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  • 摘要

    本文提出了一种引入渐变折射率多模光纤作为过渡光纤的嵌套空芯反谐振光纤与单模光纤的低损耗熔接方法。使用渐变折射率多模光纤作为模场适配光纤,利用其自成像效应扩大单模光纤中的模场,实现了嵌套空芯反谐振光纤与单模光纤的模场匹配。实验中探究了熔接时放电时间和放电功率对熔接损耗的影响。基于优化后的熔接方案,有效保护了嵌套空芯反谐振光纤熔接端面微结构的完整性,平均熔接损耗低至0.60 dB。实验结果对提高嵌套空芯反谐振光纤与现有光纤体系的兼容性提供了参考。

    关键词

    Abstract

    This paper presents a low-loss fusion splice method between the nested hollow-core anti-resonant fiber (HC-ARF) and single-mode fiber (SMF) by introducing a graded-index multi-mode fiber (GIMF) as a transition fiber. The mode field matching between the nested HC-ARF and the SMF is achieved by using the GIMF as the mode field adapting fiber and expanding the mode field in the SMF by using its self-imaging effect. The effects of discharge time and discharge power on fusion splice loss during fusion splicing are explored in the experiments. Based on an optimized fusion splicing scheme, the integrity of the microstructure of the nested HC-ARF fusion splicing end face is effectively protected, and the average fusion splicing loss is as low as 0.60 dB. The experimental results provide a reference to improve the compatibility of the nested hollow-core anti-resonant fibers with the existing fiber system.

    Keywords

  • 鉴于实芯单模光纤 (single mode fiber, SMF)在现有光纤系统中仍占据主导地位,为了实现嵌套HC-ARF与现有光纤系统的兼容,有必要解决嵌套HC-ARF与SMF之间的低损耗熔接问题。嵌套HC-ARF与SMF之间的连接损耗主要来源于模场失配、HC-ARF熔接端面微结构坍缩以及两光纤的几何偏移[]

    近年来,SMF和HCF的互连方法主要有基于胶水粘合的光纤阵列连接[]、连接器连接[]和光纤阵列熔接[-]。光纤连接器可以增加抗反射涂层和实现低损耗连接,但是不能提供密封连接,会对HCF的性能有所影响,有关其长期稳定性的研究尚未见报道。

    空芯光子晶体光纤 (Hollow-core photonic crystal fiber, HC-PCF)是一种在空气中导光的光纤,依据导光机制的不同,HC-PCF分为光子带隙型光纤 (hollow-core photonic bandgap fibers, HC-PBGF)和反谐振型光纤 (hollow-core anti-resonant fiber, HC-ARF)。由于是在空气纤芯中导光,HC-PCF较石英光纤有着更低的色散、非线性和瑞利散射,以及更高的传播速度和损伤阈值[-]。并且HC-ARF较HC-PBGF具有更低的传输损耗。嵌套HC-ARF是一种有多层反谐振结构的空芯光纤,可以有效降低光的泄漏,极限理论传输损耗可低至0.1 dB/km [-]。因此嵌套HC-ARF在光纤传感、高功率传输、气体激光器、中红外激光等诸多领域中都有着重要的应用价值[-]

    光纤阵列连接技术是在SMF与HCF之间加一段过渡光纤,用于匹配两者的模场。2014年,Gao等人[]通过引入一段高归一化频率的过渡光纤,将HC-PBGF与SMF的熔接损耗降到了0.73 dB,该工作为HC-ARF的光纤阵列连接提供了思路。2017年,张乃千等人[]提出了一种基于拉锥光纤实现模场匹配的方案,通过对SMF拉锥与Ice-cream型HC-ARF光纤耦合,耦合效率高达96.05%,但是该方案操作复杂且容易损伤光纤。2018年,李晓倩等人[]通过引入一段实芯大模场光纤进行模场匹配,实现了从SMF到HC-ARF的熔接损耗为0.844 dB,但该方案中热扩芯操作时间较长。2021年,Suslov等人[]提出了使用渐变折射率多模光纤 (graded-index multi-mode fiber, GIMF)作为模场匹配的光纤,利用GIMF的自成像效应 (self-imaging)对光扩束并准直,得到SMF与HC-ARF之间的连接损耗为0.15 dB;2023年,Zhong等人[]选择不同型号和不同长度的GIMF给不同纤芯尺寸的HC-ARF进行模场匹配,利用胶水连接使最小损耗低至0.079 dB。但是这两个工作中的光纤之间是使用胶水粘合的冷连接,长期稳定性和抗环境干扰性难以保证。

