南安普敦大學研制新型光纖：打破傳播時間導致的溫度困境

　Iccsz訊 南安普敦大學光電研究中心的一個研究團隊制作了一種光纖，根據他們介紹，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。結果驗證，這是一種熱延遲系數(TCD)等于零的光纖，對于應用在要求光纖中的時間信號十分精確的領域上具有潛在的優勢，比如計量及其他方面的應用。

　　利用空心光子帶隙設計平衡熱致長度變化與溫度相關的折射率變化(因此，在光的群體速度)中，南安普敦大學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Gregory Jasion提供。

　　從玻璃材料到空氣介質的轉變

　　對于每1℃的溫度變化，光信號通過一公里標準實芯光纖的傳播時間大約改變40ps。在某些領域中，例如傳感應用中，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用造成破壞，比如說跨越大陸連接光時鐘網絡，物聯網產業同步機器人制造以及使用光纖延遲線路穩定抗低頻噪聲超的精密激光器等。

　　光纖研究人員已經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，根據新的研究，其中最好的結果是可以將標準電信光纖的熱敏感性降低到3.7 ps/km/K。

　　負責新“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計取代實心硅玻璃光纖，其中大部分光功率通過空氣介質而不是玻璃材料。由于大約95%的光纖傳播時間對二氧化硅的熱光效應的敏感度隨溫度變化而變化，據報道，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，南安普頓研發團隊詳細地了解了那些能夠決定光在光纖內傳播時間的參數。其中一個參數當然就是光纖的物理長度，它是隨著溫度的升高而增加的。另一個參數是群速度折射率，ng。而且該團隊的研究結果表明，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的減少導致光線在光纖中行進更快，其他的都相同。)

　　在分析和數值模擬各種涂層和未涂層纖維設計的細節后，由OSA成員Eric Numkam Fokoua領導的南安普敦科學家們，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的電信光譜區域工作。然后他們在29°C至82°C的四種溫度設置下對光纖進行了測試。正如模擬分析中預測的，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——據我們所知，這是第一次這樣獲得這樣的結果。

　　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。他們認為，這個結果代表著“給出了一個對于傳播時間敏感應用的最終光纖解決方案”。