窄帶空芯反諧振光纖的制備及其模式轉換應用研究*

楊家濠 張傲巖 夏長明 鄧志鵬 劉建濤 黃卓元 康嘉健 曾浩然 蔣仁杰 莫志峰 侯峙云 周桂耀

(華南師范大學信息光電子科技學院，廣州 510006)

1 引言

980 nm 激光器是目前市場及科研研究領域應用的最多的激光器，是摻鐿光纖激光器、鉺鐿光纖激光器及放大器的重要抽運源.現在市面上已推出了各種類型的980 nm 激光器，如半導體激光器、固體激光器、光纖激光器等，尤其是光纖激光器，由于光束質量好、功率高、可全光纖化等優點，已被廣泛應用到各個領域.目前市場上的高功率980 nm 光纖激光器多為多模激光輸出，可以滿足大部分工業化需求，但多模光纖激光器的光束質量限制了其性能的發揮.因此，近來年對980 nm 單模激光器的研究成為了熱點.

目前980 nm 單模激光主要通過單模增益光纖、雙包層增益光纖、光子晶體增益光纖、全固帶隙光子晶體光纖等實現單模激光輸出，并且輸出功率也在不斷提升.2000 年，康寧公司Zenteno 等[1]采用了1.1 W 的946 nm Nd:YAG 固體激光器抽運980 nm 單模光纖，獲得979.8 nm 單模激光輸出，最大輸出功率為655 mW;2008 年，德國耶拿大學Fabian 等[2]利用高功率915 nm LD 抽運1.2 m大模場棒狀摻鐿光纖，獲得輸出功率94 W 的980 nm 連續激光;2010 年，北京工業大學李平雪等[3]用946 nm Nd:YAG 固體激光器抽運36.5 cm 的摻鐿光纖，獲得功率為100 mW 的980 nm 單模激光輸出;2011 年，北京工業大學李平雪等[4]采用30 W 的915 nm LD 抽運內包層直徑分別為170和200 μm 摻鐿光子晶體光纖，獲得輸出功率分別為1.24 和1.1 W 的980 nm 連續激光.2014 年，Leich 等[5]通過使用長度為0.95 m、纖芯直徑為10—126 μm、數值孔徑NA為0.15 的錐形光纖，以915 nm 二極管作為抽運源，獲得效率為31%、功率為10 W的976 nm 單模激光輸出;2016 年，俄羅斯科學院光纖研究中心Ballato 等[6]研發了一種W型纖芯折射率分布的摻鐿光纖，纖芯直徑為28 μm，方形包層邊長為80 μm，芯徑與包層直徑之比為0.31，獲得了波長為977 nm、功率為5.5 w 的連續單模激光輸出，斜率效率為25%;2019 年，國防科技大學杜赫庭等[7]在實驗中采用纖芯60 μm，包層直徑130 μm 的雙包層摻鐿光纖，采用976 nm穩波長激光二極管作為種子源，利用915 nm 激光二極管作為抽運源，在種子光功率為3 W、抽運功率為315 W 的條件下，獲得了功率為113 W、斜率效率為45%的單模激光輸出.從以上分析可以看出，盡管利用雙包層增益光纖和光子晶體增益光纖可以有效獲得980 nm 單模激光輸出，并能夠實現高功率激光輸出，但也面臨著輸出效率不高的問題.因此，采用新的方法和技術實現980 nm 激光器單模輸出，并提高單模激光的輸出功率，將是拓展980 nm 激光應用的有效途徑.由于空芯反諧振光纖既可以做到大纖芯又可以保持單模特性，這為高功率980 nm 單模光纖激光器激光的實現開辟了一個新的途徑.

空芯反諧振光纖是近幾年來各國科研機構、高校院所研究的熱點之一，由于其優異的光學特性如低非線性、超低群速度色散、低溫度敏感性和高損傷閾值等，使其在大功率激光傳輸、量子通信、傳感、航空航天等多個領域有著潛在的應用[8，9]，是未來最具發展潛力的特種光纖[10，11]之一.自2011 年誕生以來，世界各國已開發了不同種類的空芯反諧振光纖，如冰淇淋結構[12]、單環結構、多層結構[13]、嵌套管結構[14，15]和連接管結構[16]等，并且隨著結構參數的不斷優化，光纖損耗不斷降低.2018 年，北京工業大學和中國科學院物理研究所汪瀅瑩等[16]聯合報導了一種空芯連體光纖，在1512 nm 波段的傳輸損耗降低至2 dB/km;2019 年，中國科學院上海光學精密機械研究所于飛等[17]將空芯反諧振光纖在 3.1 μm 處的傳輸損耗降低至 18 dB/km;中國2020 年，南安普頓大學Jasion 等[18]以雙琉璃管來嵌套反諧振無節點光纖，實現了在C+L 波段將傳輸損耗降低至0.28 dB/km.2021 年，OFC 會議上，英國南安普頓大學Tamura 等[19]將五孔嵌套反諧振光纖損耗降到0.22 dB/km，與現在通信光纖損耗相接近，為拓展氣體激光器、高功率激光傳輸等應用創造了新的機遇.

