技术分享| 3C手性耦合纤芯光纤技术(二)——在连续窄线宽光纤放大中的应用
发布时间：2021-12-22 09:59:58 热度：2971
12/22/2021，光纤在线讯，传统的双包层光纤实现了工业用宽谱的若干千瓦的连续激光的输出，SRS也通过拉曼抑制器件得到了有效的控制；窄线宽种子光的放大则因为TMI，SBS等效应，在某些应用领域受限。由此，更多的波导结构光纤应运而生，如锥形光纤、光子晶体光纤、手性耦合纤芯光纤（3C光纤）等。
其中3C光纤以其单模稳定、高峰值功率、高单脉冲能量输出，问世即被用于超短脉冲的应用，同样，单模保偏、提高TMI阈值的特性可以用于窄线宽光纤放大的应用。
手性波导与手性光纤的提出
手性波导的概念，即包含手性介质的波导结构，是由N. Engheta和P. Pelet在1989 年首先提出的[1]。2007年，美国 Michigan 大学超快光学研究中心提出了手性耦合纤芯3C光纤[2]的新型光纤结构，它能够突破传统单模光纤 V=2.405归一化截止频率的限制，在大纤芯尺寸(大于 30 μm )的情况下实现稳定的单模输出，且无需任何模式控制技术。这样既可达到提升光纤激光器输出功率的目的，又可以很方便地将光纤置于复杂系统中，实现光纤激光系统的集成化。同时，3C光纤还具有模式无失真熔接和紧凑盘绕(盘绕半径小于15 cm)的优点[3]，与采用标准光纤熔接与处理技术制备出的光纤相匹配。
3C光纤的结构
3C光纤以其特有的性质，为实现高峰值功率与高能量的光纤激光器系统提供了一种新的途径，逐渐成为国内外超短超快激光研究人员关注的热点。
3C光纤的发展
2012年，Michigan大学超快光学研究中心Thomas Sosnowski等人[4]通过33/250um 3C光纤实现了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲；86.5uJ，575kW峰值功率脉冲，以及利用55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出。
2018年，Carnegie Mellon大学的Jinxu Bai等人[5]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm种子源通过两级2.5m和3m的3C光纤放大，获得了121.2W，单脉冲能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脉冲输出。
近些年，更多的人将目光投向3C光纤用于窄线宽连续光的功率放大，利用其稳定单模输出以及对非线性效应不敏感的特点，实现单色性更好、光束质量更好，高功率更高的连续光输出，用于如引力波探测、多光束合成等方面的研究。
2011年，Cheng Zhu等人利用线宽40MHz的单频单模种子光源，通过37um芯径的3C光纤进行功率放大获得511W的偏振输出且未有明显SBS出现[6]。
2018年，密歇根大学联合nLight公司，由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分别运用Yb20/400/0.064 DC LMA光纤和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纤对单频线偏振种子源进行功率放大，泵浦源为锁波长976nm模块，分别实现了2.4kW和2.6kW[8]。种子源为1064nmDFB通过相位调制器进行伪随机信号调制适当展宽线宽。MFA实现全光线结构。当种子源20GHz时，实验中Yb20/400LMA光纤在2.2kW时出现了TMI，而3C光纤弯曲直径30cm，在抑制高阶模的同时在2.6kW时没有TMI产生。
3C光纤放大DFB窄线宽种子源结构图
（左图）Yb20/400 LMA光纤放大在2.2kW出现TMI
（右图）Yb21.9/400 3C光纤放大在2.6kW输出且未出现TMI
2019年，Sven Hochheim等人用nLight的3C光纤(Yb700-34/250DC-3C)，制作了用于引力波探测的，100W单频单模保偏光纤放大器。其中种子源为2W的kHz线宽保偏连续光，通过模场匹配器MFA的实验，最终实现103W，光光转换效率71%，偏振消光比17.6dB[7]。
Yb34/250 3C光纤放大实现单频100W结构图
（左图）3C光纤百瓦单频功率输出曲线/center]
[center]（右图）3C光纤放大基模及消光比随功率变化曲线
总结及展望
总之，对于脉冲激光：
3C光纤无需弯曲损耗保持良好的基模和偏振态输出；
有效抑制脉冲功率放大过程中的非线性效应；
可实现高能量、高峰值功率的脉冲输出。
而对于连续窄线宽功率放大而言：
相较于传统双包层光纤，3C光纤可以提高TMI的阈值，并且有效抑制高阶模的产生，相信随着相关技术的普及和工艺的进步，可以实现若干千瓦甚至更高功率的窄线宽激光输出，被应用于引力波探测、高功率光束合成等更多的研究领域。
更多3C光纤信息，请拨打：010-5234 9599，详聊~
参考文献
[1] N. Engheta. Modes in Chirowaveguides. Opt. Lett. 1989, 14(11): 593～596.
