南安普敦大學(xué)研制新型光纖：打破傳播時間導(dǎo)致的溫度困境

　Iccsz訊 南安普敦大學(xué)光電研究中心的一個研究團隊制作了一種光纖，根據(jù)他們介紹，在這種光纖中光的傳播時間不隨溫度變化而變化(Optica，doi：10.1364 / OPTICA.4.000659)。該團隊采用一種巧妙的設(shè)計，通過精確地將光纖在高溫下的伸長與光纖熱致折射率的變化抵消掉，從而提高了光纖中的光線的群速度。結(jié)果驗證，這是一種熱延遲系數(shù)(TCD)等于零的光纖，對于應(yīng)用在要求光纖中的時間信號十分精確的領(lǐng)域上具有潛在的優(yōu)勢，比如計量及其他方面的應(yīng)用。

　　利用空心光子帶隙設(shè)計平衡熱致長度變化與溫度相關(guān)的折射率變化(因此，在光的群體速度)中，南安普敦大學(xué)的研究人員制作了一種光纖，光纖中光的傳播時間不受光纖溫度的影響。圖片由南安普敦大學(xué)Gregory Jasion提供。

　　從玻璃材料到空氣介質(zhì)的轉(zhuǎn)變

　　對于每1℃的溫度變化，光信號通過一公里標(biāo)準(zhǔn)實芯光纖的傳播時間大約改變40ps。在某些領(lǐng)域中，例如傳感應(yīng)用中，光纖中的這種溫度敏感度是一個實用特性，而不是一個缺陷。但是它卻不免得可能會那些，依賴于精確時間信號的其他應(yīng)用造成破壞，比如說跨越大陸連接光時鐘網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)同步機器人制造以及使用光纖延遲線路穩(wěn)定抗低頻噪聲超的精密激光器等。

　　光纖研究人員已經(jīng)研究了許多方法來降低光纖傳播時間的溫度敏感性。一種方法是對光纖涂覆專門的涂層，幫助抵消其折射率隨溫度變化的變化，根據(jù)新的研究，其中最好的結(jié)果是可以將標(biāo)準(zhǔn)電信光纖的熱敏感性降低到3.7 ps/km/K。

　　負(fù)責(zé)新“Optica”研究的同一個南安普敦研究小組指出了另一種方法，即用中空光子帶隙光纖設(shè)計取代實心硅玻璃光纖，其中大部分光功率通過空氣介質(zhì)而不是玻璃材料。由于大約95%的光纖傳播時間對二氧化硅的熱光效應(yīng)的敏感度隨溫度變化而變化，據(jù)報道，這種變化可將傳播時間靈敏度降低到2 ps/km/K。

　　熱效應(yīng)補償

　　為了從上面那個2 ps/km/K的靈敏度降到零，南安普頓研發(fā)團隊詳細地了解了那些能夠決定光在光纖內(nèi)傳播時間的參數(shù)。其中一個參數(shù)當(dāng)然就是光纖的物理長度，它是隨著溫度的升高而增加的。另一個參數(shù)是群速度折射率，ng。而且該團隊的研究結(jié)果表明，可以利用正確的光纖特性組合來減少溫度，從而抵消由于光纖的熱致伸長而引起的傳播時間的增加。(這是因為ng的減少導(dǎo)致光線在光纖中行進更快，其他的都相同。)

　　在分析和數(shù)值模擬各種涂層和未涂層纖維設(shè)計的細節(jié)后，由OSA成員Eric Numkam Fokoua領(lǐng)導(dǎo)的南安普敦科學(xué)家們，制作了一個2.8m長的七芯空心光子帶隙光纖樣品，填充率為96.5%，可在約1.55μm的電信光譜區(qū)域工作。然后他們在29°C至82°C的四種溫度設(shè)置下對光纖進行了測試。正如模擬分析中預(yù)測的，光纖的TCD測量值為零，這意味著傳播時間對溫度變化完全不敏感——據(jù)我們所知，這是第一次這樣獲得這樣的結(jié)果。

　　研究人員建議，這些非常低甚至接近零的傳輸時間熱敏感度，應(yīng)該能夠顯著改善具有精確頻率和時序的光信號在光纖中的傳輸能力。他們認(rèn)為，這個結(jié)果代表著“給出了一個對于傳播時間敏感應(yīng)用的最終光纖解決方案”。