เส้นใยแก้วกลวง (HCF) เป็นเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงแบบใหม่ที่มีแกนกลวง ซึ่งแสงจะแพร่กระจายผ่านอากาศหรือก๊าซเป็นหลัก แทนที่จะเป็นสื่อแก้วแบบดั้งเดิม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าทางวัสดุและเทคโนโลยีการผลิตได้ปลดล็อกศักยภาพที่สำคัญของ HCF ทั้งในด้านประสิทธิภาพและการประยุกต์ใช้งาน ด้านล่างนี้คือการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับประวัติการพัฒนา ข้อได้เปรียบทางเทคนิค และแนวโน้มในอนาคต

-

I. ประวัติการพัฒนาของเส้นใยกลวง
1. การสำรวจในระยะเริ่มแรก (ทศวรรษ 1990–2000)
- ในปี พ.ศ. 2539 แนวคิดของเส้นใยผลึกโฟโตนิก (PCF) ได้วางรากฐานสำหรับโครงสร้างแกนกลวง
ในช่วงต้นทศวรรษปี 2000 การตรวจสอบเชิงทดลองของ HCF ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำได้จริง แต่การสูญเสียที่สูง (>100 dB/km) และข้อจำกัดด้านการผลิตทำให้การประยุกต์ใช้มีข้อจำกัด

2. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี (ช่วงปี 2010–2020)
- การปรับปรุงวัสดุและโครงสร้าง: โครงสร้างจุลภาคที่ได้รับการปรับปรุง (เช่น เส้นใยแก้วกลวงแบบป้องกันการสั่นพ้อง โครงตาข่ายคาโกเมะ) ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณได้อย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น ในปี พ.ศ. 2564 มหาวิทยาลัยเซาแทมป์ตันประสบความสำเร็จในการลดการสูญเสียสัญญาณที่ระดับต่ำสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 0.28 เดซิเบล/กิโลเมตร ที่ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับประสิทธิภาพของเส้นใยแก้วแบบเดิม
- ความก้าวหน้าด้านการผลิต: วิธีการซ้อนและวาดและการพิมพ์ 3 มิติช่วยเพิ่มความแม่นยำของโครงสร้าง

3. ความก้าวหน้าในเชิงพาณิชย์
ปัจจุบัน บริษัทต่างๆ เช่น Lumenisity และ NKT Photonics นำเสนอผลิตภัณฑ์ HCF เชิงพาณิชย์ โดยมุ่งเป้าไปที่การส่งผ่านเลเซอร์กำลังสูงและสถานการณ์การสื่อสารเฉพาะทาง

-

II. ข้อดีหลักของไฟเบอร์แบบแกนกลวง
1. การสูญเสียและความหน่วงต่ำพิเศษ
แสงเดินทางในอากาศได้เร็วกว่าในแก้วประมาณ 30% (ใกล้เคียงกับความเร็วสุญญากาศ) ช่วยลดเวลาแฝงสำหรับการซื้อขายความถี่สูงและการสื่อสารแบบควอนตัม
- ผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นน้อยที่สุดทำให้สามารถส่งผ่านเลเซอร์กำลังสูงได้ (เช่น เลเซอร์อุตสาหกรรมระดับกิโลวัตต์)

2. ความสามารถในการป้องกันการรบกวน
- ไม่ไวต่ออุณหภูมิ รังสี และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (เช่น อุตสาหกรรมอวกาศ โรงงานนิวเคลียร์)

3. ความยืดหยุ่นในการใช้งาน
- แกนกลวงสามารถเติมก๊าซ ของเหลว หรือวัสดุฟังก์ชันต่างๆ ได้ เพื่อการตรวจจับ การวิเคราะห์ทางเคมี และการใช้งานที่กำหนดเอง

-

III. แนวโน้มการประยุกต์ใช้และทิศทางที่เกิดขึ้นใหม่
1. โทรคมนาคม
- เครือข่ายที่มีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษ: เครือข่ายเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูล (DCI) และเครือข่ายการซื้อขายทางการเงินอาจนำ HCF มาใช้เพื่อลดความหน่วงให้เหลือน้อยที่สุด
- การสื่อสารอินฟราเรดกลาง/ไกล: การสูญเสียที่ต่ำกว่าของ HCF ในแบนด์ 2–20 μm เหมาะกับลิงก์ออปติคัลอวกาศว่าง (FSO) และดาวเทียม

