撰稿

OSANJU刘扬01导读

近日，来自法国利摩日大学XLIM研究所的FetahBenabid教授团队在国际顶尖学术期刊Light:ScienceApplications发表了题为“Low-losssingle-modehybrid-latticehollow-corephotoniccrystalfiber”的高水平论文。FetahBenabid教授团队提出了抑制耦合(IC)空芯光子晶体光纤(HCPCF)的新概念，光纤设计成由Kagome管状晶格(HKT)组成的混合包层，这种微结构覆层的新型光子晶体光纤可以显著降低约束损耗，同时保持真正和坚固的单模工作，实现高性能光子晶体光纤开辟了一条新的途径。该研究目前已得到了由PIA4F项目和法国新阿基坦大区支持与资助。来自法国利摩日大学的FouedAmrani博士为本文的第一作者，FetahBenabid教授为本文的通讯作者。此外，意大利摩德纳-雷吉奥·埃米利亚大学也对该成果做出了巨大贡献。

02研究背景

空芯光子晶体光纤(HCPCF)的出现是下一代长距离光纤系统的重要候选材料。光子晶体光纤主要分为两种类型，一种是通过光子带隙(PBG)导光的，另一种是通过抑制耦合(IC)机制导光的。在PBG光纤中，由于光纤的微结构使得纤芯模式不能耦合到包层模式，从而实现了光在纤芯中的传播。相反，在IC光纤中，尽管在包层频率有效折射率空间中没有带隙，但由于纤芯和包层模场分布之间的空间重叠较小，以及这些模横向空间相位之间的强烈失配，芯模与包层的耦合也被强烈抑制。这些原理提供了引入内摆线纤芯轮廓(即负曲率，用于包层设计)概念的工具，这使得此类光纤的光约束能力大大增强，例如两种被广泛研究的IC-HCPCF:Kagome点阵HCPCF和单环管状点阵(SR-TL)HCPCF。已有的研究表明，对于波长小于1μm的波长，约束损耗不再受包层设计的限制，相反，表面粗糙度引起的散射损耗(SSL)是限制因素。另一方面，在波长大于1μm的情况下，约束损耗(CL)以及包层设计仍然是IC-HCPCF传输性能的限制因素。

最近，已有研究小组通过引入新的负曲率包层设计，实现了比Kagome-HCPCF和SR-TLHCPCF更低的损耗，虽然IC-HCPCF损耗的下降趋势是显著的，但目前该领域面临的最大挑战是设计和制造一种同时具备超低损耗、真正的单模以及偏振保持操作等优异的导光性质的IC光纤，特别是对于波长远短于nm的波长，例如大约1μm。实际上，在IC导光光纤中，由于纤芯中普遍存在高次模，实现单模是较为困难的。到目前为止，不同研究小组提出的设计解决方案需要在低损耗和真正的单一模态之间进行权衡，没有能够同时兼顾两者的有效方案。

03创新研究

FetahBenabid教授团队考虑到当最低损耗模式(通常是核心基波模式)和次低损耗模式之间的损耗消光比足够高时，光纤可以更接近真正的单模。为了实现真正的单模工作，研究人员探索分析了两个IC包层的结合对减少HCPCF中的损耗和模式含量的影响。通过使用由6个悬挂管环组成的内包层，来对最低损耗高阶模式(HOM)进行共振滤波来确保单模工作，同时使用由Kagome晶格组成的外包层，用于增强化学发光。

图1(a)Kagome-管式混合HCPCF的原理图。(b)不同光纤设计(FD)的结构图。FD#1：无套管状格子；FD#2：有套管状格子；FD#3：管子和硅胶夹套之间有间隔的管状格子设计。FD#4：Kagome晶格；FD#5：混合晶格(HKT)。(c)不同光纤结构的约束损耗(CL)模拟结果，作为选定的归一化频率值(F)下晶格管和二氧化硅夹套(对于FD#3)或晶格管和Kagome晶格(对于FD#5)之间的距离(g)的函数。图2在HKT-HCPCF设计中，在管状格子周围添加Kagome格子的效果研究。(a)具有不同ξ值的纤维设计的CL模拟结果。(b)两个选定的归一化频率(F)值的CL值。

研究人员对设计的混合包层HCPCF的约束损耗和模式含量进行仿真，研究结果表明，当结构设计为由Kagome晶格包围内管而不接触内管的双包层混合结构时，即使用Kagome-管状混合点阵(HKT)-HCPCF时，与典型的管状或Kagome包层HCPCF相比，HKT-HCPCF的损耗可以下降约5个数量级，最小可获得8.6×10-6dB/km。当考虑HKT-HCPCF设计的可实现版本时，仿真结果表明最小损耗可以达到1.42×10-2dB/km，在HCPCF中同时实现了超低损耗和更高效的单模工作。

图3(a)(I)管状、(II)套管式、(III)直杆式、(IV)套杆式、(V)连体式、(VI)理想混合式和(VII)带有支撑管的混合式光纤设计的基模CL模拟结果。(b)在所研究的光纤设计中，LP11模与基模CL值之间的比率(αLP11/αLP01)。

利用这一概念，研究人员研制了一种HKT-IC-HCPCF，它通过更小更薄的管子将内外包层连接在一起，使光纤包层的模态尽可能接近理想的包层设计，并对制备的混合包层IC-HCPCF进行了一系列实现，来检测其约束损耗以及模式含量，实验结果表明，该光纤在nm处的损耗最小，为1.6dB/km，这是高性能光子晶体光纤在1μm处的最低损耗；在10m长光纤的S2测量（S2测量指根据在激光波长扫描期间获取的光纤输出信号来计算模式分布和相应的多路径干涉值）中，高阶模式的最大消光比为47.0dB，这是在高性能光子晶体光纤中报道的最高消光比。

图4(a)HKT-HCPCF横截面和(b)放大支撑管区域。(c)损耗测量结果(蓝色曲线)、基模(分别为绿色和红色虚线)的模拟的约束损耗CL和总损耗TL，以及代表高阶模式(紫色和粉色虚线)的模拟TL。图5(a)10米长光纤的S2测量结果。(b)多路径干涉(MPI)与光纤偏移量的关系曲线。(c)M2测量结果。

总的来说，FetahBenabid教授团队提出了一种新型HKT-HCPCF结构的设计和制作方案，通过由Kagome和管状晶格组成的双包层混合结构来减少HCPCF的约束损耗，同时保持光纤芯由6个管状格子划分，以实现有效的单模工作。研究人员分别从仿真和实验展示了所设计的新型HKT-IC-HCPCF结构在约束损耗和单模工作方面的优越性，实验结果表明，HKT-IC-HCPCF在nm处的最小损耗为1.6dB/km，对于10m长的光纤，通过空间光谱(S2)成像技术测得的高阶模消光比高达47.0dB。此外，还通过检测光纤运动时的输出模式和改变耦合条件，进一步验证了光纤单模特性的稳健性。该HKT-IC-HCPCF结构显著降低了光纤的约束损耗，实现了高效的单模工作，为实现高性能光子晶体光纤开辟了一条新的途径，有效的结合了超低约束损耗和单模光束传输。

文章信息：该研究成果以"Low-losssingle-modehybrid-latticehollow-corephotoniccrystalfiber"为题在线发表在Light:ScienceApplications。论文全文下载