중공 섬유는 새로운 유형의 광섬유입니다. 실리카 유리(주로 이산화규소로 구성됨)로 만들어진 코어를 포함하는 기존 섬유와 달리 중공 코어 섬유는 본질적으로 공기, 불활성 가스 또는 진공만 포함하는 "비어 있습니다".
기존 실리카 코어 섬유에 비해 중공 코어 섬유의 중요성은 단단한 코어가 없기 때문에 비용이 절감되는 것이 아니라 유리 섬유가 아닌 공기를 통해 광 신호가 더 잘 전달된다는 데 있습니다.
고등학교 물리학의 기본 공식은 이러한 장점을 보여줍니다.
여기서 (v)는 매질 내 빛의 속도를 나타내고, (c)는 진공 상태에서 빛의 속도(보통 초당 약 300,000km로 알려져 있음), (n)은 매질의 굴절률을 나타냅니다. 빛의 속도는 매체에 따라 다릅니다.
공기의 굴절률은 대략 1인 반면, 다른 매체의 굴절률은 1보다 큽니다. 예를 들어 물의 굴절률은 1.33, 결정체는 1.55, 다이아몬드는 2.42입니다. 유리는 구성에 따라 1.5에서 1.9까지 다양합니다.
이는 빛이 (c)보다 훨씬 낮은 속도로 전통적인 실리카 코어 섬유를 통해 이동한다는 것을 의미합니다. 실험 데이터에 따르면 중공 코어 섬유를 사용하면 기존 실리카 코어 섬유에 비해 광 신호 속도를 약 47% 높일 수 있는 것으로 나타났습니다.
이러한 증가는 광섬유 통신의 대기 시간을 약 5/3.46까지 크게 줄일 수 있습니다. 연구 기관의 계산에 따르면, 실리카 코어 광섬유의 지연 시간은 킬로미터당 약 1000마이크로초인 반면, 중공 코어 광섬유의 경우 킬로미터당 약 1.54마이크로초입니다. XNUMXkm 거리에서 대기 시간을 XNUMX밀리초까지 줄일 수 있습니다.
이러한 대기 시간 개선은 금융 증권 거래와 같이 빈도가 높은 거래에 의존하는 산업은 물론 원격 의료 및 산업 제조 시나리오에 매우 중요합니다.
중공섬유의 개발과 진화
다음으로 중공 코어 광섬유의 기술적 구현을 살펴보겠습니다. 광섬유의 원리는 본질적으로 케이블 내에 빛을 가두는 것입니다.
기존의 솔리드 코어 광섬유는 안쪽에서 바깥쪽으로 코어, 클래딩, 코팅(때때로 추가 외피 포함)의 세 부분으로 구성됩니다.
빛이 광섬유에 입사하면 광섬유 코어의 굴절률(n1)이 클래딩의 굴절률(n2)보다 높아 내부 전반사가 발생합니다. 이로 인해 빛이 지속적으로 반사되어 앞으로 전파됩니다.
중공섬유에서는 공기의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 낮기 때문에 내부 전반사가 발생하지 않습니다.
따라서 중공 섬유 내에 빛을 가두기 위해서는 새로운 기술 접근 방식이 필요합니다. 1960년대 초 Charles Kao가 광섬유에 관한 중요한 논문을 발표했을 때 중공 코어 섬유의 개념이 제안되었습니다. 그러나 당시의 소재기술은 이를 실현할 만큼 성숙되지 않았다.
1987년 미국의 응용물리학자 엘리 야블로노비치(Eli Yablonovitch)와 사지브 존(Sajeev John)이 처음으로 광결정 개념을 도입하여 교착상태를 깨뜨렸습니다. 포토닉 밴드갭 물질로도 알려진 광결정은 굴절률이 다른 매질의 주기적인 배열에 의해 형성된 인공 미세구조입니다.
간단히 말해서, 광결정에는 "파장 선택" 기능이 있어 특정 파장의 빛은 통과시키고 다른 파장은 차단할 수 있습니다. 자연에서 다채로운 금속광택을 내는 무지개빛 원석, 나비날개, 공작새 깃털, 딱정벌레 껍데기 등은 모두 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 광결정의 주기적인 미세구조에서 독특한 광학적 특성을 이끌어낸다.
광결정 이론을 바탕으로 1991년 사우샘프턴 대학의 필립 러셀(Philip Russell)이 처음으로 광결정 섬유(PCF) 개념을 제안했습니다. 1996년 사우샘프턴 대학 광전자공학 연구센터의 동료인 조나단 나이트(Jonathan Knight)와 팀 버크스(Tim Birks)는 고체 코어 광결정 섬유 샘플을 성공적으로 개발하고 이러한 섬유 내에서 광 투과 특성을 입증했습니다.
위 이미지는 당시 광섬유의 단면을 보여줍니다. 보시다시피, 수많은 작은 구멍이 있고 눈에 띄는 핵심은 없습니다.