本文結合空芯反諧振光纖優勢，開發出一種適用于980 nm 激光多模轉單模的空芯反諧振光纖，將其與傳統980 nm 多模激光器結合，有效地提高模式轉換效率，并降低了980 nm 單模激光器成本.

2 空芯反諧振光纖結構及導光機理

空芯反諧振光纖的典型結構端面圖如圖1 所示[20]，包層由一層空氣孔組成，各個毛細管之間無節點，有效地減少了表面模對纖芯模式的損耗，光纖在導光時，光被限制在纖芯中傳輸，最大程度地降低了固體介質對光纖的傳輸損耗.其導光機理如圖2 所示[21].包層內壁高折射率石英脈區構成的結構可視作一個法布里-珀羅(F-P)諧振腔，在共振狀態時F-P 腔可視作透明狀態，光從包層泄漏出去;而在反共振狀態下，F-P 腔的反射系數很高，可將光限制在纖芯當中.

圖1 空芯反諧振光纖端面圖[20]Fig.1.Cross-section of hollow core anti-resonant fiber[20].

圖2 空芯反諧振光纖導光原理圖[21] (a)反諧振;(b)諧振Fig.2.Light guiding principles of hollow core antiresonant fiber[21]:(a) Antiresonant;(b) resonant.

空芯反諧振光纖的反諧振窗口位置表示為

式中，λγ為反諧振波長;t為石英脈區的寬度;n為石英玻璃的折射率;m為整數，與波導的共振數相對應.

3 空芯反諧振光纖的制備

參照反諧振窗口公式，得出特定諧振窗口波段的石英脈區(即管壁厚t)為

由此算出反諧振窗口為980 nm，波段t=466 nm;設計纖芯包層管數量n影響到光纖的高階模式(higher order modes，HOMs)損耗和彎曲損耗，纖芯芯徑大于20 μm 的空芯光纖常用諧振效應將高階模耦合到包層的模式中[22]，其中通過限制包層管直徑d與纖芯直徑D(最大內切圓接觸管)的比例d/D來抑制對HOMs 對光纖的影響，對于給定包層管數量n 能夠得到最大的比例d/D，表示[23]為

又因為 當n≥ 8 時 ，(d/D) max(n)≤ (d/D)max(8)=0.62，折射率差距太大會導致HOMs 無法與包層模式諧振耦合，因此想通過諧振耦合實現對這些模式的抑制要使包層管數量n≤ 7[24，25]，由Uebel 等[25]表明，實現6 孔空芯反諧振光纖設計HOMs 抑制的最佳比例d/D≥0.62.設計D=30 μm，根據d/D=0.62 可得d=18.6 μm.設立足夠厚的外包層，使得纖芯中的光場盡可能小的受到外包層光的散射影響，這里外包層厚度為15 μm，內徑ID 為50 μm，外徑OD 為65 μm.設置好光纖預設計參數后，使用COMSOL 軟件來模擬仿真得到光纖的模場分布，得到光纖結構與模場分布如圖3 所示，并計算出光纖的彎曲損耗和色散等參數來檢驗光纖的性能.

圖3 光纖設計結構與模場分析圖 (a) 光纖結構設計圖;(b) 光纖模場分析圖Fig.3.Fiber design structure and mode field analysis:(a)Optical fiber structure design drawing;(b) optical fiber mode field analysis diagram.

為了計算結構的彎曲損失，將彎曲結構轉化為具有等效折射率剖面的結構，其公式定義為

其中R為彎曲半徑;x為光纖彎曲方向;n(x，y)為等效結構下的折射率分布.

光纖彎曲時所造成的模式損耗可以用以下公式來計算[26]:

其中β為傳播常數;k0為自由空間波數;Im(β)和Im(neff)分別為傳播常數和有效折射率的虛部.λ為波長，本文設λ為980 nm[27，28].通過COMSOL模擬仿真得出光纖沿不同方向彎曲時的模場分布和傳輸損耗如圖4 和圖5 所示.

