引言
空芯光纤(HCFs)，特别是嵌套和双嵌套抗共振光纤(DNANFs)，已成为长距离传输系统的理想候选者。这些光纤具有多种优势，包括更低的延迟、更低的损耗(<0.1dB/km)、低色散、低非线性、低背向散射以及更宽或替代性的波长带。然而，为了在大规模生产的空芯光纤中实现高性能，制造商需要确保光纤结构在横向和纵向上具有高度均匀性。
横截面中管道的位置、尺寸和厚度的微小不对称性会导致光纤双折射和偏振模色散(PMD)。分布式地了解这些特性可以促进制造工艺的改进，并促进这类光纤在实际网络中的应用。
然而，表征空芯光纤面临着重大挑战，因为抗共振空芯光纤的背向散射比单模光纤(SMFs)低3-4个数量级。虽然这种低背向散射特性使双向传输成为可能，但也严重阻碍了传统单端分布式表征工具(如光时域反射计(OTDR)、分布式声波传感(DAS)和光频域反射计(OFDR))的使用[1]。
理解空芯光纤中的背向散射
与实芯光纤中由于实芯中的瑞利散射产生的背向散射不同，空芯光纤中的背向散射来自两个不同的来源：
动态散射体：空腔区域中移动的空气分子
静态散射体：光纤壁面上的表面粗糙度
已知空气分子背向散射比实芯光纤中的瑞利散射水平低27 dB，可以通过放大型OTDR探测。表面粗糙度背向散射更低，比空气分子散射再低15 dB，在OTDR中通常被空气背向散射所掩盖。
这种更弱、永久性和静态的表面散射可以提供关于光纤均匀性的宝贵信息。这可以通过相干反射技术如OFDR进行探测。空气背向散射随机展宽约500MHz，并在皮秒级内失去相干性，这是由于空气分子的不断随机运动在反射时产生多普勒频移。
研究人员首次证明，这种弱的侧壁散射指纹(比SMF低>40dB)可以通过背向散射的相关性用于测量空芯光纤的局部模式双折射和热敏感性。
高分辨率OFDR系统
图1(a)显示了使用扫描20 nm的扫频激光器的高分辨率OFDR设置，图1(b)显示了DNANF的横截面及其计算的模式分布，图1(c-e)显示了600 m HCF的测量结果，包括热敏感性测量。
高分辨率OFDR系统使用扫频激光器扫描20 nm波长范围。该设置包括一个连续扫频激光器，分为本地振荡器(LO)路径和通过环行器和低背反射SMF尾纤引导到HCF的信号路径。两个接收的偏振分量与LO干涉后以400 MS/s的速率数字化。
图中未显示的是一个激光相位噪声和扫描非线性跟踪的非对称MZI，其路径长度差为1000 ns。采用标准OFDR后处理，并使用相位校正在5 km HCF后获得尖锐的轨迹。在1550 nm处，扫描约1亿个数据点，覆盖800 GHz带宽，提供184 μm傅里叶变换限制分辨率——这比之前空芯光纤OFDR米级分辨率的演示提高了一个数量级。
测量600米长的空芯光纤显示背向散射水平约为-115 dB/m(比SMF低约40dB)，上下波动1 dB。这些波动归因于由于光纤横截面变化导致的散射系数变化。轨迹中的表观噪声实际上是真实的侧壁散射，这是可重复的，且具有复数值特性。
热敏感性测量
在室温和光纤卷加热时测量的这种"指纹"的光谱相关性揭示了模式相位对温度的热敏感性(dβL/dT)。当光纤加热时，散射体似乎相距更远，将每个部分的反射光谱向短波长移动。
在空芯光纤中，dβL/dT主要由熔融石英的热膨胀系数(3-5×10⁻⁷)引起的长度变化决定，而在单模光纤中，它由20倍更强的石英热光系数驱动。
测量表明，当两者都加热50°C时，空芯光纤的光谱移动比单模光纤弱约22倍，证实了空芯光纤热敏感性更低的特性。
5公里空芯光纤的分布式模式双折射
图2显示了4.9公里DNANF的偏振分辨OFDR测量。图(a)显示SMF、HCF和电子噪声底。图(b)和(c)分别放大了光纤发射端和HCF末端。图(d-f)通过背向散射相关性获得的偏振间光谱移动，分别对应HCF正向发射、反向发射和SMF参考。图(g)比较了多种光纤的平均偏振光谱移动。