[2] 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.
[3] Galvanauskas A, Swan M C, Liu C H. Effectively- single- mode large core passive and active fibers with chirally-coupled-core structures[C]. CLEO/QELS 2008, 2008.
[4] Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012.
[5] A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, No. 1，1501208.
[6] C. Zhu, I. Hu, X. Ma, and A. Galvanauskas, "Single-frequency and single-transverse mode Yb-doped CCC fiber MOPA with robust polarization SBS-free 511W output," in Advances in Optical Materials, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper AMC5.
[7] Sven Hochheim，Michael Steinke，etc. Single-frequency chirally-coupled-core all-fiber amplifier with 100 W in a linearly-polarized TEM-mode. Vol. 45, No. 4 / 15 February 2020 / Optics Letters.
[8] M. Kanskar, etc. Narrowband Transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped Fiber Amplifiers for Directed Energy ApplicationProc. of SPIE Vol. 10512.
关注我们
凌云光股份以光技术创新为基础，围绕机器视觉与光纤光学开展业务，致力于成为视觉人工智能与光电信息领域的全球领导者。公司曾获得一项国家技术发明一等奖和两项国家科学技术进步二等奖。
公司战略聚焦机器视觉业务，坚持“为机器植入眼睛和大脑”，为客户提供可配置视觉系统、智能视觉装备与核心视觉器件等高端产品与解决方案。公司坚持以客户为中心，赋能电子制造、新型显示、印刷包装、新能源、影视动漫、科学图像、轨道交通等行业的智能“制造”。基于20余年在光学成像、视觉软件与算法、核心视觉部件等领域的技术积累，公司持续产品创新，努力成为客户最优的、战略的、信赖的和荣耀的选择。
在光纤光学领域，扎根光纤技术的5大主要应用领域（光纤激光，光纤传感，电信通信，数据通信，科学通信），挖掘国际领先技术的高端光电器件、高端设备和仪表等优秀产品资源，结合自主研发产品，希望构建领先的高端产品解决方案，引领和创造国内行业客户需求，助力中国光技术领域的科技水平提升，助力国家重大科技项目，助力产业化发展！
其中3C光纤以其单模稳定、高峰值功率、高单脉冲能量输出，问世即被用于超短脉冲的应用，同样，单模保偏、提高TMI阈值的特性可以用于窄线宽光纤放大的应用。
手性波导的概念，即包含手性介质的波导结构，是由N. Engheta和P. Pelet在1989 年首先提出的[1]。2007年，美国 Michigan 大学超快光学研究中心提出了手性耦合纤芯3C光纤[2]的新型光纤结构，它能够突破传统单模光纤 V=2.405归一化截止频率的限制，在大纤芯尺寸(大于 30 μm )的情况下实现稳定的单模输出，且无需任何模式控制技术。这样既可达到提升光纤激光器输出功率的目的，又可以很方便地将光纤置于复杂系统中，实现光纤激光系统的集成化。同时，3C光纤还具有模式无失真熔接和紧凑盘绕(盘绕半径小于15 cm)的优点[3]，与采用标准光纤熔接与处理技术制备出的光纤相匹配。
3C光纤以其特有的性质，为实现高峰值功率与高能量的光纤激光器系统提供了一种新的途径，逐渐成为国内外超短超快激光研究人员关注的热点。
2012年，Michigan大学超快光学研究中心Thomas Sosnowski等人[4]通过33/250um 3C光纤实现了257W，200kHz，8.5ns，1.2mJ脉冲；86.5uJ，575kW峰值功率脉冲，以及利用55um 3C光纤实现了41W，8.3mJ，640kW的高能量脉冲输出。
2018年，Carnegie Mellon大学的Jinxu Bai等人[5]用15mW，25ns，150nJ，100kHz，1064nm种子源通过两级2.5m和3m的3C光纤放大，获得了121.2W，单脉冲能量12mJ，峰值功率50kW，M2<1.2脉冲输出。
近些年，更多的人将目光投向3C光纤用于窄线宽连续光的功率放大，利用其稳定单模输出以及对非线性效应不敏感的特点，实现单色性更好、光束质量更好，高功率更高的连续光输出，用于如引力波探测、多光束合成等方面的研究。
2011年，Cheng Zhu等人利用线宽40MHz的单频单模种子光源，通过37um芯径的3C光纤进行功率放大获得511W的偏振输出且未有明显SBS出现[6]。
