空芯光纤实现了比石英光纤更低的传输损耗

  由英国南安普顿大学光学研究中心及其商业衍生公司Lumenisity生产的新型空芯光纤，[1]在制备性能上取得了新进展：用于在600~1100nm传输的空芯光纤，目前已经获得了比用于该波段的实芯光纤更低的传输损耗。这是首次获得如此重要的进展，因为即使是最好的实芯石英光纤的损耗，也高到足以限制某些应用的性能，比如限制激光功率传输、生物光子学、短程通信以及潜在的量子通信等应用的性能。

  这种新型光纤基于南安普顿大学在2020年使用的嵌套式反谐振无节点光纤(NANF)，它展示出了空芯光纤在1550nm电信波段，实现了0.28dB/km的创纪录的低损耗。[2]早在2019年报告的损耗值为0.62dB/km，最新的损耗值不到之前损耗的一半。[3]但是，在1550nm处的低损耗纪录值，依然是由实芯光纤保持的0.142dB/km。[4]

  纯石英几乎不吸收可见光至大约1500nm波段的光，在波长短于1550nm的光传输中，瑞利散射是最主要的传输损耗。石英中的瑞利散射与波长的四次方成反比。为了最大程度地减少瑞利散射，NANF光纤在设计上进行了优化，目的是将光约束在光纤的中央空芯中(见图1)。六对平行嵌套的中空管沿着纤芯的外边缘排列，显示出负曲率，从而阻止了光线到达纤芯边缘。边缘之间留有空间，有助于将光限制在空芯内部，因此有非常少的光耦合到石英中，从而避免了光在石英中因为瑞利而导致衰减。

  玻璃的瑞利散射系数，与玻璃的固化并冻结密度波动的温度成正比，因此对于具有高熔点的石英而言，其瑞利散射系数较高。从理论上说，硫系和多组分重金属卤化物玻璃的软化温度较低，因此它们应该具有低得多的瑞利散射;然而到目前为止，这类玻璃尚未通过实验获得较低的瑞利散射。因此，目前纯石英仍然是300~1700nm波段的传输光纤的最佳选择。

  为了了解空芯光纤的性能，南安普顿大学团队针对三个关键的短波波长带(600~730nm，720~950nm和1000~1200nm)设计和制备了一些空芯光纤。他们测量了空芯光纤在上述所有三个波段的重要波长处的损耗，并与光在石英中的瑞利散射进行了比较。在660nm处，空芯光纤的损耗为2.85dB/km，相比之下，石英中的瑞利散射损耗为4~5dB/km。在接近850nm短距离通信频段的864nm处，空芯光纤的损耗为1.4dB/km，而石英中瑞利散射损耗为1.3~2dB/km。对于激光加工中经常使用的1064nm，空芯光纤的损耗为0.52dB/km，而石英中的瑞利散射损耗为0.6~0.8dB/km。所有三种光纤的3dB带宽均超过130nm。

图1：空芯NA中的导光。(图片来源：南安普顿大学光学研究中心)

  南安普顿大学团队负责人Francesco Poletti说：“NANF光纤已经实现了首次商业应用。”空芯光缆最直接的魅力是低延迟，因为它能以99.9%的真空光速传输光，比石英中66%的真空光速提高了50%。5G网络和数据中心传输，都要求低延迟，这都是空芯光纤的应用市场。将850nm处的损耗减小到0.5dB/km以下，并利用空芯光纤大模场直径和低色散的优势，可以增加短距离数据链路的带宽距离乘积，并改善激光同步和时间分布。

  在1030~1090nm的镱和钕波段，空芯光纤传输能提供比实芯光纤更长的传输距离，也能提供更高的传输功率水平，这是空芯光纤的另一项诱人之处。空芯光纤可以承受纳秒和皮秒级脉冲数十兆瓦的峰值功率，而不会出现像实芯光纤所遭受的灾难性损伤的风险。纤芯直径在30μm范围内的空芯光纤，可以传输单模光束，从而可以在可能长达几公里的范围内传输千瓦级光束。它们的大纤芯尺寸还减少了非线性效应，而非线性效应正是高峰值功率短脉冲的一个特殊问题。

  空芯光纤还可以传输580~900nm波段的量子态和纠缠光子，用于量子计算、存储器和网络。NANF的损耗下限仍然未知。直到最近，Poletti还曾认为空气玻璃界面处的光散射将设置下限。现在，他说：“随着我们不断改进制备技术，损耗也将断下降，这也说明实际的散射要远低于建模时所预测的水平。”

  参考文献

  1. H. Sakr et al., Nat. Commun., 11,6030 (2020); http://bit.ly/JH-Ref1.

  2. J. Hecht, Laser Focus World, 56, 4,12–14 (Apr. 2020); http://bit.ly/JH-Ref2.

  3. J. Hecht, Laser Focus World, 55, 11,14–16 (Nov. 2019); http://bit.ly/JH-Ref3.

  4. Y. Tamura et al., J. LightwaveTechnol., 36, 44–49 (2018); http://bit.ly/JH-Ref4.