最近、杭州光学精密機械研究所（HPMI）のラッセル先端光波研究センターは、武漢理工大学（WUT）、寧波艾富博光電科技有限公司と共同で、超高シングルモード純度中空コア反共鳴微細構造光ファイバーの分野で画期的な進歩を遂げました。研究チームは、非等ピッチ毛細管分布と二重クラッド構造を持つ中空コア反共鳴微細構造ファイバーを設計・製造し、1585 nm付近のファイバーの高次モード抑制が、報告されている中空コアファイバーよりも約1～2桁高いことを実証しました。
中空コア反共振微細構造光ファイバーは、低屈折率の空気孔によって導かれる新しいタイプの微細構造光ファイバー導波路であり、広いスペクトル光導波、低分散、低非線形性、大きなモードフィールド領域、および高いレーザー損傷しきい値の利点があり、レーザー伝送、光ファイバー通信、光ファイバーセンシング、および非線形光学の分野での研究のための優れた伝送プラットフォームを提供するため、研究者の注目を集めています。一方で、高性能光ファイバーセンシング、光ファイバー通信、およびレーザーエネルギー伝送のインテリジェント処理などの実際のアプリケーションでは、中空コア光ファイバーにとって優れたシングルモード特性が重要です。ただし、光ガイド原理の制限により、中空コア光ファイバーでは、ソリッドコア光ファイバーと同様に高次モードを効果的に抑制することは困難です。 光ファイバーのシングルモード特性の最適化は、多くの場合、コア内の高次モードとクラッドモードの位相整合条件を達成するためのファイバー構造サイズの設計によって実現され、高次モードの損失が増加し、特定のコアモードが除去されます。ただし、このタイプのソリューションでは、コア内の他の高次モードが効果的に除去されず、残留する高次モードによって、特に短い光ファイバーを使用するアプリケーションの場合、送信信号のモード間干渉やクロストークによる出力電力の変動などの問題が発生する可能性があります。
これらの問題に対処するため、ラッセルのチームは、高次モードフィルタリングに対する異なるアプローチを模索しました。まず、均一な穴間隔を持つ空コアの反共鳴フォトニック結晶ファイバーのクラッド毛細管の間に大きな穴間隔を導入して高次モードの漏洩を強化し、次に、図 1a に示すように、第 1 クラッドの外側のケースの外側に適切な空気層を導入して、ファイバーの第 2 反共鳴クラッド層を構築しました。異なるモードの有効横波長の違いにより、この構造は特定の波長での高次モード損失を大幅に強化し、基本モードの損失を比較的低く抑えます。チームは、二重クラッドの中空コア反共鳴ファイバー (図 1b) を実験的に準備することに成功しました。これは、図 1c に示すように、約 1 μm を超える長波長間隔で高密度の共鳴ピークを形成し、超高シングルモード純度のレーザー伝送用のマルチレベルウィンドウを提供します。 さらに、図2に示すように、この二重クラッド中空コア反共鳴フォトニック結晶ファイバーの1585 nm付近のコアLP11高次モード阻止比は60 dB/kmと高く、最適化されたシングルモード純度を持つ報告されたファイバーのそれよりも約1～2桁高いことが実験的に検証されています。さらに、この研究では、充填ガス圧の変化によるこの中空コア反共鳴ファイバーの高シングルモード純度伝送間隔の柔軟な調整可能性を検証しており、これにより高純度シングルモードで利用可能な波長間隔が効果的に拡大されます。二重クラッド構造の中空コア微細構造ファイバーの超高シングルモード純度の検証は、ファイバーレーザーエネルギー伝送、光ファイバー通信、光ファイバーセンシングなど、ファイバーモードの高純度を必要とするアプリケーションに新しいアイデアを提供します。
関連研究成果は、「ダブルクラッドシングルリング中空コアフォトニック結晶ファイバーにおける強化モードフィルタリングによる超高横モード純度」という学術誌に掲載されています。この研究成果は、レーザーとフォトニクスのトップジャーナルであるLaser & Photonics Reviewsに掲載されました。 武漢理工大学と上海光学機械研究所（SIOM）の共同博士課程学生であるZhuozhao Luo博士が筆頭著者であり、ラッセルセンターのJiapeng Huang准研究員、Xin Jiang研究員、Mian Pang研究員が共同責任著者であり、SIOMの博士課程学生Ruochen Yin博士、寧波愛菲博光電科技有限公司のYu Zheng博士も共同責任著者である。本研究は、中国科学院外国人院士のPhilip Russell教授の指導の下、上海科学技術イノベーション行動計画（21ZR1482700）、中国国家自然科学基金（62275254）、張江実験室建設運営計画（20DZ2210300）、国家高レベル人材青年計画、阜陽高レベル人材計画の支援を受けた。 ハイレベルタレントプログラム、その他サポート。
図1 (a) 理論設計、(b) 走査型電子顕微鏡、(c) 二重クラッド中空コア反共鳴フォトニック結晶ファイバーの透過スペクトルテストパターン
図 2 (a) モード選択励起から得られた LP01 および LP11 モードの近接場マップ、(b) LP01 および LP11 モードの損失結果、(c) 高次モード抑制比 FOM 曲線、(d) 1-25 bar の窒素充填による二重クラッド中空コア反共鳴フォトニック結晶ファイバーの最大 FOM11 値 (左軸) と高 FOM11 値間隔 (右軸) の中心波長、(e) 1 bar、10 bar、20 bar のガス圧値で測定された FOM 曲線の中心波長