    为了实现HC-ARF与SMF的低损耗熔接,本工作引入了能精确控制长度的GIMF作为模场匹配光纤,实现SMF-GIMF-(HC-ARF)-GIMF-SMF构型的整体熔接损耗低至1.19 dB,平均单侧熔接损耗为0.60 dB。

    $$ {N_{{\mathrm{loss}}}} = - 20\;\lg\left( \dfrac{{ 2{d_1}{d_2}}}{{ d_1^2 + d_2^2}}\right) \;, $$

    在电极放电的熔接机中,其熔接过程是先进行预放电软化光纤端面,然后推进光纤使两根光纤初步融合再进行主放电。由于电极放电的能量是由外至内进入光纤的,如果直接使用实芯光纤的熔接程序,主放电程序的放电时间过长,HC-ARF的端面融化引起微结构坍缩,从而破坏反谐振的波导结构,提高了熔接损耗。为了避免这种情况,通过调整熔接程序的预放电和主放电时间与功率,采用高功率短时间放电模式可有效避免HC-ARF的微结构破坏,从而降低损耗。

    式中:${d_1}$和${d_2}$分别是两种光纤的模场直径。由式(1)知,只有两种光纤模场直径相近时,模场失配损耗才会较低。对于SMF和HC-ARF的熔接,二者的模场直径并不相同,甚至差距较大,因此需要加入一段过渡光纤以达成两种光纤的模场匹配。

    嵌套HC-ARF与SMF之间的熔接损耗来源主要有HC-ARF熔接端面微结构坍缩、两类光纤的模场失配、光纤对准时的几何偏移和光纤端面的平整度[]

    SMF和HC-ARF的模场失配损耗[]可以用以下公式来计算:

    本工作使用的HC-ARF的空气纤芯直径约为27 μm,用纤芯尺寸的70%来估算,得到其基模的模场直径为18.9 μm[]。对应的,选择的GIMF的型号是OM1,在1/4间距处的最大模场直径约为19.1 μm[],SMF的模场直径约为9.8 μm。根据式(1)计算得到的GIMF放大后不同模场直径与HC-ARF的耦合损耗如图1(b)所示,SMF与HC-ARF的耦合损耗为1.75 dB,而经过OM1放大后的最大模场直径与HC-ARF的模场直径十分接近,耦合损耗很低。

    图 1 GIMF的模场匹配。(a) GIMF的自成像效应;(b)通过GIMF放大模场后与HC-ARF的模场失配损耗
    图  1 

    GIMF的模场匹配。(a) GIMF的自成像效应;(b)通过GIMF放大模场后与HC-ARF的模场失配损耗

    Figure  1. 

    GIMF's mode field matching. (a) Self-imaging effect of GIMF; (b) Mode field mismatch loss between the GIMF amplified mode field and HC-ARF

    从SMF传播到GIMF中的光信号会沿着GIMF呈正弦型周期变化放大和缩小模场直径,是渐变折射率多模光纤的自成像效应[],其中一个周期称为一个间距 (pitch),如图1(a)所示。可以根据自成像特性,准确地切割控制GIMF的长度,从而获得所需要的模场直径。当光在GIMF中传播到1/4间距时,其模场直径达到最大并且输出光束是准直的[]

