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【资料图】
去年12月份,微软收购了一家生产空心光纤的创业公司Lumenisity (https://blogs.microsoft.com/blog/2022/12/09/microsoft-acquires-lumenisity-an-innovator-in-hollow-core-fiber-hcf-cable/),小豆芽这里对相关技术做一个整理,供大家参考。
传统的光纤是以玻璃为导光介质,纤芯的折射率略高于包层折射率,基于全反射原理,光被限制在纤芯中进行传输,如下图所示。
(图片来自http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/fibopt.html)
虽然经过多年的发展,低损耗光纤奠定了光通信发展的基础。但是由于导光材料是玻璃,它存在一定的色散和非线性,这限制了其可以传输光的带宽和功率。一个大胆的想法是利用空气作为光纤的导光介质,也就是所谓的空芯光纤(hollow-core fiber,以下简称HCF)。由于空气中的光速接近真空中的光速,光信号在光纤中的延迟会大幅降低,也没有色散和非线性效应的限制,带宽也得到了很大提高。
空芯光纤根据工作原理,可以分为以下两类,1)光子带隙光纤(photonic-bandgap fiber, PBGF)顾名思义,光子晶体光纤是在光纤中引入周期性的孔洞微结构,形成光子晶体,由于光子带隙的限制,在光纤中心存在缺陷态,光场以缺陷态的形式在中间的空气中传输,由此形成空芯光纤。也可以理解为光场与周期性的包层结构作用,发生多重散射,对于满足Bragg条件的特定波长会被反射回纤芯中,在空气纤芯中向前传播。典型的光子带隙型空芯光纤PBGF如下图所示,
(图片来自https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2013-0042/html)
目前PBGF型空芯光纤的传输损耗最好结果是1.2dB/km, 损耗还是比较大的,这也是人们致力于寻找其他结构空芯光纤的原因之一。
2)反谐振型空芯光纤(hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF)反谐振型空芯光纤,通常在光纤中引入多个空芯套管,有点像转轮手枪,如下图所示,对于满足谐振条件的波长,其模场会泄漏到包层中,因此损耗较大,而对于不满足共振条件的波长, 其模场主要集中在空气中,因此损耗较小,可以形成稳定的光传输。
(图片来自文献1)
研究人员经过多年研究,尝试了多种不同结构的HC-ARF。英国南安普顿大学发明了嵌套式反谐振无节点空芯光纤,nested anti-resonant nodeless fiber, 简称NANF。其结构如下图所示,在每个大的套管里嵌套了一个小的套管,相邻套管间没有接触,这都是为了降低空芯光纤的传输损耗。
(图片来自https://hcf.soton.ac.uk/2019/07/02/record-low-loss-hollow-core-fiber-for-the-1%C2%B5m-region/)
目前NANF的传输损耗已经到0.28dB/km,比PBGF降低了一个数量级。南安普顿大学光电研究中心在该领域深耕多年,Lumenisity公司也是从该研究组spinoff出来。Lumenisity公司成立于2017年。在微软官方的PR中提到,NANF空芯光纤的主要优势有如下几点,
1)光信号传播速度比传统光纤提高47%,降低了信号的延迟2)安全性增强和入侵检测3)由于消除了光纤非线性和宽频谱,使得成本降低,带宽提高和网络质量增强4)具有极低传输损耗的潜力
关于第二点,通过内部结构提高信号传输的安全性,这里稍作解释。Lumenisity在2021年与英国电信合作,尝试在空芯光纤中进行量子密钥分发。传统量子通信需要两路光纤,一路用来传递经典光信号,一路用来传递单光子水平的量子信号(密钥)。而使用空芯光纤,由于传输介质为空气,强光与弱光信号间的相互作用和串扰比较小,因此可以用单根光纤同时传递量子与经典光信号,可以大大降低线缆的成本。其他三点比较好理解,这也是空芯光纤受到青睐的原因。低延迟和高带宽的特性,使得空芯光纤在数据中心的应用中非常有潜力。
空芯光纤的发展历史如下图所示,经过20多年的发展,其传输损耗已经接近传统光纤0.2-0.3dB/km。
(图片来自文献2)
以上是对空芯光纤技术的简单介绍,微软收购Lumenisity公司,说明空芯光纤技术得到了市场认可,正逐渐进入商业化应用中,基于其延迟小、容量大的独特优势,未来必将在数据中心的部署中发挥重要作用。一项新技术从概念的提出,到最终商业化落地,是多年技术的探索与积累,也是执着与坚持。