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光纤激光器件的新焦点——3C手性耦合纤芯光纤
点击次数：1955 更新时间：2021-06-08

近两年，3C手性耦合芯光纤被越来越多的提及，频繁地出现在各类期刊文章当中，成为光纤激光器件家族中被关注的对象。为什么与双包层、三包层光纤相比，3C光纤会同样备受关注？是什么样的波导结构赋予之怎样的光学特性？今天咱们就一起来认识和了解一下3C手性耦合芯光纤。

  • 手性介质与手性波导

手性(Chirality or Handedness)是一个几何概念，它是指物体所具有的经由平移、旋转等任何实的空间操作都无法与其镜像相重合的性质，这种性质与物体本身的对称性缺失有关系。可以形象而简单的说，手性即是物体可以用手来表征的性质，因此也被称为手征性。手性体是具有手性的物体，典型的代表是螺旋和扭结状物体，手性体可以是三维的也可以是二维的。手性体的尺度可大可小，它可以是宏观物体如星系、星云等，也可以是 DNA、氨基酸等微观分子。图 1-1 给出了两个手性体的例子，分别是法国蜗牛和具有双螺旋结构的 DNA 分子[1]。

 

图1. 法国蜗牛和具有双螺旋结构的 DNA 分子

根据手性体尺度与所研究电磁波波长之间的大小关系，待研究问题所涉及的手性被划分为介质手性与结构手性。介质手性是指构成手性物质的手性体(如手性分子)的尺寸远小于电磁波波长，而二者可以相比拟的情况则称为结构手性。由介质手性体构成或者填充的材料称为手性介质，由手性介质*或者部分地替代常规介质，可以构成手性波导、手性光纤、手性光子晶体和手性光栅等新型器件。相应的，在与电磁波波长可以比拟的尺度量级上，由介质构成手性结构体，进而形成的器件就属于结构手性的范畴。典型的结构手性器件有手性光纤光栅[3,4]，平面手性结构阵列等。图2给出了一些介质手性和结构手性器件的例子，图2(a)为介质手性光纤(可以是包层或者芯层为手性介质，也可以是二者都为手性介质)；图2(b)为手性光纤光栅(亦被称为结构手性光纤)，其纤芯是双螺旋的；图2(c)为一种平面手性结构阵列，其手性体为二维万字状的微体[1]。

 

图2介质手性光纤(a)、手性光纤光栅(b)和平面手性结构阵列(c)

手性波导的概念，即包含手性介质的波导结构，是由N.  Engheta和P.  Pelet在1989 年首先提出的[3]，它是由在一般的柱形波导中填充各向同性的手性介质构成，即芯层是手性的而包层是由常规材料构成。该文中提到手性光波导不能独立支持 TEM、TE 和 TM 模式，其模式是以 TE 和 TM 的耦合孪生形式存在的。这一点与传统的光波导是不同的，因而引起了中外学者的广泛关注并且产生了浓厚的兴趣，他们同时也研究了手性波导的理论问题[4-5]。

 

 

二、手性光纤

近年来，光纤激光器及其相关技术发展迅猛，输出功率得到较大的提高，可以达到千瓦量级以上平均功率和兆瓦量级的峰值功率，因此受到人们的广泛关注。然而，随着功率的提高，光纤中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非线性效应变得比较严重，这限制了光纤激光器输出功率的进一步提升。为解决该问题，通常采用大模场面积(LMA)光纤或光子晶体光纤(PCF)来实现激光器的高功率输出。然而，前者会导致高阶模传输，只有采用正确的激励或弯曲盘绕等模式控制方法才能实现单模传输，且对于纤芯直径超过 25 μm 的 LMA 光纤来说，模式控制的方法很不稳定；后者虽然能实现单模输出，但在弯曲时会引起较大的模式损耗，不利于系统的集成化[1]。

 

