Desarrollo de tecnología de fibra óptica de núcleo hueco para comunicaciones y desafíos en aplicaciones de ingeniería

La fibra de núcleo hueco (HCF) utiliza una estructura de revestimiento especializada para confinar la luz a un núcleo de aire para su transmisión. Esto cambia fundamentalmente la forma en que se transmite la luz, evitando las limitaciones inherentes de las fibras de vidrio de sílice tradicionales y logrando una menor atenuación. Debido a que la luz se propaga a través del núcleo hueco de una fibra de núcleo hueco, el retraso de transmisión de las señales ópticas se reduce en aproximadamente un tercio en comparación con las fibras tradicionales con núcleo de sílice. En cuanto a los efectos no lineales, el bajo índice de refracción no lineal del aire proporciona a las fibras de núcleo hueco una no linealidad ultrabaja. Además, las fibras de núcleo hueco presentan una excelente dispersión y otras características. Estas propiedades tienen un gran potencial para aplicaciones en comunicaciones ópticas, transmisión láser de alta potencia e interacciones entre materia ligera.

Sin embargo, las aplicaciones prácticas de las fibras ópticas de núcleo hueco aún enfrentan numerosos desafíos, incluido el empalme por fusión y garantizar la integridad de la cadena de suministro. Debido a sus propiedades mecánicas inherentes, la transmisión por orificios de aire en las fibras ópticas de núcleo hueco da como resultado una dispersión de Rayleigh extremadamente baja, lo que hace que la tecnología tradicional de reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) sea ineficaz. Esto dificulta medir la longitud con precisión utilizando las tecnologías existentes, lo que plantea desafíos en el proceso durante la construcción precisa del cableado y del cableado. Debido a que las fibras ópticas de núcleo hueco dependen en gran medida de la morfología y estructura de los orificios de aire, las delgadas paredes de cuarzo que componen los orificios de aire son susceptibles a una rotura o deformación acelerada debido a influencias ambientales, lo que limita la vida útil operativa. Además, mantener un rendimiento de transmisión estable en entornos de campo complejos, como temperaturas altas y bajas, plantea desafíos para las aplicaciones de ingeniería. Se necesitan más investigaciones para avanzar en su aplicación en escenarios específicos.

Descripción general de la tecnología de fibra de núcleo hueco

Estructura y principio de la fibra de núcleo hueco

Las fibras ópticas tradicionales suelen utilizar un núcleo sólido hecho de materiales como el vidrio de cuarzo. Por el contrario, las fibras de núcleo hueco tienen una región hueca en su centro compuesta de aire u otros gases, donde se propaga principalmente la luz. El principio de transmisión óptica de las fibras de núcleo hueco se basa principalmente en dos efectos: el efecto de banda prohibida fotónica y el efecto antiresonancia. En consecuencia, las fibras de núcleo hueco se pueden clasificar como fibras fotónicas de banda prohibida de núcleo hueco (HC-PBF) y fibras antirresonantes de núcleo hueco (HC-ARF).

El principio de guía de la luz de las fibras fotónicas de banda prohibida de núcleo hueco se basa en el efecto de banda prohibida fotónica. Como se muestra en la Figura 1, la microestructura periódica del revestimiento en una fibra fotónica de banda prohibida de núcleo hueco forma un cristal fotónico. Cuando una señal luminosa ingresa al núcleo de aire de la fibra, el efecto de banda prohibida fotónica de la estructura de cristal fotónico del revestimiento evita que la luz de una frecuencia específica se propague a través del revestimiento, confinándola al núcleo de aire. Este tipo de fibra óptica puede lograr una transmisión monomodo y puede controlar con precisión el rango y las características de la banda prohibida fotónica ajustando los parámetros de microestructura del revestimiento, como el tamaño, el espaciado y la disposición de los orificios de aire, logrando así una transmisión efectiva de luz de diferentes longitudes de onda.

Figura 1: Fibra fotónica de banda prohibida de núcleo hueco

Figura 2 - Fibra antirresonante de núcleo hueco

Las fibras ópticas antirresonantes de núcleo hueco utilizan el efecto antiresonancia para transmitir luz. Como se muestra en la Figura 2, su revestimiento suele consistir en múltiples anillos de cuarzo concéntricos anidados entre sí. Al ajustar el espesor de la pared del anillo, la propagación de la luz en el revestimiento se suprime fuertemente en longitudes de onda específicas, confinándola al núcleo de aire central. Específicamente, cuando la longitud de onda de la luz cumple la condición de antiresonancia, la reflectividad en la interfaz del revestimiento es extremadamente alta, lo que hace prácticamente imposible que la luz entre en el revestimiento y se propague a través del núcleo de aire.

