G通信和工業(yè)信息通信的重要傳輸方式。
空芯光纖的產(chǎn)品，內部處于真空狀態(tài)，就像太空中的無(wú)阻尼數據傳輸通道，可以使搭載數據的光信號真正接近光速，傳輸速度可達光速，這種產(chǎn)品未來(lái)肯定會(huì )在廣泛應用領(lǐng)域中有很大的市場(chǎng)。
3、傳統光纖基于光的全反射原理實(shí)現光在玻芯中傳輸
當光進(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)生全反射現象，其光能量主要在纖芯內傳輸，借助于接連不斷地全反射，光可以從一端傳導到另一端。
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計的包層結構。
例如，基于光子帶隙效應的空心光子晶體光纖，它的包層由一系列微小的空氣孔構成，具有精確設定的孔徑大小、孔間距和周期，纖芯則為空氣。
當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烈散射。這種多重散射產(chǎn)生相干，使得滿(mǎn)足特定波長(cháng)和入射角的光波能夠回到芯層中繼續傳播。
采用這種結構，就在纖芯層的折射率小于包層的情況下，實(shí)現對光的引導和傳播。
上面的光子帶隙導波機制是一個(gè)復雜的光學(xué)現象，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(cháng)廊里，柱子按照一定規律排列，你試著(zhù)丟一個(gè)球，看球在長(cháng)廊里如何滾動(dòng)。
由于柱子的存在，球不會(huì )直接穿過(guò)長(cháng)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 )因為柱子的排列方式而無(wú)法前進(jìn)，就像是被“困住”了一樣。
在光子帶隙導波機制中，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構）就像是那條有很多柱子的長(cháng)廊。光子晶體中的空氣孔就像柱子一樣，按照一定的規律排列。
當光波進(jìn)入這種結構時(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 )因為這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(cháng)廊的某個(gè)區域一樣。
4、空芯光纖的應用場(chǎng)景
第一類(lèi)場(chǎng)景，當然是通信。
空芯光纖的低損耗、低時(shí)延，非常適合光纖通信用途。尤其是前面提到的時(shí)延敏感型通信場(chǎng)景。
第二類(lèi)場(chǎng)景，是傳感。也就是利用光纖進(jìn)行環(huán)境感知。
空芯光纖具備更強的靈活性和大孔徑特性，可以用于光學(xué)傳感領(lǐng)域，測量溫度、壓力、流量和化學(xué)成分等參數。
第三類(lèi)場(chǎng)景，激光應用。
剛才說(shuō)了，空芯光纖能扛得住高功率激光。所以，可以將它用于傳送激光束，例如工業(yè)制造的激光切割、刻蝕，以及人體深處來(lái)改善病變組織的成像和治療。
傳送激光，其實(shí)也是某種形式的傳送能量。這也有很大的應用想象空間。
