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反谐振空心光纤中的后向散射:比标准光纤低40 dB以上

摘要:光纤中光的弹性后向散射是一种基本现象,决定了陀螺仪和双向传输链路等几种光纤系统的最终性能。国外研究测量了低损耗反谐振空心光纤的后向散射,在硅芯光纤和空心光子带隙光纤中,后向散射比报告值低40 dB以上。

  光纤中光的弹性后向散射是一种基本现象,决定了陀螺仪和双向传输链路等几种光纤系统的最终性能。到目前为止,降低后向散射系数的努力取得了有限的结果,在1.55 μm的无锗硅芯光纤中,最低值约为-76 dB/m。在此,V. Michaud-Belleau等人测量了低损耗反谐振空心光纤的后向散射,在硅芯光纤和空心光子带隙光纤中,后向散射比报告值低40 dB以上。使用定制的光学频域反射仪测量的-118 dB/m的记录低水平与假设散射源于固有表面粗糙度的模拟结果非常一致。研究还表明,定制仪器可以定位和量化空心光纤内的弱故障,从而实现其详细表征。该成果发表在Optica上。

  V. Michaud-Belleau, E. Fokoua, T. Bradley, J. R. Hayes and R. Slavik, Backscattering in antiresonant hollow-core fibers: over 40 dB lower than in standard optical fibers. Optica 8(2): 216-219 (2021).

  光的弹性散射是最先进的单模光纤在近红外和可见光区域传输损耗的主要原因。这种散射不仅是不可取的,因为它会导致损耗,而且还因为散射光的一部分不可避免地被光纤重新捕获并向后引导。这种后向散射光相当于前向传播信号的大量延迟副本,只要允许它们到达检测器,就作为噪声源,最关键的是当它们可以与信号相干混合时。这在依赖双向传播的系统中尤其存在问题,例如光纤陀螺仪、反射探测的远程光纤传感器以及用于时间和频率传输、电信或量子密钥分配的双向光纤链路,尽管像光电振荡器这样的单向系统的性能也可能受到随信号传播的双后向散射光的限制。然而,在某些情况下,后向散射也可能是有益的,例如,对于分布式光纤传感或在部署的光纤中查找故障。

  降低标准单模光纤的后向散射系数需要减小再捕获分数或散射损耗。再捕获分数由接受角决定,与单模光纤中的模场面积成反比,因此,在弯曲损耗出现问题之前,只能适度降低再捕获分数。另一方面,单模光纤中瑞利散射引起的损耗与虚拟温度相关,虚拟温度是一个量化玻璃网络无序度的参数,通常在光纤中高于在体中。降低该温度的技术已用于将长距离潜艇系统的传输损耗降至最低的持续探索中。在其中使用的无锗单模光纤中,散射损耗是总损耗的主要贡献者,约为0.1 dB/km (??S=2.3×10-5 m-1)。这与假设的-76 dB/m的后向散射系数有关??=1.2×10-3,比通常引用的单模光纤在1.55 μm处的散射损耗低约4 dB。然而,由于光纤和体材料之间的虚拟温度差现在基本闭合,因此,不太可能进一步显著降低散射损耗。因此,为了超越单模光纤中基本瑞利散射施加的限制,应在散射较小的介质中引导光。

  经过大约20年前的初步证明,空心光子带隙光纤被认为是获得较低后向散射系数的有希望的候选者。在这种光纤中,模式场与玻璃微结构的重叠通常为0.1-1%,在给定类似的接受角的情况下,与标准单模光纤相比,应导致体积瑞利背散射至少减少20-30 dB。然而,在商用七芯空心光子带隙光纤中的测量结果表明,后向散射系数为-60 dB/m或更高。这种出乎意料的高后向散射系数已初步归因于玻璃界面的表面散射,在这些早期光纤中,表面散射可能沿整个长度振荡。此外,即使对于非常直的玻璃膜,空气玻璃表面也显示出固有的粗糙度,从而导致散射。这是由于被基本热噪声激发的表面毛细管波冻结并被认为在损耗和后向散射系数方面设定了最终性能极限。

  近年来,另一类空心光纤——反谐振光纤一直是人们研究的热点。这在一定程度上是由于有望减少与玻璃膜在反共振下的操作相关的表面散射损耗。特别是,嵌套的反谐振无节点光纤几何形状实现了这一承诺,目前保持着空心光纤中损耗最低的记录,即0.28 dB/km,其中的演示也证实了嵌套反谐振无节点光纤中散射损耗低于0.1 dB/km的理论预测(低于单模光纤中的值)。尽管如此低的散射损耗意味着相当弱的后向散射,但嵌套反谐振无节点光纤的后向散射系数表征尚未报道。可以推测,这是因为商用仪器的设计目的不是测量低于单模光纤数量级的后向散射系数。

