Специальные оптические волокна: Волоконно-оптические кабели с полым сердечником (NANF) 

Специальные оптические волокна: Волоконно-оптические кабели с полым сердечником (NANF)

Традиционные оптические волокна имеют сплошной сердечник; их оболочка и сердцевина, как правило, изготовлены из кварцевого стекла. В отличие от них, сердцевина волокна с полым сердечником (HCF) заполнена воздухом (или вакуумом).

В волокне типа NANF (Nested Anti-Resonance Nodeless Fiber — «вложенное антирезонансное безузловое волокно») используется эффект антирезонанса, создаваемый тонкими стеклянными капиллярами, вложенными в структуру оболочки, для эффективного отражения света обратно в заполненную воздухом сердцевину.

Поскольку технология NANF уже перешла в фазу опытной коммерческой эксплуатации, дальнейшее изложение будет посвящено исключительно этому типу волокон.

Самый внешний слой представляет собой стеклянную оболочку, к которой непосредственно прилегают вложенные стеклянные трубки, образующие антирезонансную структуру. Волнообразный, напоминающий лепестки узор в центре иллюстрации демонстрирует эффект отражения света этими стеклянными капиллярами.
NANF: Nested Anti-Resonance Nodeless Fiber («Вложенное антирезонансное безузловое волокно»)
«Nested» («Вложенное»): Указывает на принцип вложения — а именно на конфигурацию стеклянных трубок, показанную на приведенной выше схеме.
«Anti-resonance» («Антирезонансное»): Означает, что стеклянные трубки способны создавать эффект антирезонанса (или резонансного подавления); это означает, что они отражают весь свет обратно к источнику, тем самым удерживая лазерное излучение в пределах центральной области, заполненной воздухом.
«Nodeless» («Безузловое»): Означает отсутствие точек контакта (узлов) между отдельными стеклянными трубками. Если бы такие узлы присутствовали, происходила бы утечка света в этих точках контакта, что приводило бы к повышенному затуханию сигнала.
Для повышения эффективности отражения можно использовать несколько слоев вложенных стеклянных трубок, расположенных концентрически по принципу «матрешки».

Проще говоря, для света определенной длины волны стенки вложенных трубок выступают в роли идеального отражателя (зеркала полного внутреннего отражения). Любой свет, пытающийся проникнуть в стекло, эффективно отражается обратно в центральную воздушную сердцевину, обеспечивая тем самым передачу света с минимальными потерями. С более технической точки зрения толщина стенки (*t*) стеклянных трубок должна удовлетворять определенному условию: она должна быть такой, чтобы световые волны (*λ*), пытающиеся пройти сквозь стенку, подвергались деструктивной интерференции после многократных отражений внутри материала стекла. В результате световая энергия не может пройти сквозь стеклянную трубку. Для достижения этого толщина стеклянной трубки рассчитывается с высокой точностью — как правило, она устанавливается равной таким значениям, как 1/4 длины волны, 3/4 длины волны, 5/4 длины волны и т. д. Если этот принцип кажется непонятным, возможно, будет полезно предварительно ознакомиться с основами интерференции в тонких пленках.

Преимущества волокна с полым сердечником
Низкая задержка: Свет распространяется в воздухе со скоростью примерно 300 000 километров в секунду, тогда как в стекле его скорость составляет около 200 000 километров в секунду (*v* = *c*/*n*). В волокнах с полым сердечником скорость света примерно на 31% выше, что приводит к существенному снижению задержки при передаче сигнала. Низкие потери: Теоретические потери в волокне стандарта G.652 составляют 0,14 дБ/км, а при практическом развертывании в реальных условиях этот показатель обычно держится на уровне около 0,2 дБ/км. Для сравнения: волокно типа NANF в настоящее время демонстрирует в лабораторных условиях потери на уровне 0,04 дБ/км; при практическом развертывании этот показатель может достигать 0,1 дБ/км, при этом в будущем сохраняется потенциал для дальнейшего улучшения результатов.
Высокая мощность: В традиционных оптических волокнах свет непосредственно взаимодействует со стеклянной средой; как следствие, высокие уровни мощности могут вызывать нелинейные эффекты (приводящие к искажению сигнала) или даже повреждение торцевых поверхностей волокна. Однако в среде, заполненной воздухом, нелинейные эффекты отсутствуют; это обеспечивает высокий порог стойкости к повреждениям и исключает возникновение эффектов «фотопотемнения», тем самым открывая возможности для передачи сигналов высокой мощности. Широкая полоса пропускания: Традиционное кварцевое стекло поглощает свет на определенных длинах волн (например, в ультрафиолетовом и среднем инфракрасном диапазонах), что делает эти спектральные области непригодными для передачи данных. Воздух же демонстрирует крайне низкое поглощение на данных длинах волн, что позволяет расширить возможности передачи сигналов в области среднего инфракрасного и ультрафиолетового спектра.