反諧振空芯光纖材料損耗理論研究取得進展

2020-11-28 騰訊網

近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率雷射單元技術實驗室研究團隊在中紅外波段反諧振空芯光纖基礎研究中取得新進展。團隊圍繞光纖材料吸收引發空芯光纖傳輸損耗這一光波導基本問題開展了深入理論研究，建立了國際首個空芯光纖材料損耗的解析模型，並利用該模型預測了石英基玻璃材料在4微米中紅外波段的損耗極限。相關研究成果於4月7日發表於《光學快訊》（Optics Express）。

近年來，反諧振空芯光纖（AR-HCF）因其寬帶、低損的傳輸特性獲得廣泛關注。由於絕大部分光被限制在空氣芯中，反諧振空芯光纖能夠極大克服基體材料本身吸收的影響，顯著降低材料損耗。目前使用石英玻璃製備反諧振空芯光纖，在4微米波長實現了0.04 dB/m的傳輸損耗，而該波長石英材料吸收超過800 dB/m。

該項研究中，研究人員從Snyder和Love的經典光波導理論出發，將模態重疊因子的概念推廣至空芯光纖領域，嚴格推導出模態重疊因子的半解析表達式，用於表徵空芯光纖的材料吸收對於傳輸損耗的貢獻。研究將半解析表達式計算結果與有限元方法數值計算系統比較，證明了該模型的精確性與有效性。此外，還系統探討了高材料吸收條件下低損反諧振空芯光纖的優化設計原則，對中紅外波段石英基反諧振空芯光纖的傳輸極限進行了預測。

相關研究得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃的資助。

圖1 仿真所用AR-HCF模型及三種不同芯徑AR-HCF的總損耗隨包層材料吸收的變化。灰線為採用新提出的模式重疊公式得到的損耗預測結果。

圖2 不同結構參數下石英基六芯AR-HCF的計算損耗。

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所

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