南安普顿大学研发高性能空芯光纤

2/05/2021，光纤在线讯， 撰稿 | 哈尔滨工业大学朱宗达编译  最近，南安普顿大学的一项研究表明，他们制作的中心镂空的光纤比目前标准石英光纤的传输损耗更低，这意味着我们距离下一代光纤更近一步了。


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新冠病毒危机使得世界各地的人们迅速将他们的工作和生活转移到线上，人们之间的交流从未像现在这样依赖互联网。不断增加的Zoom电话会议和网络研讨会也充分说明了保持技术进步的必要性。半个世纪以来，石英光纤一直是高速光通信中首选的传输介质，它为全球家庭级和企业级互联网及云服务提供了信息传输的运力。此外，石英光纤还被用于石油和天然气传感、铁路和桥梁的结构健康监测、医疗内窥镜以及更广泛的应用领域，全球市场份额高达400亿美元。然而，由于玻璃介质的散射效应，光在传输过程中会损失一部分能量，即传输损耗，并且随着光波长的变短，损耗会变得愈发严重，因此，这种较高的传输损耗严重地限制了所有需要较短波长光波的应用的性能。

这项发表在Nature Communications上的最新研究成果表明：空芯光纤为克服石英光纤中固有的损耗极限提供了一种潜在方案。南安普顿大学的光电子研究中心（ORC）的团队制造了三种不同的空芯光纤，在660 nm、850 nm以及1060 nm波段，空芯光纤的传输损耗与标准石英光纤相当甚至更低。空芯光纤具有更低的光波传输损耗，使其在量子通信、数据传输和激光能量传输等领域的发展提供了潜力。

该中心的Francesco Poletti教授声称：“自上世纪七十年代以来，人们提出了很多可替代的玻璃类型以及波导技术试图解决光纤传输损耗的问题，但都无济于事。我们的研究结果表明，在目前光学技术所使用的各种工作波长下，空芯光纤都有可能超越现有光纤。它们不仅具有更低的损耗，还可以承受更高的激光强度，例如软化岩石和石油钻井所需的激光强度。同样，它还可以生产更高效的激光器，用于制造产品”。Poletti教授补充道：“空芯光纤还可以不失真地传输峰值功率高到不能用标准石英光纤传输的高能激光脉冲，同时保持了光的偏振态，使其可以用于生产更精确的传感器和成像内窥镜”。

论文中开发和报道的光纤是ORC团队在十多年来开发嵌套式反谐振无节点光纤（Nested Antiresonant Nodeless Fibers，NANFs）的基础上获得的成果。NANFs光纤是一种特殊类型的空芯光纤，其纤芯周围的玻璃薄膜可以将光波限制在空气纤芯中。起初，该团队开发的第一批该类型光纤的损耗高达5 dB/m。随着世界范围内研究团体对该类型光纤的物理机制有了新的认识，以及ORC团队在制造技术上也有了实质性突破，使得该论文所报道的光纤的传输损耗降低了10000倍，即0.5 dB/km。

Poletti教授接着说：“我们正在开发的技术有可能推动一些领域的发展，例如用于终端用户的低延迟数据中心、用于星际航行的高精度激光陀螺仪以及更有效的激光制作技术等等”。

南安普顿大学ORC的团队是在“ERC项目-光导管”的资助下开发了这种光纤技术，他们将继续改善这些光纤的光学性能，同时致力于延长光纤长度并降低制造成本。

ORC的主任David Payne教授称：“光纤的传输容量如此之大，以至于我们从未想到它会达到饱和的地步。但是，在过去的五到十年里，我们意识到我们即将达到这一点，而新冠病毒的影响进一步地加速了这一进程。这意味着我们不再能通过调整传统光纤的方式来获得更大的传输容量，而是必须通过采取强有力的措施来安装大量的新光缆来提升传输容量。尽管这是可能的，但会增加成本。一个更快、更可靠、带宽更大的互联网不仅可以帮助我们维持目前的线上办公和社交状态，而且使我们能够在3D视频会议和虚拟现实等领域进一步地发展”。
Poletti教授表示：“我们坚信，我们最终会找到一种解决方案，它能够在大多数情况下补充甚至取代半个世纪以来一直在家庭和商业应用中占主导地位的全固态石英光纤”。

来源：光纤传感Focus公众号
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相关文献链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19910-7