数学模型解释了空芯光纤如何以超低的数据损失引导光线

Leah Murphy制造的中空芯纤维的横截面。资料来源：Leah Murphy。来源: Leah Murphy

巴斯大学的科学家们开发了一个数学模型来解释反谐波空心纤维如何以保持超低数据损失的方式引导光线。直到现在，科学家们还没有对这一被充分观察到的现象做出完整的解释。

近年来，通过设计允许数据以更快和更宽的带宽传输的电缆，在提高光纤的效率方面取得了巨大的进展。最大的改进是在空芯光纤领域--一种出了名的 "泄漏"，但对许多应用来说也是必不可少的光纤类型。

现在，科学家们首次弄清楚了为什么一些充满空气的光纤设计比其他光纤更有效。最近博士毕业生Leah Murphy博士和巴斯大学光子学和光子材料中心的名誉教授David Bird已经解决了这个难题。

研究人员的理论和计算分析对其他物理学家在实践中观察到的一个现象给出了明确的解释：在设计中加入玻璃丝的中空中心光纤在从源头到目的地的过程中会造成超低的光损耗。

墨菲博士说："这项工作令人激动，因为它为长达20年的关于反谐波、空心光纤如何引导光线的对话增加了一个新的视角。我真的很乐观，这将鼓励研究人员尝试有趣的新中空芯光纤设计，在这种设计中，光损失被保持得超低。"

通信革命
近年来，光纤已经改变了通信，在实现快速数据传输的巨大增长方面发挥了重要作用。专门设计的光纤也已成为成像、激光和传感领域的关键（例如，在恶劣环境中使用的压力和温度传感器中可以看到）。

最好的光纤具有一些惊人的特性--例如，一个光脉冲可以沿着标准的硅玻璃光纤传播50公里以上，并且仍然保持其原始强度的10%以上（相当于看穿50公里水的能力）。

但是，光被引导通过一种固体材料的事实意味着目前的纤维有一些缺点。当它试图传输的光属于电磁波谱的中红外和紫外两端时，硅玻璃会变得不透明。这意味着需要这些波长的光的应用（如光谱分析和天体物理学家使用的仪器）不能使用标准纤维。

此外，高强度的光脉冲在标准光纤中是扭曲的，它们甚至会破坏光纤本身。

研究人员一直在努力寻找解决这些缺点的方法，将他们的努力投入到开发引导光通过空气而不是玻璃的光纤。

然而，这也带来了自己的一系列问题：光的一个基本特性是它不喜欢被限制在像空气这样的低密度区域内。使用空气而不是玻璃的光纤在本质上是泄漏的（如果水能从侧面渗入，就像水管一样）。

封闭损失（或泄漏损失）是衡量光在纤维中移动时损失多少光强度的一个指标，一个关键的研究目标是改进纤维的结构设计，以尽量减少这种损失。

中空芯体
最有前途的设计涉及到一个被特殊设计的包层包围和限制的中央空心。在包层中开槽的是空心的、超薄壁的玻璃毛细管，连接到外层玻璃护套。

使用这种设置，中空芯光纤的损耗性能接近于传统光纤。

这些空心光纤的一个耐人寻味的特点是，对它们如何以及为什么能很好地引导光线的理论理解并没有跟上实验的进展。

大约二十年来，科学家们对面向中空芯体的薄玻璃毛细管壁（图中为绿色）如何发挥作用，将光反射回芯体，从而防止泄漏，已经有了很好的物理理解。但是，仅包括这一机制的理论模型大大高估了封闭损失，而为什么真正的纤维引导光线的效率远远高于简单理论模型的预测，这个问题直到现在仍未得到解答。

墨菲博士和伯德教授在本周发表在《Optica》杂志上的一篇论文中描述了他们的模型。

理论和计算分析的重点是玻璃毛细管壁的部分（图中的红色）所发挥的作用，这些部分既不面对纤维结构的内芯，也不面对外壁。

巴斯大学的研究人员表明，除了支持面向核心的包层元件外，这些元件通过对传播的光的波场（图中的灰色弧线）施加结构，在引导光线方面起着关键作用。作者将这些结构的效果命名为 "方位角约束"。

尽管方位角约束作用的基本概念很简单，但这个概念在解释包层结构的几何形状和光纤的约束损耗之间的关系方面显示出了明显的力量。

论文的第一作者墨菲博士说："我们期望方位角约束的概念对其他研究中空芯光纤漏光影响的研究人员，以及参与开发和制造新设计的研究人员具有重要意义。"

领导这个项目的Bird教授补充说："这是一个非常有意义的项目，它需要时间和空间来以不同的方式思考问题，然后通过所有的细节进行工作。

"我们在第一次闭关时就开始研究这个问题，现在它已经让我在退休后的第一年里一直忙得不可开交。这篇论文为研究人员提供了一种思考中空芯光纤漏光的新方法，我相信它将导致新的设计被尝试。"

参考资料

Leah R. Murphy et al, Azimuthal confinement: the missing ingredient in understanding confinement loss in antiresonant, hollow-core fibers, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.492058

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