傳統(tǒng)的光纖引導(dǎo)光穿過極其透明的實(shí)心玻璃芯，損耗低至每公里0.142分貝。也就是說百公里后超過百分之一的輸入光仍然存在。然而，固體玻璃纖維不能攜帶很高的功率，特別是在短脈沖中，這限制了它們的應(yīng)用，包括為激光加工提供強(qiáng)光。

近日，南安普頓大學(xué)光電研究中心的一個團(tuán)隊已經(jīng)制造出空心纖維，在某些重要波長上比實(shí)心纖維更加清晰。他們在《自然通訊》上報道了他們的研究結(jié)果。

Illustration: Optoelectronics Research Center/University of Southampton

1998年，英國巴斯大學(xué)的Philip St. John Russell指出，微結(jié)構(gòu)光纖可以通過阻擋某些波長的光在空心芯層中的傳輸，從而在空心芯層中引導(dǎo)光，此后，人們對空心芯光纖的興趣開始升溫，光纖中的充氣微結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而這些“光子帶隙”光纖使有限波長的傳輸變得不實(shí)用。

近年來，南安普頓的Francesco Poletti開創(chuàng)了一系列新的實(shí)驗性纖維，這些纖維的微觀結(jié)構(gòu)僅限于纖維的空心芯，這與Russell的基本理念不同。Poletti 2014年的設(shè)計將幾對嵌套管隔開，就像放在大管子里的小吸管一樣，圍繞中心核心的外部隔開。

Photo: Optoelectronics Research Center/University of Southampton

Francesco Poletti 

“Lumenisity有限公司，一家來自該小組的初創(chuàng)公司，已經(jīng)在運(yùn)行實(shí)時通信的光纜中安裝了有新設(shè)計的光纖”，Poletti在一封電子郵件中說。光在空氣中的傳播速度比在玻璃中快50%，因此空心光纖的最初市場是要求極高速度的短數(shù)據(jù)鏈路。他列舉了金融轉(zhuǎn)移、5G以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和之間的鏈接。這對高頻安全交易員來說是一個潛在的利好，然而，它還沒有達(dá)到1550年電信頻段的固芯光纖傳輸速度。

現(xiàn)在，Poletti的團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出了新的空心纖維，在電信波段以外的關(guān)鍵波長上，這種纖維的透明度可以與實(shí)心纖維相媲美，甚至超過實(shí)心纖維，而玻璃是最透明的。他們?yōu)?60和850nm光子（這些紅色和近紅外波段廣泛應(yīng)用于生物和量子網(wǎng)絡(luò)）以及1064nm（另一個工業(yè)激光加工常用的近紅外波段）定制了光纖。

Poletti說，在高精度傳感器、激光束傳輸和時頻測量方面，新技術(shù)可能比傳統(tǒng)的實(shí)心光纖具有優(yōu)勢。為數(shù)不多的幾家供應(yīng)商已經(jīng)在銷售老式空心光纖，以提供超短激光脈沖，這種脈沖能為智能手機(jī)切割玻璃提供一系列快速脈沖。Poletti說：“空心纖維沒有其他選擇，因為實(shí)心纖維無法與之競爭。”強(qiáng)烈的光脈沖必須遠(yuǎn)離玻璃以免損壞玻璃。

到目前為止，玻璃切割在整個市場中只占很小的份額，但他說，他的團(tuán)隊的新型空心纖維可以在數(shù)十米或數(shù)百米的基本模式下傳輸千瓦級的連續(xù)功率，而且可能很快在大得多的高平均功率激光工業(yè)加工市場上挑戰(zhàn)實(shí)心光纖。

這種新型中空纖維除了具有抗損傷和更快的光速外，還具有其他優(yōu)點(diǎn)。將光線擋在玻璃外可以避免非線性效應(yīng)，這種效應(yīng)會使信號失真，并可以提高傳輸激光束的質(zhì)量。

新纖維的基本極限是未知的。光散射在短于電信波段的波長下控制了實(shí)心光纖的損耗。Poletti說：“幾個月前，我們認(rèn)為空氣-玻璃界面（空心光纖中）的光散射最終會在這些較短波長的損耗中占主導(dǎo)地位。但隨著光纖制造技術(shù)的提高，損耗不斷下降，他現(xiàn)在推測，幾年后，新的空心光纖在該波段的清晰度可能是基本極限實(shí)心光纖的10倍。”