近兩年，3C手性耦合芯光纖被越來越多的提及，頻繁地出現在各類期刊文章當中，成為光纖激光器件家族中被關注的對象。為什么與雙包層、三包層光纖相比，3C光纖會同樣備受關注？是什么樣的結構賦予之怎樣的光學特性？今天咱們就一起來認識和了解一下3C手性耦合芯光纖。
- 手性介質與手性
手性(Chirality or Handedness)是一個幾何概念，它是指物體所具有的經由平移、旋轉等任何實的空間操作都無法與其鏡像相重合的性質，這種性質與物體本身的對稱性缺失有關系。可以形象而簡單的說，手性即是物體可以用手來表征的性質，因此也被稱為手征性。手性體是具有手性的物體，典型的代表是螺旋和扭結狀物體，手性體可以是三維的也可以是二維的。手性體的尺度可大可小，它可以是宏觀物體如星系、星云等，也可以是 DNA、氨基酸等微觀分子。圖 1-1 給出了兩個手性體的例子，分別是法國蝸牛和具有雙螺旋結構的 DNA 分子[1]。
圖1. 法國蝸牛和具有雙螺旋結構的 DNA 分子
根據手性體尺度與所研究電磁波波長之間的大小關系，待研究問題所涉及的手性被劃分為介質手性與結構手性。介質手性是指構成手性物質的手性體(如手性分子)的尺寸遠小于電磁波波長，而二者可以相比擬的情況則稱為結構手性。由介質手性體構成或者填充的材料稱為手性介質，由手性介質*或者部分地替代常規介質，可以構成手性、手性光纖、手性光子晶體和手性光柵等新型器件。相應的，在與電磁波波長可以比擬的尺度量級上，由介質構成手性結構體，進而形成的器件就屬于結構手性的范疇。典型的結構手性器件有手性光纖光柵[3,4]，平面手性結構陣列等。圖2給出了一些介質手性和結構手性器件的例子，圖2(a)為介質手性光纖(可以是包層或者芯層為手性介質，也可以是二者都為手性介質)；圖2(b)為手性光纖光柵(亦被稱為結構手性光纖)，其纖芯是雙螺旋的；圖2(c)為一種平面手性結構陣列，其手性體為二維萬字狀的微體[1]。
圖2介質手性光纖(a)、手性光纖光柵(b)和平面手性結構陣列(c)
手性的概念，即包含手性介質的結構，是由N. Engheta和P. Pelet在1989 年首先提出的[3]，它是由在一般的柱形中填充各向同性的手性介質構成，即芯層是手性的而包層是由常規材料構成。該文中提到手性光不能獨立支持 TEM、TE 和 TM 模式，其模式是以 TE 和 TM 的耦合孿生形式存在的。這一點與傳統的光是不同的，因而引起了中外學者的廣泛關注并且產生了濃厚的興趣，他們同時也研究了手性的理論問題[4-5]。
二、手性光纖
近年來，光纖激光器及其相關技術發展迅猛，輸出功率得到較大的提高，可以達到千瓦量級以上平均功率和兆瓦量級的峰值功率，因此受到人們的廣泛關注。然而，隨著功率的提高，光纖中的光功率密度增大，受激拉曼散射(SRS)等非線性效應變得比較嚴重，這限制了光纖激光器輸出功率的進一步提升。為解決該問題，通常采用大模場面積(LMA)光纖或光子晶體光纖(PCF)來實現激光器的高功率輸出。然而，前者會導致高階模傳輸，只有采用正確的激勵或彎曲盤繞等模式控制方法才能實現單模傳輸，且對于纖芯直徑超過 25 μm 的 LMA 光纖來說，模式控制的方法很不穩定；后者雖然能實現單模輸出，但在彎曲時會引起較大的模式損耗，不利于系統的集成化[1]。
針對上述問題，2007 年，美國 Michigan 大學超快光學研究中心提出了手性耦合纖芯3C光纖[6]的新型光纖結構，它能夠突破傳統單模光纖 V=2.405歸一化截止頻率的限制，在大纖芯尺寸(大于 30 μm )的情況下實現穩定的單模輸出，且無需任何模式控制技術。這樣既可達到提升光纖激光器輸出功率的目的，又可以很方便地將光纖置于復雜系統中，實現光纖激光系統的集成化。實驗如圖所示，獲得了1066nm，37W基模光輸出。此外，3C光纖還具有模式無失真熔接和緊湊盤繞(盤繞半徑小于 15 cm)的優點[7]，與采用標準光纖熔接與處理技術制備出的光學元件相匹配。3C光纖為實現高峰值功率與高能量的光纖激光器系統提供了一種新的途徑，逐漸成為國內外研究人員關注的熱點[1]。
圖3. 3C光纖的制備
普通光纖通常由包層和沿軸向分布的纖芯構成，而 3C （Chirally-coupled-core）手性耦合纖芯光纖的結構，石英包層內有兩條纖芯，一條是沿軸向分布的中央纖芯，芯徑較大，一般在30um 以上，用于信號光的傳輸；另一條是偏離中心軸、圍繞中央纖芯螺旋分布的側芯，芯徑比中央纖芯小得多，只有十幾微米，主要作用是控制中央纖芯的模式，將高階模耦合進側芯并對其產生高損耗(大于 100 dB/m)，使得中央纖芯中的基模可以極低損耗地傳輸(小于 0.1 dB/m)。3C光纖的主要參數包含兩芯尺寸、側芯偏移量 R 和螺旋周期 Λ ，合理的 R 和 Λ 值能使側芯對中央纖芯的模式進行控制與選擇[1]。
