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新型光纤打破传播时间导致的温度困境

发布:opticsphotonics    |    2017-06-19 12:21    阅读:301
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南安普敦大学光电研究中心的一个研究团队制作了一种光纤,根据他们介绍,在这种光纤中光的传播时间不随温度变化而变化(Optica,doi:10.1364 / OPTICA.4.000659)。该团队采用一种巧妙的设计,通过精确地将光纤在高温下的伸长与光纤热致折射率的变化抵消掉,从而提高了光纤中的光线的群速度。结果验证,这是一种热延迟系数(TCD)等于零的光纤,对于应用在要求光纤中的时间信号十分精确的领域上具有潜在的优势,比如计量及其他方面的应用。

利用空心光子带隙设计平衡热致长度变化与温度相关的折射率变化(因此,在光的群体速度)中,南安普敦大学的研究人员制作了一种光纤,光纤中光的传播时间不受光纤温度的影响。图片由南安普敦大学Gregory Jasion提供

从玻璃材料到空气介质的转变

对于每1℃的温度变化,光信号通过一公里标准实芯光纤的传播时间大约改变40ps。在某些领域中,例如传感应用中,光纤中的这种温度敏感度是一个实用特性,而不是一个缺陷。但是它却不免得可能会那些,依赖于精确时间信号的其他应用造成破坏,比如说跨越大陆连接光时钟网络,物联网产业同步机器人制造以及使用光纤延迟线路稳定抗低频噪声超的精密激光器等。

光纤研究人员已经研究了许多方法来降低光纤传播时间的温度敏感性。一种方法是对光纤涂覆专门的涂层,帮助抵消其折射率随温度变化的变化,根据新的研究,其中最好的结果是可以将标准电信光纤的热敏感性降低到3.7 ps/km/K。

负责新“Optica”研究的同一个南安普敦研究小组指出了另一种方法,即用中空光子带隙光纤设计取代实心硅玻璃光纤,其中大部分光功率通过空气介质而不是玻璃材料。由于大约95%的光纤传播时间对二氧化硅的热光效应的敏感度随温度变化而变化,据报道,这种变化可将传播时间灵敏度降低到2 ps/km/K。

热效应补偿

为了从上面那个2 ps/km/K的灵敏度降到零,南安普顿研发团队详细地了解了那些能够决定光在光纤内传播时间的参数。其中一个参数当然就是光纤的物理长度,它是随着温度的升高而增加的。另一个参数是群速度折射率,ng。而且该团队的研究结果表明,可以利用正确的光纤特性组合来减少温度,从而抵消由于光纤的热致伸长而引起的传播时间的增加。(这是因为ng的减少导致光线在光纤中行进更快,其他的都相同。)

在分析和数值模拟各种涂层和未涂层纤维设计的细节后,由OSA成员Eric Numkam Fokoua领导的南安普敦科学家们,制作了一个2.8m长的七芯空心光子带隙光纤样品,填充率为96.5%,可在约1.55μm的电信光谱区域工作。然后他们在29°C至82°C的四种温度设置下对光纤进行了测试。正如模拟分析中预测的,光纤的TCD测量值为零,这意味着传播时间对温度变化完全不敏感——据我们所知,这是第一次这样获得这样的结果。

研究人员建议,这些非常低甚至接近零的传输时间热敏感度,应该能够显着改善具有精确频率和时序的光信号在光纤中的传输能力。他们认为,这个结果代表着“给出了一个对于传播时间敏感应用的最终光纤解决方案”。

来源: https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2017/june/beating_fiber_s_time-temperature_dilemma/

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