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、大模場面積以及高激光損傷閾值等優(yōu)勢，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，備受研究者們的關(guān)注。一方面，良好的單模特性對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現(xiàn)類似于實芯光纖中對高階模式的有效抑制。其光纖單模特性的優(yōu)化往往通過對光纖結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計來實現(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鹑绻饫w模間干涉導(dǎo)致的輸出功率波動或者傳輸信號串?dāng)_等問題，尤其是在使用較短光纖的應(yīng)用場景下。

針對上述問題，羅素團(tuán)隊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存在差異，該結(jié)構(gòu)顯著地增強(qiáng)了特定波長下高階模損耗并保持基模的損耗相對較低。該團(tuán)隊在實驗上成功地制備了雙包層空芯反諧振光纖（圖1b），該光纖在~1微米以上的長波長區(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窗口，如圖1c所示。進(jìn)一步地，如圖2所示，實驗上驗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，相比已報道的優(yōu)化單模純度的光纖提升了約1到2個數(shù)量級。此外，本研究驗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?？捎玫牟ㄩL區(qū)間。本研究對具有雙包層結(jié)構(gòu)的空芯微結(jié)構(gòu)光纖中超高單模純度的驗證，為光纖激光傳能、光纖通信或者光纖傳感等對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)新行動計劃（21ZR1482700）的支持，國家自然科學(xué)基金項目（62275254），張江實驗室建設(shè)與運營項目（20DZ2210300），國家高層次人才青年項目和富陽高層次人才項目等的支持。

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氮氣填充下最大FOM11值（左軸）和高FOM11值區(qū)間的中心波長（右軸），（e）在1 bar、10 bar和20 bar的氣體壓力值下測量的FOM曲線