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光子带隙光纤:光纤中传播时间具有对温度变化零敏感性

​       单模光纤服务于科学和工业领域那些需要灵活实现路线过短或长距离且需要保持具有与衍射极限光束一样的光束质量,并没有任何的横向扩展。一些例子包括,高速数据传输,恶劣环境中的光纤传感以及量子通信等;依赖于单模光纤的有源器件,如许多单模光纤光纤激光器和放大器等。

 

       对于某些应用程序,如携带精确定时同步信号,例如,光学钟、变化的脉冲穿过单模光纤时由于环境因素如不必要的温度变化。这种敏感性传播时间的温度变化,也被称为延迟温度系数(TCD),这是由光纤折射率变化引起的伸长量作为温度的函数,在实心光纤中最明显,并在空芯光子带隙光纤大大降低(HC-PBGF)。因此,后者被用来在许多严苛的时基实验,即使,HC-PBGF有剩余的热灵敏度。

 

平衡的热效应

       来自光电子研究中心的一组研究人员(南安普敦大学;南安普顿,英国)现在已经向前额外推进了一步,创造了零热灵敏度光纤(TCD)。事实上,他们已经在理论和实验上证明了不只是这一点,也是基于设计上的负TCD。

 

       该成果利用了HC-PBGFs独特的光学特性,其中可以使模式组指数降低,并且光纤中的光速随着温度的升高而增加。 理想状态下,热效应和模式组指数的变化相互平衡,导致完全的温度不敏感。随着温度的升高,玻璃的折射率的增加,光纤的微观结构尺寸扩大的同时,改变了光栅的周期结构。后者的效果,可以优化平衡正常的热灵敏度,至少在一定的波长(和TCD±0.2ps∕Km∕K,超过几纳米的有限波段)。

 

       研究人员还计算出这些光纤对制造公差的敏感性。 例如,对于七芯光纤设计(后来在实验中使用),计算表明,单模操作的光纤纤芯直径(合理数量,研究人员说)的1%变化将导致零热灵敏度光纤 TCD波长移位约为1 nm,对TCD的贡献可忽略不计,为±0.2 ps/km/K(见图)。更进一步的计算表明,通过将七芯纤维卷绕到5厘米直径,导致TCD的微小变化。

 

 

       HC-PBGF的结构包括空气核心,具有一定数量细胞的周围结构,二氧化硅护套和丙烯酸涂层(a)。 (丙烯酸涂层稍微将延迟热系数的零点或TCD偏移到更长的波长)。 这种特殊结构用于热效应的计算机模型。 在一个模拟中,通过移除不同数量的单元(分别为3,7,19和37)和作为各种光纤几何(b)的波长函数计算的TCD来创建核心。 在±0.2ps/km/K以内的TCF被认为是零范围; 对于每个光纤几何图示出TCD在这些约束内的带宽。 所有这些计算的HC-PBGF充气部分为0.975。

 

       对于实验,选择了具有0.965充气部分,13.6μm纤芯直径,9.7μm1/e2模场直径和衰减低于10dB/Km的七芯光纤的2.8m长的部分。在29°,47°,65°和82°C的温度下测量延迟。在1531nm的波长处,延迟对温度变化(TCD = 0)不敏感,TCF落在±0.2ps/km/K内的光学带宽为11nm。

 

       研究人员指出,该纤维比其他HC-PBGF的温度敏感性低10倍,并且在11nm带宽下比标准实芯光纤的敏感性差200倍。另外,超过2nm的带宽,新的光纤比标准的实芯单模光纤具有1000x以上的热敏感性。

 

       该组旨在优化两个其他参数:首先,将TCD为零的波长与最大透射波长对准,第二,降低色散斜率以加宽TCD落在±0.2ps/Km/K的带宽范围内。

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