空心光纖可以減少通信延遲 提高加工精度

UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON

  年來(lái)，空心光纖損耗的減少使其在通信應(yīng)用中具有吸引力。近日發(fā)表在《自然光子學(xué)》中描述的一種空心光纖可以將一千瓦的激光功率傳輸?shù)揭还镏?。這一發(fā)展標(biāo)志著需要高功率激光束的精密加工邁出了一大步。

  標(biāo)準(zhǔn)光纖，無(wú)論是用于通信還是用于機(jī)械加工，都是通過(guò)在實(shí)心玻璃芯內(nèi)捕獲沿其長(zhǎng)度瞄準(zhǔn)的光，該芯由折射率較低的玻璃包層包圍。任何到達(dá)包層邊界的光都會(huì)通過(guò)全內(nèi)反射完美反射到纖芯中。穿過(guò)光纖的光只會(huì)因光子的散射和吸收而丟失。

  如果核心是純二氧化硅，則波長(zhǎng)接近1.55微米時(shí)的損耗(光纖信號(hào)的選擇波長(zhǎng))小于每公里0.2分貝。換句話說(shuō)，進(jìn)入100公里長(zhǎng)的這種光纖的1%的光是從另一端射出的，這對(duì)于遠(yuǎn)距離通信來(lái)說(shuō)仍然足夠好。

  相比之下，空心光纖由圍繞充氣中心的玻璃包層制成。周圍玻璃管的折射率高于空氣的折射率，這意味著通常情況下，空心光纖中的光會(huì)從空氣中泄漏到玻璃中。防止這種情況發(fā)生的訣竅在于沿著玻璃管內(nèi)部塑造精細(xì)的結(jié)構(gòu)，使其遠(yuǎn)離光的波前。

  為此，英國(guó)南安普頓大學(xué)光電研究中心的Francesco Poletti團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了他們稱之為嵌套式抗共振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖(nested antiresonant nodeless fiber，NANF)。這些光纖具有平行的玻璃管，這些玻璃管圍繞充氣纖芯內(nèi)部隔開(kāi)，每個(gè)玻璃管內(nèi)嵌套有另一根玻璃管。管子表面彎曲遠(yuǎn)離空心芯的中心，以避免共振，從而使光線泄漏到玻璃中。這些管子的側(cè)面也不接觸，這樣可以防止節(jié)點(diǎn)也會(huì)讓光從空心中漏出。

  利用NANF設(shè)計(jì)，研究小組制作了一種中空纖維，在1.55微米處每公里的損耗僅為0.174分貝。他們?cè)?月份的光纖通信會(huì)議上宣布了他們的成就(該會(huì)議由IEEE共同主辦)。這接近了實(shí)心光纖有史以來(lái)的最低損耗。除此之外，它對(duì)通信的關(guān)鍵吸引力在于，光以每秒300000公里的速度通過(guò)中空核心，比光在玻璃中的速度快50%，這減少了延遲。

  光纖在激光加工中也很有用。精密加工要求將激光功率集中在非常小的點(diǎn)上，達(dá)到非常高的水平。然而，增加激光器的功率也會(huì)將電磁場(chǎng)增加到極高的水平，從而使光的路徑發(fā)生彎曲。如果功率足夠大，則會(huì)損壞光纖的玻璃本身。光通過(guò)玻璃的距離越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的非線性效應(yīng)越強(qiáng)，問(wèn)題就越嚴(yán)重。高功率光纖激光器可以將光聚焦成僅10-16微米寬的緊密聚焦光束，但僅通過(guò)幾十米的玻璃纖維后，千瓦級(jí)的光束就扭曲得無(wú)法進(jìn)行精細(xì)加工。

  NANF空心芯光纖的優(yōu)點(diǎn)是，它們可以將光從玻璃引導(dǎo)到空心芯中的空位區(qū)域，避免可能破壞光束的非線性效應(yīng)。Poletti及其同事在《自然光子學(xué)》中介紹了一種為功率傳輸而優(yōu)化的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將95%的千瓦激光耦合到光纖中。該設(shè)計(jì)將其很好地集中在充滿空氣的芯中，一公里長(zhǎng)的光纖中只有萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一的光通過(guò)玻璃。功率傳輸光纖的損耗為0.74 dB/km，高于最好的空心光纖，但衰減不是關(guān)鍵因素，而鐿激光器的工作波長(zhǎng)約為1.07微米，其中損耗高于1.55微米。斯圖加特大學(xué)的Christian R?hrer表示，研究結(jié)果“顯示了空心纖維的巨大潛力”，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，“重要的是，它們適合高功率，不會(huì)被核心中與周圍玻璃結(jié)構(gòu)重疊的[光功率]破壞。”另外，他補(bǔ)充道，機(jī)器人用于移動(dòng)柔性光束傳輸光纖，“基本上所有應(yīng)用都可以從遠(yuǎn)距離傳輸高功率光束中受益?！?