针对上述问题，2007 年，美国 Michigan 大学超快光学研究中心提出了手性耦合纤芯3C光纤[6]的新型光纤结构，它能够突破传统单模光纤 V=2.405归一化截止频率的限制，在大纤芯尺寸(大于 30 μm )的情况下实现稳定的单模输出，且无需任何模式控制技术。这样既可达到提升光纤激光器输出功率的目的，又可以很方便地将光纤置于复杂系统中，实现光纤激光系统的集成化。实验如图所示，获得了1066nm，37W基模光输出。此外，3C光纤还具有模式无失真熔接和紧凑盘绕(盘绕半径小于 15 cm)的优点[7]，与采用标准光纤熔接与处理技术制备出的光学元件相匹配。3C光纤为实现高峰值功率与高能量的光纤激光器系统提供了一种新的途径，逐渐成为国内外研究人员关注的热点[1]。

图3. 3C光纤的制备

普通光纤通常由包层和沿轴向分布的纤芯构成，而 3C （Chirally-coupled-core）手性耦合纤芯光纤的结构，石英包层内有两条纤芯，一条是沿轴向分布的中央纤芯，芯径较大，一般在30um 以上，用于信号光的传输；另一条是偏离中心轴、围绕中央纤芯螺旋分布的侧芯，芯径比中央纤芯小得多，只有十几微米，主要作用是控制中央纤芯的模式，将高阶模耦合进侧芯并对其产生高损耗(大于 100 dB/m)，使得中央纤芯中的基模可以极低损耗地传输(小于 0.1 dB/m)。3C光纤的主要参数包含两芯尺寸、侧芯偏移量 R 和螺旋周期 Λ ，合理的 R 和 Λ 值能使侧芯对中央纤芯的模式进行控制与选择[1]。

 

图4. 3C光纤的结构

3C光纤之所以能够在大芯径情况下实现稳定的单模传输，是因为其侧芯特殊的螺旋结构。这种新型光纤中侧芯围绕中央纤芯螺旋的复合结构可以实现以下三方面功能。

1) 实现中央纤芯基模和侧芯中模式的相速度匹配，使两模式能够进行耦合。通常两个波导之间的模式耦合要满足相速度匹配条件( β（1）= β（2）)[7]，但在 CCC 结构中，由于螺旋因素的存在，两芯中模式的传输常数不再相等，会导致额外的相位差，因此其匹配条件变为[8]β side mode + Δβhelix = β(central mode) , 式中 β(central mode) 和 β side mode 分别为中央纤芯和侧芯中模式的传播常数，Δβhelix = 2πn/λ[ -1]为侧芯因螺旋产生的额外相速度，可通过 R 和 Λ 来控制，从而达到匹配条件。

2) 通过满足准相位匹配条件，可提供中央纤芯和侧芯之间有效的高阶模式的对称选择性耦合。该QPM 条件为[9] ，

 

式中 为主芯中  模的传播常数， 为主芯中  模的传播常数 为侧芯的螺旋修正因子，由于 QPM 条件要求侧芯传输常数为投射到中心轴的值，因此对 作出修正；K= 2π/Λ ，表示侧芯螺旋率；Δm = Δl + Δs ，其中 Δl 由四种可能的组合构成 Δl = ±l1 ± l2 ，而 Δs 的可能取值为-2，-1，0，+1，+2。 该公式表明，两模式之间由于螺旋因素所产生的相位差被螺旋率 K 所弥补时，便可相互作用。只有满足该 QPM 条件的两芯中的模式才能发生耦合，使中央纤芯的高阶模耦合进侧芯。

 

3) 合理选择侧芯尺寸、偏移量 R 及螺旋周期 Λ ，实现侧芯中高阶模式的高损耗特性。

通过满足 QPM 条件和侧芯高损耗特性，可以将中央纤芯的高阶模式耦合到侧芯从而被损耗掉，只留下基模稳定传输。而利用特性 1)，使中央纤芯基模与侧芯模式发生部分耦合，可方便地控制基模的相速度与色散特性[1]。

