На фоне стремительного развития технологий оптической связи новый тип оптического волокна незаметно меняет ландшафт передачи данных: полое волокно. В отличие от традиционных оптических волокон, оно ограничивает распространение света воздушным сердечником, обеспечивая беспрецедентное повышение производительности.

В современную эпоху стремительного роста объёма данных оптическая связь, как краеугольный камень информационного общества, постоянно привлекает внимание своими технологическими инновациями. Половоячеистое волокно (HCF), новый прорыв в области оптических волокон, предлагает множество существенных преимуществ по сравнению с традиционным волокном с цельным сердечником.

Половоячеистое волокно против традиционного волокна: принципиальные различия в принципах работы.
Традиционные оптические волокна, основанные на принципе полного внутреннего отражения, ограничивают распространение света твердым стеклянным сердечником. Полые волокна, напротив, используют уникальную структуру оболочки, основанную на фотонных запрещенных зонах или антирезонансных эффектах, для ограничения распространения света воздушным сердечником.

Это принципиальное различие позволило волокну с полой сердцевиной совершить качественный скачок по многим показателям производительности.

Значительные преимущества волокон с полым сердечником
Низкая задержка: Свет распространяется в волокнах с полой сердцевиной со скоростью, приближающейся к скорости света в вакууме, примерно на 50% быстрее, чем в стекле. Эта характеристика может снизить задержку примерно на 33%, что крайне важно для критически важных по времени приложений, таких как сети 5G, центры обработки данных и суперкомпьютеры.

Низкая нелинейность: Полые волокна практически полностью устраняют оптическую нелинейность Керра, присутствующую в традиционных волокнах с цельным сердечником, что значительно улучшает точность сигнала и возможности передачи мощности, делая их идеальными для передачи лазерных лучей непрерывного действия или импульсных лазеров высокой энергии.

Низкие потери сигнала: последнее поколение волокон с полой сердцевиной демонстрирует примерно в 10 000 раз меньшее обратное рассеяние, чем традиционные волокна, что приводит к меньшему затуханию сигнала и большей дальности передачи.

Высокий порог лазерного повреждения: более 99% оптической мощности в волокнах с полой сердцевиной передается в воздух, что приводит к минимальному перекрытию оптического поля и материала. Это позволяет им выдерживать более высокие мощности и снижает риск повреждения диэлектрика в результате высокоинтенсивного излучения.

Низкая хроматическая дисперсия: Поскольку средой передачи является воздух, дисперсия материала в волокнах с полым сердечником на три порядка ниже, чем в волокнах с сплошным сердечником, что снижает потери при передаче, обусловленные дисперсией материала.

Низкая температурная чувствительность: Полые волокна обладают замечательной устойчивостью к изменениям окружающей среды, особенно к колебаниям температуры. Это уникальное свойство делает их идеальными для применения в высокоточной интерферометрии, синхронизации и частотно-временной метрологии.

Проблемы и трудности при сварке волокон с полой сердцевиной
Несмотря на многочисленные преимущества волокон с полой сердцевиной, процесс их сварки значительно сложнее, чем у традиционных оптических волокон. Сварка, представляющая собой постоянное соединение двух оптических волокон, имеет решающее значение для производительности и надежности оптоволоконных сетей. Уникальная структура волокон с полой сердцевиной
представляет собой множество проблем для процесса сращивания:

Обрушение конструкции
В процессе сварки воздушные отверстия в полых волокнах подвержены разрушению. Когда тепло, выделяемое дуговым разрядом, размягчает стекло, поверхностное натяжение вызывает сжатие полой структуры или даже ее полное разрушение.

Исследование показало, что при увеличении степени коллапса воздушных отверстий (d/∧ = 0,94) свет с длиной волны 780 нм или 800 нм больше не может стабильно передаваться в сердцевине волокна. Этот коллапс не только изменяет геометрию волокна, но и серьезно влияет на его оптические свойства.

Сложности сопоставления режимов
При сварке полого волокна с обычным одномодовым волокном несоответствие диаметров модового поля может привести к дополнительным потерям в соединении. Традиционное одномодовое волокно (например, G.652) и полое волокно используют разные механизмы распространения света, что приводит к значительному различию в модовом поле.
характеристики, приводящие к значительному несоответствию режимов на границе раздела.

Комплексная оптимизация параметров сплайсинга
Для сварки волокон с полой сердцевиной требуется точный контроль интенсивности разряда, времени разряда и параметров подачи волокна. Неправильная настройка параметров может привести к различным проблемам:

Слишком толстые или слишком тонкие соединения: обычно это вызвано чрезмерной подачей волокна, слишком быстрой подачей или слишком сильной разрядной дугой.

Пузырьки или трещины в месте соединения: это может быть вызвано некачественной резкой волокна или старением электрода.

Увеличение потерь после термоусадки: это происходит из-за загрязнения волокна после снятия защитной оболочки. При затягивании термоусадочной трубки после сращивания оставшиеся загрязнения сжимают волокно, вызывая его деформацию.

Проблемы подготовки торцевой поверхности
Подготовка торцевой поверхности полых волокон требует чрезвычайно высоких стандартов. Некачественная обработка, такая как наклон торцевой поверхности, заусенцы или некачественная обработка торцов, может снизить качество сращивания. По сравнению с традиционными оптическими волокнами, микроструктура полых волокон делает достижение идеальной торцевой поверхности более сложной задачей.

Полые волоконно-оптические кабели, представляющие собой прорывную технологию в оптической связи, постепенно преодолевают трудности в процессах их производства и сварки, демонстрируя огромный потенциал для применения. По мере развития технологии ожидается, что полые волоконно-оптические кабели внесут свой вклад в создание новых оптических коммуникационных сетей и обеспечат более мощный импульс для развития цифрового общества.

Несмотря на то, что в настоящее время сварка волокон с полой сердцевиной сталкивается со многими проблемами, постоянные инвестиции в НИОКР и технологические достижения постепенно решают эти проблемы, открывая путь к широкому внедрению волокон с полой сердцевиной. В будущем ожидается, что волокна с полой сердцевиной постепенно заменят традиционные оптические волокна в определенных сценариях применения и станут основной инфраструктурой высокоскоростных сетей связи.