Desarrollo de fibras de núcleo hueco

En 2002, el profesor Russell y el profesor F. Benabid de la Universidad de Bath en el Reino Unido propusieron una tecnología de fibra de núcleo hueco, también conocida como fibra de núcleo hueco de banda prohibida fotónica. Debido a las importantes pérdidas por dispersión superficial dentro del núcleo de las fibras fotónicas de núcleo hueco con banda prohibida, fue difícil reducir su atenuación por debajo de 1 dB/km. Posteriormente, se desarrolló un nuevo tipo de fibra de núcleo hueco de banda prohibida con orificios de aire dispuestos irregularmente. Debido a que la estructura de su extremo se asemeja al patrón de tejido tradicional japonés kagome, también se le llama fibra kagome. Sin embargo, ha sido controvertido si el mecanismo de guía de la luz de esta fibra de núcleo hueco puede explicarse mediante la teoría de la banda prohibida.

En 2008, GJ Pearce et al. del Instituto Max Planck utilizó el modelo de guía de ondas de reflexión antirresonante (ARROW) para construir un nuevo principio de guía de luz y un modelo característico para fibras de núcleo hueco, utilizando el mecanismo de reflexión antiresonante. Este modelo proporcionó una nueva interpretación del mecanismo de transmisión de las fibras de Kagome. Basado en este nuevo mecanismo de guía de luz, este tipo de fibra recibió el nombre de fibra antirresonante de núcleo hueco. A partir de entonces, el desarrollo de fibras de núcleo hueco entró en una nueva trayectoria.

En 2013, los investigadores descubrieron que las estructuras centrales de curvatura negativa pueden lograr pérdidas menores que las estructuras centrales de curvatura positiva. La investigación reveló que los puntos de contacto entre los tubos de revestimiento contribuyen significativamente al aumento de la pérdida en HC-ARF (reducción de frecuencia de matriz de células altas) (HC-ARF), lo que llevó a la propuesta de un HC-ARF sin nodos de tubo circular de una sola capa. Sobre esta base, de 2017 a 2024, investigadores de la Universidad Tecnológica de Beijing, la Universidad de Southampton y otras instituciones llevaron a cabo una extensa investigación sobre fibras antirresonantes de núcleo hueco. Como se muestra en la Figura 2, para 2024, la atenuación de las fibras antirresonantes de núcleo hueco en la banda de 1550 nm se redujo de más de 1 dB/km a 0,1 dB/km. En la OFC de 2025 se informó sobre investigaciones recientes sobre fibras de núcleo hueco con atenuación inferior a 0,1 dB/km. Sin embargo, en las pruebas actuales a larga distancia, el pico de absorción de CO2 se ha convertido en un factor que afecta la transmisión en la banda C+L, aumentando la pérdida máxima de absorción a casi 0,4 dB/km.

Figura 3 - Estructura típica de una fibra antirresonante de núcleo hueco

Características clave de la fibra de núcleo hueco

Una de las características más notables de la fibra de núcleo hueco es su pérdida ultrabaja. Si bien la fibra de cuarzo tradicional ha logrado un tremendo éxito en las comunicaciones, su pérdida se está acercando al límite material intrínseco. Sin embargo, la fibra de núcleo hueco, debido a que la luz se propaga a través del núcleo de aire, evita las pérdidas por absorción y dispersión causadas por el material. En los últimos años, los continuos avances tecnológicos han reducido significativamente la pérdida de fibra de núcleo hueco. Por ejemplo, la pérdida de la fibra antirresonante de núcleo hueco anidada de múltiples capas se ha reducido a menos de 0,08 dB/km a 1550 nm, superando el límite de pérdida de 0,14 dB/km a 1550 nm para la fibra de vidrio de cuarzo tradicional. Esta pérdida ultrabaja permite que las señales ópticas se transmitan a distancias más largas en fibra de núcleo hueco, lo que reduce la cantidad de estaciones de retransmisión de señales.