三、手性光纤激光器的发展

Michigan 大学超快光学研究中心为了验证3C光纤的单模传输特性，他们以芯径30 μm 的单模光纤(SMF)和中央纤芯芯径 34 μm 的3C光纤做对比模拟，均用只有 12.5%的光功率与基模匹配的光源进行激励，经过 20cm 左右距离的传播，两根光纤都只剩下 12.5%的功率，说明纤芯中只剩下基模传输，其余模式均损耗掉[9]。这一结果从理论上证实了3C 光纤等效于标准单模光纤，具有单模传输特性。为了进一步验证模拟结果，Liu 等[8]根据相关参数制备出中央纤芯芯径 35 μm 、侧芯芯径 12 μm 的3C光纤，这也是一根无源 3C光纤，同时参照模拟方法对其进行测试，得到该光纤在 1550 nm 处输出光斑为基模，光斑光束质量因子 M2=1.03，且该光纤的基模损耗为 0.095 dB/m，近乎无损耗地在纤芯中传输。这是世界上*证明3C光纤具有稳定单模传输特性的实验，具有重大意义。此外，实验还发现该光纤具有很好的保偏特性，消光比达到了 34 dB。

2008 年，该实验室制备出掺镱双包层3C光纤，其中，中央纤芯直径为 33 μm ，数值孔径(NA)为 0.06；侧芯直径为 16 μm ，NA为0.1；侧芯螺旋周期 Λ 为 7.4 mm，两芯边到边距离为 4 μm [6]。利用该有源光纤搭建激光器系统，得到了很好的实验结果。实验装置采用法布里-珀罗(F-P)谐振腔，尾端的高反镜对反射光没有任何模式选择功能，光纤宽松盘绕，不会起到模式选择作用。用 915 nm 激光二极管(LD)抽运有源光纤，在 1066 nm 处得到了 37 W激光输出，斜率效率达 75%，激光阈值功率为 6 W，输出光斑证实为基模[6]。该实验进一步验证了3C光纤的优越性，说明该光纤可以像普通光纤一样作为激光器的增益介质使用，所构成的光纤激光器具有高斜率效率和低阈值功率的优点，且输出的光束质量相比 LMA 光纤得到了较大的改善[1]。

 

图5. 33um 3C光纤实验及结果

在 2009 年以双包层掺镱3C光纤搭建放大系统来探究其放大特性[10]。该实验得到了 250 W 的连续功率输出和150W输出脉冲 10 ns，脉冲能量达到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率达到 74%。同样，在所有功率水平下，系统输出光斑均为单模。

2010 年，该团队将3C光纤应用于主振荡功率放大(MOPA)结构中来提升系统输出功率[11]。实验以2.7 m 长空气包层掺镱 3C光纤为功率放大器的增益介质，用 2.2 W 信号光激励该光纤，实现了 511 W 的MOPA 结构功率输出，放大器斜率效率为 70%，同时观测到输出光束为单频单横模的线偏振光，具有大于 15 dB 的消光比[1]。

2012年Michigan 大学超快光学研究中心Thomas Sosnowski等人[12]通过33/250um 3C光纤实现了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲；86.5uJ，575kW峰值功率脉冲，以及利用55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出。

 

 

图6. 33/250um 3C光纤输出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲

 

图7. 33/250um 3C光纤输出86.5uJ，575kW峰值功率脉冲

 

图8. 55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出

2013 年，立陶宛物理科学与技术中心的 Želudevicius[13]通过搭建飞秒光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统来提升输出功率，该系统中的功率放大装置采用3C光纤为增益介质。实验得到了 50 μJ 的脉冲能量，400 fs 的脉冲，输出光斑为近似衍射极限，光束质量因子1.1。

   

图9. 3C光纤实现飞秒脉冲放大

2018年Carnegie Mellon 大学的Jinxu Bai等人[14]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm种子源通过两级2.5m和3m的3C光纤放大，获得了121.2W，单脉冲能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脉冲输出。

 

 

图10. 级联3C光纤输出高功率、高能量脉冲

2019年，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纤，制作了用于引力波探测的，100W单频单模保偏光纤放大器。

 

图11. 百瓦单频单模保偏光纤放大器

以nLight Corporation出品的3C手性耦合芯光纤为例，中央芯33um，侧芯3um，包层250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可实现2mJ脉冲和300kW脉冲输出，M2<1.15，系统运行4500小时。[15]

图12. 33um nLight3C光纤和数值模拟模式损耗

 