5公里DNANF的偏振分辨OFDR测量揭示了关于光纤双折射特性的有趣特征。这些扫描显示偏振振荡表现为在x和y偏振分量中接收功率的变化，而总功率保持恒定。
与瑞利背向散射水平约为-72 dB/m的标准SMF相比，这种空芯光纤样品表现出更快、更规则的振荡，表明其拍频长度更短。即使在信噪比较弱的光纤末端，偏振振荡仍然可见，光纤的背向散射和测量底噪声之间的差异约为0.6dB。
研究人员通过光谱互相关从这些轨迹评估了光纤中近简并基模之间的分布式双折射(Δβ)。该技术检测频谱移动Δβ/β₀f₀的散射复制品。在正向和反向方向的测量相互对应，光谱移动的峰值平均为0.05 GHz，表明拍频长度约为8米。
然而，这个值在光纤沿线上从0.025 GHz到0.07 GHz不等，揭示了局部双折射的波动。对几种不同DNANFs的比较测量证明了这种技术在非侵入式分布式制造质量控制中的实用性。
长距离OFDR系统
图3显示了通过50个波长平均的100公里范围的测量结果，包括(a)正向和反向发射，计算的(b)光纤损耗和(c)两次测量得出的散射系数。
为了更长距离的测量，研究人员修改了OFDR技术以增强其在扩展距离上的能力。这种长距离OFDR设置通过使用双偏振IQ调制器的外部调制改善了扫描非线性，并使用Hz线宽激光器降低了相位噪声。
x和y偏振分量在67毫秒内以相反方向扫描250 MHz，以1 GHz偏移频率为中心，实现了理论上0.3米的奈奎斯特分辨率。发射信号放大到10 dBm，激光器以1 GHz步长在50个波长上步进，以平均相干散斑并产生平滑的背向散射轨迹。
没有执行时间门控来阻挡来自SMF和SMF-HCF连接的强信号，这些信号通常会淹没大多数OFDR。测量显示了100公里范围的正向和反向轨迹。通过组合这两种测量，研究人员可以分离与局部光纤结构相关的局部散射系数(F×B)和光纤衰减(F/B)。
该系统在10公里距离实现了3米分辨率，在100公里距离实现了25米分辨率，动态范围>90 dB。这种演示可在大都市规模空芯光纤网络的部署和监测中找到应用。
结论
通过改进两种新型OFDR系统，研究人员首次对空芯DNANF进行了高度详细的分布式表征。第一个系统能达到5公里，具有亚毫米分辨率，可测量分布式模式双折射；第二个系统能探测超过100公里，在10公里(100公里)处分别实现3米(25米)分辨率，动态范围>90 dB。
这些技术为改进空芯光纤制造工艺提供了新的可能性，并实现了100公里规模链路的线路监测。能够以亚毫米分辨率沿5公里长DNANF样品测量5至16米拍频长度之间的局部模式双折射，代表着光纤表征技术的显著进步。
此外，空芯光纤模式的分布式相位热敏感性约比单模光纤低20倍的发现，为温度稳定性至关重要的应用提供了宝贵信息。
这些表征技术的进步，通过提供对空芯光纤独特性质的更好理解和监测，将加速空芯光纤在实际网络部署中的采用。
参考文献
[1] N. K. Fontaine, M. Mazur, B. J. Puttnam, S. Bakhtiari Gorajoobi, R. Slavík, R. Ryf, L. Dallachiesa, H. Chen, D. T. Neilson, D. J. Richardson, and E. Numkam Fokoua, "Ultra-high resolution and long-range OFDRs for characterizing and monitoring Hollow-core DNANFs," in Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2025, paper Th4D.6.
END
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