    在实验中探究了熔接放电强度、放电时间对熔接损耗的影响。在控制GIMF的长度和光纤端面角度的情况下,改变放电时间和放电强度分别对SMF-GIMF-(HC-ARF)单侧熔接损耗的影响如图3(a)图3(b)所示。图中的放电时间和放电强度已归一化。在图3(a)中,HC-ARF的端面图是在对应放电时间熔接后将光纤拉断观察得到的。随着放电时间的增加,熔接损耗急剧增大,当放电时间为1.6与1.8时,HC-ARF内嵌套环变形严重,损耗也在1 dB以上。在图3(b)中,随着放电强度的增加,熔接损耗也随之增大。放电强度如果低于1,虽然不会提高熔接损耗,但是熔接点的强度会降低。在熔接时,应该在保证嵌套HC-ARF端面微结构完整的同时,尽可能提高熔接强度,熔接参数应该选择图3中较高的放电功率与较短的放电时间。

    熔接第二步:将扩大模场后的GIMF与HC-ARF的熔接。首先是使用Vytran LDC401切割机切割HC-ARF。由于HC-ARF是中空的,切割时拉力设置应该比同尺寸实芯光纤要小,实验中选择使用70%的同尺寸实芯光纤拉力进行切割,切割得到的端面平整角度较小。熔接使用的HC-ARF长度为2 m,使用的熔接机为FUJIKURA FSM100P+。将第一步中熔接切割好的SMF-GIMF的一段连接测试光源,另一端与切割平整端面的HC-ARF放在熔接机夹具上,使用正确尺寸的夹具对熔接机的光纤对准是有利的,否则可能会带来几何偏移损耗。对HC-ARF的另一端也进行切割,得到平整端面后对准光功率计探头,可以实时检测耦合后的功率。熔接过程中端面的角度对熔接损耗影响较大,在切割SMF-GIMF与HC-ARF时,需要控制切割的角度小于0.5°。在实验中以相同的熔接参数将不同角度的SMF-GIMF与HC-ARF熔接,测得的单端损耗如表1所示。表1中的光纤角度是利用FSM100P+读取判断的,光纤角度越大,熔接损耗越高。在实验过程中,每次切割的GIMF长度不同也会带来一定的误差。

    Loss from multiple fusion splice tests

    多次熔接测试的熔接损耗

    SampleGIMF1 length/μmGIMF1 loss/dBGIMF2 length/μmGIMF2 loss/dBTotal loss/dB
    12900.932720.951.88
    22670.442761.051.49
    32650.472680.751.22
    42670.452650.741.19
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    熔接第三步:重复第一步和第二步。熔接得到SMF-GIMF-(HC-ARF)-GIMF-SMF完整构型,两端SMF分别连接光源与光功率计,测得的整体损耗为1.19 dB。多次实验熔接测得的数据如表2所示,从SMF到HC-ARF的损耗 (GIMF1 loss)比从HC-ARF到SMF的损耗 (Total loss-GIMF1 loss)低,这可能是因为SMF端面的菲涅尔反射。从表2可以知道GIMF光纤的长度对损耗的影响较大,最佳的GIMF光纤长度应该是260~270 μm,如果继续优化GIMF的切割误差,可以更加稳定地获得低损耗的熔接结果。

    熔接机的熔接程序基于以上实验结果调整,改变了主放电功率和放电时间,熔接时可以有效保护HC-ARF中空微结构,同时有较高的熔接强度。熔接完成后使用熔接机上的ARC功能,重复放电数次,增加熔接强度。图4(a)为熔接后的光纤图像,图4(c)图4(d)为HC-ARF内部坍缩的图像,对比之下可以观察到图4(a)中HC-ARF并未有变形,此时从光功率计计算测得GIMF1-(HC-ARF)的损耗为0.43 dB。将熔接后的光纤熔接点拉断,观察此时HC-ARF的端面如图4(b)所示,将其与图4(d)图2(a)进行对比可知,其内部结构完整,无变形坍缩现象。如图4(e)所示,熔接完成后可以给光纤熔接点加上热缩套管,以提高这段光纤的机械强度,防止断裂且对损耗无影响。

    图 2 嵌套HC-ARF与光纤阵列熔接。(a)嵌套HC-ARF端面结构图;(b)熔接与定长切割后的SMF-GIMF;(c) SMF-GIMF-(HC-ARF)-GIMF-SMF构型以及熔接点损耗示意图
    图  2 

    嵌套HC-ARF与光纤阵列熔接。(a)嵌套HC-ARF端面结构图;(b)熔接与定长切割后的SMF-GIMF;(c) SMF-GIMF-(HC-ARF)-GIMF-SMF构型以及熔接点损耗示意图

    Figure  2. 

