未來通信的“新晉網紅”——光子晶體光纖

                          2021年08月18日
                          提到自然界中的晶體,我們首先會想到玲瓏的雪花和剔透的水晶,它們都具有規則而美麗的外形。而在微觀尺度上,構成這些物質的微觀粒子有規律地周期性排列,如同列隊整齊的士兵。2009年諾貝爾物理學獎得主高錕,自20世紀60年代起,就預言了超低損耗的通信光纖。“新晉網紅”光子晶體光纖最顯著的特點是能夠選擇性地阻擋某些頻率范圍內的電磁波,而這都是由它周期性的折射率分布導致的,因為其新穎的原理和精巧的結構,它也在許多方面展示出優越的特性。
                          光子晶體光纖特性大起底
                          光子晶體的結構千變萬化,光子晶體光纖的原理也有很多種。從特性上來講,主要就是三種:折射率導光型光子晶體光纖、光子帶隙型光子晶體光纖和具有獨特拓撲性質的光子晶體。
                          實體多孔光纖(左)利用纖芯和包層折射率的差別來導光,布拉格光纖(中)和空心多孔光纖(右)則是利用了光子晶體對波長選擇性透過的性質
                          第一種原理便是折射率導光型光子晶體光纖,傳統光纖利用光的全反射原理導光,基本結構是高折射率的纖芯外面包裹低折射率的包層,這樣才能使一定角度入射的光發生全反射,從而保持在纖芯中傳輸。
                          閃蝶翅膀上的微結構是大自然精心設計的光子晶體,它的顏色隨觀察角度的不同而發生變化。這種色彩不是色素造成的,而是由于微結構對光的選擇性反射
                          第二種原理便是光子帶隙型光子晶體光纖,光子晶體具有光波長尺度的周期性微結構。這種周期性導致光子晶體對不同顏色的光“區別對待”,能夠阻擋某些波長的光。這種光纖并不要求纖芯的折射率高于包層,因此光纖的中心部分可以是空氣。
                          第三種原理就是具有獨特拓撲性質的光子晶體。它的材質特殊,形狀像是纏繞交織的藤蔓。沿著螺旋路徑改變“藤蔓”的粗細,光就可以被限制在螺旋的中心軸處。這種光纖的優點是信號只能朝一個方向傳輸,即使遇到障礙也不會“掉頭”。
                          光子晶體光纖究竟好在哪里?
                          光子晶體光纖因為具有無盡單模模式,單模傳輸的頻率范圍可以無限大。也就是說,不論頻率多高,光纖中都只存在一個傳播模式,這樣光纖就不存在信號變形的問題,因此特別利于遠距離通信。
                          光子晶體光纖被扭曲后,光集中在中心傳播
                          像制作嵌字豆糖一樣制作光子晶體光纖?
                          制作光子晶體光纖最常用的便是拉絲法。首先,根據光纖的結構將毛細管(棒)堆疊起來,形成光纖預制棒;然后送入精密的光纖拉絲塔,在爐中進行高溫軟化,加熱后的預制棒向下滴落,底端慢慢變細,直徑穩定下來后,在外層涂覆樹脂材料并進行固化,形成保護層。這樣,發絲般粗細的光子晶體光纖就做好了。
                          左:嵌字豆糖的制作;右:預制棒和光纖拉絲過程
                          萬物互聯的時代,光纖構成5G承載網的錯綜血脈;在追求微創的外科手術中,光纖是激光的靈巧導管,把脈沖送至手術刀難以觸及的病灶;在航海、航空、航天和國防工業中,光纖陀螺儀能精確地測定方向,引導飛船航行在茫茫宇宙。一根細細的玻璃纖維,已經深入現代生活的方方面面,為我們的生活創造無限種可能。
                          來源:知識就是力量公眾號
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