近兩年，3C手性耦合芯光纖被越來越多的提及，頻繁地出現(xiàn)在各類期刊文章當(dāng)中，成為光纖激光器件家族中被關(guān)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(guān)注？是什么樣的結(jié)構(gòu)賦予之怎樣的光學(xué)特性？今天咱們就一起來認(rèn)識和了解一下3C手性耦合芯光纖。

• 手性介質(zhì)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(jīng)由平移、旋轉(zhuǎn)等任何實(shí)的空間操作都無法與其鏡像相重合的性質(zhì)，這種性質(zhì)與物體本身的對稱性缺失有關(guān)系?？梢孕蜗蠖唵蔚恼f，手性即是物體可以用手來表征的性質(zhì)，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(jié)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(jié)構(gòu)的 DNA 分子^[1]。

圖1. 法國蝸牛和具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的 DNA 分子

根據(jù)手性體尺度與所研究電磁波波長之間的大小關(guān)系，待研究問題所涉及的手性被劃分為介質(zhì)手性與結(jié)構(gòu)手性。介質(zhì)手性是指構(gòu)成手性物質(zhì)的手性體(如手性分子)的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波波長，而二者可以相比擬的情況則稱為結(jié)構(gòu)手性。由介質(zhì)手性體構(gòu)成或者填充的材料稱為手性介質(zhì)，由手性介質(zhì)*或者部分地替代常規(guī)介質(zhì)，可以構(gòu)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(yīng)的，在與電磁波波長可以比擬的尺度量級上，由介質(zhì)構(gòu)成手性結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而形成的器件就屬于結(jié)構(gòu)手性的范疇。典型的結(jié)構(gòu)手性器件有手性光纖光柵[3,4]，平面手性結(jié)構(gòu)陣列等。圖2給出了一些介質(zhì)手性和結(jié)構(gòu)手性器件的例子，圖2(a)為介質(zhì)手性光纖(可以是包層或者芯層為手性介質(zhì)，也可以是二者都為手性介質(zhì))；圖2(b)為手性光纖光柵(亦被稱為結(jié)構(gòu)手性光纖)，其纖芯是雙螺旋的；圖2(c)為一種平面手性結(jié)構(gòu)陣列，其手性體為二維萬字狀的微體^[1]。

圖2介質(zhì)手性光纖(a)、手性光纖光柵(b)和平面手性結(jié)構(gòu)陣列(c)

手性的概念，即包含手性介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，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(zhì)構(gòu)成，即芯層是手性的而包層是由常規(guī)材料構(gòu)成。該文中提到手性光不能獨(dú)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(diǎn)與傳統(tǒng)的光是不同的，因而引起了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注并且產(chǎn)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(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，輸出功率得到較大的提高，可以達(dá)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(guān)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(yīng)變得比較嚴(yán)重，這限制了光纖激光器輸出功率的進(jìn)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(shí)現(xiàn)激光器的高功率輸出。然而，前者會導(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(wěn)定；后者雖然能實(shí)現(xiàn)單模輸出，但在彎曲時會引起較大的模式損耗，不利于系統(tǒng)的集成化^[1]。

針對上述問題，2007 年，美國 Michigan 大學(xué)超快光學(xué)研究中心提出了手性耦合纖芯3C光纖^[6]的新型光纖結(jié)構(gòu)，它能夠突破傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模輸出，且無需任何模式控制技術(shù)。這樣既可達(dá)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(fù)雜系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)光纖激光系統(tǒng)的集成化。實(shí)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(yōu)點(diǎn)^[7]，與采用標(biāo)準(zhǔn)光纖熔接與處理技術(shù)制備出的光學(xué)元件相匹配。3C光纖為實(shí)現(xiàn)高峰值功率與高能量的光纖激光器系統(tǒng)提供了一種新的途徑，逐漸成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)^[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(gòu)成，而 3C （Chirally-coupled-core）手性耦合纖芯光纖的結(jié)構(gòu)，石英包層內(nèi)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(cè)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(jìn)側(cè)芯并對其產(chǎn)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(shù)包含兩芯尺寸、側(cè)芯偏移量 R 和螺旋周期 Λ ，合理的 R 和 Λ 值能使側(cè)芯對中央纖芯的模式進(jìn)行控制與選擇^[1]。

圖4. 3C光纖的結(jié)構(gòu)

3C光纖之所以能夠在大芯徑情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸，是因為其側(cè)芯特殊的螺旋結(jié)構(gòu)。這種新型光纖中側(cè)芯圍繞中央纖芯螺旋的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)以下三方面功能。

