基于NANF技术的新型空芯光纤如何降低损耗

2020-12-08 15:59

近日，光纤光缆制造商Lumenisity公司基于嵌套式反谐振无节点光纤（NANF）技术推出名为CoreSmart的新型空芯光纤光缆，用于在超过10公里的网络上实现密集波分复用（DWDM）的应用。据了解，CoreSmart在很宽的温度范围内损耗约为2 dB／km，是迄今为止市售的损耗最低的可部署空气芯光缆。

空芯光纤的导光原理

与常规的光纤波导导光的全反射原理不同，空芯光纤的芯是空气，要导光就完全依赖于包层对光的约束。为了在玻璃毛细管的内壁上镀膜方便，初期孔径比较大，但孔径大了传输的模式也随之增多，因此这种结构难以实现较长距离的单模传输。

随着技术的发展，逐渐开始出现特殊设计的包层结构，例如空心光子晶体光纤。它的导光原理是光子晶体带隙效应，与半导体中带隙概念类似，这种光纤的包层空气孔结构具有严格的周期性。纤芯的引入使这种周期性结构遭到破坏时，就形成了具有一定频宽的缺陷态或局域态，而只有特定频率的光波可以在这个缺陷区域中传播，其他频率的光波则不能传播，从而形成对光的约束。采用这种结构，芯层的折射率就不必大于包层了，从而更具实用价值的空芯光纤应运而生。

这种结构的光纤起初的损耗特别大，基本上是～dB／cm级别。直至目前，经过二十多年的发展，这种结构的空芯光纤的损耗可能最好的也很难做到2dB／km以下了。为了克服空芯光纤损耗大的问题，人们最近又提出了一种基于抗谐振原理的空芯光纤。它是利用光在光纤内的管状玻璃薄膜间来回相干反射将光限制在空气芯附近并沿轴线传输。光纤内的这种玻璃薄膜的作用就像是FP谐振腔一样，使得传输谱线呈现多峰的，峰值之间被分隔为多个高反射区，也称为抗谐振窗口。在这些窗口内，从空芯掠入射将会导致很高的反射，从而极大地降低光纤的泄露损耗。带隙导引型光纤的特性主要取决于包层微结构的特殊设计，而这种抗谐振光纤的低损耗波段可以只通过改变玻璃薄膜的厚度来实现，并且研究已经表明，这种光纤能够在任意波长都提供比现有常规光纤更低的损耗。

基于NANF技术的新型空芯光纤

而到2019年，采用双琉璃管嵌套抗谐振无节点光纤（NANF）技术，南安普顿大学将空芯光纤的损耗降到1.3dB／km。经过结构优化后，C＋L波段的损耗降到0.65dB／km，首次表明了空芯光纤的损耗可接近普通光纤的潜能。更进一步的，在今年的OFC上，南安普顿大学的研究者们还将这一记录推进到0.28dB／km损耗，光纤长度提升到1.7km。通过在设计方面做了一些改进，1510到1610nm范围内损耗为0.28±0.04dB／km，到1640nm处损耗略高一点，约为0.3dB／km，这已经非常接近于单模长距传输系统的需求了。在过去的18个月内，他们将空芯光纤的损耗降低了10倍，从3.5降至0.28dB／km，仅仅为现有光纤最低损耗的2倍。同时最大传输距离也提升了10倍，从最开始的75km延长到750km。

光纤损耗的降低主要取决于两项技术的引入，其一为玻璃管接触处不使用节点连接，这避免了节点处玻璃厚度的增加从而产生谐振影响光纤性能；其二是在大玻璃管中嵌套小玻璃管，来将光从空芯区域泄露降低一千倍，同时将包层玻璃管的厚度减小一半，到0.5um。这样不仅降低了损耗，而且将空芯光纤的低损耗窗口扩展了3倍，提升到1520～1650nm的120多nm。光纤长度的增加则主要是因为光纤拉制工艺的改善，从原来的500m到后来的1.2km再到最近的1.7km，他们采用了更大的预制棒来拉丝，一致性更好。

进一步地，通过对比有限元仿真与实验测试结果，他们还将空芯光纤的损耗按一定比例分解为光泄露损耗，微弯损耗和表面散射损耗，其中表面散射损耗，是由表面粗糙度引起的不规则散射，这将是空芯光纤损耗的终极制约因素，它潜在的极限可小于0.1dB／km。

现在空芯光纤损耗低到跟普通光纤非常接近了，适合用来做光传输，而且还具有很好的特性，色散低，非线性低，时延低，这在降低DSP功耗，提高功率预算等方面提供比常规光纤更好的性能。短期内来看虽然在长距传输领域不会取代普通光纤，但在一些短距的对延时敏感的应用，如AR／VR应用，远程医疗，自动驾驶，银行金融业务相关数据中心网络等，还是有可能率先用上基于空芯光纤光通信的，但前提是制造工艺成熟，与普通光纤熔接简单且低损耗，价格下降到与普通光纤接近。