圖4. 3C光纖的結構
3C光纖之所以能夠在大芯徑情況下實現穩定的單模傳輸，是因為其側芯特殊的螺旋結構。這種新型光纖中側芯圍繞中央纖芯螺旋的復合結構可以實現以下三方面功能。
1) 實現中央纖芯基模和側芯中模式的相速度匹配，使兩模式能夠進行耦合。通常兩個之間的模式耦合要滿足相速度匹配條件( β（1）= β（2）)[7]，但在 CCC 結構中，由于螺旋因素的存在，兩芯中模式的傳輸常數不再相等，會導致額外的相位差，因此其匹配條件變為[8]β side mode + Δβhelix = β(central mode) , 式中 β(central mode) 和 β side mode 分別為中央纖芯和側芯中模式的傳播常數，Δβhelix = 2πn/λ[ -1]為側芯因螺旋產生的額外相速度，可通過 R 和 Λ 來控制，從而達到匹配條件。
2) 通過滿足準相位匹配條件，可提供中央纖芯和側芯之間有效的高階模式的對稱選擇性耦合。該QPM 條件為[9] ，
式中 為主芯中 模的傳播常數， 為主芯中 模的傳播常數 為側芯的螺旋修正因子，由于 QPM 條件要求側芯傳輸常數為投射到中心軸的值，因此對 作出修正；K= 2π/Λ ，表示側芯螺旋率；Δm = Δl + Δs ，其中 Δl 由四種可能的組合構成 Δl = ±l1 ± l2 ，而 Δs 的可能取值為-2，-1，0，+1，+2。 該公式表明，兩模式之間由于螺旋因素所產生的相位差被螺旋率 K 所彌補時，便可相互作用。只有滿足該 QPM 條件的兩芯中的模式才能發生耦合，使中央纖芯的高階模耦合進側芯。
3) 合理選擇側芯尺寸、偏移量 R 及螺旋周期 Λ ，實現側芯中高階模式的高損耗特性。
通過滿足 QPM 條件和側芯高損耗特性，可以將中央纖芯的高階模式耦合到側芯從而被損耗掉，只留下基模穩定傳輸。而利用特性 1)，使中央纖芯基模與側芯模式發生部分耦合，可方便地控制基模的相速度與色散特性[1]。
三、手性光纖激光器的發展
Michigan 大學超快光學研究中心為了驗證3C光纖的單模傳輸特性，他們以芯徑30 μm 的單模光纖(SMF)和中央纖芯芯徑 34 μm 的3C光纖做對比模擬，均用只有 12.5%的光功率與基模匹配的光源進行激勵，經過 20cm 左右距離的傳播，兩根光纖都只剩下 12.5%的功率，說明纖芯中只剩下基模傳輸，其余模式均損耗掉[9]。這一結果從理論上證實了3C 光纖等效于標準單模光纖，具有單模傳輸特性。為了進一步驗證模擬結果，Liu 等[8]根據相關參數制備出中央纖芯芯徑 35 μm 、側芯芯徑 12 μm 的3C光纖，這也是一根無源 3C光纖，同時參照模擬方法對其進行測試，得到該光纖在 1550 nm 處輸出光斑為基模，光斑光束質量因子 M2=1.03，且該光纖的基模損耗為 0.095 dB/m，近乎無損耗地在纖芯中傳輸。這是世界上*證明3C光纖具有穩定單模傳輸特性的實驗，具有重大意義。此外，實驗還發現該光纖具有很好的保偏特性，消光比達到了 34 dB。
2008 年，該實驗室制備出摻鐿雙包層3C光纖，其中，中央纖芯直徑為 33 μm ，數值孔徑(NA)為 0.06；側芯直徑為 16 μm ，NA為0.1；側芯螺旋周期 Λ 為 7.4 mm，兩芯邊到邊距離為 4 μm [6]。利用該有源光纖搭建激光器系統，得到了很好的實驗結果。實驗裝置采用法布里-珀羅(F-P)諧振腔，尾端的高反鏡對反射光沒有任何模式選擇功能，光纖寬松盤繞，不會起到模式選擇作用。用 915 nm 激光二極管(LD)抽運有源光纖，在 1066 nm 處得到了 37 W激光輸出，斜率效率達 75%，激光閾值功率為 6 W，輸出光斑證實為基模[6]。該實驗進一步驗證了3C光纖的*性，說明該光纖可以像普通光纖一樣作為激光器的增益介質使用，所構成的光纖激光器具有高斜率效率和低閾值功率的優點，且輸出的光束質量相比 LMA 光纖得到了較大的改善[1]。
圖5. 33um 3C光纖實驗及結果
在 2009 年以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大系統來探究其放大特性[10]。該實驗得到了 250 W 的連續功率輸出和150W輸出脈沖 10 ns，脈沖能量達到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率達到 74%。同樣，在所有功率水平下，系統輸出光斑均為單模。
