具有双厚度四倍半管结构的高双折射反共振空心光纤

长三角G60激光联盟导读

反共振空心光纤（称为AR-HCF或ArF）的光学性能特性正在迅速改善，但这些光纤的偏振保持问题仍未解决。本文就此问题进行了探讨。

摘要

反共振空心光纤（称为AR-HCF或ArF）的光学性能特性正在迅速改善，但这些光纤的偏振保持问题仍未解决。虽然规则非双折射ARF在静态条件下可以保持高偏振纯度，但它不能抵抗机械干扰。通过设计具有四重旋转对称的双厚度半管ARF结构，制备了第一个双折射能级接近10−4的ARF。所提出的ARF具有9.1 × 10−5的相位双折射组合，最小损耗为185 dB km−1，带宽为133 nm，工作模式为单模。此外，ARF显示出对光纤弯曲和宽范围温度变化的高耐性，从而证实了这种精心设计的ARF可以作为偏振相关光纤应用的实用工具。

1介绍

在光纤中保持偏振是许多应用的先决条件，从高稳定性激光器和相干通信到高精度传感。在理想的静态环境中，单模石英玻璃纤维（例如SMF28）应在1550 nm的1 km范围内保持45 dB的最大偏振消光比（PER）。然而，如果不能忽略环境扰动，则有必要引入内部双折射以抑制任何不需要的极化间耦合。在保偏光纤中，由几何不对称或内应力引入的模式双折射可以很好地抵消任何环境干扰，从而在实际条件下实现长距离光纤的高光偏振纯度。

具有反射萨格纳克环的100 MHz Yb激光器飞秒脉冲的归一化自相关轨迹。薄的蓝色干涉自相关轨迹；厚的红色强度自相关轨迹。在分析之前，激光器的输出已经被16厘米的SF6玻璃压缩。假设高斯脉冲形状，137 fs的强度自相关轨迹的宽度对应于98 fs的脉冲持续时间。

从实心玻璃纤维到微结构空心纤维（HCF）的演变是由HCF的许多基本优势推动的，包括高激光损伤阈值、低延迟、低色散、低非线性和潜在的极低衰减，因为基材发生了变化。因此，在激光传输、气体-光相互作用、数据传输和光纤陀螺仪中使用HCF引起了极大兴趣。然而，与成熟的固体玻璃纤维技术相比，在高密度光纤中产生模式双折射的困难是显而易见的。一方面，空气没有光弹性效应，因此排除了应力双折射，而另一方面，具有大模场直径的低损耗HCF通常在弱导区工作，不适合产生高形状双折射。根据最近对直态和弯曲态光纤的测量，还报告了非双折射ARF主轴的扭曲和方向。很明显，当非双折射ARF经历复杂的弯曲条件和温度变化时，它不能保证偏振保持行为或在宽带上保持偏振。

在光子带隙高折射光纤（PBGFs）中，可以通过工程化空气芯模和玻璃表面模的偏振相关相互作用来形成高双折射。迄今为止报告的最佳结果是在19单元PBGF中，相位双折射为2.5×10−4，最小损耗为4.9 dB km−1，带宽为14 nm，在特定弯曲半径下具有单模操作能力。然而，由于高双折射光子晶体光纤具有一些无法克服的缺点，包括带宽窄、损伤阈值低、空间模式纯度差和高后向散射，因此这些光纤在激光和光学陀螺仪中的应用仍然受到限制。

NANF与SMF中测量的反射密度（单极化，0.9米分辨率）。黄色轨迹排除了归因于局部缺陷的峰值，黑色虚线构成了对缺陷的理论预测−118dB/m。

幸运的是，几乎所有PBGFs的缺点都可以通过使用另一种HCF来克服，即ARF（也称为抑制耦合HCF），对于其宽带传输，高损伤阈值，纯空间模式，低后向散射和超低损耗已得到初步证明。然而，关于高双折射（在10−4级）在ARF中，这些光纤的普遍观点是，空气中光的高度局部化和低损耗ARF的弱引导性质将阻碍偏振差的产生。