圖4 光纖x 軸和y 軸方向彎曲時的模場分布圖 (a) 光纖沿x 軸方向彎曲模場分布圖;(b) 光纖沿y 軸方向彎曲模場分布圖Fig.4.Mode field distribution of optical fiber bending along x- and y- axis:(a) The distribution of bending mode field of optical fiber along the x-axis;(b) the distribution of bending mode field of optical fiber along the y-axis.

圖5 光纖沿x 軸和y 軸方向彎曲損耗圖 (a) 光纖沿x 軸方向彎曲損耗圖;(b) 光纖沿y 軸方向彎曲損耗圖Fig.5.Bending loss diagram of optical fiber along x-and yaxis:(a) Fiber bending loss along the x-axis;(b) fiber bending loss along the y-axis.

空芯反諧振光纖的波導色散與其結構有關，改變光纖的結構可以得出不同的波導色散，波導色散的公式可以表示為[29]

其中neff為有效折射率;λ為傳播波長.通過COMSOL軟件來模擬仿真得到的光纖有效折射率以及由公式計算得出光纖的色散如圖6 和圖7 所示.

圖6 光纖有效折射率Fig.6.Effective refractive index of optical fiber.

圖7 光纖色散圖Fig.7.Dispersion diagram of optical fiber.

根據需求，結合光纖拉制工藝，將符合參數的薄壁石英玻璃管用堆積方法制備成空芯反諧振光纖預制棒，然后將預制棒置于實驗室特種光纖拉絲塔上，通過控制爐溫及光纖拉絲參數，拉制出所需的空芯反諧振光纖，光纖端面結構如圖8 所示，其具體參數如表1 所列，該光纖為六孔空芯反諧振光纖，纖芯直徑D為30 μm，包層壁厚t為500 nm，包層圓心距Λ為21.4 μm.根據壁厚，利用公式(1)式，計算得出該光纖的反諧振窗口分別在1024 (m=1)，582 (m=2)，395 (m=3)和296 nm (m=4).

表1 空芯反諧振光纖直徑，包層壁厚、包層圓心距和反諧振窗口參數Table 1.Hollow core anti-resonant fiber diameter，cladding wall thickness，cladding center distance and anti-resonance window parameters.

圖8 空芯反諧振光纖SEM 端面圖Fig.8.SEM cross-section of the hollow core anti-resonance fiber.

4 空芯反諧振光纖性能分析

為了研究該空芯反諧振光纖的光學性能，以NKT超連續譜(400—2400 nm，Superk compact，NKT)作為光源，海洋光學MAYA 光譜儀(200—1100 nm)作為接收端測試空芯反諧振光纖的傳輸譜.

圖9 為空芯反諧振光纖在可見及近紅外波段(400—1100 nm)的傳輸譜，插圖分別為其導光圖，從圖可以看出，光纖在可見及近紅外波段存在7 個導帶，其中1064 nm 為光源泵浦光，其余6 個的導帶中心波長分別位于488，582，758，866，919 和982 nm，其中982 nm 波長處導帶半高寬較寬，582 nm 波長處的導帶半高寬較窄，其黃色的導光插圖與中心波長582 nm 的導光帶相吻合.由圖9可看出，光纖傳輸的峰值大體與設計相符合，但也出現了一些雜峰，其原因是光纖實際拉制而成的結構與理論設計存在一定偏差，如管壁厚以及纖芯直徑等，從而實際光纖傳輸的峰值與理論間產生不同，屬于工藝制造問題，通過優化拉制工藝能夠進一步修正光纖結構的誤差.

圖9 空芯反諧振光纖傳輸譜圖Fig.9.Transmission spectrum of hollow core anti-resonance fiber.

采用截斷法測量該空芯反諧振光纖的損耗如圖10 所示，從圖中可以看出，其損耗最低點和傳輸譜峰值基本吻合.該光纖在982 nm 波段的損耗為0.32 dB/m，損耗比較大，其主要原因是該光纖包層采用單包層石英環，從而增加了光纖損耗.從損耗上來說，該光纖損耗相對比較大，并不能在通信上得到應用，但作為光學器件的研究，該光纖可以實現高能激光的短距離傳輸，如980 nm 高功率激光傳輸.

圖10 空芯反諧振光纖的傳輸損耗圖Fig.10.Transmission loss diagram of hollow core anti-resonance fiber.