2010 年，該團隊將3C光纖應用于主振蕩功率放大(MOPA)結構中來提升系統輸出功率[11]。實驗以2.7 m 長空氣包層摻鐿 3C光纖為功率放大器的增益介質，用 2.2 W 信號光激勵該光纖，實現了 511 W 的MOPA 結構功率輸出，放大器斜率效率為 70%，同時觀測到輸出光束為單頻單橫模的線偏振光，具有大于 15 dB 的消光比[1]。
2012年Michigan 大學超快光學研究中心Thomas Sosnowski等人[12]通過33/250um 3C光纖實現了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖；86.5uJ，575kW峰值功率脈沖，以及利用55um 3C光纖實現了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出。
圖6. 33/250um 3C光纖輸出257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脈沖
圖7. 33/250um 3C光纖輸出86.5uJ，575kW峰值功率脈沖
圖8. 55um 3C光纖實現了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出
2013 年，立陶宛物理科學與技術中心的 ?eludevicius[13]通過搭建飛秒光纖啁啾脈沖放大(CPA)系統來提升輸出功率，該系統中的功率放大裝置采用3C光纖為增益介質。實驗得到了 50 μJ 的脈沖能量，400 fs 的脈沖，輸出光斑為近似衍射極限，光束質量因子1.1。
圖9. 3C光纖實現飛秒脈沖放大
2018年Carnegie Mellon 大學的Jinxu Bai等人[14]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm種子源通過兩級2.5m和3m的3C光纖放大，獲得了121.2W，單脈沖能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脈沖輸出。
圖10. 級聯3C光纖輸出高功率、高能量脈沖
2019年，Sven Hochheim等人用nLight的Yb700-34/250的3C光纖，制作了用于引力波探測的，100W單頻單模保偏光纖放大器。
圖11. 百瓦單頻單模保偏光纖放大器
以nLight Corporation出品的3C手性耦合芯光纖為例，中央芯33um，側芯3um，包層250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可實現2mJ脈沖和300kW脈沖輸出，M2<1.15，系統運行4500小時。[15]
圖12. 33um nLight3C光纖和數值模擬模式損耗
圖13. 以nLight3C增益光纖獲得的光纖激光的光束質量
3C光纖除了能夠實現穩定的單模傳輸外，根據其特殊結構，我們預測該光纖還能夠抑制某些非線性效應。例如，利用中央纖芯基模與側芯模式選擇性耦合的特點，使基模某一偏振態耦合進側芯，這樣經反射回來的偏振態便與原偏振態相反，從而有效抑制受激布里淵散射(SBS)；經過特殊結構設計的 CCC 光纖，其透射譜具有一定范圍的波長抑制區域，將該抑制區與斯托克斯 SRS 增益譜的峰值區相重合，便能有效抑制SRS 效應[16]；同時改變波長抑制區的范圍，還能實現對摻鐿光纖激光器和放大器的波長選擇。CCC 光纖理論分析還表明其輸出光束攜帶有角動量，因此可以預見 CCC 光纖能夠實現顆粒俘獲與操縱、通信、計算和多維空間中的信息編碼等新型應用[17]。
四、總結及展望
總之，3C光纖的特點可總結為：
無需彎曲損耗保持良好的基模和偏振態輸出；
有效抑制脈沖功率放大過程中的非線性效應；
可實現高能量、高峰值功率的脈沖輸出。
基于以上的特性，脈沖光纖激光器的諸多光學指標可以得到較大的提升，進而滿足現如今科研與工業對品質光源提出的多方面要求。此外，3C光纖結構還可以控制非線性效應、實現通信等特殊功能。3C結構能夠實現的其他新型功能還有待我們的進一步研究，可以肯定的是，3C光纖無論在科學研究還是實際應用領域，都具有非常重要的意義及廣闊的發展前景。
參考文獻
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