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Informazioni sulla fibra ad anima cava

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Informazioni su HC-PBGF

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1． Fibra di cristallo fotonico a nucleo cavo

Nel 1987, E. Yablonovitch ha proposto che materiali dielettrici con diversi indici di rifrazione siano disposti periodicamente in una, due o tre dimensioni in una fibra ottica, ovvero che i capillari di vetro miniaturizzati siano distribuiti in un array periodico, che può essere utilizzato come materiale composito per formare un rivestimento della fibra ottica, e che il nucleo della fibra sia un foro d'aria con una struttura cava, per realizzare una guida ottica a bassa perdita nel nucleo d'aria. La fonte di sviluppo della fibra a cristalli fotonici a nucleo cavo (HC-PCF) è la seguente:

Dal 1995 al 1999, gli scienziati hanno avviato la verifica teorica della fibra a cristalli fotonici a nucleo cavo (HC-PCF), e poi le fibre a cristalli fotonici a nucleo cavo di varie strutture sono emerse senza sosta.

2． Classificazione delle fibre di cristallo fotonico a nucleo cavo

In base al principio di conduzione ottica, le HC-PCF possono essere suddivise in due tipi di fibre a cristalli fotonici: le fibre a nucleo cavo bandgap (HC-PBGF) e le fibre a nucleo cavo anti-risonante (HC-ARF).

1) Fibra a bandgap a nucleo cavo (HC-PBGF): Si basa sul principio del bandgap fotonico per guidare la luce. Il rivestimento è una struttura a bandgap fotonico disposta in un array di fori d'aria periodici. Quando la parte difettosa al centro della struttura è costituita da aria, la luce con una lunghezza d'onda compresa nell'intervallo di bandgap può essere confinata nel nucleo d'aria.

2) Fibra antirisonante a nucleo cavo (HC-ARF): Il suo meccanismo di guida della luce può essere spiegato con il principio della guida d'onda ottica riflessa antirisonante in una guida d'onda planare. La Figura 4 mostra la fibra antirisonante a nucleo cavo con una struttura semplice, la cui parte di rivestimento è costituita da materiali di quarzo ad alto indice di rifrazione e la parte nera da aria a basso indice di rifrazione. Lo strato di struttura capillare di quarzo che circonda il nucleo d'aria attorno alla struttura della fibra è la parte centrale. Questa struttura può far risuonare la luce di una specifica lunghezza d'onda verso l'esterno del rivestimento e riflettere la luce che non soddisfa la condizione di risonanza verso il nucleo d'aria, confinando così la luce nel nucleo d'aria e realizzando una guida luminosa a riflessione anti-risonante. La lunghezza d'onda risonante dipende dallo spessore e dall'ordine di risonanza del capillare di quarzo.

3． Processo di produzione della fibra a banda larga a nucleo cavo

Attualmente, la produzione della fibra a banda larga a nucleo cavo può essere suddivisa nelle seguenti4 fasi:

① Disegnare il capillare con un diametro esterno preciso in base al progetto strutturale, compreso il capillare della parte di rivestimento e il capillare centrale, e disporre il capillare in un fascio capillare microstrutturato;

② Inserire il fascio di capillari nel manicotto per il montaggio;

③ Disegnare la combinazione del fascio capillare e del manicotto in una preforma microstrutturata;

④ Trafilare la preforma nel filo per formare una fibra di cristallo fotonico a nucleo cavo.

4． Importanti applicazioni della fibra a bandgap a nucleo cavo

La fibra a bandgap a nucleo cavo è utilizzata principalmente nelle comunicazioni in fibra ottica, nel rilevamento in fibra ottica e nei laser in fibra ottica.

1) Comunicazione in fibra ottica: La fibra a cristalli fotonici a nucleo cavo bandgap ha le caratteristiche di bassa non linearità e basso ritardo, può effettuare trasmissioni a lunga lunghezza d'onda e ha una stabilità di fase ad alta temperatura. Inoltre, la trasmissione a bassa perdita delle onde luminose nel nucleo d'aria è una caratteristica importante della fibra a bandgap a nucleo cavo. Per questo motivo, nello sviluppo dei sistemi di comunicazione ottica, sono di grande valore come mezzi di trasmissione.

