Über Hohlfasern

Über HC-PBGF

1． Photonische Kristallfaser mit Hohlkern

1987 schlug E. Yablonovitch vor, dass dielektrische Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes periodisch in einer, zwei oder drei Dimensionen in einer optischen Faser angeordnet werden, d.h. die miniaturisierten Glaskapillaren werden in einer periodischen Anordnung verteilt, die als Verbundmaterial verwendet werden kann, um einen optischen Fasermantel zu bilden, und der Faserkern ist ein Luftloch mit einer hohlen Struktur, um eine verlustarme optische Führung im Luftkern zu realisieren. Die Quelle der Entwicklung der Hohlkern-Photonischen-Kristallfaser (HC-PCF) ist wie folgt:

Von 1995 bis 1999 haben Wissenschaftler die theoretische Verifizierung der photonischen Kristallhohlfaser (HC-PCF) in Angriff genommen, woraufhin die photonischen Kristallhohlfasern mit verschiedenen Strukturen unaufhörlich entwickelt wurden.

2． Klassifizierung von Hohlkern-Photonischen Kristallfasern

Basierend auf dem Prinzip der optischen Leitung können HC-PCF in zwei Arten von photonischen Kristallfasern unterteilt werden: Hohlkern-Bandlückenfasern (HC-PBGF) und antiresonante Hohlkernfasern (HC-ARF).

1) Hohlkern-Bandlücken-Faser (HC-PBGF): Sie basiert auf dem Prinzip der photonischen Bandlücke zur Lichtführung. Der Mantel ist eine photonische Bandlückenstruktur, die in einem Array aus periodischen Luftlöchern angeordnet ist. Wenn der defekte Teil in der Mitte der Struktur aus Luft besteht, kann das Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des Bandlückenbereichs im Luftkern eingeschlossen werden.

2) Antiresonante Hohlkernfaser (HC-ARF): Ihr Lichtleitmechanismus lässt sich durch das Prinzip des antiresonanten reflektierten Lichtwellenleiters in einem planaren Wellenleiter erklären. Abbildung 4 zeigt die Hohlkern-Anti-Resonanz-Faser mit einer einfachen Struktur, deren Mantelteil aus Quarzmaterialien mit hohem Brechungsindex besteht, während der schwarze Teil aus Luft mit niedrigem Brechungsindex besteht. Die Quarzkapillarstrukturschicht, die den Luftkern um die Faserstruktur herum umgibt, ist der Kernteil. Diese Struktur kann das Licht einer bestimmten Wellenlänge zur Außenseite der Ummantelung in Resonanz bringen und das Licht, das die Resonanzbedingung nicht erfüllt, zurück zum Luftkern reflektieren, wodurch das Licht im Luftkern eingeschlossen und ein Antiresonanz-Lichtleiter realisiert wird. Die Resonanzwellenlänge hängt von der Dicke und der Resonanzordnung der Quarzkapillare ab.

3． Herstellungsprozess der Hohlkern-Bandlückenfaser

Gegenwärtig kann die Herstellung von Hohlkern-Bandlückenfasern in die folgenden4 Schritte unterteilt werden:

① Ziehen der Kapillare mit präzisem Außendurchmesser entsprechend dem Strukturdesign, einschließlich der Kapillare des Mantelteils und der zentralen Kapillare, und Anordnen der Kapillare zu einem mikrostrukturierten Kapillarbündel;

② Einsetzen des Kapillarbündels in die Hülse zur Montage;

③ Ziehen Sie die Kombination aus dem Kapillarbündel und der Hülse zu einer mikrostrukturierten Vorform;

④ Ziehen Sie die Vorform in den Draht, um eine Hohlkern-Photokristallfaser zu bilden.

4． Wichtige Anwendungen der Hohlkern-Bandlückenfaser

Hohlkern-Bandlückenfasern werden hauptsächlich in der Glasfaserkommunikation, der Glasfaser-Sensorik und in Glasfaserlasern eingesetzt.

1) Optische Faserkommunikation: Die Hohlkern-Bandlücken-Photokristallfaser zeichnet sich durch geringe Nichtlinearität und niedrige Verzögerung aus, kann langwellige Übertragungen durchführen und hat eine hohe Phasenstabilität bei hohen Temperaturen. Darüber hinaus ist die verlustarme Übertragung von Lichtwellen im Luftkern eine wichtige Eigenschaft der Hohlkern-Bandlückenfaser. Daher sind sie bei der Entwicklung von optischen Kommunikationssystemen als Übertragungsmedium von großem Wert.