2. การส่งเลเซอร์กำลังสูง
- การแปรรูปทางอุตสาหกรรม: ช่วยให้สามารถตัดและเชื่อมได้โดยไม่เกิดความเสียหายต่อเส้นใยแบบดั้งเดิมจากความร้อน
- การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์: การส่งเลเซอร์พลังงานสูงอย่างแม่นยำเพื่อการผ่าตัดหรือการรักษาเนื้องอก

3. การตรวจจับและการตรวจจับ
- การตรวจจับก๊าซ: HCF ที่เติมก๊าซเป้าหมายทำให้สามารถตรวจจับได้ในระดับ ppb ผ่านการสเปกโตรสโคปี (เช่น การตรวจสอบมีเทน CO2)
- การตรวจจับทางชีวการแพทย์: การติดตามแบบเรียลไทม์ของพลวัตของเซลล์หรือโมเลกุล

4. เทคโนโลยีควอนตัม
- ความไม่เป็นเชิงเส้นต่ำช่วยลดการบิดเบือนสัญญาณควอนตัม ส่งผลให้การกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) และช่วงของเครือข่ายควอนตัมดีขึ้น

5. การป้องกันประเทศและอวกาศ
- ความต้านทานรังสีเหมาะกับการสื่อสารด้วยแสงผ่านดาวเทียม การออกแบบน้ำหนักเบาช่วยลดภาระของยานอวกาศ

-

IV. ความท้าทายและแนวโน้มในอนาคต
1. อุปสรรคทางเทคนิค
- การลดการสูญเสียเพิ่มเติม: ต้องมีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในด้านความบริสุทธิ์ของวัสดุและการออกแบบโครงสร้าง

- การรวมมัลติคอร์/มัลติโหมด: การพัฒนา HCF มัลติคอร์เพื่อเพิ่มความสามารถในการส่งข้อมูล

- การสูญเสียการต่อ: การต่อสายไฟเบอร์แบบแกนกลวง (HCF) ต้องใช้เครื่องต่อสายไฟเบอร์โดยเฉพาะ เช่น FSM-100P+, Shinho S-12PM+ ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการต่อสายไฟเบอร์แบบแกนกลวงที่มีการสูญเสียต่ำ

- การลดต้นทุน: ต้นทุนการผลิตที่สูงต้องมีการประหยัดต่อขนาด

2. แนวโน้มในอนาคต
- การบูรณาการกับซิลิกอนโฟโตนิกส์: การรวม HCF เข้ากับอุปกรณ์โฟโตนิกส์ระดับชิปสำหรับการเชื่อมต่อความเร็วสูง
- เครือข่ายไฟเบอร์อัจฉริยะ: การเพิ่มประสิทธิภาพที่ขับเคลื่อนด้วย AI สำหรับการปรับแต่งแบบไดนามิกและความสามารถในการรักษาตัวเอง
- การใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: HCF ที่กำหนดเองสำหรับการสำรวจใต้ทะเลลึก การสำรวจอวกาศลึก และอื่นๆ อีกมากมาย

-

V. บทสรุป

เส้นใยแก้วแบบแกนกลวง (Hollow-core fiber) ซึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพอันเป็นเอกลักษณ์ กำลังทำลายขีดจำกัดด้านประสิทธิภาพของเส้นใยแก้วแบบเดิม เส้นใยแก้วชนิดนี้มีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมโทรคมนาคม พลังงาน การดูแลสุขภาพ และการป้องกันประเทศ แม้ว่ายังคงมีความท้าทายด้านต้นทุนและความสามารถในการปรับขนาด แต่ข้อได้เปรียบในด้านความหน่วงต่ำ ความสามารถในการรับส่งข้อมูลกำลังสูง และการตรวจจับแบบมัลติฟังก์ชัน จะเป็นแรงผลักดันให้เกิดการใช้งานในภาคส่วนที่มีมูลค่าสูง เช่น การสื่อสารควอนตัมและการประมวลผลด้วยเลเซอร์ คาดว่าในอีก 5-10 ปีข้างหน้า HCF จะประสบความสำเร็จในการนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ในวงกว้างในอุตสาหกรรมเฉพาะกลุ่มเหล่านี้

บริษัท Shinho Optics Limited ยังคงลงทุนในการพัฒนาเทคโนโลยีการเชื่อมต่อเพื่อให้มีโซลูชันการเชื่อมต่อแบบฟิวชันที่รวดเร็วขึ้น การสูญเสียต่ำลง และประหยัดมากขึ้น