反諧振空芯光纖的卓越偏振特性

  在陀螺儀，光頻率梳，量子信息實驗和光學時鐘等高精度應(yīng)用領(lǐng)域，對傳輸?shù)墓獾目臻g和偏振純度有著極高的要求。在真空下自由空間傳輸?shù)墓饩哂袠O佳的純度特性，但受限于它的傳輸距離，而更實用化的普通光纖隨著傳輸距離增加其偏振純度會逐漸退化并易受非線性效應(yīng)的影響。

  來自英國南安普頓大學光電研究中心的A. Taranta等人發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過特殊設(shè)計的反諧振空芯光纖可以將兩個正交偏振模以10-10/m量級的耦合強度進行傳輸，實現(xiàn)一個類似于自由空間傳輸?shù)牟▽ЫY(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以題目“Exceptional polarization purity in antiresonant hollow-core optical fibres”于2020年5月11發(fā)表在Nature Photonics上。

圖1 (a)和(b)為反諧振空芯光纖和(c)保偏光纖(d)空芯光子帶隙光纖在1550nm處的偏振耦合強度對比。

  標準單模光纖(SSMF)在沒有受到外界擾動時，其偏振純度可以接近玻璃材料的各向瑞利散射特性所規(guī)定的極限值，例如SMF-28光纖在1550nm處其偏振耦合為3x10-8/m。然而當受外界環(huán)境擾動時，會受到強烈的偏振模耦合，從而影響器件的性能。通過引入大的雙折射，保偏光纖可以破壞偏振模式耦合的相位條件，在外界的擾動下也能保持一個10-7至10-5/m的偏振耦合強度。然而，這些微弱的偏振耦合仍會給光纖系統(tǒng)帶來各種有害的影響，如熱相位噪聲，瑞利散射等隨機效應(yīng)和光克爾效應(yīng)、受激布里淵散射等非線性效應(yīng)，限制了傳感器的注入光功率和信噪比。

  空芯光纖通過玻璃微結(jié)構(gòu)將光束縛在中空纖芯當中，減小了光與玻璃的相互作用，進而保持了傳輸光的偏振純度。早期的設(shè)計中，通過引入大的雙折射(10-6rad/m)，最高可以實現(xiàn)10-6/m的偏振耦合強度。而在本文中，經(jīng)過特殊設(shè)計的兩種無節(jié)點反諧振空芯光纖可以在不應(yīng)用任何雙折射的情況下，將傳輸光的偏振耦合強度降至10-10/m的量級，同時可以抵抗外界溫度的擾動。

圖2 第一種反諧振光纖寬帶交叉偏振測量圖

  圖2a中反諧振空芯光纖用于導光的空氣纖芯直徑為42μm，七根非接觸式包層毛細管直徑為21μm，包層毛細管厚度為358nm。圖2d中測量到的偏振消光比70dB，對應(yīng)偏振耦合強度為3x10-9/m。

圖3 第二種反諧振光纖衰減和偏振特性

  圖3a中的反諧振空芯光纖用于導光的空氣纖芯直徑為33.4μm，外層毛細管直徑為24.6μm，厚度為576nm，內(nèi)層毛細管直徑為9.1μm，厚度為547nm。圖3e測量到的偏振消光比為69.7dB，對應(yīng)偏振耦合強度為3.5x10-10/m。

  作者在本文中表示，在沒有受到外界擾動時，反諧振空芯光纖的偏振耦合來源于表面散射。根據(jù)表面散射模型估計，纖芯直徑為40μm的反諧振空芯光纖，其最小偏振耦合強度約在10-11/m, 纖芯直徑為30μm的光纖其最小耦合強度約在10-10/m。

  如何讓光在傳輸中保持其原本的特性，一直是科研人員所苦苦追尋的。為了保證測量精度，著名的引力波測量平臺LIGO搭建了長達8km的真空管道，耗資甚巨。而反諧振空芯光纖作為一種特種光纖，它中空的傳光環(huán)境可以使得光能保持其在自由空間中傳播的特性，又能實現(xiàn)長距離的傳輸。即使在強熱應(yīng)力下，傳輸?shù)墓馊阅鼙３指呒兌鹊木€偏振狀態(tài)。在需要穩(wěn)定傳輸上千公里高純線偏振光精密干涉測量重大儀器科學領(lǐng)域，能提供類似真空傳輸?shù)姆粗C振空芯光纖必將會帶來顛覆性的改變，讓人們以更低成本、更實用的方式來探尋我們所處世界的奧秘。

  撰稿人 | Maikesiwei Yao

  論文題目 | 反諧振空芯光纖的卓越偏振特性

  作者 | A. Taranta, E. Numkam Fokoua, S. Abokhamis Mousavi, J. R. Hayes, T. D. Bradley, G. T. Jasion & F. Poletti

  完成單位 | 英國南安普頓大學光電研究中心