1) 實(shí)現(xiàn)中央纖芯基模和側(cè)芯中模式的相速度匹配，使兩模式能夠進(jìn)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(jié)構(gòu)中，由于螺旋因素的存在，兩芯中模式的傳輸常數(shù)不再相等，會導(dǎo)致額外的相位差，因此其匹配條件變?yōu)?span>[8]β ^{side mode} + Δβ_helix = β^{(central mode)} , 式中 β^{(central mode)} 和 β ^{side mode} 分別為中央纖芯和側(cè)芯中模式的傳播常數(shù)，Δβ_helix = 2πn/λ[ -1]為側(cè)芯因螺旋產(chǎn)生的額外相速度，可通過 R 和 Λ 來控制，從而達(dá)到匹配條件。

2) 通過滿足準(zhǔn)相位匹配條件，可提供中央纖芯和側(cè)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(shù)， 為主芯中  模的傳播常數(shù) 為側(cè)芯的螺旋修正因子，由于 QPM 條件要求側(cè)芯傳輸常數(shù)為投射到中心軸的值，因此對 作出修正；K= 2π/Λ ，表示側(cè)芯螺旋率；Δm = Δl + Δs ，其中 Δl 由四種可能的組合構(gòu)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(chǎn)生的相位差被螺旋率 K 所彌補(bǔ)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(fā)生耦合，使中央纖芯的高階模耦合進(jìn)側(cè)芯。

3) 合理選擇側(cè)芯尺寸、偏移量 R 及螺旋周期 Λ ，實(shí)現(xiàn)側(cè)芯中高階模式的高損耗特性。

通過滿足 QPM 條件和側(cè)芯高損耗特性，可以將中央纖芯的高階模式耦合到側(cè)芯從而被損耗掉，只留下基模穩(wěn)定傳輸。而利用特性 1)，使中央纖芯基模與側(cè)芯模式發(fā)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(fā)展

Michigan 大學(xué)超快光學(xué)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(jìn)行激勵，經(jīng)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(jié)果從理論上證實(shí)了3C 光纖等效于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，具有單模傳輸特性。為了進(jìn)一步驗證模擬結(jié)果，Liu 等^[8]根據(jù)相關(guān)參數(shù)制備出中央纖芯芯徑 35 μm 、側(cè)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(jìn)行測試，得到該光纖在 1550 nm 處輸出光斑為基模，光斑光束質(zhì)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(wěn)定單模傳輸特性的實(shí)驗，具有重大意義。此外，實(shí)驗還發(fā)現(xiàn)該光纖具有很好的保偏特性，消光比達(dá)到了 34 dB。

2008 年，該實(shí)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(shù)值孔徑(NA)為 0.06；側(cè)芯直徑為 16 μm ，NA為0.1；側(cè)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(tǒng)，得到了很好的實(shí)驗結(jié)果。實(shí)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(yùn)有源光纖，在 1066 nm 處得到了 37 W激光輸出，斜率效率達(dá) 75%，激光閾值功率為 6 W，輸出光斑證實(shí)為基模^[6]。該實(shí)驗進(jìn)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(zhì)使用，所構(gòu)成的光纖激光器具有高斜率效率和低閾值功率的優(yōu)點(diǎn)，且輸出的光束質(zhì)量相比 LMA 光纖得到了較大的改善^[1]。

圖5. 33um 3C光纖實(shí)驗及結(jié)果

在 2009 年以雙包層摻鐿3C光纖搭建放大系統(tǒng)來探究其放大特性^[10]。該實(shí)驗得到了 250 W 的連續(xù)功率輸出和150W輸出脈沖 10 ns，脈沖能量達(dá)到0.6mJ，峰值功率60kW，放大斜率效率達(dá)到 74%。同樣，在所有功率水平下，系統(tǒng)輸出光斑均為單模。

2010 年，該團(tuán)隊將3C光纖應(yīng)用于主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)中來提升系統(tǒng)輸出功率^[11]。實(shí)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(zhì)，用 2.2 W 信號光激勵該光纖，實(shí)現(xiàn)了 511 W 的MOPA 結(jié)構(gòu)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(xué)超快光學(xué)研究中心Thomas Sosnowski等人^[12]通過33/250um 3C光纖實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了41W，8.3mJ，640kW的高能量脈沖輸出

2013 年，立陶宛物理科學(xué)與技術(shù)中心的 ?eludevicius^[13]通過搭建飛秒光纖啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)來提升輸出功率，該系統(tǒng)中的功率放大裝置采用3C光纖為增益介質(zhì)。實(shí)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(zhì)量因子1.1。

