南安普頓大學(xué)研發(fā)高性能空芯光纖

  最近，南安普頓大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，他們制作的中心鏤空的光纖比目前標(biāo)準(zhǔn)石英光纖的傳輸損耗更低，這意味著我們距離下一代光纖更近一步了。

圖源：https://phys.org/news/2020-11-air-filled-fiber-cables-capable-outperforming.html

  新冠病毒危機(jī)使得世界各地的人們迅速將他們的工作和生活轉(zhuǎn)移到線(xiàn)上，人們之間的交流從未像現(xiàn)在這樣依賴(lài)互聯(lián)網(wǎng)。不斷增加的Zoom電話(huà)會(huì)議和網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)也充分說(shuō)明了保持技術(shù)進(jìn)步的必要性。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，石英光纖一直是高速光通信中首選的傳輸介質(zhì)，它為全球家庭級(jí)和企業(yè)級(jí)互聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)提供了信息傳輸?shù)倪\(yùn)力。此外，石英光纖還被用于石油和天然氣傳感、鐵路和橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療內(nèi)窺鏡以及更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，全球市場(chǎng)份額高達(dá)400億美元。然而，由于玻璃介質(zhì)的散射效應(yīng)，光在傳輸過(guò)程中會(huì)損失一部分能量，即傳輸損耗，并且隨著光波長(zhǎng)的變短，損耗會(huì)變得愈發(fā)嚴(yán)重，因此，這種較高的傳輸損耗嚴(yán)重地限制了所有需要較短波長(zhǎng)光波的應(yīng)用的性能。

  這項(xiàng)發(fā)表在Nature Communications上的最新研究成果表明：空芯光纖為克服石英光纖中固有的損耗極限提供了一種潛在方案。南安普頓大學(xué)的光電子研究中心(ORC)的團(tuán)隊(duì)制造了三種不同的空芯光纖，在660 nm、850 nm以及1060 nm波段，空芯光纖的傳輸損耗與標(biāo)準(zhǔn)石英光纖相當(dāng)甚至更低。空芯光纖具有更低的光波傳輸損耗，使其在量子通信、數(shù)據(jù)傳輸和激光能量傳輸?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展提供了潛力。

  該中心的Francesco Poletti教授聲稱(chēng)：“自上世紀(jì)七十年代以來(lái)，人們提出了很多可替代的玻璃類(lèi)型以及波導(dǎo)技術(shù)試圖解決光纖傳輸損耗的問(wèn)題，但都無(wú)濟(jì)于事。我們的研究結(jié)果表明，在目前光學(xué)技術(shù)所使用的各種工作波長(zhǎng)下，空芯光纖都有可能超越現(xiàn)有光纖。它們不僅具有更低的損耗，還可以承受更高的激光強(qiáng)度，例如軟化巖石和石油鉆井所需的激光強(qiáng)度。同樣，它還可以生產(chǎn)更高效的激光器，用于制造產(chǎn)品”。Poletti教授補(bǔ)充道：“空芯光纖還可以不失真地傳輸峰值功率高到不能用標(biāo)準(zhǔn)石英光纖傳輸?shù)母吣芗す饷}沖，同時(shí)保持了光的偏振態(tài)，使其可以用于生產(chǎn)更精確的傳感器和成像內(nèi)窺鏡”。

  論文中開(kāi)發(fā)和報(bào)道的光纖是ORC團(tuán)隊(duì)在十多年來(lái)開(kāi)發(fā)嵌套式反諧振無(wú)節(jié)點(diǎn)光纖(Nested Antiresonant Nodeless Fibers，NANFs)的基礎(chǔ)上獲得的成果。NANFs光纖是一種特殊類(lèi)型的空芯光纖，其纖芯周?chē)牟ＡП∧た梢詫⒐獠ㄏ拗圃诳諝饫w芯中。起初，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的第一批該類(lèi)型光纖的損耗高達(dá)5 dB/m。

  隨著世界范圍內(nèi)研究團(tuán)體對(duì)該類(lèi)型光纖的物理機(jī)制有了新的認(rèn)識(shí)，以及ORC團(tuán)隊(duì)在制造技術(shù)上也有了實(shí)質(zhì)性突破，使得該論文所報(bào)道的光纖的傳輸損耗降低了10000倍，即0.5 dB/km。

  Poletti教授接著說(shuō)：“我們正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)有可能推動(dòng)一些領(lǐng)域的發(fā)展，例如用于終端用戶(hù)的低延遲數(shù)據(jù)中心、用于星際航行的高精度激光陀螺儀以及更有效的激光制作技術(shù)等等”。

  南安普頓大學(xué)ORC的團(tuán)隊(duì)是在“ERC項(xiàng)目-光導(dǎo)管”的資助下開(kāi)發(fā)了這種光纖技術(shù)，他們將繼續(xù)改善這些光纖的光學(xué)性能，同時(shí)致力于延長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度并降低制造成本。

  ORC的主任David Payne教授稱(chēng)：“光纖的傳輸容量如此之大，以至于我們從未想到它會(huì)達(dá)到飽和的地步。但是，在過(guò)去的五到十年里，我們意識(shí)到我們即將達(dá)到這一點(diǎn)，而新冠病毒的影響進(jìn)一步地加速了這一進(jìn)程。這意味著我們不再能通過(guò)調(diào)整傳統(tǒng)光纖的方式來(lái)獲得更大的傳輸容量，而是必須通過(guò)采取強(qiáng)有力的措施來(lái)安裝大量的新光纜來(lái)提升傳輸容量。盡管這是可能的，但會(huì)增加成本。一個(gè)更快、更可靠、帶寬更大的互聯(lián)網(wǎng)不僅可以幫助我們維持目前的線(xiàn)上辦公和社交狀態(tài)，而且使我們能夠在3D視頻會(huì)議和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域進(jìn)一步地發(fā)展”。

  Poletti教授表示：“我們堅(jiān)信，我們最終會(huì)找到一種解決方案，它能夠在大多數(shù)情況下補(bǔ)充甚至取代半個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直在家庭和商業(yè)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的全固態(tài)石英光纖”。

  原文鏈接：

  https://phys.org/news/2020-11-air-filled-fiber-cables-capable-outperforming.html

  相關(guān)文獻(xiàn)鏈接：

  https://doi.org/10.1038/s41467-020-19910-7

  撰稿 | 哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱宗達(dá)編譯