為了驗證空芯反諧振光纖的模式轉換能力，搭建了如圖11 所示的模式轉化裝置，所用激光器(MXLS-976-50-2-N-D，MAX)為最大輸出功率為50 W 的980 nm 多模光纖激光器，其輸出纖芯直徑為200 μm，980 nm 激光采用準直輸出.利用Thorlabs 光束質量分析儀記錄了空芯反諧振光纖模式等性能參數.實驗中所用光纖長度為3 m.為了提高耦合效率，將50/125 多模光纖拉錐制備成一根錐形光纖，通過使用Fujikura LZM-100 光纖熔接機將一根50/125 的多模光纖進行拉錐操作，將多模光纖中的一段芯徑拉制成30 μm，使其與光纖的纖芯直徑大小基本一致，然后用光纖切割機在多模光纖的拉錐線段進行切割得到一段多模錐形光纖，再使用熔接機將這段錐形多模光纖與空芯反諧振光纖進行熔接.圖12 展示了空芯反諧振光纖多模與單模轉化效率圖及980 nm 單模激光模式，其中圖12(a)為光纖多模轉單模效率圖，圖12(b)和圖12(c)為多模光纖激光器二維和三維模式圖，圖12(d)和圖12(e)為空芯反諧振光纖980 nm 單模激光二維和三維模式圖.從圖12(b)和圖12(c)可以看出，多模激光經過錐形光纖依然保持著多模特性，而從圖12(d)和圖12(e)中可以看出，經過3 m 長的空芯反諧振光纖后，其模式呈現單模狀態.從圖12(a)中可以看出，經過空芯反諧振光纖可以實現從多模激光到單模激光，其轉換效率約47.5 %，目前由于實驗條件限制獲得單模激光輸出功率為7.643 mW.

圖11 980 nm 多模光纖激光器轉單模激光裝置示意圖Fig.11.Schematic diagram of 980 nm multi-mode fiber laser to single-mode laser device.

圖12 空芯反諧振光纖多模與單模轉化效率圖及980 nm 單模激光模式 (a) 光纖多模轉單模效率圖;(b)，(c) 經錐形光纖模式多模激光模式圖;(d)，(e) 經空芯反諧振光纖激光模式圖Fig.12.Multi-mode and single-mode conversion efficiency of hollow core anti-resonance fiber:(a) Efficiency of fiber from multimode to single-mode;(b)，(c) multi-mode laser modes after tapered fiber mode;(d)，(e) laser patterns of hollow core anti-resonant fiber.

為了衡量光纖輸出光束的質量我們可以通過計算M2因子來進行判斷，計算方法選擇光束質量標準的兩點法來測M2因子[30].首先用透鏡將激光束進行聚焦，然后距離透鏡主平面為f處測量光斑半徑ωf，可得出激光束的θ=ωf/f，然后測量光束聚焦到最小時的光斑半徑ω0和此處距離透鏡主平面的距離s，可得出激光束的腰斑半徑ω=ω0f/(s—f)，M2因子的公式表示為

對于基模高斯光束的腰斑半徑與發散角的乘積可以表示為

為保證數據準確，分別測量未經過光纖傳輸的光束質量參數和經過長度為3 m 的反諧振光纖傳輸后的光束質量參數，測試多組數據減少誤差，測量的數據如表2 和表3 所列.將上述表中測得的數據帶入公式進行計算，得到未經過光纖傳輸的光束質量因子在3.4 左右，而經過光纖傳輸后的光束質量因子在1.41 左右，可以看出光束質量得到提高，反諧振光纖起到了多模轉化為單模的作用.

表2 未經過光纖傳輸后的光束質量測量參數Table 2.Measurement parameters of beam quality without optical fiber transmission.

表3 經過光纖傳輸后的光束質量測量參數Table 3.Measurement parameters of beam quality through by optical fiber transmission.

5 總結

本文利用堆積法制備了適用于980 nm 傳輸的空芯反諧振光纖，并對其性能進行了測試，研究了在模式轉換領域的應用.該空芯反諧振光纖壁厚控制在納米量級，在可見及近紅外波段實現了很好的導光特性，為空芯反諧振光纖導光及高功率激光傳輸等方面應用奠定基礎.實驗表明，制備的空芯反諧振光纖可有效地將980 nm 多模激光轉化成單模激光，由于空芯反諧振光纖既可以做到大纖芯又可以保持單模特性，這為高功率980 nm 單模光纖激光器的實現開辟了一個新的途徑.