空心光纤可以减少通信延迟 提高加工精度

UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON

  年来，空心光纤损耗的减少使其在通信应用中具有吸引力。近日发表在《自然光子学》中描述的一种空心光纤可以将一千瓦的激光功率传输到一公里之外。这一发展标志着需要高功率激光束的精密加工迈出了一大步。

  标准光纤，无论是用于通信还是用于机械加工，都是通过在实心玻璃芯内捕获沿其长度瞄准的光，该芯由折射率较低的玻璃包层包围。任何到达包层边界的光都会通过全内反射完美反射到纤芯中。穿过光纤的光只会因光子的散射和吸收而丢失。

  如果核心是纯二氧化硅，则波长接近1.55微米时的损耗(光纤信号的选择波长)小于每公里0.2分贝。换句话说，进入100公里长的这种光纤的1%的光是从另一端射出的，这对于远距离通信来说仍然足够好。

  相比之下，空心光纤由围绕充气中心的玻璃包层制成。周围玻璃管的折射率高于空气的折射率，这意味着通常情况下，空心光纤中的光会从空气中泄漏到玻璃中。防止这种情况发生的诀窍在于沿着玻璃管内部塑造精细的结构，使其远离光的波前。

  为此，英国南安普顿大学光电研究中心的Francesco Poletti团队设计了他们称之为嵌套式抗共振无节点光纤(nested antiresonant nodeless fiber，NANF)。这些光纤具有平行的玻璃管，这些玻璃管围绕充气纤芯内部隔开，每个玻璃管内嵌套有另一根玻璃管。管子表面弯曲远离空心芯的中心，以避免共振，从而使光线泄漏到玻璃中。这些管子的侧面也不接触，这样可以防止节点也会让光从空心中漏出。

  利用NANF设计，研究小组制作了一种中空纤维，在1.55微米处每公里的损耗仅为0.174分贝。他们在3月份的光纤通信会议上宣布了他们的成就(该会议由IEEE共同主办)。这接近了实心光纤有史以来的最低损耗。除此之外，它对通信的关键吸引力在于，光以每秒300000公里的速度通过中空核心，比光在玻璃中的速度快50%，这减少了延迟。

  光纤在激光加工中也很有用。精密加工要求将激光功率集中在非常小的点上，达到非常高的水平。然而，增加激光器的功率也会将电磁场增加到极高的水平，从而使光的路径发生弯曲。如果功率足够大，则会损坏光纤的玻璃本身。光通过玻璃的距离越远，产生的非线性效应越强，问题就越严重。高功率光纤激光器可以将光聚焦成仅10-16微米宽的紧密聚焦光束，但仅通过几十米的玻璃纤维后，千瓦级的光束就扭曲得无法进行精细加工。

  NANF空心芯光纤的优点是，它们可以将光从玻璃引导到空心芯中的空位区域，避免可能破坏光束的非线性效应。Poletti及其同事在《自然光子学》中介绍了一种为功率传输而优化的设计，该设计将95%的千瓦激光耦合到光纤中。该设计将其很好地集中在充满空气的芯中，一公里长的光纤中只有万分之一到十万分之一的光通过玻璃。功率传输光纤的损耗为0.74 dB/km，高于最好的空心光纤，但衰减不是关键因素，而镱激光器的工作波长约为1.07微米，其中损耗高于1.55微米。斯图加特大学的Christian R?hrer表示，研究结果“显示了空心纤维的巨大潜力”，他没有参与这项研究，“重要的是，它们适合高功率，不会被核心中与周围玻璃结构重叠的[光功率]破坏。”另外，他补充道，机器人用于移动柔性光束传输光纤，“基本上所有应用都可以从远距离传输高功率光束中受益。”