La fibra de núcleo hueco exhibe una no linealidad ultrabaja. En la fibra de cuarzo tradicional, debido a la fuerte interacción entre la luz y el material de cuarzo, una alta potencia óptica puede producir fácilmente efectos no lineales como el efecto Kerr y la dispersión Raman estimulada. Estos efectos no lineales pueden causar distorsión de la señal óptica y diafonía, limitando la capacidad de transmisión y la distancia de los sistemas de comunicación óptica. En la fibra de núcleo hueco, la luz se propaga principalmente en el núcleo de aire. El aire tiene un índice de refracción no lineal mucho más bajo que el cuarzo, lo que da como resultado efectos no lineales de tres a cuatro órdenes de magnitud menores que los de la fibra convencional. Esto significa que se pueden transmitir señales ópticas de mayor potencia a través de fibra de núcleo hueco sin una distorsión no lineal significativa. Por ejemplo, con modulación de amplitud en cuadratura (QAM) de 128 grados y tecnología de amplificador de alta potencia, la no linealidad ultrabaja de la fibra de núcleo hueco permite un aumento significativo en la potencia óptica de entrada, que se espera que al menos duplique la capacidad del sistema y la distancia de transmisión. En el campo de la transmisión de láser de alta potencia, esta no linealidad ultrabaja también permite que la fibra de núcleo hueco transmita láseres de alta potencia de manera más eficiente, evitando la pérdida de energía del láser y la degradación de la calidad del haz causada por efectos no lineales.

La fibra de núcleo hueco también presenta una latencia ultrabaja. Según el principio de propagación de la luz, la velocidad de la luz en un medio, v, es inversamente proporcional al índice de refracción del medio, n: es decir, v = c/n, donde c es la velocidad de la luz en el vacío. El índice de refracción del aire es aproximadamente 1, mientras que el índice de refracción de un núcleo de fibra de cuarzo suele estar entre 1,45 y 1,50. Esto reduce la latencia de transmisión de luz en la fibra de núcleo hueco de aproximadamente 5 μs/km a 3,46 μs/km en comparación con la fibra de cuarzo tradicional. En las interconexiones de centros de datos, la baja latencia mejora la eficiencia de la transmisión de datos, acelera el procesamiento de datos y mejora el rendimiento general del centro de datos.

El diseño estructural flexible de la fibra de núcleo hueco puede ampliar su ancho de banda de transmisión, acelerando su aplicación en el campo de las comunicaciones. Al controlar el espesor de la pared del anillo anidado t a aproximadamente 0,5 µm, la banda de transmisión antiresonante de la fibra de núcleo hueco se puede colocar dentro de la primera banda resonante, lo que permite la transmisión a través de múltiples bandas ópticas, como las bandas O, S, E, C, L y U. Esta característica de transmisión de banda ancha brinda a la fibra de núcleo hueco ventajas significativas en los sistemas de comunicación de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), lo que permite una transmisión de comunicación de mayor capacidad.

Progreso en aplicaciones de comunicación de fibra de núcleo hueco

En 2020, Lumenisity, la filial de industrialización de la Universidad de Southampton, lanzó un latiguillo de fibra óptica basado en fibra antiresonante de núcleo hueco. Sus conectores encapsulados especialmente diseñados permiten un empalme conveniente, de bajas pérdidas y altamente confiable. British Telecom puso a prueba la tecnología de Lumenisity en 2021 para el despliegue de redes móviles y exploró la distribución de claves cuánticas en fibra de núcleo hueco.

Microsoft adquirió Lumenisity en 2022 y, en noviembre de 2024, anunció planes para desplegar 15.000 kilómetros de fibra de núcleo hueco en 24 meses. En febrero de 2024, el operador de telecomunicaciones español Lyntia Networks, en colaboración con Nokia, OFS e Interxion, llevó a cabo una prueba de campo en el mundo real de fibra de núcleo hueco cerca de su sede en Madrid. La latencia de ida y vuelta se redujo en 4,287 μs en un enlace de 1386 kilómetros.

Los operadores nacionales están llevando a cabo activamente proyectos piloto de tecnología de sistemas de comunicación de fibra hueca. En mayo de 2024, FiberHome Communications, en colaboración con el Laboratorio Pengcheng, China Mobile, el Laboratorio Nacional Clave de Tecnología y Redes de Comunicaciones Ópticas y otros, desarrolló un sistema de transmisión en tiempo real de capacidad ultragrande basado en fibra óptica de núcleo hueco, logrando una transmisión en tiempo real de banda S+C+L de banda ultra ancha de 19,65 Thz y una transmisión bidireccional de la misma longitud de onda de fibra única con una capacidad de transmisión máxima de más de 270 Tbit/s. Se verificaron las características de baja pérdida, no linealidad ultrabaja y retrodispersión ultrabaja de la fibra óptica de núcleo hueco. La construcción del sistema se muestra en la Figura 4.