2018年，密歇根大学联合nLight公司，由M. Kanskar和A. Galvanauskas等人分别运用Yb20/400/0.064 DC LMA光纤和Yb 21.9/400/0.059 DC3C光纤对单频线偏振种子源进行功率放大，泵浦源为锁波长976nm模块，分别实现了2.4kW和2.6kW[8]。种子源为1064nmDFB通过相位调制器进行伪随机信号调制适当展宽线宽。MFA实现全光线结构。当种子源20GHz时，实验中Yb20/400LMA光纤在2.2kW时出现了TMI，而3C光纤弯曲直径30cm，在抑制高阶模的同时在2.6kW时没有TMI产生。
2019年，Sven Hochheim等人用nLight的3C光纤(Yb700-34/250DC-3C)，制作了用于引力波探测的，100W单频单模保偏光纤放大器。其中种子源为2W的kHz线宽保偏连续光，通过模场匹配器MFA的实验，最终实现103W，光光转换效率71%，偏振消光比17.6dB[7]。
[center]（右图）3C光纤放大基模及消光比随功率变化曲线
总之，对于脉冲激光：
3C光纤无需弯曲损耗保持良好的基模和偏振态输出；
有效抑制脉冲功率放大过程中的非线性效应；
可实现高能量、高峰值功率的脉冲输出。
而对于连续窄线宽功率放大而言：
相较于传统双包层光纤，3C光纤可以提高TMI的阈值，并且有效抑制高阶模的产生，相信随着相关技术的普及和工艺的进步，可以实现若干千瓦甚至更高功率的窄线宽激光输出，被应用于引力波探测、高功率光束合成等更多的研究领域。
更多3C光纤信息，请拨打：010-5234 9599，详聊~
[1] N. Engheta. Modes in Chirowaveguides. Opt. Lett. 1989, 14(11): 593～596.
[2] 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.
[3] Galvanauskas A, Swan M C, Liu C H. Effectively- single- mode large core passive and active fibers with chirally-coupled-core structures[C]. CLEO/QELS 2008, 2008.
[4] Thomas Sosnowski, Andrey Kuznetsov, 3C Yb-doped Fiber Based High Energy and Power Pulsed Fiber Lasers. 2012.
[5] A Unified Approach to Achieving High Power and High Energy in Chirally Coupled-Core Ytterbium-Doped Fiber Amplifier Systems. IEEE Photonics Journal，Vol. 10, No. 1，1501208.
[6] C. Zhu, I. Hu, X. Ma, and A. Galvanauskas, "Single-frequency and single-transverse mode Yb-doped CCC fiber MOPA with robust polarization SBS-free 511W output," in Advances in Optical Materials, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper AMC5.
[7] Sven Hochheim，Michael Steinke，etc. Single-frequency chirally-coupled-core all-fiber amplifier with 100 W in a linearly-polarized TEM-mode. Vol. 45, No. 4 / 15 February 2020 / Optics Letters.
[8] M. Kanskar, etc. Narrowband Transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped Fiber Amplifiers for Directed Energy ApplicationProc. of SPIE Vol. 10512.
凌云光股份以光技术创新为基础，围绕机器视觉与光纤光学开展业务，致力于成为视觉人工智能与光电信息领域的全球领导者。公司曾获得一项国家技术发明一等奖和两项国家科学技术进步二等奖。
公司战略聚焦机器视觉业务，坚持“为机器植入眼睛和大脑”，为客户提供可配置视觉系统、智能视觉装备与核心视觉器件等高端产品与解决方案。公司坚持以客户为中心，赋能电子制造、新型显示、印刷包装、新能源、影视动漫、科学图像、轨道交通等行业的智能“制造”。基于20余年在光学成像、视觉软件与算法、核心视觉部件等领域的技术积累，公司持续产品创新，努力成为客户最优的、战略的、信赖的和荣耀的选择。
在光纤光学领域，扎根光纤技术的5大主要应用领域（光纤激光，光纤传感，电信通信，数据通信，科学通信），挖掘国际领先技术的高端光电器件、高端设备和仪表等优秀产品资源，结合自主研发产品，希望构建领先的高端产品解决方案，引领和创造国内行业客户需求，助力中国光技术领域的科技水平提升，助力国家重大科技项目，助力产业化发展！
