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北京工业大学王璞、汪滢莹课题组:超低损耗空芯反谐振光纤

2018-11-07

近期,北京工业大学王璞教授、汪滢莹副研究员团队与中国科学院物理研究所丁伟副研究员合作,在国际上首次报导了超低损耗超宽带的空芯反谐振光纤,不仅在综合传输性能上突破了空芯带隙光纤维持了20年的纪录,并且为“探索光纤传输损耗极限”这一光纤光学最核心的科学问题指出了新的方向。

20世纪以来,光纤技术的出现和大量应用为人类社会开辟出了以光纤通信、光纤激光器、光纤传感为代表的光纤工业。进入21世纪以后,随着数据传输容量的爆炸式增长、光纤激光器功率/脉宽的不断突破、以及极端环境下复杂传感阵列的紧迫应用需求,石英作为光纤材料具有的本征缺陷,如非线性、色散、光致损伤、紫外中红外不通光等,逐渐变得显著起来。这些本征的物理问题在传统光纤的框架内很难得到解决,成为制约光纤技术向前发展的根本障碍。空芯光子晶体光纤的先驱们正是怀着“打破实心光纤本征物理极限”的梦想开始了对新的基于微结构的导光机理的探索——希望通过构建包层结构在空气纤芯中实现超低损耗、低非线性、低色散、低延迟的宽带导光,彻底解放光纤技术应用中的材料限制。经过20多年的努力,空芯微结构光纤已经发展成为光纤光学中最为活跃的研究方向之一。由此产生的技术进步正在为光通信、激光、非线性光学、传感、量子光学等领域的发展带来重要的驱动力。

空芯光纤的发展经历了两次重大的转折。在21世纪初的十年中,基于光子带隙效应的第一代空芯光纤在实验和理论上均取得了快速进步。然而,由于其本身固有的复杂结构,人们逐渐意识到这类空芯光纤的传输损耗无法突破 “表面散射损耗”极限,而且它的传输带宽较窄,激光损伤阈值不够高。这些因素阻碍了空芯光纤走出实验室,进入大规模工业应用。与此同时,另一类空芯光纤,空芯反谐振光纤,由于其天然的宽带和高激光损伤阈值的特点,在此后的十余年间取得井喷式发展。与带隙光纤复杂的包层结构不同,空芯反谐振光纤具有“简约而不简单”的微结构包层。如图1A蓝色框内所示,光纤的包层可以由几个不接触的薄壁毛细管组成。空芯反谐振光纤在传输通带、激光损伤阈值和单模性方面展现出来的优秀光学性能与处于黄金发展期的超快激光技术有了非常成功的结合。近年来,基于空芯反谐振光纤的高功率超快激光传输、单周期脉冲压缩、紫外中红外激光产生等工业和前沿应用不断见诸报端。


图1 (A)几种典型的空芯光纤损耗、带宽对比图。深黄色为2004年英国巴斯(Bath)大学研制的损耗1.7 dB/km、带宽20 nm的空芯带隙光纤;黑色为2013年南安普顿大学光电子中心(ORC)研制的损耗3.5 dB/km、带宽160 nm的空芯带隙光纤;蓝色为2017年南安普顿大学研制的损耗25 dB/km、带宽600 nm以上的单层空芯反谐振光纤;红色为2018年北京工业大学(BJUT)研制的损耗2 dB/km、带宽335 nm的空芯连体光纤。(B)仿真显示,通过构建2字型空芯连体光纤(紫色结构及曲线),损耗可降至0.1 dB/km,低于石英光纤的理论损耗极限。

尽管空芯反谐振光纤的应用领域在不断扩大,但相比于空芯带隙光纤和传统实芯光纤,它的最低传输损耗一直维持在几十dB/km的水平,成为阻碍它实现长距离传输应用的一大障碍。尽管可以通过扩大纤芯的方法将传输损耗降低到8 dB/km,但这是以牺牲光纤弯曲性能为代价的实验室展示,不具有实际应用的价值。如何继续降低损耗成为领域内关注的焦点,英国南安普顿大学、巴斯大学、德国马普所、法国利摩日大学等世界顶级研制团队都在集中力量解决这一难题。

北京工业大学和中科院物理所组成的联合团队在世界上首次报导了一款全新的空芯反谐振光纤,命名为空芯连体光纤(图2)。它的包层由6个八字形连体毛细管组成,壁厚仅1 μm,纤芯仅30 μm。这一结构通过在包层区域由内向外构建几个波长精确重叠的反谐振层在1512 nm实现了2 dB/km 的最低传输损耗,比同样纤芯大小的其他结构的反谐振光纤降低了1个数量级以上,成为一个新的世界纪录。该光纤的16 dB/km通光窗口跨越了O-L 通信波段(1302~1637 nm)。这是人们第一次将超低损耗、宽带、低弯曲损耗、高模式纯度和简单结构等优秀性能实现在同一根空芯光纤中(图1A),可以称之为空芯光纤发展20年来综合性能最优的一款光纤。更重要的是,团队独立提出的“多层泄漏”损耗模型准确解释了光纤的性能,并为它的结构优化提供了清晰的物理图像。理论预测和数值仿真均显示,结构具有继续降低损耗至0.1 dB/km的可能(图1B),这将低于石英光纤的材料损耗极限!探索光纤的损耗极限一直是光纤光学领域最重要的科学问题,而连体结构的空芯反谐振光纤为科学家们指明了一个新的方向。鉴于该工作在光纤应用和基础研究两方面的重要意义,文章被Nature Communication 评审人评价为是这一领域的“重大突破”(significant breakthrough,评审意见在补充材料中在线发表),相关工作也在OSA的Advanced Photonics Congress 2018主题会议上做了Postdeadline 报导。


图2. 空芯连体光纤(A)3D图;(B)扫描电镜图;(C)实际测量的传输损耗图。

目前,北京工业大学团队已与国内外多所知名高校展开国际、国内合作,包括加拿大国家实验室、美国贝勒大学、瑞士联邦理工学院、德国Edgewave公司、澳大利亚阿迪莱德大学、香港理工大学、北京大学、天津大学、国防科技大学、南京大学等,共同挖掘空芯反谐振光纤在激光、传感、生物、通信等领域的应用潜力;同时,光纤可以满足国家重大战略需求,国内有多家单位正以多种形式与该课题组合作,积极推动该光纤的产业化应用,促进科技成果转移转化。

该工作以Hollow-core conjoined-tube negative-curvature fibre with ultralow loss为题发表在Nature Communication[9, 2828 (2018)]上,第一作者是北京工业大学博士生高寿飞,通信作者为汪滢莹副研究员,理论部分由中科院物理所丁伟副研究员指导完成,课题指导人为王璞教授,该工作主要由科技部国家重点研发计划(2017YFB0405200)、基金委重大科研仪器研制项目(61527822)、基金委面上项目(61675011、61575218)和北京市科技新星项目(Z181100006218097)资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05225-1/