  下面,研究人员简要介绍了嵌套的反谐振无节点光纤样品以及用于测量其后向散射系数的定制仪器,讨论了结果与基于表面粗糙度散射的理论模型预测的比较并描述了为确认数据分析的可靠性而进行的一系列测试。在实验中,研究人员使用了南安普敦大学制造的219 m嵌套反谐振无节点光纤样品。短SMF-28尾纤(≈24 cm)带角度的物理接触连接器拼接在缠绕样品的两端,以便于其与表征仪器连接并密封其空心,以防止降解。对于每个拼接,使用(250±20) μm渐变折射率多模光纤段作为模式场适配器,以减少每次互连的损耗,估计为(1.6±0.2) dB。嵌套反谐振无节点光纤本身的损耗通过1.55 μm处的缩减测量为1.2 dB/km,高于基于类似设计的改进版本的当前记录,但对于后向散射特性而言没有问题。发现暴露在实验室环境中的尾纤样品的总传输损耗在3.1-3.7 dB之间缓慢波动,将这一现象归因于两个空气玻璃拼接之间形成谐振腔(≈3.6%菲涅耳反射)。研究人员并没有试图削弱这些反射,但这最终可以通过使用改进的互连技术来实现。

  为了进行距离分辨后向散射测量,研究人员构建了一个光学频域反射计,以牺牲通用性和空间分辨率为代价,针对灵敏度和动态范围进行了优化(图1)。仪器的核心是自外差马赫-曾德尔干涉仪(“测量干涉仪”),通过声光调制器(AOM)产生27 MHz频移。1539.8 nm处的低相位噪声和周期性啁啾激光信号,全扫描带宽Δ??=335 MHz和平均啁啾率??=93.5-GHz/s,用于照亮测量干涉仪和参考干涉仪。第二个干涉仪(100米保偏单模光纤)的目的是跟踪啁啾与线性的偏差,以便通过后处理校正保持分辨率。为此,三个平衡光电探测器产生的信号与驱动声光调制器的信号以125毫秒/秒的速度同时数字化0.8秒并进行离线处理。由于参考干涉仪不用于触发数字化仪,测量范围由采样率确定,达到100 km(忽略光纤衰减的影响),比激光的标称相干长度低一个数量级。

图1 1539.8 nm相干光频域反射计的布局。EDFA,掺铒光纤放大器;PC,偏振控制器;AOM,声光调制器;CF,补偿光纤;

BPD,平衡光电探测器;ADC,模数转换器(数字化仪);PT,尾纤;FUT,测试中的光纤。

实线表示光纤(黑色为标准;蓝色为偏振保持),虚线表示电缆。

  为了在空气玻璃拼接引起强烈反射的情况下保持高动态范围,研究人员使用了一个带有??=12用于计算光谱。这种选择产生的有效空间分辨率为????/(2Δ??)=真空中0.9 m,其中,?? 是光速和??=2是窗口的等效噪声带宽(在频谱箱中测量)。此外,通过偏振控制小心地抑制219 m处远程拼接的贡献,以避免相关相位噪声波瓣掩埋感兴趣的信号。这种方法的缺点是无法使用极化分集检测。然而,它是使单次激光扫描的灵敏度达到-127 dB/m的关键特性之一,该值由数字化仪噪声和散粒噪声等分确定。对于平稳散射信号,可以通过在计算频谱之前平均扫描来提高灵敏度。

  图2比较了嵌套反谐振无节点光纤测量的反射率密度与使用相同仪器表征的标准SMF-28样品的反射率密度。校准这两条曲线以补偿输出耦合器、环行器和互连的插入损耗,从而显示光纤的固有后向散射。此外,由于光频域反射计依赖相干检测,两条曲线对应于沿单极化的投影,因此,比通常使用非相干光时域反射计或基于偏振分集检测的光频域反射计测量的总反射密度约低3 dB。对于该图,研究人员对五次扫描进行平均,以计算每个归一化功率谱密度,产生的有效噪声底为-127-10log10(5)=-134 dB/m。然后,研究人员对产生的200/5=40功率谱密度进行平均,以减少频谱方差。所显示的曲线以这样的频谱平均值持续存在,变得更加清晰且也可以在几分钟内重复。它们的不均匀外观不是由测量噪声引起的:可以通过样品中的衰减噪声和极化效应来解释。

  图2 与单模光纤相比,嵌套反谐振无节点光纤中测量的反射密度(单偏振,0.9米分辨率)。

黄色轨迹排除了归因于局部缺陷的峰值,黑色虚线构成了-118 dB/m的理论预测。

  对于嵌套反共振无节点光纤,0 m和219 m处的大峰值由光纤拼接到单模光纤尾纤处的菲涅耳反射引起。219米处的偏振抑制峰值达到了与单模光纤中的后向散射相当的水平,这构成了该尾纤样品的实际抑制极限。在拼接之间,嵌套的抗共振无节点光纤的反射密度平均为-113 dB/m。然而,该平均值通过包括明显高于10米、197米和116米左右视后向散射水平的中间峰来计算,这些峰始终出现在数据中,因此,归因于嵌套的抗共振无节点光纤中的局部不均匀性。如果没有这些峰值,平均反射率密度将变为-121 dB/m(黄色轨迹)。因此,估计嵌套反共振无节点光纤的固有总后向散射系数为-121+3=-118 dB/m。