Figura 4 - Sistema de transmisión en tiempo real multibanda de fibra de núcleo hueco

El 4 de diciembre de 2024, el Instituto de Investigación Móvil de China celebró el 'Seminario y lanzamiento de logros en tecnología de fibra de núcleo hueco de China Mobile', en el que se presentó una nueva fibra antiresonante de núcleo hueco con una estructura anidada de doble capa truncada de cuatro unidades. La fibra presenta una pérdida ultrabaja de 0,10 dB/km a 1550 nm y una relación de supresión de modo de orden alto de 26.000. Se completó una prueba de tecnología de sistema de transmisión de 160 longitudes de onda × 800G entre Longgang, Shenzhen y Fenggang, Dongguan, utilizando fibra de núcleo hueco. En el laboratorio, se logró una transmisión bidireccional de fibra única de 377,6 Tb/s a lo largo de 100 kilómetros utilizando transmisión S+C+L de banda ultraancha en la misma longitud de onda utilizando fibra de núcleo hueco, aumentando el récord de capacidad de fibra única existente en más de 1,5 veces.

En 2024, el sitio web de adquisiciones de China Telecom publicó el 'Anuncio de precalificación del proyecto de prueba de campo de cable de fibra de núcleo hueco 2024 de China Telecom Zhejiang Company', adquiriendo 95 picokilómetros de fibra de núcleo hueco por primera vez. Esto pondrá en marcha el primer proyecto de demostración de red en vivo del mundo para un sistema de transmisión de cable de fibra de núcleo hueco, que cuenta con una capacidad de transmisión de longitud de onda única de 1,2 Tbit/s, transmisión unidireccional superior a 100 Tbit/s y una distancia de transmisión de 20 km. China Unicom, en colaboración con Yangtze Fiber y Leading Technology, logró una capacidad de transmisión de 32x1,2 Tbit/s en 10,2 km de fibra de núcleo hueco.

En términos de expansión de aplicaciones, en 2024, los equipos del Laboratorio Estatal Clave de Física Láser de Alto Campo del Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Shanghai, la Academia de Ciencias de China y el Centro Russell de Ciencia Avanzada de Ondas de Luz avanzaron en la investigación de solitones desplazados hacia el azul en fibras antirresonantes de núcleo hueco. Combinando teoría y experimento, revelaron que el ancho espectral de los solitones desplazados hacia el azul sigue la teoría del área de solitones. Al variar la presión del gas y la energía del pulso incidente en una fibra antiresonante de núcleo hueco, se lograron pulsos ultrarrápidos sintonizables, con un rango de sintonización de longitud de onda central de 900 nm a 650 nm y un rango de sintonización de ancho de banda de 100 nm a 180 nm (a 700 nm).

Las propiedades de baja pérdida y baja dispersión de la fibra de núcleo hueco también la convierten en un medio de transmisión prometedor para señales ópticas cuánticas en comunicaciones cuánticas. La transmisión de fotones individuales o pares de fotones entrelazados a través de fibra de núcleo hueco puede permitir la distribución de claves cuánticas y la teletransportación cuántica, lo que podría proporcionar nuevas vías tecnológicas para el desarrollo de las comunicaciones cuánticas.

Desafíos que enfrenta la tecnología de fibra de núcleo hueco

La dificultad de medir la longitud con precisión

Los métodos comunes para medir la atenuación de la fibra incluyen el método de corte, la retrodispersión y la pérdida de inserción. Se encuentra disponible un especializado OTDR (detector de retardo de tiempo de operación) para el método de retrodispersión, lo que lo convierte en un instrumento esencial para talleres de producción y sitios de construcción. El método de retrodispersión se basa en el principio de dispersión en fibras ópticas. No solo mide el coeficiente de atenuación de la fibra, sino que también determina la uniformidad de la atenuación a lo largo de la fibra, la continuidad óptica, los defectos físicos, la pérdida de conexión y la longitud de la fibra.

La medición tradicional de la longitud de la fibra óptica mediante un OTDR se basa en el fenómeno de retrodispersión en las fibras ópticas. Cuando se inyecta una señal luminosa en una fibra óptica, parte de la luz se retrodispersa. El OTDR mide el retardo de tiempo y la variación de intensidad de esta luz retrodispersada para calcular la longitud de la fibra y la distribución de pérdidas. En la fibra de núcleo hueco, la luz se propaga principalmente a través del núcleo de aire, donde el coeficiente de retrodispersión es mucho menor que el del material de cuarzo utilizado en las fibras ópticas tradicionales. Esto hace que la señal de luz retrodispersada recibida por el OTDR sea extremadamente débil, lo que afecta significativamente la precisión y confiabilidad de la medición.