在这项工作中，通过仔细设计包层结构，我们实现了第一个双折射水平接近10的ARF−4，，最小损耗降至<200 dB km−1，传输带宽>100 nm，单模行为保持良好。这种ARF能够结合高双折射和低损耗HCF的所有固有优点，这是ARF走向实际应用的另一个重要步骤。为了研究高双折射ARF的特性，我们测量了弯曲条件下(半径小至5厘米)、不同缠绕方向和大范围温度变化下的PER光谱。在11.5 m长度的纤维中，PER值保持≈30 dB。

2结果

2.1 ARF设计

图1a显示了具有四重旋转对称性和正交方向上两个玻璃膜厚度（t1和t2）的ARF结构（设计A）。该光纤具有负曲率纤芯环绕及其包层中的四个半管，这两个半管都可以实现强光限制。如前所述，如果核心周围的旋转对称性从六倍变为四倍，则双折射将增加至少50%。为了研究设计A的极化特性，使用了基于商业有限元法（FEM）的模式求解器（COMSOL Multiphysics），具有精细网格和完全匹配的吸收边界层，以模拟两种极化的模式指数（图1c）。通过验证模拟结果的收敛性，优化了我们研究中使用的网格大小和完全匹配层，以确保计算精度。

图1 a)四重旋转对称双壁半管ARF(设计A)， b)包含8个内管的改进结构(设计B)，c)设计A的两个极化的有限元模拟模态指数;显示了共振带附近波长的模态分布。x偏振(黑星):1445/1460/1480/1794/1798/1810 nm;y偏振(蓝圈):1455/1465/1480/1794/1798/1802 nm。d)模拟相位双折射(Bp)，e)设计A和设计B的约束损耗。

在图1c中，共振带附近出现强反交叉，这些反交叉对两种极化有不同的后果。由于玻璃板中不同阶次的横向电（TE）和横向磁（TM）模式的共振波长不同，并且由于它们与芯（漏）模式的相互作用强度也不同，在反共振透射窗口内，x极化芯模式的有效折射率可能与y极化模式的有效折射率非常不同。如图1d（黑色曲线）所示，设计A的相位双折射超过1×10−4在1500-1700 nm波长范围内。

图1c还显示了模式场剖面的演变。当波长进入共振带I时，x（y）极化芯模最终演变为较厚玻璃膜（t2）的准TE32（TE31）模。然而，当波长接近共振带II时，x（y）极化芯模演变为较薄玻璃膜（t1）的准TE25（TM23）模。需要注意的是，在反共振窗口的两侧，x极化的模场直径总是大于y极化的模场直径；这与模式场大小和模式指数之间的关系一致。

为了强调采用半圆管而不是全圆管的重要性，本文设计的ARF（图2a）与之前的嵌套反共振无节点光纤（NANF）设计进行了比较。图2b，c显示了设计B和三个双层准四重纳米光纤的限制损耗的模拟结果。使用相同的芯直径（Dcore=20µm）和相同的玻璃膜厚度（t1=0.93µm，t2=1.41µm，t3=0.37µm）确保相同的相位双折射水平。

图2 a）半管状ARF（设计B）和管状ARF（外层和内层之间具有不同间距z1=6.5µm、z2=13µm和z3=20µm的双层纳米纤维）的结构。b、 c）所有ARF结构的两个极化的模拟限制损耗。

2.2光纤制造和传输损耗

图3a显示了使用改进的堆叠和绘制方法获得的制备STF(设计B)的扫描电子显微镜(SEM)图像。测得锥心直径(Dcore)值为21.5µm(长轴)/19.5µm(短轴)，玻璃膜厚度(t1、t2、t3)分别为0.98、1.4、0.5µm。

图3 a）高双折射STF的SEM图像。b、 c）两种偏振通过长（85米，灰色）和短（5米，黑色）光纤的光谱传输。还比较了缩减测量的损耗谱（红色曲线）和模拟的限制损耗（黑色虚线曲线）。

为了测量两种偏振的损耗，在光纤前端添加了一个高精度旋转支架上的方解石偏振器（消光比超过50 dB）和一个自由空间透镜耦合装置。此外，放置在光纤输出端的第二个旋转偏振器用于测量最大/最小值，以对齐所制造光纤的双折射轴。当偏振器与x/y轴对齐并且光纤长度从85米缩短到5米时，然后使用光谱分析仪（OSA）获取透射光谱（如图3b，c所示）。在损耗谱中，还观察到另一个1130-1326 nm的透射窗口，x和y偏振在1245和1274 nm处的最小损耗分别为50和97 dB km−1。