Elevata capacità: La velocità di trasmissione dei dati raggiunge i 73,7Tb/s (3MDM × 96WDM × 256 Gb/s) attraverso circa 310 m di fibra a banda cava. La velocità netta di trasmissione dei dati è di 57,6Tb/s.

Lunga distanza: La fibra a banda cava può effettuare trasmissioni di dati a lunga distanza a una velocità di 50 Gbit/s.

Basso ritardo: la trasmissione in fibra a banda cava di 11 km, rispetto alla fibra tradizionale, riduce il ritardo di circa 16μs e il tasso di errore di bit <1e°, che equivale a una trasmissione priva di errori.

Tuttavia, la perdita della fibra a banda cava sarà limitata dalla dispersione dell'interfaccia vetro di silice/nucleo d'aria, ed è necessario espandere la larghezza di banda e ridurre la perdita per migliorare la competitività della fibra di comunicazione tradizionale.

2) Laser in fibra (trasferimento di energia): Trasmissione di impulsi brevi ad alta energia. I laser a impulsi brevi ad alta energia possono fornire impulsi di luce con una durata inferiore ai picosecondi, una potenza di picco superiore ai gigawatt e una frequenza di ripetizione superiore ai MHz. Poiché è in grado di fornire una microlavorazione ad alta precisione per vari materiali, riducendo al minimo le dimensioni della zona interessata dal calore, questa tecnologia è ora ampiamente utilizzata nell'industria dei semiconduttori, nell'incisione del vetro, nell'industria automobilistica e nell'elettronica di plastica, nonché per eseguire operazioni chirurgiche complesse e di minore entità, come ad esempio in oftalmologia, odontoiatria o otologia.

3) Rilevamento in fibra ottica: La trasmissione a bassa perdita delle onde luminose nel nucleo d'aria è una caratteristica importante delle fibre a bandgap a nucleo cavo. Essa offre un canale a lunga distanza e ad alta densità energetica per l'interazione tra luce e materia, riduce l'influenza delle proprietà del materiale della fibra sulla luce trasmessa (come l'effetto assorbimetrico-ottico nel medio infrarosso) e fornisce una nuova piattaforma efficiente per applicazioni di rilevamento come la rilevazione di tracce di gas/liquidi e i giroscopi a fibra ottica ad alta precisione. La microstruttura fine all'interno della fibra a bandgap a nucleo cavo ha proprietà meccaniche e termiche inedite, che favoriscono applicazioni di rilevamento come la rilevazione di onde acustiche e vibrazioni; è inoltre possibile modificare la struttura o riempire il materiale del rivestimento poroso combinando le tecnologie di post-trattamento delle fibre ottiche e di riempimento selettivo, per ottenere una piattaforma efficiente per applicazioni come il rilevamento di gas/liquidi in traccia e i giroscopi a fibra ottica ad alta precisione. Trattamento e riempimento selettivo, per ottenere un'ulteriore espansione delle prestazioni e delle funzioni.

La sensibilità del giroscopio in fibra ottica a bandgap a nucleo cavo all'effetto Kerr, alla deriva termica transitoria e all'effetto Faraday è notevolmente ridotta. Per uno specifico giroscopio in fibra ottica a bandgap a nucleo cavo modulato in fase di onda triangolare, l'effetto Kerr è circa 70 volte inferiore a quello della normale fibra monomodale. Ciò contribuisce a migliorare la stabilità a lungo termine del giroscopio e la precisione in vari ambienti di interferenza, come il calore e il magnetismo, e a ridurre ulteriormente il costo del sistema.

5． Conclusione

Con il continuo progresso della tecnologia di produzione delle fibre a banda cava, le loro prestazioni possono essere ulteriormente migliorate nelle seguenti direzioni: (1) riduzione della perdita e della retrodiffusione; (2) riduzione del diametro della fibra ottica; (3) tecnologia di giunzione della fibra ottica più efficace; (4) espansione della larghezza di banda di trasmissione. In applicazione, con il miglioramento delle prestazioni delle fibre a banda cava, soprattutto per i sistemi con requisiti più elevati in termini di non linearità e ritardo, le fibre a banda cava sono diventate sempre più interessanti.