Según el principio de medición del OTDR, su precisión está estrechamente relacionada con la intensidad de la luz retrodispersada. Cuando la intensidad de la luz retrodispersada es demasiado baja, los resultados de la medición se ven fácilmente afectados por el ruido, lo que genera mayores errores de medición. Cuando la intensidad de la luz retrodispersada cae por debajo del umbral de detección del OTDR, es posible que la señal retrodispersada no se detecte con precisión, lo que hace imposible medir eficazmente la longitud de la fibra de núcleo hueco. Además, la estructura única de la fibra de núcleo hueco puede provocar cambios en el acoplamiento de modos y las características de dispersión de la luz durante la transmisión, lo que complica aún más las mediciones basadas en los principios tradicionales de OTDR.

Figura 5 - Modos de transmisión en fibra antirresonante de núcleo hueco

Según la teoría ARROW y la teoría del acoplamiento confinado, como se muestra en la Figura 6, existen tres modos en las fibras de núcleo hueco antiresonantes: modo núcleo, modo revestimiento y modo de dispersión de interfaz. Esto dificulta calcular con precisión la longitud de la fibra midiendo el retraso. Debido a la presencia de múltiples modos, la luz transmitida a través de fibras antirresonantes de núcleo hueco todavía exhibe una dispersión de aproximadamente 3 ps/nm/km a 1550 nm. Además, cuando el entorno externo afecta el estado de la fibra y provoca fluctuaciones de modo, esta dispersión puede sufrir cambios sutiles. Esto hace que la longitud de las fibras antirresonantes de núcleo hueco actualmente disponibles dependa más del medidor de bobinado utilizado por las torres de trefilado de fibras y las máquinas de cribado y rebobinado. Las mediciones posteriores de atenuación de fibras de núcleo hueco antiresonantes utilizando espectrómetros o medidores de potencia óptica requieren una medición manual precisa de la longitud de la fibra cortada para calcular con mayor precisión la atenuación de la fibra.

La investigación de la industria también ha explorado la inyección de gas en fibras de núcleo hueco para mejorar la dispersión de Rayleigh, permitiendo mediciones de longitud a nivel de kilómetros. En la construcción del sistema real, también adoptamos el método de fusionar fibras ópticas monomodo en ambos extremos para lograr la atenuación y medición de longitud de fibras ópticas de núcleo hueco a través de OTDR. La curva de prueba del OTDR se muestra en la Figura 6.

Figura 6: Curva de prueba del OTDR después de empalmar fibra de núcleo hueco con fibra monomodo

Factores ambientales

La precisión de la medición de la longitud de las fibras de núcleo hueco se ve significativamente afectada por factores ambientales. Las fluctuaciones de temperatura provocan una mínima expansión térmica y contracción del material y la estructura de la fibra de núcleo hueco, alterando la longitud de la fibra y el perfil del índice de refracción. Para algunas aplicaciones de comunicación y detección de fibra de alta precisión, este cambio de longitud inducido por la temperatura puede provocar errores de medición que excedan los límites aceptables. Según el principio de expansión y contracción térmica, existe una relación lineal entre el cambio de longitud del material de fibra y la temperatura, determinando el coeficiente de expansión térmica la magnitud del cambio de longitud. Los diferentes tipos de fibras de núcleo hueco tienen diferentes coeficientes de expansión térmica debido a diferencias en el material y la estructura, lo que dificulta predecir y compensar con precisión las características de cambio de longitud de las fibras de núcleo hueco en diferentes ambientes de temperatura.

Los cambios en la presión del aire también afectan la medición de la longitud de la fibra de núcleo hueco. Existe una diferencia de presión entre el núcleo de aire de una fibra de núcleo hueco y el entorno circundante. Cuando la presión del aire externo cambia, especialmente durante el estirado prolongado de fibras con núcleo hueco, la presión del aire en el núcleo de aire también cambia, provocando cambios en el índice de refracción del aire.

