未来通信的“新晋网红”——光子晶体光纤

2021年08月18日
提到自然界中的晶体,我们首先会想到玲珑的雪花和剔透的水晶,它们都具有规则而美丽的外形。而在微观尺度上,构成这些物质的微观粒子有规律地周期性排列,如同列队整齐的士兵。2009年诺贝尔物理学奖得主高锟,自20世纪60年代起,就预言了超低损耗的通信光纤。“新晋网红”光子晶体光纤最显著的特点是能够选择性地阻挡某些频率范围内的电磁波,而这都是由它周期性的折射率分布导致的,因为其新颖的原理和精巧的结构,它也在许多方面展示出优越的特性。
光子晶体光纤特性大起底
光子晶体的结构千变万化,光子晶体光纤的原理也有很多种。从特性上来讲,主要就是三种:折射率导光型光子晶体光纤、光子带隙型光子晶体光纤和具有独特拓扑性质的光子晶体。
实体多孔光纤(左)利用纤芯和包层折射率的差别来导光,布拉格光纤(中)和空心多孔光纤(右)则是利用了光子晶体对波长选择性透过的性质
第一种原理便是折射率导光型光子晶体光纤,传统光纤利用光的全反射原理导光,基本结构是高折射率的纤芯外面包裹低折射率的包层,这样才能使一定角度入射的光发生全反射,从而保持在纤芯中传输。
闪蝶翅膀上的微结构是大自然精心设计的光子晶体,它的颜色随观察角度的不同而发生变化。这种色彩不是色素造成的,而是由于微结构对光的选择性反射
第二种原理便是光子带隙型光子晶体光纤,光子晶体具有光波长尺度的周期性微结构。这种周期性导致光子晶体对不同颜色的光“区别对待”,能够阻挡某些波长的光。这种光纤并不要求纤芯的折射率高于包层,因此光纤的中心部分可以是空气。
第三种原理就是具有独特拓扑性质的光子晶体。它的材质特殊,形状像是缠绕交织的藤蔓。沿着螺旋路径改变“藤蔓”的粗细,光就可以被限制在螺旋的中心轴处。这种光纤的优点是信号只能朝一个方向传输,即使遇到障碍也不会“掉头”。
光子晶体光纤究竟好在哪里?
光子晶体光纤因为具有无尽单模模式,单模传输的频率范围可以无限大。也就是说,不论频率多高,光纤中都只存在一个传播模式,这样光纤就不存在信号变形的问题,因此特别利于远距离通信。
光子晶体光纤被扭曲后,光集中在中心传播
像制作嵌字豆糖一样制作光子晶体光纤?
制作光子晶体光纤最常用的便是拉丝法。首先,根据光纤的结构将毛细管(棒)堆叠起来,形成光纤预制棒;然后送入精密的光纤拉丝塔,在炉中进行高温软化,加热后的预制棒向下滴落,底端慢慢变细,直径稳定下来后,在外层涂覆树脂材料并进行固化,形成保护层。这样,发丝般粗细的光子晶体光纤就做好了。
左:嵌字豆糖的制作;右:预制棒和光纤拉丝过程
万物互联的时代,光纤构成5G承载网的错综血脉;在追求微创的外科手术中,光纤是激光的灵巧导管,把脉冲送至手术刀难以触及的病灶;在航海、航空、航天和国防工业中,光纤陀螺仪能精确地测定方向,引导飞船航行在茫茫宇宙。一根细细的玻璃纤维,已经深入现代生活的方方面面,为我们的生活创造无限种可能。
来源:知识就是力量公众号