使用从SEM图像中提取的结构参数，我们的FEM模拟得出这两个波长区域的约束损耗谱，与实验结果非常吻合（图3b，c）。注意，图3中实现的损耗水平比设计水平高一个数量级。这种差异主要是由于内管膨胀不足（见图3a），这导致相邻内管之间存在较大间隙，也会加剧漏光。损耗高的第二个原因可能是玻璃厚度t3不理想和内管相对较小，两者都稍微偏离了实际的抗共振要求。在更精确地控制纤维拉拔过程中的气体加压的基础上进一步优化制造工艺，应为缩小实验和设计之间的差距提供机会。

2.3群和相位双折射

为了测量拟议光纤的群（Bg）和相位（Bp）双折射，使用基于单模光纤（SMF）的超连续谱源（YSL Photonics，China，SC）、两个方解石偏振器（P1/P2）和OSA（图4a）构建了偏振模式干涉仪。

图4 a）偏振模式干涉仪示意图。b）测量组（黑点）和相位双折射（红星），以及相应的模拟结果。

图4b绘制了|Bg|(黑色圆圈)和Bp(红色星形)的测量值以及相应的模拟结果(灰色曲线和粉色曲线)。在1507 ~ 1640 nm的透射窗口内，获得了最高的相位双折射，平均为9.1 × 10−5。有趣的是，测量结果也显示组双折射在1580 nm处为零点。在1130 ~ 1326 nm的透射窗口中，群双折射在1190 nm处有一个零点，相位双折射≈1.5 × 10−5。实验和计算之间的良好一致性验证了图1所示的ARF设计。

2.4对环境扰动的抵抗力

接下来，我们研究了所提出的STF在外部扰动作用下的偏振保持能力。11.5米长的STF具有不同的弯曲直径(Db)。两个偏振的透射光谱和PER光谱使用两个高精度可旋转偏振器进行测量。当Db从58到10cm变化时，透射窗没有明显的变化或PER降解。如图5a,b所示，对于两个极化，我们的STF在所有弯曲条件下的传输带宽和PER均保持≈165 nm和≈30 dB。

图 5 a、 b）在两种极化的不同弯曲直径（Db）下，11.5 m高双折射STF的光谱传输和PER特性。c、 d）与（a）和（b）中测量的特性相同，固定弯曲直径为43 cm，具有不同的纤维缠绕方位（θ）。

为了进一步检查STF，我们将Db固定在43cm处，并以不同的倾斜角度（θ=0°、30°、60°和80°）将光纤反复缠绕在平板上。在光纤的每次反冲之后，我们测量了透射光谱和PER光谱，假设STF在不同的方位方向上弯曲。如图5c、d所示，传输窗口和PER变化很小，证实了在非双折射ARF中观察到的主轴扭曲在我们的STF中没有发生。我们将这种优异的抗扭性归因于近10−4相位双折射水平。相比之下，对于常规的单环管状ARF，在静态条件下，只能在窄波长区域内获得高PER。

在图5中，每个光谱中也观察到一个干涉条纹。这些条纹总是出现在1580 nm左右的波长范围内，其中Bg≈ 0（见图4）。为了解释这种行为，图6a说明了这样一种假设，即我们的测量装置将带宽为2 nm（即我们的OSA的光谱分辨率）的可调谐激光脉冲发送到光纤中。变换限制脉冲持续时间估计为3.7 ps（Δτ）。如图6a所示，由于模式场失配和光学器件的错位，光将在一系列接口处耦合到另一偏振，例如，在FUT的两个面和偏振器P2的输入面处。其中，c是真空中的光速，L=11.5 m，这些交叉耦合光组件（图6a中的I1和I3）将在时间上重叠并产生干涉条纹。根据图4所示的结果，这些干涉条纹将围绕零Bg波长扩展，跨度>35 nm。此外，当光沿着光纤传播时，它还从粗糙的空气-玻璃界面和光纤结构的纵向不均匀区域随机产生交叉极化分量（例如，图6a中的I2）。这些交叉偏振光组件已失去相干性，因此不会显示任何干涉特性。

