俄羅斯和芬蘭的研究人員合作進行一項概念驗證計劃,進一步擴展具有較大纖芯直徑的多模光纖用途;研究人員採用高功率雷射與非等向性材料,期望開發出可在光傳輸時保持同調性(coherence)的光纖。保持光的同調性是實現量子電腦與感測器網路的必要條件,同時還有助於多模光纖在更遠程通訊應用中取代昂貴的單模光纖。

研究人員們在光學學會(Optical Society;OSA)的期刊《Optics Express》上發表他們的研究成果。

光纖是現代通訊的骨幹。單模光纖由於具有可靠性,在長距離應用中佔主導地位;但這種光纖的內徑僅10微米(um),且十分昂貴。較低成本的多模光纖內徑寬達100um,目前主要用於短距離通訊,一般可支援1,000公尺距離、1-Gbit/s的傳輸速度。

研究人員正致力於擴展多模光纖的實用性,不僅用於取代單模光纖實現長距離通訊,還可實現量子電腦,以及打造僅需要很少或無需電源執行的分散式感測器網路。

20170721_Fiber_NT01P1 圖1:輸出光束中的光輻射強度橫向分佈模式 (資料來源:MIPT)

來自莫斯科物理技術學院(MIPT)、俄羅斯科學院的Kotelnikov無線工程與電子研究所(IRE RAS),以及芬蘭坦佩雷理工大學(Tampere University of Technology)光電研究中心的研究人員們共同投入了這項同調性多模光纖的概念驗證研究。主導該研究計劃的IRE RAS總監、MIPT固態物理學、放射性物理學和應用資訊技術副主任Sergey Nikitov表示,「量子電腦可能是其中的一種應用;然而,在這項研究中,我們的目的在於探索高功率應用,由於非線性的流程,我們可在其中一根光纖內提高不同光波的功率,並觀察其結果。」

除了Sergey Nikitov,其他共同作者還包括MIPT教授兼IRE RAS和俄羅斯量子中心資深研究科學家Vasily Ustimchik,以及坦佩雷榮譽教授Jorma Rissanen,他還曾經是IEEE Richard W. Hamming Medal的獲獎人。

可保持同調性的光纖比半導體感測器更具有優勢,因為他們幾乎不需要電力,就能處理來自分散式感測器系統無法發揮作用的結果。此外,這些光纖不僅可用於高功率的雷射系統,還可作為感測器,因為偏振特性的變化來自於其準確感測環境引起的變化。

保護光纖具有優於半導體傳感器的優點,因為它們幾乎不需要電力,並可以處理來自分佈式傳感器系統的結果。它們不僅可用在高功率激光系統中,而且作為傳感器的用途來自觀察到的事實,即它們的極化特性的變化使得能夠準確地感測由環境因素引起的變化。

20170721_Fiber_NT01P2 圖2:圖中顯示沿著三個錐形光纖長度的外部保護層直徑(左側)及其芯徑(右側)。插圖顯示非等向性光纖結構的橫截面;該光纖是由纖芯、橢圓形內部保護層和外部保護層共同組成。 (資料來源:MIPT)

光纖雷射採用光學諧振器來回反射光線,從而引發雷射作用。目前,這種雷射器僅完全使用基本模式(圖1的左上方),將功率限制在10nm光纖可承載的範圍。增加大型雷射器的傳輸功率,導致光纖的折射率發生不受控制的變異,從而造成寄生非線性效應。俄羅斯和芬蘭的研究人員採用的解決方法是改變纖芯和內部保護層(圖2)。

俄羅斯和芬蘭的研究人員採用該技術證實了這個概念:透過高功率雷射傳輸的能量,有不到1%在100um光纖中損耗掉。研究人員藉由為大型光纖的非等向性(表示它只在長度方向傳播,因為內部保護層是橢圓形的)製作內部保護層,完整地保留了光纖的偏振特性。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Expanding Optical Horizons,by R. Colin Johnson)