Hohe Kapazität: Die Datenübertragungsrate erreicht 73,7Tb/s (3MDM × 96WDM × 256 Gb/s) durch etwa 310m Hohlkern-Bandlückenfaser. Die Nettodatenrate beträgt 57,6 TB/s.

Große Entfernung: Die Hohlkern-Bandlückenfaser kann eine Datenübertragung über große Entfernungen mit einer Rate von 50 Gbit/s durchführen.

Geringe Verzögerung: die 11 km lange Hohlkern-Bandlückenfaser-Übertragung reduziert im Vergleich zu herkömmlichen Fasern die Verzögerung um etwa 16 μs und die Bitfehlerrate <1e°, was einer fehlerfreien Übertragung entspricht.

Allerdings wird der Verlust der Hohlkern-Bandlückenfaser durch die Streuung der Quarzglas/Luft-Kern-Grenzfläche begrenzt, und es ist notwendig, die Bandbreite zu erweitern und den Verlust zu verringern, um die Wettbewerbsfähigkeit der herkömmlichen Kommunikationsfaser zu verbessern.

2) Faserlaser (Energieübertragung): Hochenergetische Kurzpulsübertragung. Hochenergie-Kurzpulslaser können Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als einer Pikosekunde, einer Spitzenleistung von mehr als einem Gigawatt und einer Wiederholfrequenz von mehr als MHz liefern. Da sie eine hochpräzise Mikrobearbeitung verschiedener Materialien bei gleichzeitiger Minimierung der Größe der wärmebeeinflussten Zone ermöglichen, ist diese Technologie heute in der Halbleiterindustrie, bei der Glasgravur, in der Automobilindustrie und in der Kunststoffelektronik weit verbreitet und wird zur Durchführung komplexer und kleinerer chirurgischer Eingriffe wie in der Augenheilkunde, der Zahnheilkunde oder der Otologie verwendet.

3) Faseroptische Sensorik: Die verlustarme Übertragung von Lichtwellen im Luftkern ist eine wichtige Eigenschaft von Hohlkern-Bandlückenfasern. Sie bietet einen Kanal mit großer Reichweite und hoher Energiedichte für die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und reduziert den Einfluss der Materialeigenschaften der Fasern auf das übertragene Licht (z. B. den Absorptionsoptikeffekt im mittleren Infrarotbereich) und bietet eine effiziente neue Plattform für Sensoranwendungen wie die Erkennung von Gas- und Flüssigkeitsspuren und hochpräzise faseroptische Gyroskope. Die feine Mikrostruktur im Inneren der Hohlkern-Bandlückenfaser hat neuartige mechanische und thermische Eigenschaften, die für Sensoranwendungen wie die Erkennung von akustischen Wellen und Vibrationen förderlich sind; sie kann auch die Struktur verändern oder das Material der porösen Ummantelung füllen, indem sie die Technologien der optischen Faser nach der Wärmebehandlung kombiniert. Behandlung und selektive Füllung, um weitere Leistung und Funktionserweiterung zu erhalten.

Die Empfindlichkeit des faseroptischen Hohlkern-Bandlücken-Kreisels gegenüber dem Kerr-Effekt, der vorübergehenden Temperaturdrift und dem Faraday-Effekt ist stark reduziert. Bei einem bestimmten phasenmodulierten Hohlkern-Bandlücken-Faserkreisel ist der Kerr-Effekt etwa 70-mal geringer als bei einer gewöhnlichen Singlemode-Faser. Dies trägt dazu bei, die Langzeitstabilität des Gyroskops und die Genauigkeit unter verschiedenen Störeinflüssen wie Hitze und Magnetismus zu verbessern und die Systemkosten weiter zu senken.

5． Schlussfolgerung

Mit den kontinuierlichen Fortschritten bei der Herstellung von Hohlkern-Bandlückenfasern kann deren Leistung in folgende Richtungen weiter verbessert werden: (1) Verringerung von Verlusten und Rückstreuung;(2) Verringerung des Durchmessers von Glasfasern;(3) effektivere Fusionsspleißtechnik für Glasfasern;(4) Erweiterung der Übertragungsbandbreite. Mit der Verbesserung der Leistung von Hohlkern-Bandlückenfasern, insbesondere für Systeme mit höheren Anforderungen in Bezug auf Nichtlinearität und Verzögerung, werden Hohlkern-Bandlückenfasern in der Anwendung immer attraktiver.