空芯反谐振微结构光纤是以低折射率空气孔导光的一种新型微结构光纤波导，具有宽光谱导光、低色散、低非线性、大模场面积以及高激光损伤阈值等优势，为激光传输、光纤通信、光纤传感以及非线性光学等领域研究提供了极佳的传输平台，备受研究者们的关注。一方面，良好的单模特性对于空芯光纤在高性能光纤传感、光纤通信、激光传能智能加工等实际应用中具有重要意义。然而由于其导光原理的限制，在空芯光纤中难以实现类似于实芯光纤中对高阶模式的有效抑制。其光纤单模特性的优化往往通过对光纤结构尺寸设计来实现纤芯中某一高阶模与包层中的模式达到相位匹配条件，增大高阶模的损耗而滤除某一特定的纤芯模式。然而该类方案并未有效地滤除纤芯中的其他高阶模，残余的高阶模可能仍然会引起如光纤模间干涉导致的输出功率波动或者传输信号串扰等问题，尤其是在使用较短光纤的应用场景下。

针对上述问题，罗素团队探索了一种不同的高阶模滤除方式，首先，在传统均匀孔间距的空芯反谐振光子晶体光纤包层毛细管之间引入较大孔间距来增强高阶模的泄漏，其次在第一包层外侧的套管之外引入合适的空气层构造光纤的第二层反谐振包层，如下图1a所示。由于不同模式有效横向波长存在差异，该结构显著地增强了特定波长下高阶模损耗并保持基模的损耗相对较低。该团队在实验上成功地制备了双包层空芯反谐振光纤（图1b），该光纤在~1微米以上的长波长区间形成密集谐振峰，为超高单模纯度的激光传输提供多级窗口，如图1c所示。进一步地，如图2所示，实验上验证了该款双包层空芯反谐振光子晶体光纤在1585 nm附近的纤芯LP11高阶模抑制比高达60 dB/km，相比已报道的优化单模纯度的光纤提升了约1到2个数量级。此外，本研究验证了该空芯反谐振光纤的高单模纯度传输区间随填充气体压力的变化具有灵活可调性，有效地拓展了高纯度单模可用的波长区间。本研究对具有双包层结构的空芯微结构光纤中超高单模纯度的验证，为光纤激光传能、光纤通信或者光纤传感等对光纤模式纯度要求极高的应用领域提供了全新的思路。

相关研究成果以“Ultrahigh Transverse Mode Purity by Enhanced Modal Filtering in Double-Clad Single-Ring Hollow-Core Photonic Crystal Fiber”为题发表在激光与光电子学顶级期刊Laser & Photonics Reviews上。武汉理工大学与上海光机所联合培养博士研究生罗卓昭为第一作者，罗素中心黄家鹏副研究员、江昕研究员与庞盟研究员为共同通讯作者，参与该研究的还有上海光机所殷若琛博士研究生以及宁波艾菲博光电科技有限公司郑羽博士等。该研究工作得到了中国科学院外籍院士Philip Russell教授的指导，并得到了上海市科技创新行动计划（21ZR1482700）的支持，国家自然科学基金项目（62275254），张江实验室建设与运营项目（20DZ2210300），国家高层次人才青年项目和富阳高层次人才项目等的支持。

https://doi.org/10.1002/lpor.202301111

图2 双包层空芯反谐振光子晶体光纤的（a）模式选择性激发所得LP01和LP11模式近场图，（b）LP01和LP11模式损耗结果，（c）高阶模抑制比FOM曲线，（d）在1-25 bar氮气填充下最大FOM11值（左轴）和高FOM11值区间的中心波长（右轴），（e）在1 bar、10 bar和20 bar的气体压力值下测量的FOM曲线