空芯反諧振微結構光纖是以低折射率空氣孔導光的一種新型微結構光纖波導，具有寬光譜導光、低色散、低非線性、大模場面積以及高激光損傷閾值等優勢，為激光傳輸、光纖通信、光纖傳感以及非線性光學等領域研究提供了極佳的傳輸平臺，備受研究者們的關注。一方面，良好的單模特性對于空芯光纖在高性能光纖傳感、光纖通信、激光傳能智能加工等實際應用中具有重要意義。然而由于其導光原理的限制，在空芯光纖中難以實現類似于實芯光纖中對高階模式的有效抑制。其光纖單模特性的優化往往通過對光纖結構尺寸設計來實現纖芯中某一高階模與包層中的模式達到相位匹配條件，增大高階模的損耗而濾除某一特定的纖芯模式。然而該類方案并未有效地濾除纖芯中的其他高階模，殘余的高階模可能仍然會引起如光纖模間干涉導致的輸出功率波動或者傳輸信號串擾等問題，尤其是在使用較短光纖的應用場景下。

針對上述問題，羅素團隊探索了一種不同的高階模濾除方式，首先，在傳統均勻孔間距的空芯反諧振光子晶體光纖包層毛細管之間引入較大孔間距來增強高階模的泄漏，其次在第一包層外側的套管之外引入合適的空氣層構造光纖的第二層反諧振包層，如下圖1a所示。由于不同模式有效橫向波長存在差異，該結構顯著地增強了特定波長下高階模損耗并保持基模的損耗相對較低。該團隊在實驗上成功地制備了雙包層空芯反諧振光纖（圖1b），該光纖在~1微米以上的長波長區間形成密集諧振峰，為超高單模純度的激光傳輸提供多級窗口，如圖1c所示。進一步地，如圖2所示，實驗上驗證了該款雙包層空芯反諧振光子晶體光纖在1585 nm附近的纖芯LP11高階模抑制比高達60 dB/km，相比已報道的優化單模純度的光纖提升了約1到2個數量級。此外，本研究驗證了該空芯反諧振光纖的高單模純度傳輸區間隨填充氣體壓力的變化具有靈活可調性，有效地拓展了高純度單模可用的波長區間。本研究對具有雙包層結構的空芯微結構光纖中超高單模純度的驗證，為光纖激光傳能、光纖通信或者光纖傳感等對光纖模式純度要求極高的應用領域提供了全新的思路。

相關研究成果以“Ultrahigh Transverse Mode Purity by Enhanced Modal Filtering in Double-Clad Single-Ring Hollow-Core Photonic Crystal Fiber”為題發表在激光與光電子學頂級期刊Laser & Photonics Reviews上。武漢理工大學與上海光機所聯合培養博士研究生羅卓昭為第一作者，羅素中心黃家鵬副研究員、江昕研究員與龐盟研究員為共同通訊作者，參與該研究的還有上海光機所殷若琛博士研究生以及寧波艾菲博光電科技有限公司鄭羽博士等。該研究工作得到了中國科學院外籍院士Philip Russell教授的指導，并得到了上海市科技創新行動計劃（21ZR1482700）的支持，國家自然科學基金項目（62275254），張江實驗室建設與運營項目（20DZ2210300），國家高層次人才青年項目和富陽高層次人才項目等的支持。

https://doi.org/10.1002/lpor.202301111

圖2 雙包層空芯反諧振光子晶體光纖的（a）模式選擇性激發所得LP01和LP11模式近場圖，（b）LP01和LP11模式損耗結果，（c）高階模抑制比FOM曲線，（d）在1-25 bar氮氣填充下最大FOM11值（左軸）和高FOM11值區間的中心波長（右軸），（e）在1 bar、10 bar和20 bar的氣體壓力值下測量的FOM曲線