Los experimentos han demostrado que cuando la presión del aire cae desde la presión atmosférica estándar de 1013 hPa a aproximadamente 500 hPa a gran altitud, el índice de refracción grupal de una fibra de núcleo hueco cambia en Δng≈1×10-6. Esto puede dar lugar a un error de retardo de tiempo de hasta 3,3 ps en 1 km de fibra, lo que corresponde a un error de medición de longitud de aproximadamente 0,5 mm en 1 km. La vida útil a largo plazo de la fibra de núcleo hueco se ve significativamente afectada por su material y estructura. Debido a su naturaleza frágil, la fibra de cuarzo inevitablemente alberga pequeñas grietas, conocidas como grietas de Griffith. Estas grietas pueden amplificar las tensiones locales hasta 10 o incluso más de 100 veces la tensión total aplicada, lo que da como resultado que la resistencia real sea de 1 a 3 órdenes de magnitud menor que la predicha teóricamente. Para un espaciamiento atómico d = 2×10-10 m, una grieta con una longitud de L = 0,5 μm puede reducir la resistencia a la fractura al 0,5% de la resistencia teórica.

Figura 7 - Relación entre la resistencia teórica a la fractura y el tamaño de la grieta

Por lo general, se requiere que las fibras ópticas de cuarzo tradicionales con un diámetro de 125 micrones tengan una vida útil de alrededor de 30 años. Las pruebas extremas actuales han estimado una vida útil de aproximadamente 60 años para fibras ópticas de alta confiabilidad.

Para lograr una resistencia comparable a la de las fibras ópticas de cuarzo tradicionales, el espesor de la pared del revestimiento de cuarzo de las fibras de núcleo hueco antirresonantes actuales suele ser de al menos 60 μm. Sin embargo, la estructura de tubos múltiples de fibras de núcleo hueco también complica el funcionamiento a largo plazo. Según la teoría de la antiresonancia, incluso si el revestimiento de cuarzo de una fibra de núcleo hueco antiresonante permanece intacto, si la pared del anillo anidado se fractura, el efecto antiresonancia se verá gravemente afectado, lo que provocará una mayor atenuación e incluso la incapacidad de transmitir señales ópticas. Actualmente, los espesores de pared de los anillos anidados de las fibras de núcleo hueco antiresonantes utilizadas en la banda de comunicaciones suelen ser de tres tipos: 0,5 µm, 1,0 µm y 2,0 µm. Según las ecuaciones 3 y 4, la tensión de fractura teórica σ del material de cuarzo se correlaciona positivamente con la energía superficial por unidad de área r, que a su vez se correlaciona positivamente con el correspondiente espesor del material de cuarzo.
Por lo tanto, para una fibra de núcleo hueco antiresonante con un espesor de pared de anillo de cuarzo de aproximadamente 1,0 μm, su tensión de fractura teórica, σ, es al menos 10 veces menor que la de la fibra de cuarzo convencional. En consecuencia, cuando se somete a la misma tensión, el tiempo de fractura de una fibra de núcleo hueco antiresonante se reduce significativamente en comparación con el de una fibra de cuarzo convencional. Debido a que el crecimiento de microfisuras es un proceso de aceleración lenta, esto significa que después de un cierto período de operación, la falla posterior de la fibra de núcleo hueco puede ocurrir rápidamente en un momento impredecible. Esto plantea un desafío importante para sus aplicaciones de ingeniería.

Desafíos de una operación altamente estable en entornos de campo

Las fibras ópticas de núcleo hueco enfrentan el riesgo de corrosión ambiental en aplicaciones prácticas, lo que representa una seria amenaza para su larga vida útil. El vapor de humedad es un factor ambiental clave que afecta el rendimiento de las fibras ópticas de núcleo hueco. El núcleo de aire de una fibra óptica de núcleo hueco mantiene un cierto grado de conectividad con el entorno externo, lo que permite que el vapor de humedad ingrese fácilmente a la fibra. Una vez que esta humedad ingresa a la fibra óptica de núcleo hueco, forma una película de agua dentro de la fibra. El agua absorbe fuertemente la luz, aumentando la atenuación de la señal óptica y reduciendo así el rendimiento de transmisión de la fibra. El vapor de humedad también puede hidrolizar el material de la fibra, provocando microfisuras y afectando su estructura y rendimiento. Las altas temperaturas y la alta humedad aceleran esta reacción de hidrólisis, lo que aumenta rápidamente la pérdida de fibra y afecta gravemente su larga vida útil.

