Di recente, il Russell Advanced Lightwave Research Center presso l'Hangzhou Optical Precision Machinery Institute (HPMI), insieme alla Wuhan University of Technology (WUT) e alla Ningbo Aifab Optoelectronics Technology Co., Ltd. hanno fatto un passo avanti nella fibra ottica microstrutturata anti-risonanza a nucleo cavo con purezza monomodale ultra elevata. Il team ha progettato e realizzato una fibra microstrutturata anti-risonanza a nucleo cavo con una distribuzione capillare a passo non uniforme e una struttura a doppio rivestimento, e ha dimostrato che la soppressione della modalità di ordine superiore della fibra vicino a 1585 nm è circa da uno a due ordini di grandezza superiore a quella delle fibre a nucleo cavo segnalate.
La fibra microstrutturata antirisonante a nucleo cavo è un nuovo tipo di guida d'onda in fibra microstrutturata guidata da fori d'aria a basso indice di rifrazione, che presenta i vantaggi di un'ampia guida della luce spettrale, bassa dispersione, basse non linearità, ampia area del campo modale e alta soglia di danno laser, e ha attirato l'attenzione dei ricercatori perché fornisce un'eccellente piattaforma di trasmissione per la ricerca nei campi della trasmissione laser, della comunicazione in fibra ottica, del rilevamento in fibra ottica e dell'ottica non lineare. Da un lato, le buone caratteristiche monomodali sono importanti per le fibre a nucleo cavo in applicazioni pratiche come il rilevamento in fibra ad alte prestazioni, le comunicazioni in fibra ottica e l'elaborazione intelligente della trasmissione di energia laser. Tuttavia, a causa della limitazione del suo principio di guida della luce, è difficile ottenere una soppressione efficace delle modalità di ordine superiore nelle fibre a nucleo cavo simile a quella nelle fibre a nucleo solido. L'ottimizzazione delle caratteristiche monomodali delle fibre ottiche è spesso ottenuta tramite la progettazione delle dimensioni della struttura della fibra per ottenere modalità di ordine superiore nel nucleo e le modalità di rivestimento per ottenere condizioni di corrispondenza di fase, aumentando la perdita di modalità di ordine superiore e filtrando una particolare modalità del nucleo. Tuttavia, questo tipo di soluzione non filtra efficacemente altre modalità di ordine superiore nel nucleo e le modalità di ordine superiore residue possono comunque causare problemi come fluttuazioni della potenza di uscita dovute a interferenze intermodali o diafonia dei segnali trasmessi, specialmente nel caso di applicazioni che utilizzano fibre ottiche più corte.
Per affrontare questi problemi, il team di Russell ha esplorato un approccio diverso al filtraggio delle modalità di ordine superiore, in primo luogo, introducendo una spaziatura dei fori più ampia tra i capillari di rivestimento di una fibra a cristallo fotonico antirisonante a nucleo vuoto con una spaziatura dei fori uniforme per migliorare la perdita di modalità di ordine superiore e, in secondo luogo, introducendo uno strato d'aria adatto all'esterno dell'involucro all'esterno del primo rivestimento per costruire un secondo strato di rivestimento antirisonante della fibra, come mostrato nella Fig. 1a di seguito. A causa delle differenze nelle lunghezze d'onda trasversali effettive delle diverse modalità, questa struttura migliora significativamente la perdita di modalità di ordine superiore a lunghezze d'onda specifiche e mantiene relativamente bassa la perdita della modalità fondamentale. Il team è riuscito sperimentalmente a preparare una fibra antirisonante a nucleo cavo a doppio rivestimento (Fig. 1b), che forma densi picchi risonanti nell'intervallo di lunghezza d'onda lunga superiore a ~1 μm, fornendo una finestra multilivello per la trasmissione laser con purezza monomodale ultra elevata, come mostrato nella Fig. 1c. Inoltre, come mostrato in Fig. 2, è stato verificato sperimentalmente che il rapporto di reiezione della modalità di ordine superiore LP11 del nucleo di questa fibra a cristallo fotonico anti-risonante a nucleo cavo a doppio rivestimento vicino a 1585 nm è alto quanto 60 dB/km, che è circa uno o due ordini di grandezza superiore a quello delle fibre segnalate con purezza monomodale ottimizzata. Inoltre, questo studio verifica la sintonizzabilità flessibile dell'intervallo di trasmissione ad alta purezza monomodale di questa fibra anti-risonante a nucleo cavo con la variazione della pressione del gas di riempimento, che espande efficacemente l'intervallo di lunghezza d'onda disponibile per la monomodale ad alta purezza. La convalida della purezza monomodale ultraelevata in fibre microstrutturate a nucleo cavo con struttura a doppio rivestimento fornisce una nuova idea per applicazioni che richiedono elevata purezza delle modalità della fibra, come la trasmissione di energia laser a fibra, la comunicazione in fibra ottica o il rilevamento in fibra ottica.
I risultati della ricerca correlata sono pubblicati sulla rivista "Ultrahigh Transverse Mode Purity by Enhanced Modal Filtering in Double-Clad Single-Ring Hollow-Core Photonic Crystal Fiber". I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Laser & Photonics Reviews, una delle principali riviste di laser e fotonica. Il dott. Zhuozhao Luo, uno studente di dottorato congiunto della Wuhan University of Technology e dello Shanghai Institute of Optical Machinery (SIOM), è stato il primo autore, mentre il ricercatore associato Jiapeng Huang, il ricercatore Xin Jiang e il ricercatore Mian Pang del Russell Center sono stati gli autori co-corrispondenti, insieme al dott. Ruochen Yin, uno studente di dottorato della SIOM, e al dott. Yu Zheng della Ningbo Aifibo Optoelectronics Technology Co. Questo lavoro di ricerca è stato supervisionato dal prof. Philip Russell, un accademico straniero della Chinese Academy of Sciences, e supportato dallo Shanghai Science and Technology Innovation Action Plan (21ZR1482700), dalla National Natural Science Foundation of China (62275254), dallo Zhangjiang Laboratory Construction and Operation Program (20DZ2210300), dal National High-level Talent Youth Program e dal Fuyang High-level Talent Program. High-level Talent Program e altri supporti.
Fig. 1 (a) Progettazione teorica, (b) microscopia elettronica a scansione e (c) modello di test dello spettro di trasmissione della fibra a cristallo fotonico antirisonante a nucleo cavo a doppio rivestimento
Fig. 2 (a) Mappe del campo vicino in modalità LP01 e LP11 ottenute dall'eccitazione selettiva in modalità, (b) risultati di perdita di modalità LP01 e LP11, (c) curve FOM del rapporto di soppressione della modalità di ordine superiore, (d) lunghezze d'onda centrali dei valori FOM11 massimi (asse sinistro) e intervalli di valori FOM11 elevati (asse destro) per le fibre di cristallo fotonico antirisonante a nucleo cavo a doppio rivestimento con riempimento di azoto da 1-25 bar, (e) lunghezze d'onda centrali alle curve FOM misurate a valori di pressione del gas di 1 bar, 10 bar e 20 bar
