空心多层光子带隙光纤——高功率传输大有可为

编辑 | CAFF课题组曾少宁(19级硕士)、周莹(18级硕士）

二氧化硅光纤在电信方面的应用已经取得了极大的成功，其他类型的实心纤维也受到广泛研究，然而，所有主要依靠光通过固体材料传播的纤维都有一些基本限制，这些限制来自非线性效应、电子或声子的光吸收、材料色散和瑞利散射，它们限制了最大光传输功率且增加了衰减损耗。这些限制反过来推动了对一种完全不同的光导方法的研究：使用具有高反射壁的空心波导。光在中空纤维中通过空气传播可以消除或大大减少非线性、热透镜和端部反射的问题，促进高功率激光传输和其他可能无法使用常规光纤的应用。

Yoel Fink(麻省理工学院)在Nature上发表的一项研究"Wavelength-scalable hollow optical fibres with large photonic bandgaps for CO₂ laser transmission"中，高折射率对比的固体多层结构包围着空心纤芯，形成了大的光子带隙和全向反射率，这种光纤能够实现超低损耗和其他独特的传输特性。大的光子带隙使得层结构内的电磁穿透深度非常短，显着降低了辐射和吸收损耗，同时增加了鲁棒性。为了在纤维的分层部分实现高折射率对比，研究者结合了折射率约为2.8的硫系玻璃三硒化砷(As₂Se₃)，以及折射率约为1.55、高玻璃化转变温度的热塑性聚合物聚醚砜(PES)。

图1 中空圆柱形多层光纤的横截面图

为了证明“波长可扩展性”(即通过光纤结构参数控制透射)，研究者们制备出另一种具有相同横截面但具有较薄层的光纤。比较了原始3.55 μm带隙光纤的透射光谱与具有缩小的层厚度的光纤的透射光谱。

图2 中空纤维的透射光谱

在短光纤(~30 cm)中，虽然高阶带隙中的弯曲损耗要大得多，但是没有发现小弯曲会大大降低基本光子带隙中的透射率。为了定性测试这种行为的极限，将3.55 μm带隙的光纤弯曲环绕成一个“结”。与直纤维相比，基本带隙中约40％的光透过该光纤，而在高阶间隙中引导的光则衰减得更强。具有接近3 μm带隙的中空纤维对于高能Er:YAG激光辐射的传输是非常有意义的。

图3 具有3.55 μm带隙的直中空纤维(蓝色)和“打结”中空纤维(红色)的透射光谱

纤维的波长可扩展性通过制造设计用于传输10.6 μm电磁辐射的中空纤维得到进一步证明。这不仅表明，这些结构可以在极其不同的波长下引导光，而且在制造和光纤绘制过程中，可以准确地定位特定的带隙波长。

图4 用于传输CO₂激光的中空纤维的典型透射光谱

试验证明耦合到光纤中的最大激光功率密度约为300 W cm^-2，当激光束适当地耦合到中空纤维芯中时，没有观察到对纤维的损坏，所以使用空心多层光子带隙光纤作为高功率激光的低损耗波长可伸缩传输介质具有可行性。 

参考文献

Temelkuran B , HartS D ,Benoit G , et al. Wavelength-scalable hollow optical fibres with large photonic bandgaps for CO₂ laser transmission. Nature, 2002, 420(6916):650-653.

DOI:10.1038/nature01275

本文来源： FibersHUST