空芯反諧振微結(jié)構(gòu)光纖是以低折射率空氣孔導(dǎo)光的一種新型微結(jié)構(gòu)光纖波導(dǎo)，具有寬光譜導(dǎo)光、低色散、低非線性、大模場(chǎng)面積以及高激光損傷閾值等優(yōu)勢(shì)，為激光傳輸、光纖通信、光纖傳感以及非線性光學(xué)等領(lǐng)域研究提供了極佳的傳輸平臺(tái)，備受研究者們的關(guān)注。一方面，良好的單模特性對(duì)于空芯光纖在高性能光纖傳感、光纖通信、激光傳能智能加工等實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。然而由于其導(dǎo)光原理的限制，在空芯光纖中難以實(shí)現(xiàn)類似于實(shí)芯光纖中對(duì)高階模式的有效抑制。其光纖單模特性的優(yōu)化往往通過(guò)對(duì)光纖結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)纖芯中某一高階模與包層中的模式達(dá)到相位匹配條件，增大高階模的損耗而濾除某一特定的纖芯模式。然而該類方案并未有效地濾除纖芯中的其他高階模，殘余的高階?？赡苋匀粫?huì)引起如光纖模間干涉導(dǎo)致的輸出功率波動(dòng)或者傳輸信號(hào)串?dāng)_等問(wèn)題，尤其是在使用較短光纖的應(yīng)用場(chǎng)景下。

針對(duì)上述問(wèn)題，羅素團(tuán)隊(duì)探索了一種不同的高階模濾除方式，首先，在傳統(tǒng)均勻孔間距的空芯反諧振光子晶體光纖包層毛細(xì)管之間引入較大孔間距來(lái)增強(qiáng)高階模的泄漏，其次在第一包層外側(cè)的套管之外引入合適的空氣層構(gòu)造光纖的第二層反諧振包層，如下圖1a所示。由于不同模式有效橫向波長(zhǎng)存在差異，該結(jié)構(gòu)顯著地增強(qiáng)了特定波長(zhǎng)下高階模損耗并保持基模的損耗相對(duì)較低。該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上成功地制備了雙包層空芯反諧振光纖（圖1b），該光纖在~1微米以上的長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)間形成密集諧振峰，為超高單模純度的激光傳輸提供多級(jí)窗口，如圖1c所示。進(jìn)一步地，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該款雙包層空芯反諧振光子晶體光纖在1585 nm附近的纖芯LP11高階模抑制比高達(dá)60 dB/km，相比已報(bào)道的優(yōu)化單模純度的光纖提升了約1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，本研究驗(yàn)證了該空芯反諧振光纖的高單模純度傳輸區(qū)間隨填充氣體壓力的變化具有靈活可調(diào)性，有效地拓展了高純度單模可用的波長(zhǎng)區(qū)間。本研究對(duì)具有雙包層結(jié)構(gòu)的空芯微結(jié)構(gòu)光纖中超高單模純度的驗(yàn)證，為光纖激光傳能、光纖通信或者光纖傳感等對(duì)光纖模式純度要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域提供了全新的思路。

相關(guān)研究成果以“Ultrahigh Transverse Mode Purity by Enhanced Modal Filtering in Double-Clad Single-Ring Hollow-Core Photonic Crystal Fiber”為題發(fā)表在激光與光電子學(xué)頂級(jí)期刊Laser & Photonics Reviews上。武漢理工大學(xué)與上海光機(jī)所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生羅卓昭為第一作者，羅素中心黃家鵬副研究員、江昕研究員與龐盟研究員為共同通訊作者，參與該研究的還有上海光機(jī)所殷若琛博士研究生以及寧波艾菲博光電科技有限公司鄭羽博士等。該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院外籍院士Philip Russell教授的指導(dǎo)，并得到了上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（21ZR1482700）的支持，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62275254），張江實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目（20DZ2210300），國(guó)家高層次人才青年項(xiàng)目和富陽(yáng)高層次人才項(xiàng)目等的支持。

https://doi.org/10.1002/lpor.202301111

圖2 雙包層空芯反諧振光子晶體光纖的（a）模式選擇性激發(fā)所得LP01和LP11模式近場(chǎng)圖，（b）LP01和LP11模式損耗結(jié)果，（c）高階模抑制比FOM曲線，（d）在1-25 bar氮?dú)馓畛湎伦畲驠OM11值（左軸）和高FOM11值區(qū)間的中心波長(zhǎng)（右軸），（e）在1 bar、10 bar和20 bar的氣體壓力值下測(cè)量的FOM曲線