刷新记录！复旦大学肖力敏课题组推出新型光纤反向拉锥器件

2021-06-30 11:30

随着信息时代的不断发展，光纤应用已逐步深入到各个领域。面对日益复杂的信息需求，以及部分特殊领域的传输需要，传统光纤已不能支撑多样化市场发展。特种光纤作为信息传输的重要媒介，其市场正在迅速打开。

特种光纤作为光纤技术未来发展方向之一，具有技术要求高、工艺难度大、与终端用户需求结合紧密的特点，在光网络系统、信号放大、仪器传感、激光器、军事领域等有着广泛的应用。近年来，以可用于光纤传感的保偏光纤、用于光纤激光器、放大器上的掺稀土光纤等为代表的特种光纤发展势头迅猛，市场需求不断提升。

但，特种光纤的熔接问题也随之而来，在材料不同、模场及外径不一样的光纤之间如何无缝地实现高效耦合，在业界更是一道难题。如何让特种光纤的强大性能得以更好的释放？

近日，OFweek光通讯获悉复旦大学信息科学与工程学院肖力敏研究员课题组

研究出了光纤反向拉锥器件，在超大模场光子晶体光纤熔接中取得重要突破，实现目前世界上该类型光子晶体光纤最低熔接损耗。为此，OFweek光通讯对肖力敏研究组于若玮博士进行了电话采访。

超大模场光子晶体光纤熔接——光纤反向拉锥器件

于博士向OFweek光通讯介绍说，该研究在国家自然科学基金面上项目和上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放课题等项目的资助下历时约5年完成。

对于光纤激光器和放大器，普遍的诉求是同时实现高功率和高质量光束输出（单模操作），这对于激光微加工或许多其他高端应用非常重要。该课题组提出了结构不同的光纤波导之间的模式匹配和高强度熔接方法，在未使用任何中间过渡光纤或光学元件的基础上实现了超大模场面积光子晶体光纤（ULMA－PCF）和传统单模光纤（SMF）的超低损耗与高强度熔接。

刷新记录！复旦大学肖力敏课题组推出新型光纤反向拉锥器件

图1 （a） SMF－28与（b） ULMA－25 PCF在同一尺度下的横截面图。

由于ULMA－PCF 有着超大模式面积、多孔微结构和厚包层的物理特性，在进行熔接时，很难与 SMF 实现高质量熔接（产生高熔接损耗），并且需要插入中间光纤。

有意思的是，该类型光纤的低非线性和高激光损伤阈值等特性又使它们在光子技术中具有极高的吸引力。大芯径光纤可用于降低激光功率密度，但也会导致多模传输。而传统光纤难以同时实现超高功率单模传输，难以在这两因素之间做出权衡。

该课题组指出，如果想要超高功率激光输出，使用的有源光纤应该在纤芯中进行重掺杂以实现高转换效率，这将增加光纤数值孔径（NA）导致多模传输。

如果纤芯小，高功率操作还会带来非线性效应，甚至会损坏光纤本身。而ULMA－PCF 却可以在这两个因素之间取得平衡，因为它包层中的多孔结构可以通过微结构包层滤除高阶模，即使纤芯超大也能实现单模传输。同时，由于 ULMA－PCF 所需的拉制方法比较特殊，它的包层一般比传统光纤的包层要大得多。

该课题组提出了让两种结构不同的光纤波导之间的模式匹配和高强度熔接方法，他们通过实验证明不需要额外的过渡光纤或光学组件，光纤反向拉锥器件能在结构不同的光纤之间实现完美的模式匹配。

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图2 两步反向拉锥法示意图，使用反向拉锥方法在标准单模光纤和超大模面积光子晶体光纤之间实现超低损耗和高强度熔接。图中展示了SMF－28、LMA－25 PCF沿光纤轴向方向变化的折射率分布（黑线图）与模场分布（彩轮廓图）。

全新的两步反向拉锥方法能精确匹配ULMA－PCF和SMF的模场分布和包层尺寸，通过对SMF进行反向拉锥与热扩芯（TEC），可精确控制光纤外径和模场轮廓，实现双向超低损耗熔接，并且机械强度高于传统的“台阶式”熔接点强度。

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图3（a－e）不同反向拉锥光纤的侧视图和横截面光斑图（由于博士提供）

对于集成光子器件，光纤－芯片耦合和光纤熔接至关重要。这项工作对简化基于特种光纤的光学组件以及一系列基于结构不同的光纤的全光纤组件的开发具有重要意义。该研究成果的面世对超大模场特种光纤的熔接难题提供了一种有效的方案，非常有利于其相关器件的开发。

低损耗制造工艺——0.23 dB

在他们的论文中也指出了：加热区长度、初始光纤直径和推动距离等因素共同决定了光纤的最佳腰部直径。控制这些参数，他们能够增粗光纤以达到所需直径和光学参数。

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图4 反向拉锥SMF与ULMA－PCF熔接示意图

“反向拉锥需要从两侧向内推动光纤。如果不仔细优化参数，很容易弯曲光纤，”该课题组在接受美国photonics媒体的采访时也如此说。

“使用该技术实现了0．23 dB 的低熔接损耗，比使用传统熔接方法获得的机械强度高一个数量级。”于博士介绍说。

肖力敏研究员课题组研究出的光纤反向拉锥器件，系超大模场光子晶体光纤熔接中的一次重要突破，被业界认为实现了目前世界上该类型光子晶体光纤最低熔接损耗。

注：该研究成果以“Robustmode matching between structurally dissimilar optical fiber waveguides”为题发表于国际知名期刊《ACS Photonics》上。原文链接https：／／doi．org／10．1021／acsphotonics．0c01859。