图13. 以nLight3C增益光纤获得的光纤激光的光束质量

3C光纤除了能够实现稳定的单模传输外，根据其特殊结构，我们预测该光纤还能够抑制某些非线性效应。例如，利用中央纤芯基模与侧芯模式选择性耦合的特点，使基模某一偏振态耦合进侧芯，这样经反射回来的偏振态便与原偏振态相反，从而有效抑制受激布里渊散射(SBS)；经过特殊结构设计的 CCC 光纤，其透射谱具有一定范围的波长抑制区域，将该抑制区与斯托克斯 SRS 增益谱的峰值区相重合，便能有效抑制SRS 效应[16]；同时改变波长抑制区的范围，还能实现对掺镱光纤激光器和放大器的波长选择。CCC 光纤理论分析还表明其输出光束携带有角动量，因此可以预见 CCC 光纤能够实现颗粒俘获与操纵、量子通信、量子计算和多维量子空间中的信息编码等新型应用[17]。

四、总结及展望

总之，3C光纤的特点可总结为：

无需弯曲损耗保持良好的基模和偏振态输出；

有效抑制脉冲功率放大过程中的非线性效应；

可实现高能量、高峰值功率的脉冲输出。

基于以上的特性，脉冲光纤激光器的诸多光学指标可以得到较大的提升，进而满足现如今科研与工业对品质光源提出的多方面要求。此外，3C光纤结构还可以控制非线性效应、实现量子通信等特殊功能。3C结构能够实现的其他新型功能还有待我们的进一步研究，可以肯定的是，3C光纤无论在科学研究还是实际应用领域，都具有非常重要的意义及广阔的发展前景。

 

 

参考文献

  1. 赵 楠 李进延, 手性耦合纤芯光纤简介及研究进展, 激光与光电子学进展, 51, 040003(2014)
  2. 《手性光纤模式及其耦合特性》曹雨生P2-3
  3. N. Engheta. Modes in Chirowaveguides. Opt. Lett. 1989, 14(11): 593∼596
  4. P.  Pelet  and  N.  Engheta.  The  Theory  of  Chirowaveguides.  IEEE  Transactions  on Antennas and Propagation. 1990, 38(1): 90~98
  5. N.  Engheta  and  P.  Pelet.  Modes  Orthogonality  in  Chirowaveguides.  IEEE
  6. Swan M C, Liu C H, Guertin D, et al.. 33 μm core effectively single-mode chirally-coupled-core fiber laser at 1064-nm[C]. OFC, 2008. OWU2.
  7. 6 Galvanauskas A, Swan M C, Liu C H. Effectively- single- mode large core passive and active fibers with chirallycoupled-core structures[C]. CLEO/QELS 2008, 2008.
  8. Liu C H, Chang G, Litchinitser N, et al.. Effectively single-mode chirally-coupled core fiber[C]. Advanced Solid-State Photonics, 2007. ME2.
  9. 8 Liu C H, Chang G, Litchinister N, et al.. Chirally coupled core fibers at 1550-nm and 1064-nm for effectively singlemode core size scaling[C]. CLEO 2007, 2007. CTuBB3.
  10. Huang S, Zhu C, Liu C H, et al.. Power scaling of CCC fiber based lasers[C]. CLEO 2009, 2009. CThGG1
  11. Zhu C, Hu I, Ma X, et al.. Single- frequency and single- transverse mode Yb- doped CCC fiber MOPA with robust
  12. Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012
  13. J. Želudevičius, R. Danilevičius, Femtosecond fiber CPA system based on picosecond master oscillator and power amplifier with CCC fiber. 11 March 2013 / Vol. 21, No. 5 / OPTICS EXPRESS 5338
  14. A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, 1，1501208
  15. Timothy S. McComb, Dennis McCal, Roger Farrow，etc，High Peak Power, Flexible Pulse Parameter, Chirally Coupled Core (3C®) Fiber Based Picosecond MOPA Systems. Proc. of SPIE Vol. 8961 896112-1
  16. Experimental Demonstration of SRS Suppression in Chirally-Coupled-Core Fibers. Lasers, Sources, and Related Photonic Devices Technical Digest © 2012 OSA
  17. Ma X, Liu C H, Chang G, et al.. Angular- momentum coupled optical waves in chirally- coupled- core fibers[J]. Opt Express, 2011, 19(27): 26515-26528.