Полое волокно (HCF) — это новая технология оптического волокна с полой сердцевиной, в которой свет распространяется преимущественно по воздуху или газу, а не по традиционной стеклянной среде. В последние годы прорывы в области материалов и технологий производства открыли значительный потенциал HCF с точки зрения производительности и областей применения. Ниже представлен подробный анализ истории его развития, технических преимуществ и перспективных направлений.

---

I. История развития полого волокна
1. Ранние исследования (1990–2000-е годы)
- В 1996 году концепция фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) заложила основу для полых структур.
- В начале 2000-х годов экспериментальная проверка HCF доказала возможность его применения, однако высокие потери (>100 дБ/км) и производственные ограничения ограничивали его применение.

2. Технологические прорывы (2010–2020-е годы)
– Оптимизация материалов и структуры: улучшенные микроструктуры (например, антирезонансное полое волокно, решетка Кагоме) значительно снизили потери. Например, в 2021 году в Университете Саутгемптона было достигнуто рекордно низкое значение потерь – 0,28 дБ/км на длине волны 1550 нм, что приближается к показателям традиционных волокон.
- Достижения в производстве: методы штабелирования и вытяжки и 3D-печать повысили точность конструкции.

3. Прогресс коммерциализации
- Такие компании, как Lumenisity и NKT Photonics, теперь предлагают коммерческие продукты HCF, ориентированные на передачу мощного лазера и специализированные сценарии связи.

---

II. Основные преимущества полого волокна
1. Сверхнизкие потери и задержки
- Свет распространяется в воздухе примерно на 30% быстрее, чем в стекле (близко к скорости вакуума), что сокращает задержку для высокочастотной торговли и квантовых коммуникаций.
- Минимальные нелинейные эффекты обеспечивают возможность передачи лазерного излучения высокой мощности (например, промышленных лазеров киловаттного уровня).

2. Возможность защиты от помех
- Нечувствителен к температуре, радиации и электромагнитным помехам, идеально подходит для экстремальных условий (например, аэрокосмическая промышленность, ядерные объекты).

3. Функциональная гибкость
- Полое ядро может быть заполнено газами, жидкостями или функциональными материалами для измерений, химического анализа и индивидуальных применений.

---

III. Тенденции применения и новые направления
1. Телекоммуникации
- Сети со сверхнизкой задержкой: соединения центров обработки данных (DCI) и финансовые торговые сети могут использовать HCF для минимизации задержки.
- Связь в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне: низкие потери HCF в диапазоне 2–20 мкм подходят для оптических линий связи в свободном пространстве (FSO) и спутниковых линий связи.

2. Высокомощная лазерная доставка
- Промышленная обработка: позволяет резать и сваривать без термического повреждения традиционных волокон.
- Медицинское применение: точная доставка высокоэнергетических лазеров для хирургических операций или лечения опухолей.

3. Зондирование и обнаружение
- Газовое зондирование: HCF, заполненный целевыми газами, позволяет обнаруживать концентрации на уровне ppb с помощью спектроскопии (например, мониторинг метана, CO2).
- Биомедицинские датчики: отслеживание клеточной и молекулярной динамики в реальном времени.

4. Квантовые технологии
- Низкая нелинейность уменьшает искажение квантового сигнала, улучшая квантовое распределение ключей (QKD) и диапазон квантовых сетей.

5. Оборона и аэрокосмическая промышленность
- Стойкость к радиации подходит для оптической спутниковой связи; облегченные конструкции уменьшают полезную нагрузку космического аппарата.

---

IV. Проблемы и перспективы на будущее
1. Технические барьеры
- Дальнейшее сокращение потерь: требует прорывов в чистоте материалов и проектировании конструкций.

- Интеграция многоядерных/многорежимных технологий: разработка многоядерных HCF для повышения пропускной способности.

- Потери при сварке: Для сварки полых волокон (HCF) требуется специальный сварочный аппарат, такой как FSM-100P+, Shinho S-12PM+, которые предназначены для сварки полых волокон с малыми потерями.

- Снижение затрат: высокие производственные затраты требуют экономии за счет масштаба.

2. Будущие тенденции
- Интеграция с кремниевой фотоникой: объединение HCF с фотонными устройствами на уровне кристалла для высокоскоростных соединений.
- Интеллектуальные оптоволоконные сети: оптимизация на основе искусственного интеллекта для динамической настройки и возможностей самовосстановления.
- Экстремальные условия эксплуатации: индивидуальные HCF для исследования морских глубин, дальнего космоса и т. д.

---

V. Заключение

Полое волокно, обладающее уникальными физическими свойствами, превосходит традиционные волокна по производительности. Оно обладает преобразующим потенциалом в телекоммуникациях, энергетике, здравоохранении и обороне. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, такие как стоимость и масштабируемость, его преимущества, такие как низкая задержка, высокая мощность и многофункциональность датчиков, будут способствовать его внедрению в таких высокодоходных секторах, как квантовая связь и лазерная обработка. Ожидается, что в течение следующих 5–10 лет HCF достигнет масштабной коммерциализации в этих узкоспециализированных областях.

Компания Shinho Optics Limited продолжает инвестировать в разработку технологий сварки, чтобы обеспечить более быстрые, экономичные и малопотерьные решения для сварки оптических волокон.