    Nested HC-ARF and fiber arrays fusion splice. (a) Nested HC-ARF end face structure diagram; (b) SMF-GIMF after fusion splice and fixed length cleave; (c) SMF-GIMF-(HC-ARF)-GIMF-SMF configuration and diagram of fusion splice point loss

    图 4 熔接结果。(a)熔接后的SMF-GIMF-(HC-ARF)光纤;(b)拉断熔接点后的HC-ARF端面;(c) HC-ARF变形坍缩侧面;(d) HC-ARF变形的端面;(e)用热缩套管保护的光纤
    图  4 

    熔接结果。(a)熔接后的SMF-GIMF-(HC-ARF)光纤;(b)拉断熔接点后的HC-ARF端面;(c) HC-ARF变形坍缩侧面;(d) HC-ARF变形的端面;(e)用热缩套管保护的光纤

    Figure  4. 

    Result of fusion splice. (a) SMF-GIMF-(HC-ARF) after fusion splice; (b) HC-ARF end face after breaking the fusion splice point; (c) Side view of HC-ARF collapse; (d) End face of HC-ARF collapse; (e) Fiber protected by heat shrink tubing

    熔接使用五嵌套管反谐振结构的HC-ARF,该结构中每组嵌套管都单独附着在包层内缘上,两组嵌套管之间的空腔用于损耗高阶模式以保证纤芯内的基模传输[],其截面如图2(a)所示,中间空气纤芯直径约为27 μm,包层直径为230 μm。GIMF (OM1)纤芯为62.5 μm,包层直径为125 μm。SMF (G652D)纤芯直径为10 μm,包层直径为125 μm。在实际熔接过程中,SMF与HC-ARF直接熔接 (HC-ARF的微结构完整未变形坍缩)的损耗甚至会超过3 dB。

    Loss from different angle fusion splice tests

    不同角度熔接测试的熔接损耗

    SampleGIMF length/μmGIMF angle/(°)HC-ARF angle/(°)Loss/dB
    12680.70.20.56
    22701.00.81.27
    32721.10.10.74
    42681.20.10.80
    52671.30.20.73
    62701.50.10.70
    72702.10.30.99
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    熔接第一步:用普通的商业熔接机 (FUJIKURA 61S)将SMF与GIMF光纤以多模光纤熔接模式熔接,然后把光纤转移到Vytran多功能光纤熔接工作站上,调整程序用于定长切割,误差可以控制在10 μm内。切割的GIMF光纤端面平整角度较小。对选定的OM1光纤,应该切割约260 μm的长度以扩大模场直径。切割后的SMF-GIMF如图2(b)所示,该熔接点的损耗是0.02 dB。其中,用于测量损耗的光源是C+L波段的自发辐射 (amplified spontaneous emission, ASE)光源,波长为1520~1620 nm,输出功率为13.30 dBm。通过光功率计测量功率。如图2(c)所示,在熔接前测ASE光源尾纤SMF的光功率P1,在熔接与定长切割GIMF后测得光功率P2,由此可计算出Loss1;GIMF与HC-ARF熔接后测得光功率P3,由P2P3可计算出Loss2。

    图 3 不同熔接参数对损耗的影响。(a)放电时间对熔接损耗的影响;(b)放电强度对熔接损耗的影响
    图  3 

    不同熔接参数对损耗的影响。(a)放电时间对熔接损耗的影响;(b)放电强度对熔接损耗的影响

    Figure  3. 

