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)的一項研究表明，他們制作的中心鏤空的光纖比目前標準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)移到線上，人們之間的交流從未像現(xiàn)在這樣依賴互聯(lián)網(wǎng)。不斷增加的Zoom電話會議和網(wǎng)絡(luò)研討會也充分說明了保持技術(shù)進步的必要性。半個世紀以來，石英光纖一直是高速光通信中首選的傳輸介質(zhì)，它為全球家庭級和企業(yè)級互聯(lián)網(wǎng)及云服務(wù)提供了信息傳輸?shù)倪\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、醫(yī)療內(nèi)窺鏡以及更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，全球市場份額高達400億美元。然而，由于玻璃介質(zhì)的散射效應(yīng)，光在傳輸過程中會損失一部分能量，即傳輸損耗，并且隨著光波長的變短，損耗會變得愈發(fā)嚴重，因此，這種較高的傳輸損耗嚴重地限制了所有需要較短波長光波的應(yīng)用的性能。

  這項發(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)的團隊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準石英光纖相當甚至更低?？招竟饫w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：“自上世紀七十年代以來，人們提出了很多可替代的玻璃類型以及波導(dǎo)技術(shù)試圖解決光纖傳輸損耗的問題，但都無濟于事。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度，例如軟化巖石和石油鉆井所需的激光強度。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準石英光纖傳輸?shù)母吣芗す饷}沖，同時保持了光的偏振態(tài)，使其可以用于生產(chǎn)更精確的傳感器和成像內(nèi)窺鏡”。

  論文中開發(fā)和報道的光纖是ORC團隊在十多年來開發(fā)嵌套式反諧振無節(jié)點光纖(Nested Antiresonant Nodeless Fibers，NANFs)的基礎(chǔ)上獲得的成果。NANFs光纖是一種特殊類型的空芯光纖，其纖芯周圍的玻璃薄膜可以將光波限制在空氣纖芯中。起初，該團隊開發(fā)的第一批該類型光纖的損耗高達5 dB/m。

  隨著世界范圍內(nèi)研究團體對該類型光纖的物理機制有了新的認識，以及ORC團隊在制造技術(shù)上也有了實質(zhì)性突破，使得該論文所報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：“我們正在開發(fā)的技術(shù)有可能推動一些領(lǐng)域的發(fā)展，例如用于終端用戶的低延遲數(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的團隊是在“ERC項目-光導(dǎo)管”的資助下開發(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，同時致力于延長光纖長度并降低制造成本。

  ORC的主任David Payne教授稱：“光纖的傳輸容量如此之大，以至于我們從未想到它會達到飽和的地步。但是，在過去的五到十年里，我們意識到我們即將達到這一點，而新冠病毒的影響進一步地加速了這一進程。這意味著我們不再能通過調(diào)整傳統(tǒng)光纖的方式來獲得更大的傳輸容量，而是必須通過采取強有力的措施來安裝大量的新光纜來提升傳輸容量。盡管這是可能的，但會增加成本。一個更快、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上辦公和社交狀態(tài)，而且使我們能夠在3D視頻會議和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域進一步地發(fā)展”。

  Poletti教授表示：“我們堅信，我們最終會找到一種解決方案，它能夠在大多數(shù)情況下補充甚至取代半個世紀以來一直在家庭和商業(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)朱宗達編譯