[论文解读] Broad-band robustly single-mode hollow-core PCF by resonant filtering of higher order modes

Mehmet C. Günendi, Patrick Uebel+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Photonic Crystal and Fiber Optics被引用 4

一句话总结

本文提出一种空芯光子晶体光纤（PCF），通过在纤芯周围环形排列非接触的玻璃元件实现谐振滤波，从而实现稳健、超宽带的单模传输。这些元件通过相位匹配耦合，使高阶模产生高损耗泄漏，而基模LP₀₁则保持低损耗，从而在跨越一个八度以上的多个传输窗口中实现单模导引，LP₀₁损耗约为每公里十几dB，而高阶模损耗则高出1000倍以上。

ABSTRACT

We propose and theoretically analyse a novel hollow-core photonic crystal fibre (PCF) that is engineered so as to strongly suppress higher order modes, i.e., to provide robust LP$_{01}$ single-mode guidance in all the wavelength ranges where the fibre guides with low loss. Encircling the core is a single ring of non-touching glass elements whose modes are tailored to ensure resonant phase-matched coupling to higher-order core modes, causing them to leak at a very high rate into the supporting solid glass sheath. Using a model based on coupled capillary waveguides, as well as full vectorial finite element modelling, we show that this modal filtering effect depends on only one dimensionless geometrical parameter, akin to the well-known $d/Λ$ parameter for endlessly single-mode solid-core PCF. The design is scalable up to large core sizes and is predicted to deliver LP$_{01}$ mode losses of some $10$s of dB/km in multiple transmission windows, the broadest of which spans more than an octave. At the same time, higher order core modes have losses that are typically $1000$s of times higher than the LP$_{01}$ mode. The fibre is of great potential interest in applications such as high-power laser beam delivery, gas-based nonlinear optics, laser particle delivery, chemical sensing and laser gyroscopes.

研究动机与目标

• 解决在宽频带范围内实现空芯光子晶体光纤稳定单模导引的挑战。
• 克服现有设计依赖结构对称性或小纤芯尺寸实现单模操作的局限性。
• 开发一种可扩展、稳健的设计，即使在大纤芯直径下也能保持LP₀₁模的主导地位。
• 实现对高功率传输、基于气体的非线性光学以及精密传感等实际应用的支持。

提出的方法

• 在空芯周围排列单圈非接触的玻璃元件，以形成用于谐振耦合的定制模式。
• 利用高阶纤芯模与环形模式之间的相位匹配耦合，诱导非期望模态的高损耗。
• 采用耦合毛细波导模型分析模态滤波机制，识别出一个类似于实心芯PCF中d/Λ参数的单一无量纲几何参数。
• 通过全矢量有限元建模验证理论预测，并确认宽带单模行为。
• 系统设计使得仅LP₀₁模经历低损耗，而高阶模则因谐振泄漏至玻璃包层而受到强烈衰减。
• 该设计可扩展至更大纤芯尺寸，同时在多个传输窗口中保持单模操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种空芯PCF，实现无需依赖对称性或小纤芯直径的稳健、超宽带单模操作？
• RQ2 决定此类光纤中高阶模谐振滤波效率的根本几何参数是什么？
• RQ3 如何在宽频带范围内选择性抑制高阶模，同时保持基模LP₀₁的低损耗？
• RQ4 该设计在不损害单模行为的前提下，可扩展至多大纤芯直径？
• RQ5 在所提出的配置中，LP₀₁模与高阶模之间的损耗对比度可达到多大？

主要发现

• 该光纤在多个传输窗口中实现LP₀₁模损耗约为每公里十几dB，最宽窗口跨度超过一个八度。
• 高阶纤芯模的损耗通常比LP₀₁模高出1000倍，确保了强抑制效果。
• 模态滤波效应取决于单一无量纲几何参数，简化了设计并实现了可扩展性。
• 即使在大纤芯尺寸下，该设计仍能保持稳健的单模操作，克服了传统空芯PCF的关键局限。
• 理论与数值模型（耦合毛细波导与有限元分析）证实了其宽带、高对比度的单模行为。
• 由于其低损耗和单模特性，该光纤非常适用于高功率传输、基于气体的非线性光学以及精密传感等应用。