图6 a）当FUT放置在烤箱中时，按照测量设置。沿光纤产生不同的交叉极化成分（I1、I2、I3）。b、 c）当烘箱温度从22°c变化到90°c，x偏振光或y偏振光射入光纤时，根据光谱连续测量。灰色阴影表示连续获取的一系列光谱曲线的叠加。

我们将纤维(Db = 20 cm)插入烤箱，再次测量PER。在22 ~ 90°C的温度变化范围内，我们连续获得了PER光谱。这种温度变化可以改变轻分量I1和I3的相位差，但对非相干分量I2没有影响。因此，我们只在≈40 nm范围内观察到零bg波长附近的干涉条纹(图6)。图6b,c中不同的可见度可以归因于在≈1580 nm处的偏振相关损耗(图4)。此外，根据图6a所示的图像，我们可以估计随机交叉偏振分量I2的强度和h参数来假设图5中最高的PER值，对应的是I1和I3的完全相消干涉。

2.5模态纯度

我们的STF (11.5 m长，Db = 55 cm)的空间模式纯度通过S2成像测量当线偏振光束发射到光纤的快(y)轴上，输出偏振器相对于双折射轴对齐45°(图7a)时，记录在光束剖面上的干涉图只能分辨多径干涉(MPI)值为−40 dB的弱x偏振基模。图7b显示了傅里叶变换后获得的振幅曲线。即使使用10µm的偏移量发射，所有高阶模式（HOM）都是不可识别的。我们模拟了STF的六个最低阶模式的限制损耗，结果如图7c所示。显著的HOM损耗（>10 dB m−1） 在整个波长区域（1500–1700 nm）内，可归因于HOMs和包层空气模式之间的相位匹配性能（参见图7c中的插图）。

图7 a） S2成像设置的安排。b）通过在每个像素处积分光谱获得的光学拍频光谱和模式轮廓的傅立叶变换。虚线表示不同模式的计算组延迟。c）模拟了1550 nm处前六个最低阶模式的限制损耗及其场分布。

3讨论和结论

为了追求低损耗高双折射ARF，首选四种结构特征：1）核心周围的双厚度玻璃墙（其中t1≠ t2）；2）较小的纤芯直径与波长比（Dcore/λ<15）；3）四重旋转对称性（C4v）；4）所有玻璃层和空气层必须满足反共振反射条件。前三个特性是高双折射所必需的，后一个特性是低损耗所必需的。如图8所示，由于我们的STF中使用了半圆管，空气层厚度（s’）与管径（D）的比值可以达到比全管ARF低的值，并且相对容易加压。在如此低的比率下，包层中的管数可以减少到四个（从而实现C4v旋转对称），而不影响反谐振要求。通过引入新参数s/D（s’/D）并打破全圆管的限制，我们实际上打开了一个范例，以实现特定光学特性和ARF制造复杂性之间的平衡。

图8 几乎所有已发表的单环管状ARF（左列）和NANF（中央列）的s/D和s’/D测量，以及STF（右列）的s/D和s’/D测量。SEM图像标记参数s、s’和D。STF中虚线椭圆的纵横比为2。

总之，通过充分利用包层中半圆管的结构自由度，我们成功地实现了双厚四倍半管ARF的高双折射(9.1 × 10−5)、低衰减(185 dB km−1)和宽带(133 nm)的组合。高相位双折射记录允许我们的STF在光纤弯曲(Db小至10cm)或在不同方位方向缠绕时保持偏振状态。这种卓越的极化维持能力代表了ARF在许多应用程序中实际使用的重要一步。

来源：Highly Birefringent Anti-Resonant Hollow-Core Fiber with a Bi-Thickness Fourfold Semi-Tube Structure, Laser & Photonics Reviews, doi.org/10.1002/lpor.202100365

参考文献：W. Hänsel, H. Hoogland, M. Giunta, S. Schmid, T. Steinmetz, R. Doubek, P. Mayer, S. Dobner, C. Cleff, M. Fischer, R. Holzwarth, Appl. Phys. B 2017, 123, 41.