광결정 섬유(PCF)의 출현은 광학 연구 커뮤니티의 관심을 성공적으로 사로잡았습니다. 많은 팀이 PCF 연구에 참여하기 시작하여 관련 발전을 가속화했습니다. 1998년 조나단 나이트(Jonathan Knight)와 그의 동료들은 "광섬유의 광자 밴드갭 유도 효과"의 발견을 발표하고 세계 최초의 광자 밴드갭 광결정 광섬유(PBG-PCF)를 생산했습니다. 1999년에 필립 러셀(Philip Russell)과 그의 팀은 사이언스(Science)에 중공 코어 단일 모드 광 밴드갭 광 결정 섬유(HC-SM-PBG-PCF)를 제안하는 논문을 발표했습니다. 그 직후 RF Cregan과 그의 팀은 세계 최초의 중공 코어 섬유로 간주되는 샘플을 성공적으로 개발했습니다.
중공 코어 광결정 섬유의 다양한 구조 설계가 위 이미지에 표시되어 있습니다. 전체 PBG-PCF는 벌집 모양과 유사합니다. 따라서 당시에는 HF(Holey Fiber), MSF(Micro-Structured Fiber)라고도 불렀습니다. 섬유의 핵심은 속이 비어 있고 공기로 채워져 있습니다. 클래딩은 주기적으로 배열된 수많은 공기 구멍으로 구성되며, 모두 구멍 직경, 간격 및 주기가 정확하게 설정되어 있습니다. 광 신호가 광섬유에 들어가면 광자는 공기 코어에서 클래딩으로 이동합니다. 클래딩에 주기적으로 배열된 공기 구멍은 광자 결정 구조를 형성하여 특정 주파수의 광자가 클래딩을 통과하여 코어로 다시 "반동"하는 것을 방지합니다. 따라서 광자는 공기 코어를 따라서만 계속 전파될 수 있습니다.
PBG-PCF를 개선하려는 과학자들의 지속적인 노력에도 불구하고 손실 문제를 해결하지 못했습니다. 이러한 섬유의 손실은 dB/km 수준으로 유지되었으며 제작이 까다롭습니다. 이는 중공 코어 섬유의 실제 적용을 방해했습니다. 결과적으로 과학자들은 새로운 중공 코어 섬유 구조를 계속해서 탐구했습니다. 연구진은 Kagome형 중공 코어 섬유를 제안했습니다. 이후 카고메형 중공섬유에 대한 연구를 바탕으로 반공진형 중공섬유를 선보였으며 이는 업계의 주류 연구 방향이 됐다.
2019년 사우샘프턴 대학교 광전자공학 연구 센터의 Francesco Poletti 팀은 유명한 NANF(Nested Antiresonant Nodeless Fiber)를 발명하여 중공 코어 섬유의 손실을 1.3dB/km로 줄였습니다. 불과 2020년 후인 0.28년, 사우샘프턴 대학의 산업 자회사인 Lumenisity는 NANF 섬유의 손실을 XNUMXdB/km로 줄여 업계에 센세이션을 일으켰습니다.
NANF 섬유의 구조를 자세히 살펴보겠습니다.
NANF 섬유의 핵심은 공기로 채워져 있습니다. 코어 주변에는 평행한 유리관이 있으며, 각 유리관은 내부에 다른 유리관과 중첩되어 있습니다. 이 구성을 단일 중첩이라고 합니다. 다른 튜브가 내부에 중첩된 경우 이를 이중 중첩이라고 합니다.
중첩의 목적은 "공명"과 관련이 있습니다.
간섭이라고도 알려진 공명은 두 파동이 동기화될 때 발생하여 진폭이 최대가 됩니다. 반대로, 특정 주파수에서는 에너지가 최소화되는데, 이를 반공진이라고 합니다. 중첩된 유리관은 "공명 공동"을 형성하도록 설계되었습니다.
전송 스펙트럼은 여러 개의 피크를 나타냅니다. 이러한 피크 사이의 영역은 반공명 창이라고도 알려진 고반사 영역입니다. 이러한 창 내에서 중공 코어에서 들어오는 빛은 높은 반사를 경험하여 섬유 누출 손실을 크게 줄입니다. 유리관의 측면이 서로 닿지 않는 것을 노드리스라고 합니다. 노드가 존재한다면 상당한 손실이 발생할 수 있습니다.
NANF 파이버는 광자 밴드갭 광자 결정 파이버(PBG-PCF)의 한계를 극복하여 현재 유리 코어 파이버보다 이론적인 손실과 전송 대역폭이 뛰어나 업계의 주목을 받고 있습니다.
BT, Comcast 및 euNetworks와 같은 회사는 최근 몇 년 동안 Lumenisity의 NANF 중공 코어 섬유 기술을 채택했습니다. BT는 모바일 네트워크 백홀 구축에 NANF를 사용했으며 NANF에 대한 양자 키 분배 테스트를 수행했습니다. Comcast는 Lumenisity와 협력하여 호환성 테스트를 위해 필라델피아에 중공 코어와 기존 광섬유로 구성된 40km 하이브리드 링크를 배포했습니다. euNetworks는 금융 거래에 중요한 두 데이터 센터를 연결하기 위해 런던과 Basildon 사이에 14km 길이의 Lumenisity 중공 코어 광섬유를 배포했습니다.
