Light | 超低損耗單模傳輸的混合晶格空芯光子晶體光纖(HKT-IC-HCPCF)

2021-01-20 LightScienceApplications

近日，來自法國利摩日大學XLIM研究所的Fetah Benabid教授團隊在國際頂尖學術期刊Light: Science & Applications發表了題為「Low-loss single-mode hybrid-lattice hollow-core photonic crystal fiber」的高水平論文。Fetah Benabid教授團隊提出了抑制耦合(IC)空芯光子晶體光纖(HCPCF)的新概念，光纖設計成由Kagome管狀晶格(HKT)組成的混合包層，這種微結構覆層的新型光子晶體光纖可以顯著降低約束損耗，同時保持真正和堅固的單模工作，實現高性能光子晶體光纖開闢了一條新的途徑。該研究目前已得到了由PIA 4F項目和法國新阿基坦大區支持與資助。來自法國利摩日大學的Foued Amrani博士為本文的第一作者，Fetah Benabid教授為本文的通訊作者。此外，義大利摩德納-雷吉奧·埃米利亞大學也對該成果做出了巨大貢獻。

空芯光子晶體光纖(HCPCF)的出現是下一代長距離光纖系統的重要候選材料。光子晶體光纖主要分為兩種類型，一種是通過光子帶隙(PBG)導光的，另一種是通過抑制耦合(IC)機制導光的。在PBG光纖中，由於光纖的微結構使得纖芯模式不能耦合到包層模式，從而實現了光在纖芯中的傳播。相反，在IC光纖中，儘管在包層頻率有效折射率空間中沒有帶隙，但由於纖芯和包層模場分布之間的空間重疊較小，以及這些模橫向空間相位之間的強烈失配，芯模與包層的耦合也被強烈抑制。這些原理提供了引入內擺線纖芯輪廓(即負曲率，用於包層設計)概念的工具，這使得此類光纖的光約束能力大大增強，例如兩種被廣泛研究的IC-HCPCF:Kagome點陣HCPCF和單環管狀點陣(SR-TL)HCPCF。已有的研究表明，對于波長小於1µm的波長，約束損耗不再受包層設計的限制，相反，表面粗糙度引起的散射損耗(SSL)是限制因素。另一方面，在波長大於1μm的情況下，約束損耗(CL)以及包層設計仍然是IC-HCPCF傳輸性能的限制因素。


最近，已有研究小組通過引入新的負曲率包層設計，實現了比Kagome-HCPCF和SR-TL HCPCF更低的損耗，雖然IC-HCPCF損耗的下降趨勢是顯著的，但目前該領域面臨的最大挑戰是設計和製造一種同時具備超低損耗、真正的單模以及偏振保持操作等優異的導光性質的IC光纖，特別是對于波長遠短於1550nm的波長，例如大約1µm。實際上，在IC導光光纖中，由於纖芯中普遍存在高次模，實現單模是較為困難的。到目前為止，不同研究小組提出的設計解決方案需要在低損耗和真正的單一模態之間進行權衡，沒有能夠同時兼顧兩者的有效方案。


Fetah Benabid教授團隊考慮到當最低損耗模式(通常是核心基波模式)和次低損耗模式之間的損耗消光比足夠高時，光纖可以更接近真正的單模。為了實現真正的單模工作，研究人員探索分析了兩個IC包層的結合對減少HCPCF中的損耗和模式含量的影響。通過使用由6個懸掛管環組成的內包層，來對最低損耗高階模式(HOM)進行共振濾波來確保單模工作，同時使用由Kagome晶格組成的外包層，用於增強化學發光。

圖1 (a) Kagome-管式混合HCPCF的原理圖。(b) 不同光纖設計(FD)的結構圖。FD#1：無套管狀格子；FD#2：有套管狀格子；FD#3：管子和矽膠夾套之間有間隔的管狀格子設計。FD#4：Kagome晶格；FD#5：混合晶格(HKT)。(c) 不同光纖結構的約束損耗(CL)模擬結果，作為選定的歸一化頻率值(F)下晶格管和二氧化矽夾套(對於FD#3)或晶格管和Kagome晶格(對於FD#5)之間的距離(g)的函數。


