反諧振空芯光纖的卓越偏振特性

  在陀螺儀，光頻率梳，量子信息實(shí)驗和光學(xué)時(shí)鐘等高精度應用領(lǐng)域，對傳輸的光的空間和偏振純度有著(zhù)極高的要求。在真空下自由空間傳輸的光具有極佳的純度特性，但受限于它的傳輸距離，而更實(shí)用化的普通光纖隨著(zhù)傳輸距離增加其偏振純度會(huì )逐漸退化并易受非線(xiàn)性效應的影響。

  來(lái)自英國南安普頓大學(xué)光電研究中心的A. Taranta等人發(fā)現，經(jīng)過(guò)特殊設計的反諧振空芯光纖可以將兩個(gè)正交偏振模以10-10/m量級的耦合強度進(jìn)行傳輸，實(shí)現一個(gè)類(lèi)似于自由空間傳輸的波導結構。相關(guān)研究成果以題目“Exceptional polarization purity in antiresonant hollow-core optical fibres”于2020年5月11發(fā)表在Nature Photonics上。

圖1 (a)和(b)為反諧振空芯光纖和(c)保偏光纖(d)空芯光子帶隙光纖在1550nm處的偏振耦合強度對比。

  標準單模光纖(SSMF)在沒(méi)有受到外界擾動(dòng)時(shí)，其偏振純度可以接近玻璃材料的各向瑞利散射特性所規定的極限值，例如SMF-28光纖在1550nm處其偏振耦合為3x10-8/m。然而當受外界環(huán)境擾動(dòng)時(shí)，會(huì )受到強烈的偏振模耦合，從而影響器件的性能。通過(guò)引入大的雙折射，保偏光纖可以破壞偏振模式耦合的相位條件，在外界的擾動(dòng)下也能保持一個(gè)10-7至10-5/m的偏振耦合強度。然而，這些微弱的偏振耦合仍會(huì )給光纖系統帶來(lái)各種有害的影響，如熱相位噪聲，瑞利散射等隨機效應和光克爾效應、受激布里淵散射等非線(xiàn)性效應，限制了傳感器的注入光功率和信噪比。

  空芯光纖通過(guò)玻璃微結構將光束縛在中空纖芯當中，減小了光與玻璃的相互作用，進(jìn)而保持了傳輸光的偏振純度。早期的設計中，通過(guò)引入大的雙折射(10-6rad/m)，最高可以實(shí)現10-6/m的偏振耦合強度。而在本文中，經(jīng)過(guò)特殊設計的兩種無(wú)節點(diǎn)反諧振空芯光纖可以在不應用任何雙折射的情況下，將傳輸光的偏振耦合強度降至10-10/m的量級，同時(shí)可以抵抗外界溫度的擾動(dòng)。

圖2 第一種反諧振光纖寬帶交叉偏振測量圖

  圖2a中反諧振空芯光纖用于導光的空氣纖芯直徑為42μm，七根非接觸式包層毛細管直徑為21μm，包層毛細管厚度為358nm。圖2d中測量到的偏振消光比70dB，對應偏振耦合強度為3x10-9/m。

圖3 第二種反諧振光纖衰減和偏振特性

  圖3a中的反諧振空芯光纖用于導光的空氣纖芯直徑為33.4μm，外層毛細管直徑為24.6μm，厚度為576nm，內層毛細管直徑為9.1μm，厚度為547nm。圖3e測量到的偏振消光比為69.7dB，對應偏振耦合強度為3.5x10-10/m。

  作者在本文中表示，在沒(méi)有受到外界擾動(dòng)時(shí)，反諧振空芯光纖的偏振耦合來(lái)源于表面散射。根據表面散射模型估計，纖芯直徑為40μm的反諧振空芯光纖，其最小偏振耦合強度約在10-11/m, 纖芯直徑為30μm的光纖其最小耦合強度約在10-10/m。

  如何讓光在傳輸中保持其原本的特性，一直是科研人員所苦苦追尋的。為了保證測量精度，著(zhù)名的引力波測量平臺LIGO搭建了長(cháng)達8km的真空管道，耗資甚巨。而反諧振空芯光纖作為一種特種光纖，它中空的傳光環(huán)境可以使得光能保持其在自由空間中傳播的特性，又能實(shí)現長(cháng)距離的傳輸。即使在強熱應力下，傳輸的光仍能保持高純度的線(xiàn)偏振狀態(tài)。在需要穩定傳輸上千公里高純線(xiàn)偏振光精密干涉測量重大儀器科學(xué)領(lǐng)域，能提供類(lèi)似真空傳輸的反諧振空芯光纖必將會(huì )帶來(lái)顛覆性的改變，讓人們以更低成本、更實(shí)用的方式來(lái)探尋我們所處世界的奧秘。

  撰稿人 | Maikesiwei Yao

  論文題目 | 反諧振空芯光纖的卓越偏振特性

  作者 | A. Taranta, E. Numkam Fokoua, S. Abokhamis Mousavi, J. R. Hayes, T. D. Bradley, G. T. Jasion & F. Poletti

  完成單位 | 英國南安普頓大學(xué)光電研究中心