    Influence of different fusion splice parameters on loss. (a) Influence of discharge time on fusion splice loss; (b) Influence of discharge intensity on fusion splice loss

    本工作对嵌套结构HC-ARF与SMF的低损耗熔接方案进行了探索。通过引入一段长度为260 μm的GIMF作为过渡光纤对SMF的模场进行扩大,实现SMF与HC-ARF的模场匹配以降低耦合损耗。探究了熔接放电强度、放电时间对熔接损耗的影响。通过编辑光纤熔接机的程序改变熔接策略,防止熔接时嵌套HC-ARF的微结构变形坍缩,实现了SMF-GIMF-(HC-ARF)的低损耗熔接。测得SMF到HC-ARF的平均单侧损耗为0.60 dB,表明SMF中的基模光有效耦合至HC-ARF中。该工作对提高HC-ARF与现有光纤体系的兼容性提供了有益指导,可作为HC-ARF的发展与应用的技术基础。

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  • 版权信息

    版权属于中国科学院光电技术研究所,但文章内容可以在本网站免费下载,以及免费用于学习和科研工作
  • 关于本文

    DOI: 10.12086/oee.2025.240225
    引用本文
    Citation:
    马晓辉, 李楚晨, 宋超, 胡天豪, 赵中斌, 刘浩, 张维, 周勇, 方文坛, 陈小林, 黄松, 高伟清. 基于GIMF的空芯反谐振光纤与单模光纤低损耗熔接[J]. 光电工程, 2025, 52(1): 240225. DOI: 10.12086/oee.2025.240225
    Citation:
    Ma Xiaohui, Li Chuchen, Song Chao, Hu Tianhao, Zhao Zhongbin, Liu Hao, Zhang Wei, Zhou Yong, Fang Wentan, Chen Xiaolin, Huang Song, Gao Weiqing. Low-loss fusion splice of hollow-core anti-resonant fiber and single mode fiber based on GIMF. Opto-Electronic Engineering 52, 240225 (2025). DOI: 10.12086/oee.2025.240225
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    出版历程
    • 收稿日期 2024-09-19
    • 修回日期 2024-12-12
    • 录用日期 2024-12-12
    • 刊出日期 2025-01-24
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    22701.00.81.27
    32721.10.10.74
    42681.20.10.80
    52671.30.20.73
    62701.50.10.70
    72702.10.30.99
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  • SampleGIMF1 length/μmGIMF1 loss/dBGIMF2 length/μmGIMF2 loss/dBTotal loss/dB
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基于GIMF的空芯反谐振光纤与单模光纤低损耗熔接
  • 图  1

    GIMF的模场匹配。(a) GIMF的自成像效应;(b)通过GIMF放大模场后与HC-ARF的模场失配损耗

  • 图  2

    嵌套HC-ARF与光纤阵列熔接。(a)嵌套HC-ARF端面结构图;(b)熔接与定长切割后的SMF-GIMF;(c) SMF-GIMF-(HC-ARF)-GIMF-SMF构型以及熔接点损耗示意图

  • 图  3

    不同熔接参数对损耗的影响。(a)放电时间对熔接损耗的影响;(b)放电强度对熔接损耗的影响

  • 图  4

    熔接结果。(a)熔接后的SMF-GIMF-(HC-ARF)光纤;(b)拉断熔接点后的HC-ARF端面;(c) HC-ARF变形坍缩侧面;(d) HC-ARF变形的端面;(e)用热缩套管保护的光纤

  • 图  1
  • 图  2
  • 图  3
  • 图  4
基于GIMF的空芯反谐振光纤与单模光纤低损耗熔接
  • SampleGIMF length/μmGIMF angle/(°)HC-ARF angle/(°)Loss/dB
    12680.70.20.56
    22701.00.81.27
    32721.10.10.74
    42681.20.10.80
    52671.30.20.73
    62701.50.10.70
    72702.10.30.99
  • SampleGIMF1 length/μmGIMF1 loss/dBGIMF2 length/μmGIMF2 loss/dBTotal loss/dB
    12900.932720.951.88
    22670.442761.051.49
    32650.472680.751.22
    42670.452650.741.19
  • 表  1

    不同角度熔接测试的熔接损耗

      1/2
  • 表  2

    多次熔接测试的熔接损耗

      2/2