[论文解读] Conquering the Rayleigh scattering limit of silica glass fiber at visible wavelengths with a hollow-core fiber approach

Shoufei Gao, Yingying Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2019

Optical Network Technologies参考文献 1被引用 7

一句话总结

该论文展示了一种中空芯光纤设计，其在可见光波段的损耗低于熔融石英玻璃的基本瑞利散射极限。通过制造连接管负曲率光纤，作者在680 nm波长下实现3.8 dB/km的损耗，在558 nm波长下实现4.9 dB/km的损耗——在绿色波段比石英瑞利极限低2 dB，标志着可见光低损耗传输的重大进展。

ABSTRACT

The ultimate limit on fiber loss is set by the intrinsic Rayleigh scattering of silica glass material. Here, we challenge this limit in the visible region by using a hollow-core fiber approach. Two visible-guiding hollow-core conjoined-tube negative-curvature fibers are successfully fabricated and exhibit the overall losses of 3.8 dB/km at 680 nm and 4.9 dB/km at 558 nm respectively. The loss of the latter fiber surpasses the Rayleigh scattering limit of silica glass fiber in the green spectral region by 2 dB. Numerical simulation indicates that this loss level is still much higher than the fundamental surface scattering loss limit of hollow-core fiber.

研究动机与目标

• 克服熔融石英在可见光波段的固有瑞利散射极限。
• 开发一种能够实现可见光低损耗导引的中空芯光纤结构。
• 通过实验验证，利用中空芯设计可将石英基光纤的损耗降低至瑞利散射极限以下。
• 验证负曲率中空芯光纤在可见光波段的性能，特别是在绿色光谱区域。

提出的方法

• 设计并制造具有周期性微结构的连接管负曲率中空芯光纤，以在空气中导引光。
• 采用中空芯结构以最小化光与石英材料的相互作用，从而减少瑞利散射。
• 采用精确的光纤拉制技术以保持结构完整性并实现低传播损耗。
• 通过数值模拟表面散射损耗，将实验结果与基本极限进行对比。
• 利用校准的光学系统测量不同可见波长下的传播损耗。
• 将实测损耗值与熔融石英的理论瑞利散射极限进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 中空芯光纤设计能否在可见光波段突破熔融石英的瑞利散射极限？
• RQ2 在558 nm波长下，石英基中空芯光纤的最低可实现损耗是多少？与瑞利极限相比如何？
• RQ3 中空芯光纤中的表面散射损耗在可见光波段在多大程度上限制了性能？
• RQ4 连接管负曲率几何结构如何影响模式限制与传播损耗？
• RQ5 实验测得的损耗值能否接近中空芯光纤的基本表面散射损耗极限？

主要发现

• 所制备的中空芯光纤在680 nm波长下实现了3.8 dB/km的传播损耗，证明了其在可见光波段的高效导引能力。
• 在558 nm波长下，光纤的损耗为4.9 dB/km，比熔融石英的瑞利散射极限低2 dB。
• 558 nm波长下的损耗值证实，石英光纤的瑞利散射极限可在绿色光谱区域被超越。
• 数值模拟表明，实测损耗仍显著高于中空芯光纤的基本表面散射损耗极限。
• 结果验证了中空芯光纤技术在实现超越传统实芯石英光纤极限的可见光低损耗传输方面的潜力。