圖9. 3C光纖實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖放大

2018年Carnegie Mellon 大學(xué)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(lián)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(cè)芯3um，包層250um，1.8dB/m@920nm泵浦吸收率，可實(shí)現(xiàn)2mJ脈沖和300kW脈沖輸出，M2<1.15，系統(tǒng)運(yùn)行4500小時。^[15]

圖12. 33um nLight3C光纖和數(shù)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(zhì)量

3C光纖除了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的單模傳輸外，根據(jù)其特殊結(jié)構(gòu)，我們預(yù)測該光纖還能夠抑制某些非線性效應(yīng)。例如，利用中央纖芯基模與側(cè)芯模式選擇性耦合的特點(diǎn)，使基模某一偏振態(tài)耦合進(jìn)側(cè)芯，這樣經(jīng)反射回來的偏振態(tài)便與原偏振態(tài)相反，從而有效抑制受激布里淵散射(SBS)；經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的 CCC 光纖，其透射譜具有一定范圍的波長抑制區(qū)域，將該抑制區(qū)與斯托克斯 SRS 增益譜的峰值區(qū)相重合，便能有效抑制SRS 效應(yīng)^[16]；同時改變波長抑制區(qū)的范圍，還能實(shí)現(xiàn)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(yù)見 CCC 光纖能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用^[17]。

四、總結(jié)及展望

總之，3C光纖的特點(diǎn)可總結(jié)為：

無需彎曲損耗保持良好的基模和偏振態(tài)輸出；

有效抑制脈沖功率放大過程中的非線性效應(yīng)；

可實(shí)現(xiàn)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(xué)指標(biāo)可以得到較大的提升，進(jìn)而滿足現(xiàn)如今科研與工業(yè)對品質(zhì)光源提出的多方面要求。此外，3C光纖結(jié)構(gòu)還可以控制非線性效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)通信等特殊功能。3C結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的其他新型功能還有待我們的進(jìn)一步研究，可以肯定的是，3C光纖無論在科學(xué)研究還是實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，都具有非常重要的意義及廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

1. 趙 楠 李進(jìn)延, 手性耦合纖芯光纖簡介及研究進(jìn)展, 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 51, 040003(2014)
2. 《手性光纖模式及其耦合特性》曹雨生P2-3
3. N. Engheta. Modes in Chirowaveguides. Opt. Lett. 1989, 14(11): 593∼596
4. P.  Pelet  and  N.  Engheta.  The  Theory  of  Chirowaveguides.  IEEE  Transactions  on Antennas and Propagation. 1990, 38(1): 90~98
5. N.  Engheta  and  P.  Pelet.  Modes  Orthogonality  in  Chirowaveguides.  IEEE
6. Swan M C, Liu C H, Guertin D, et al.. 33 μm core effectively single-mode chirally-coupled-core fiber laser at 1064-nm[C]. OFC, 2008. OWU2.
7. 6 Galvanauskas A, Swan M C, Liu C H. Effectively- single- mode large core passive and active fibers with chirallycoupled-core structures[C]. CLEO/QELS 2008, 2008.
8. Liu C H, Chang G, Litchinitser N, et al.. Effectively single-mode chirally-coupled core fiber[C]. Advanced Solid-State Photonics, 2007. ME2.
9. 8 Liu C H, Chang G, Litchinister N, et al.. Chirally coupled core fibers at 1550-nm and 1064-nm for effectively singlemode core size scaling[C]. CLEO 2007, 2007. CTuBB3.
10. Huang S, Zhu C, Liu C H, et al.. Power scaling of CCC fiber based lasers[C]. CLEO 2009, 2009. CThGG1
11. Zhu C, Hu I, Ma X, et al.. Single- frequency and single- transverse mode Yb- doped CCC fiber MOPA with robust
12. Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012
13. J. ?eludevi?ius, R. Danilevi?ius, Femtosecond fiber CPA system based on picosecond master oscillator and power amplifier with CCC fiber. 11 March 2013 / Vol. 21, No. 5 / OPTICS EXPRESS 5338
14. A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, 1，1501208
15. Timothy S. McComb, Dennis McCal, Roger Farrow，etc，High Peak Power, Flexible Pulse Parameter, Chirally Coupled Core (3C®) Fiber Based Picosecond MOPA Systems. Proc. of SPIE Vol. 8961 896112-1
16. Experimental Demonstration of SRS Suppression in Chirally-Coupled-Core Fibers. Lasers, Sources, and Related Photonic Devices Technical Digest © 2012 OSA
17. Ma X, Liu C H, Chang G, et al.. Angular- momentum coupled optical waves in chirally- coupled- core fibers[J]. Opt Express, 2011, 19(27): 26515-26528.