중공 섬유의 상당한 상업적 가치로 인해 Microsoft는 9년 2022월 XNUMX일 Lumenisity를 인수했습니다. 거래 가격은 공개되지 않았지만 의심할 여지 없이 상당했습니다.
중공섬유의 장점
중공 코어 섬유의 장점에 대해 논의해 보겠습니다.
1. 낮은 대기 시간
이에 대해서는 이전에 자세히 설명했습니다.
2. 손실 감소
전송 손실은 광섬유의 중요한 기술 매개변수입니다. 손실이 낮다는 것은 광신호가 광섬유 내에서 더 멀리 이동할 수 있다는 것을 의미하므로 수신단에서 더 쉽게 인식하고 복조할 수 있습니다. 광학 신호는 실리카 유리에 비해 공기를 통해 전송될 때 손실이 적습니다. 앞서 언급했듯이 현재 중공 코어 섬유는 최신 세대의 유리 코어 섬유와 비교할 수 있는 0.174dB/km의 손실을 달성할 수 있습니다. 연구 기관에 따르면 중공 코어 섬유의 이론적 최소 손실은 표준 유리 코어 섬유(0.1dB/km)보다 낮은 0.14dB/km 미만으로 줄일 수 있습니다.
3. 다중 광밴드 지원
중공섬유는 O, S, E, C, L, U 등 다양한 밴드를 쉽게 지지할 수 있습니다.
4. 비선형 효과 감소
중공 코어 섬유의 비선형 효과는 기존 유리 코어 섬유의 비선형 효과보다 3~4배 낮으므로 훨씬 더 높은 입력 광 전력을 허용하여 전송 거리를 연장합니다.
5. 고출력 레이저 전송
기존의 유리 코어 섬유는 고출력 레이저 전송 중에 레이저 에너지를 흡수하여 재료 결함에 열이 축적되거나 코어와 클래딩 사이의 고르지 않은 온도 분포로 인해 섬유가 손상됩니다. 중공 섬유에서는 광 출력의 99% 이상이 공기를 통해 전달되어 재료와의 상호 작용을 최소화합니다. 이로 인해 동일한 전송 전력에서 재료 흡수가 낮아지고 레이저 손상 임계값이 높아집니다.
간단히 말해서 중공 코어 섬유는 고출력 레이저(킬로와트 수준)에 의해 손상될 가능성이 적습니다.
위에 나열된 장점 외에도 중공 섬유는 낮은 분산, 낮은 열 감도, 방사선 저항성을 제공합니다. 이는 업계가 중공 섬유 기술 개발에 큰 관심을 갖는 이유입니다.
중공섬유의 응용
1. 통신
중공 코어 광섬유는 손실이 적고 대기 시간이 짧기 때문에 광 통신, 특히 대기 시간에 민감한 통신 시나리오에 이상적입니다.
2. 감지
더 큰 유연성과 큰 조리개를 갖춘 중공 코어 섬유는 광학 감지에 사용되어 온도, 압력, 흐름 및 화학 성분과 같은 매개변수를 측정할 수 있습니다.
3. 레이저 응용
앞서 언급했듯이 중공 코어 섬유는 고출력 레이저를 견딜 수 있습니다. 레이저 절단 및 에칭과 같은 산업 제조 공정뿐만 아니라 인체 내부 깊은 곳의 질병 조직을 이미징하고 치료하기 위해 레이저 빔을 전송하는 데 사용할 수 있습니다. 레이저 전송은 본질적으로 에너지 전송의 한 형태이며 상당한 잠재적 응용 가능성을 가지고 있습니다.
결론
요약하면, 중공 코어 섬유는 매우 유리하며 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 이 기술에 대한 관심과 투자를 높이는 것이 필수적입니다. 현재 중공 코어 섬유의 손실을 줄이고 성능 지표를 개선하려는 노력이 진행 중입니다. 이 기술의 배포를 가속화하려면 다음 사항에 중점을 두어야 합니다.
1. 내부 섬유 구조의 표준화. 표준화 및 대량 생산을 위한 최적의 아키텍처 결정
2. 프로세스 개선. 제조 복잡성을 줄여 대규모, 고수율 생산을 달성합니다.
3. 배포 시 엔지니어링 과제. 중공 코어 광섬유가 파손될 경우 접합하는 방법과 같은 실제 배포에서 잠재적인 엔지니어링 문제를 예측하고 해결합니다.
4. 산업 체인 개발 가속화. 재료 및 구성 요소에 대한 적절한 지원을 보장합니다.
시간이 지남에 따라 이러한 문제가 해결되고 중공 코어 섬유가 곧 성숙한 상업 단계에 도달하여 네트워크 기능이 더욱 향상되기를 바랍니다.