Figura 8: Estructura molecular del vidrio de sílice y daño a las moléculas de SiO2 por los iones OH

Dado que la longitud de la fibra óptica de núcleo hueco antiresonante es difícil de medir con precisión, es difícil controlar con precisión el exceso de longitud durante el cableado. Esto dificultará el funcionamiento estable en el entorno de campo. Dado que la pared del tubo encajado de la fibra óptica de núcleo hueco es relativamente delgada, normalmente unas pocas micras o incluso más delgada, es más susceptible a tensiones externas y deformaciones por extrusión. Durante el proceso real de colocación y uso, la fibra óptica puede estar sujeta a fuerzas externas como estiramiento, flexión y extrusión. Debido a limitaciones mecánicas, el radio de curvatura de la fibra óptica de núcleo hueco antiresonante no puede ser demasiado pequeño en caso de curvatura, de lo contrario provocará una fuga de la señal óptica y una disminución del rendimiento de transmisión. La fibra óptica de cuarzo tradicional aún puede mantener un buen rendimiento de transmisión cuando el radio de curvatura es de unos pocos milímetros, mientras que el radio de curvatura mínimo de la fibra óptica de núcleo hueco generalmente debe ser superior a decenas de milímetros. Esto impone requisitos más altos en el tendido e instalación real del proyecto, y también impone requisitos más altos en el control del exceso de longitud del cable óptico de núcleo hueco antiresonante.

Otras direcciones de desarrollo para la tecnología de fibra de núcleo hueco antirresonante

Desarrollo de Nuevas Tecnologías de Medición

Para abordar los desafíos de medir con precisión longitudes de fibras de núcleo hueco, es fundamental explorar activamente nuevas tecnologías de medición.

Las mejoras basadas en la reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR) son un enfoque clave. Aunque OFDR también se basa en la dispersión de Rayleigh, ofrece una alta resolución espacial, un amplio rango dinámico y una alta sensibilidad de prueba. Actualmente, OFDR puede mejorar la precisión de la medición a centímetros o incluso más para fibras de núcleo hueco más cortas optimizando el rango de barrido de frecuencia de la fuente de luz y el algoritmo de detección coherente. Sin embargo, cuando las longitudes de fibra de núcleo hueco alcanzan cientos de metros o incluso kilómetros, la tecnología OFDR actual todavía lucha por evitar de manera efectiva el problema de la baja relación señal-ruido, y es necesario un mayor desarrollo.

El análisis óptico en el dominio del tiempo (BOTDA) de Brillouin es otro enfoque. Aprovechando la dependencia de los cambios de frecuencia de dispersión de Brillouin con la temperatura y la tensión, la longitud de la fibra se puede inferir mediante detección distribuida, lo que permite mediciones de longitud a nivel de kilómetros. El espectro de ganancia de Brillouin de las fibras de núcleo hueco difiere significativamente del de las fibras convencionales, lo que requiere el desarrollo de fuentes de luz de bombeo de alta potencia y reducciones de costos. Aprovechando la coherencia de un peine de frecuencia láser de femtosegundos, la medición precisa de la diferencia de trayectoria óptica (OPD) a través de la demodulación de fase de franjas de interferencia permite mediciones de alta precisión a nivel de micras, lo que lo hace adecuado para aplicaciones específicas que involucran fibras de núcleo hueco de corta distancia.

El tiempo de vuelo (ToF) también es un enfoque viable en entornos de laboratorio de corta distancia. Al medir directamente el tiempo de ida y vuelta del pulso óptico, se puede lograr una precisión de medición de ±1 mm para fibras de núcleo hueco dentro de 1 km. Otros estudios han combinado ToF con cambios de presión atmosférica, demostrando que un cambio del 10% en la presión atmosférica en una fibra de núcleo hueco de 1 km da como resultado un error de longitud de aproximadamente 2 mm.

También se han empleado combinaciones de estos métodos, como OFDR, medición del tiempo de vuelo e interferometría espectral, para medir la longitud y la dispersión de fibras de núcleo hueco. Utilizando láseres de frecuencia única de alta potencia y ancho de línea estrecho, se han logrado mediciones precisas de longitud y dispersión de fibras de núcleo hueco a lo largo de 11 km.

Sin embargo, estos métodos todavía están muy por detrás de las tecnologías de ingeniería de fibra de núcleo sólido existentes en términos prácticos, y se necesita más investigación.

Tabla 1: Comparación de varios métodos de medición de la longitud de las fibras

Desarrollo y mejora de estándares

Desarrollar estándares unificados para productos de fibra de núcleo hueco, métodos de prueba y requisitos de aplicación es crucial para promover el desarrollo y la aplicación de la tecnología de fibra de núcleo hueco. Actualmente, la tecnología de fibras de núcleo hueco aún se encuentra en sus etapas de desarrollo, y las fibras de núcleo hueco producidas por diferentes fabricantes varían en estructura y rendimiento, y carecen de estándares y especificaciones unificadas. Esto no sólo complica la producción y fabricación de fibras de núcleo hueco sino que también dificulta su compatibilidad e intercambiabilidad en aplicaciones prácticas. El desarrollo de estándares de productos unificados que aclaren los parámetros estructurales, los indicadores de desempeño y otros requisitos para las fibras de núcleo hueco ayudará a regular el mercado, mejorar la calidad del producto y promover el desarrollo saludable de la industria.