  为了解释如此低的后向散射系数,需要仔细考虑玻璃微结构内、填充芯的空气内以及空气-玻璃界面处的不均匀性的贡献。首先,由于嵌套的反谐振无节点光纤的接受角很小(??≈0.03)和功率分数?? 玻璃中的引导低于10-4,来自二氧化硅的体积瑞利背散射的贡献,与??2??比单模光纤低55 dB以上,因此,在这里可以忽略。其次,虽然接近大气压的空气中的散射损耗仅比单模光纤中的散射损耗小20-25 dB,但由于室温下的热多普勒展宽,它在这里没有可测量的作用(≈500 MHz)比300 kHz测量带宽大几个数量级。在一般情况下,可以排空嵌套的反谐振无节点光纤,以将空气贡献降低到此处测量的基本后向散射水平以下。这就留下了根据耦合模理论和表面粗糙度统计数据预测其贡献的表面散射。基于此处使用的嵌套反谐振无节点光纤样品的几何形状和在空心光子带隙光纤中测量的基本表面毛细管波粗糙度(遗憾的是,关于嵌套反共振无节点光纤中粗糙度的数据尚不可用),模拟预测后向散射系数为-115 dB/m,或者,当沿单极化测量时,为-118 dB/m,比此处测量值高3 dB。可以认为,这是一个合理的协议,支持嵌套反谐振无节点光纤中的后向散射起源于固有表面粗糙度的结论。使用与上述七芯光子带隙光纤几何形状相同的方法,产生的后向散射系数为-77 dB/m,比嵌套反共振无节点光纤高出约40 dB。这与模式场与界面的重叠约为100×更大一致(后向散射系数与该量的平方成正比)。之前已经注意到这些商用空心光子带隙光纤中测量和建模的后向散射水平之间的差异并推测其原因是其薄玻璃壁(<100 nm)上的粗糙度可能比仅在表面毛细管波中冻结产生的粗糙度更大。

  图3描述了为验证数据解释的有效性而进行的测试的结果。在图3(a)中,改变扫描的重复率以增加啁啾率?? 在不改变空间分辨率的情况下。在频域中,这种修改具有将散射信号扩展到更大带宽的效果,从而导致与来自仪器的噪声的相对偏移。一致的频谱结构表明,在嵌套的抗共振无节点光纤(0-219 m)范围内,加性、相位和强度噪声比散射信号弱。在图3(b)中,以不同的方式对图2使用的数据进行平均,在时间平均和频谱平均之间进行权衡。在大多数散射区域,轨迹的最低点遵循预测的测量噪声下限(虚线为-127、-134和-141 dB/m),其水平随时间平均值的增加而降低,证实了加性噪声模型的一般有效性。同时,记录道的最高点保持在恒定水平,这表明后向散射信号是可重复的,正如静态表面粗糙度引起的散射所预期的那样。最后,在图3(c)中,从相反方向照亮嵌套的反谐振无节点光纤样品并在后处理中翻转测量的反射密度,以显示与同一拼接的距离。虽然由于尾纤的移动和修改的极化发射条件而不完善,但两条记录道之间存在合理的一致性。这证实了一个解释,即中间峰是由局部断层而不是噪声引起的。

图3 测量的嵌套反谐振无节点光纤中的反射密度。(a) 不同的啁啾率有五个时间平均值,四个频谱平均值(T5,S4)。

(b) 对于93.5-GHz/s的啁啾率,时间平均和频谱平均之间的不同权衡。

虚线表示预测的测量噪声下限。(c) 正向照明与反向照明,校正以显示与同一拼接的距离。

  总之,研究人员测量了分辨率为0.9米、灵敏度高达-138 dB/m的嵌套反谐振无节点光纤的反射密度,发现其固有后向散射系数为-118 dB/m。这是一个前所未有的值,比标准单模光纤和空心光子带隙光纤的报告数字低40 dB以上,可能受到微观结构热驱动表面粗糙度散射的限制。再加上目前接近标准单模光纤的低传输损耗、偏振纯度和所有空心光纤固有的其他理想特性(低热敏性、非线性、磁化率等),这应该允许嵌套的反谐振无节点光纤在今天受后向散射限制的应用中设置新的性能基准。作为一个具体示例,使用具有低后向反射互连的嵌套反谐振无节点光纤有望显著降低(理论上大于40 dB)由高相干激光驱动的光纤陀螺仪中的后向散射限制噪声和偏置漂移。除了已经在空心光纤陀螺仪中证明的减少克尔和舒普效应外,这可以提高飞机惯性导航所需的比例因子稳定性。最后,研究表明,只有单光纤端可以部分表征低损耗空心光纤。监测反向散射光的分布和局部不均匀性可以提供改进嵌套抗共振无节点光纤制造所需的宝贵信息,从而进一步降低其损耗,可能低于最佳单模光纤的损耗。

内容来自:光学前沿评论
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关键字: 空心光纤
文章标题:反谐振空心光纤中的后向散射:比标准光纤低40 dB以上
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