空芯光纖實(shí)現(xiàn)了比石英光纖更低的傳輸損耗

  由英國(guó)南安普頓大學(xué)光學(xué)研究中心及其商業(yè)衍生公司Lumenisity生產(chǎn)的新型空芯光纖，[1]在制備性能上取得了新進(jìn)展：用于在600~1100nm傳輸?shù)?A href="http://huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e7%a9%ba%e8%8a%af%e5%85%89%e7%ba%a4&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">空芯光纖，目前已經(jīng)獲得了比用于該波段的實(shí)芯光纖更低的傳輸損耗。這是首次獲得如此重要的進(jìn)展，因?yàn)榧词故亲詈玫膶?shí)芯石英光纖的損耗，也高到足以限制某些應(yīng)用的性能，比如限制激光功率傳輸、生物光子學(xué)、短程通信以及潛在的量子通信等應(yīng)用的性能。

  這種新型光纖基于南安普頓大學(xué)在2020年使用的嵌套式反諧振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖(NANF)，它展示出了空芯光纖在1550nm電信波段，實(shí)現(xiàn)了0.28dB/km的創(chuàng)紀(jì)錄的低損耗。[2]早在2019年報(bào)告的損耗值為0.62dB/km，最新的損耗值不到之前損耗的一半。[3]但是，在1550nm處的低損耗紀(jì)錄值，依然是由實(shí)芯光纖保持的0.142dB/km。[4]

  純石英幾乎不吸收可見(jiàn)光至大約1500nm波段的光，在波長(zhǎng)短于1550nm的光傳輸中，瑞利散射是最主要的傳輸損耗。石英中的瑞利散射與波長(zhǎng)的四次方成反比。為了最大程度地減少瑞利散射，NANF光纖在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，目的是將光約束在光纖的中央空芯中(見(jiàn)圖1)。六對(duì)平行嵌套的中空管沿著纖芯的外邊緣排列，顯示出負(fù)曲率，從而阻止了光線到達(dá)纖芯邊緣。邊緣之間留有空間，有助于將光限制在空芯內(nèi)部，因此有非常少的光耦合到石英中，從而避免了光在石英中因?yàn)槿鹄鴮?dǎo)致衰減。

  玻璃的瑞利散射系數(shù)，與玻璃的固化并凍結(jié)密度波動(dòng)的溫度成正比，因此對(duì)于具有高熔點(diǎn)的石英而言，其瑞利散射系數(shù)較高。從理論上說(shuō)，硫系和多組分重金屬鹵化物玻璃的軟化溫度較低，因此它們應(yīng)該具有低得多的瑞利散射;然而到目前為止，這類(lèi)玻璃尚未通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得較低的瑞利散射。因此，目前純石英仍然是300~1700nm波段的傳輸光纖的最佳選擇。

  為了了解空芯光纖的性能，南安普頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)三個(gè)關(guān)鍵的短波波長(zhǎng)帶(600~730nm，720~950nm和1000~1200nm)設(shè)計(jì)和制備了一些空芯光纖。他們測(cè)量了空芯光纖在上述所有三個(gè)波段的重要波長(zhǎng)處的損耗，并與光在石英中的瑞利散射進(jìn)行了比較。在660nm處，空芯光纖的損耗為2.85dB/km，相比之下，石英中的瑞利散射損耗為4~5dB/km。在接近850nm短距離通信頻段的864nm處，空芯光纖的損耗為1.4dB/km，而石英中瑞利散射損耗為1.3~2dB/km。對(duì)于激光加工中經(jīng)常使用的1064nm，空芯光纖的損耗為0.52dB/km，而石英中的瑞利散射損耗為0.6~0.8dB/km。所有三種光纖的3dB帶寬均超過(guò)130nm。

圖1：空芯NA中的導(dǎo)光。(圖片來(lái)源：南安普頓大學(xué)光學(xué)研究中心)

  南安普頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Francesco Poletti說(shuō)：“NANF光纖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了首次商業(yè)應(yīng)用。”空芯光纜最直接的魅力是低延遲，因?yàn)樗芤?9.9%的真空光速傳輸光，比石英中66%的真空光速提高了50%。5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心傳輸，都要求低延遲，這都是空芯光纖的應(yīng)用市場(chǎng)。將850nm處的損耗減小到0.5dB/km以下，并利用空芯光纖大模場(chǎng)直徑和低色散的優(yōu)勢(shì)，可以增加短距離數(shù)據(jù)鏈路的帶寬距離乘積，并改善激光同步和時(shí)間分布。

  在1030~1090nm的鐿和釹波段，空芯光纖傳輸能提供比實(shí)芯光纖更長(zhǎng)的傳輸距離，也能提供更高的傳輸功率水平，這是空芯光纖的另一項(xiàng)誘人之處。空芯光纖可以承受納秒和皮秒級(jí)脈沖數(shù)十兆瓦的峰值功率，而不會(huì)出現(xiàn)像實(shí)芯光纖所遭受的災(zāi)難性損傷的風(fēng)險(xiǎn)。纖芯直徑在30μm范圍內(nèi)的空芯光纖，可以傳輸單模光束，從而可以在可能長(zhǎng)達(dá)幾公里的范圍內(nèi)傳輸千瓦級(jí)光束。它們的大纖芯尺寸還減少了非線性效應(yīng)，而非線性效應(yīng)正是高峰值功率短脈沖的一個(gè)特殊問(wèn)題。

  空芯光纖還可以傳輸580~900nm波段的量子態(tài)和糾纏光子，用于量子計(jì)算、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)。NANF的損耗下限仍然未知。直到最近，Poletti還曾認(rèn)為空氣玻璃界面處的光散射將設(shè)置下限。現(xiàn)在，他說(shuō)：“隨著我們不斷改進(jìn)制備技術(shù)，損耗也將斷下降，這也說(shuō)明實(shí)際的散射要遠(yuǎn)低于建模時(shí)所預(yù)測(cè)的水平?！?

  參考文獻(xiàn)

  1. H. Sakr et al., Nat. Commun., 11,6030 (2020); http://bit.ly/JH-Ref1.

  2. J. Hecht, Laser Focus World, 56, 4,12–14 (Apr. 2020); http://bit.ly/JH-Ref2.

  3. J. Hecht, Laser Focus World, 55, 11,14–16 (Nov. 2019); http://bit.ly/JH-Ref3.

  4. Y. Tamura et al., J. LightwaveTechnol., 36, 44–49 (2018); http://bit.ly/JH-Ref4.