Con respecto a los estándares de métodos de prueba, debido a la estructura única y las características de transmisión de las fibras de núcleo hueco, los métodos de prueba de fibras tradicionales no pueden cumplir con sus requisitos de prueba. Por lo tanto, se necesitan estándares de métodos de prueba especializados. Por ejemplo, los métodos estándar para medir con precisión la longitud de la fibra de núcleo hueco abordarán los problemas con los métodos de medición tradicionales como los OTDR. También se desarrollarán estándares de prueba para indicadores de rendimiento de fibras de núcleo hueco, como pérdida, no linealidad y latencia, para garantizar la precisión y comparabilidad de los resultados de las pruebas.

También es esencial desarrollar estándares de aplicación. Los diferentes escenarios de aplicación tienen diferentes requisitos de rendimiento para las fibras ópticas de núcleo hueco. Por ejemplo, en las comunicaciones ópticas de alta velocidad, se debe considerar el desarrollo de estándares de interfaz y estándares de protocolos de transmisión para fibras ópticas de núcleo hueco y equipos de comunicación existentes bajo transmisión de mayor potencia para garantizar que las fibras ópticas de núcleo hueco puedan conectarse sin problemas con las redes de comunicación existentes.

Ampliación y optimización de escenarios de aplicaciones

En escenarios de interconexión de corta distancia, como los centros de datos, la fibra de núcleo hueco puede aprovechar eficazmente sus características únicas y reducir los riesgos de su aplicación. Su latencia ultrabaja mejora significativamente las velocidades de transmisión de datos dentro y entre centros de datos. En comparación con la fibra de cuarzo tradicional, la fibra de núcleo hueco reduce la latencia de transmisión de aproximadamente 5 μs/km a 3,46 μs/km, una reducción de aproximadamente un tercio. Esto permite una transmisión de datos más rápida entre servidores, reduce los retrasos en el procesamiento de datos y mejora la capacidad de respuesta del servicio.

La baja pérdida de la fibra de núcleo hueco reduce la distorsión de la señal y las tasas de error de bits, lo que mejora el rendimiento general del centro de datos. En escenarios comerciales de alta frecuencia, cada milisegundo de retraso puede resultar en pérdidas financieras significativas. La baja latencia de la fibra de núcleo hueco cumple con los estrictos requisitos de precisión de sincronización del comercio de alta frecuencia, brindando a las instituciones financieras servicios comerciales más rápidos y precisos.

Para aprovechar plenamente las ventajas de la fibra de núcleo hueco para la interconexión de centros de datos de corta distancia, es necesario abordar varias cuestiones clave. Por ejemplo, los módulos ópticos multimodo y las fibras ópticas multimodo se utilizan habitualmente en los centros de datos actuales. La optimización de los modos de guía de ondas con fugas de las fibras de núcleo hueco para reducir su impacto en las señales válidas requiere el desarrollo de fibras de núcleo hueco antirresonantes que cubran la banda multimodo con una atenuación de hasta 0,33 dB/km a 850 nm. Las fibras de cuarzo tradicionales se utilizan actualmente ampliamente en las interconexiones de centros de datos a largas distancias. Para implementar fibras de núcleo hueco, se necesitan nuevos conectores y adaptadores para integrarlas perfectamente con los equipos existentes. Además, es necesario optimizar la tecnología de empalme de fibras de núcleo hueco para mejorar la calidad y la estabilidad del empalme y reducir las pérdidas por empalme. Al adoptar procesos y equipos de empalme avanzados, como empalmadores automatizados y tecnología de control de empalme de alta precisión, la pérdida de empalme de fibra de núcleo hueco se puede reducir a menos de 0,1 dB, cumpliendo con los requisitos de las aplicaciones de centros de datos del mundo real.

Junto con el mantenimiento real, también es necesario reforzar la supervisión del rendimiento y el mantenimiento de las fibras de núcleo hueco en entornos como los centros de datos. Se puede utilizar la tecnología de detección de fibra óptica distribuida, combinada con el tendido simultáneo de fibra óptica monomodo y fibra óptica de núcleo hueco en el mismo tubo, para realizar un monitoreo en tiempo real de la tensión externa en la fibra óptica de núcleo hueco. Una vez que se encuentra una anomalía, se pueden tomar medidas oportunas para solucionarla.

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