空芯光纤优于传统硅玻璃光纤

来自University of Southampton Optoelectronics Research Centre（ORC）的研究人员推出了三种独特的空芯光纤设计，每种设计在660、850和1060nm的波长上都比固体玻璃纤维能够达到类似的损耗或者更低。除了减少目前标准玻璃纤维所面临的功率损失外，这些纤维还能经受住超高激光强度的测试，例如熔化岩石和钻油井所需的激光强度。

硅玻璃光纤历来是高速光通信的传输介质，服务于互联网和基于云计算方面的应用。然而，由于玻璃内部的光散射，它在传输过程中失去了一部分功率；这种现象被称为光衰减。随着光波长的缩短，衰减会加剧。高的光纤传输的损耗率，会限制较短的光波长应用的性能。来自Southampton的研究人员通过充满空气的光纤引导光，克服了光衰减以及由它造成的限制。ORC的教授Francesco Poletti说，由于光在具有高密度和折射率的介质中传播，因此如何能够有效地限制它，这需要专门的设计技术。比如当引导光通过一种气体介质时，被类似玻璃固体的材料包围，就像在空芯光纤中发生的一样。

"首先，我们用多个特定厚度的薄玻璃膜包围空芯光纤，这些玻璃膜就像是为特定波长定制的镜子，有助于将光限制在空芯的中心，" Poletti告诉光子媒体Photonics Media，“这称为反谐振。其次，我们使这些玻璃膜足够长，从而使在玻璃膜中引导的光无法与空芯中的光耦合，这称为抑制耦合。”

University of Southampton开发的空心芯纤维可以减少目前标准玻璃纤维的功率损耗。University of Southampton供图。

最后一步是设计玻璃膜的结构以形成像嵌套管的物理形状。这个设计能够确保消除所有光模式（有数百种），即通过其光纤的被空芯引导的模式。有一个例外是呈高斯形的基本光模式。Poletti 说：“这对于确保由光纤引导的光传播的空间分布至关重要，即具有时间上稳定且不受弯曲或外部干扰的影响。”空芯光纤传输的激光脉冲功率很高。如果通过标准玻璃纤维传输，它们将无法使用。

Poletti 说：“每个空芯光纤类型提供的两个主要优点是显著抑制非线性效应，以及显著提高损伤阈值。嵌套的抗谐振空芯光纤（NANF），即空芯光纤依靠外围的薄玻璃膜保证光在中心空芯中传播 。这是科学家设计用于ORC 测试的光纤结构，同时其提供了干净的空间单模式传播。这有助于保持并且在某些情况下提高发射激光的强度，同时降低了传播损耗（最大限度地减少传播中丢失的光子数量）。”它们还保留了增加现有感测技术和内窥镜器件所需的光极化程度。Poletti说：“现在可以设计出通过数千米的光纤发送kW级别功率的高亮度光，而且在这个过程中没有损坏、非线性扩散或者亮度下降。”

研究人员使用标准光纤测试套件进行测试，依靠光纤制造工艺来创新设计，使用定制开发的流体动力学模型进行流体动力学过程模拟。Poletti说：“将吸尘器大小的大尺寸空心玻璃管制造成人毛发大小的空芯光纤的流体动力学过程，是由表面张力、粘性力和热炉内压差的复杂相互作用的结果。”

围绕 660-、850-和 1060-nm 波长的应用意义与光纤的一系列潜在应用有关，并且适合基于量子、半导体等方面的光纤应用。660 nm 左右的波长对于量子状态从光源（如离子陷阱、金刚石中的有色空缺中心，甚至是半导体）到应用（如重力计或量子计算机）的高效传输尤其值得关注。850 nm 的应用主要来自 VCSEL 的短距离数据传输，以及来自 TI蓝宝石激光器超短脉冲传输。Polleti说，当超过1000nm波长时，使用空芯光纤的主要兴趣是固态或Yb光纤激光器进行高平均和峰值功率的激光输送。

这项研究成果发表在《Nature Communications》上。(www.doi.org/10.1038/s41467-020-19910-7).

原文链接