圖2 在HKT-HCPCF設計中，在管狀格子周圍添加Kagome格子的效果研究。(a) 具有不同ξ值的纖維設計的CL模擬結果。(b) 兩個選定的歸一化頻率(F)值的CL值。


研究人員對設計的混合包層HCPCF的約束損耗和模式含量進行仿真，研究結果表明，當結構設計為由Kagome晶格包圍內管而不接觸內管的雙包層混合結構時，即使用Kagome-管狀混合點陣(HKT)-HCPCF時，與典型的管狀或Kagome包層HCPCF相比，HKT-HCPCF的損耗可以下降約5個數量級，最小可獲得8.6×10-6dB/km。當考慮HKT-HCPCF設計的可實現版本時，仿真結果表明最小損耗可以達到1.42×10-2dB/km，在HCPCF中同時實現了超低損耗和更高效的單模工作。

圖3 (a) (I)管狀、(II)套管式、(III)直杆式、(IV)套杆式、(V)連體式、(VI)理想混合式和(VII)帶有支撐管的混合式光纖設計的基模CL模擬結果。(b) 在所研究的光纖設計中，LP11模與基模CL值之間的比率(αLP11/αLP01)。

利用這一概念，研究人員研製了一種HKT-IC-HCPCF，它通過更小更薄的管子將內外包層連接在一起，使光纖包層的模態儘可能接近理想的包層設計，並對製備的混合包層IC-HCPCF進行了一系列實現，來檢測其約束損耗以及模式含量，實驗結果表明，該光纖在1050nm處的損耗最小，為1.6dB/km，這是高性能光子晶體光纖在1µm處的最低損耗；在10m長光纖的S2測量（S2測量指根據在雷射波長掃描期間獲取的光纖輸出信號來計算模式分布和相應的多路徑幹涉值）中，高階模式的最大消光比為47.0dB，這是在高性能光子晶體光纖中報導的最高消光比。


圖4 (a) HKT-HCPCF橫截面和 (b) 放大支撐管區域。(c) 損耗測量結果(藍色曲線)、基模(分別為綠色和紅色虛線)的模擬的約束損耗CL和總損耗TL，以及代表高階模式(紫色和粉色虛線)的模擬TL。圖5 (a) 10米長光纖的S2測量結果。(b)多路徑幹涉(MPI)與光纖偏移量的關係曲線。(c) M2測量結果。


總的來說，Fetah Benabid教授團隊提出了一種新型HKT-HCPCF結構的設計和製作方案，通過由Kagome和管狀晶格組成的雙包層混合結構來減少HCPCF的約束損耗，同時保持光纖芯由6個管狀格子劃分，以實現有效的單模工作。研究人員分別從仿真和實驗展示了所設計的新型HKT-IC-HCPCF結構在約束損耗和單模工作方面的優越性，實驗結果表明，HKT-IC-HCPCF在1050nm處的最小損耗為1.6dB/km，對於10m長的光纖，通過空間光譜(S2)成像技術測得的高階模消光比高達47.0dB。此外，還通過檢測光纖運動時的輸出模式和改變耦合條件，進一步驗證了光纖單模特性的穩健性。該HKT-IC-HCPCF結構顯著降低了光纖的約束損耗，實現了高效的單模工作，為實現高性能光子晶體光纖開闢了一條新的途徑，有效的結合了超低約束損耗和單模光束傳輸。



該研究成果以"Low-loss single-mode hybrid-lattice hollow-core photonic crystal fiber"為題在線發表在Light: Science & Applications。 歡迎課題組投遞成果宣傳稿轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024

開 放 投 稿：Light: Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 網 站：www.light-am.com

期 刊 網 站：elight.springeropen.com


《Light：Science & Applications》

（簡稱Light）高被引文章數量


統計數據來自Web of Science，Light發表的高被引文章數量在國內同類期刊中穩居領軍地位，截至目前，

☞ 本文編輯：袁境澤

☞ 本文來源：中科院長春光機所 Light學術出版中心 

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