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当前，空芯光纤的传输损耗已经成功突破了普通石英光纤的传输损耗极限。在1550 nm波段，空芯光纤实现了小于0.1 dB/km的损耗。这一卓越的性能表现，充分彰显了空芯光纤在光/量子通讯、时频传递以及高能激光传输等领域应用中的巨大潜力。![]()
然而，由于传输机理的不同，空芯光纤与石英光纤在物理尺寸以及模场直径方面存在巨大差异。此外，在石英光纤和空芯光纤的石英-空气界面处存在着强度较高的菲涅尔后向反射（~4%），这一现象对于众多相关的应用而言是难以忍受的。在目前已经提出的解决方案当中，熔接损耗与后向反射这两个指标之间存在着矛盾关系。具体表现为：实现低熔接损耗的方案无法同时满足低后向反射的要求；而当后向反射降低时，耦合损耗又会随之提升。因此，如何突破这一瓶颈，将空芯光纤以高效的方式（低耦合损耗、低后向反射以及高连接强度）耦合到现有的实芯光纤单模系统中，进而推广空芯光纤在光纤光学中的研究与应用，成为当前空芯光纤研究领域中一个极为重要的问题。![]()
图源：ACS Photonics 11(8): 3288-3295, 2024针对这一问题，英国南安普顿大学光电子研究中心的Radan Slavík课题组与广东工业大学的付松年课题组携手合作，提出了一种基于偏心斜角熔接的空芯-实心光纤耦合方案，成功实现低耦合损耗和超低后向反射的空芯-实芯光纤的耦合熔接。此项工作深入分析了当前基于梯度折射率光纤耦合技术在耦合损耗和后向反射之间所存在的矛盾关系，对偏心斜角熔接方案的耦合效率和后向反射进行了详尽的仿真分析。同时，该研究团队还对空芯光纤斜角切割和熔接技术展开了深入研究，制备出了空芯-实芯光纤的耦合样本，并通过设计实验表征了该方案的显著优势。
该成果以“Splicing hollow core fiber with standard glass-core fiber with ultralow back-reflection and low coupling loss”为题发表在ACS Photonics期刊上。英国南安普顿大学的史博博士（现合肥国家实验室博士后）为本文第一作者，广东工业大学的张聪副教授为本文通讯作者。本文合作作者包括南安普顿大学的Meng Ding，Meng Huang，Xuhao Wei，Thomas Kelly。对于普通的斜角熔接方案（如图3（a）所示），激光通过单模实芯光纤经梯度折射率光纤进行模场直径匹配。借助斜角的存在，可大幅减少被实芯光纤收集的后向反射光。然而，在该方案中，出射光与光纤轴不再共线。当与空芯光纤连接时，部分光会耦合到高阶模式。由于空芯光纤具有数值孔径小且高阶模损耗大的特性，这种熔接方案虽然能够有效降低后向反射，但也会带来巨大的插入损耗。在此基础上，该团队提出了偏心熔接的改进方案（图3（b）所示），即在实芯光纤和梯度折射率光纤之间引入一个偏置，利用梯度折射率的透镜特性，调整输出光的出射方向，从而同时实现空芯-实芯光纤的低损耗和低后向反射耦合。基于这一思路，团队进行了模拟仿真，结果如图3（c）所示。该仿真揭示了不同切割角度下，偏心熔接的偏置量与耦合效率的关系，即对应不同切割角度，存在最优偏置以实现最小耦合损耗。![]()
图3：（a）普通斜角熔接方案示意图；（b）偏心熔接方案示意图；（c）空芯-实芯光纤的耦合损耗与偏置量、切割角度的仿真结果图图源：ACS Photonics 11(8): 3288-3295, 2024上述方案理论上可以实现梯度折射率光纤在任意切割角度下的高效率耦合。然而，在实际操作中，为了实现<-60dB的后向反射，通常需要将实芯光纤的切割角设置为8°，这对于空芯光纤而言无疑是一个巨大的挑战。值得庆幸的是，由于数值孔径存在差异，梯度折射率光纤的切割角度仅需2°以上，就可以实现<-60dB的后向反射（如图4所示）。![]()
图源：ACS Photonics 11(8): 3288-3295, 2024
考虑到熔接过程中偏心量存在±1μm的误差，并且实际折射率不可能完全与理论模拟相符，为了实现超低的后向反射，将光纤的切割角度设置为3°以上。实验结果显示，当空芯光纤设置的切割角度一旦超过5°时，其切口端面会出现凸起（如图5所示）。这是由于切割过程中，应力不能通过空芯光纤纤芯进行传输所导致的。而这种凸起现象会严重熔接的效率和强度。因此，经过综合考虑，最终将空芯光纤的切割角度设定在3°至5°之间。![]()
图源：ACS Photonics 11(8): 3288-3295, 2024性能测试部分，团队利用OTDR（光时域反射计）和光功率计两种方式分别测量后向反射和耦合效率的方案，见图6。
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图源：ACS Photonics 11(8): 3288-3295, 2024
该研究团队首次提出并成功验证了一种偏心斜角熔接的实芯-空芯光纤的熔接耦合方案。此方案利用普通的梯度折射率光纤作为模场适配器，通过设置熔接的偏置量以及光纤的切割角度，无需诸如镀膜、胶粘等其他复杂工艺，便实现了低于-60dB的后向反射和小于1.5dB的熔接损耗。通过对熔接参数以及光纤的切割角度进行优化，可以进一步降低空芯-实芯光纤的耦合损耗。这将为进一步推广空芯光纤的研究应用奠定坚实的基础。
Shi B, Zhang C, Kelly T, et al. Splicing Hollow-Core Fiber with Standard Glass-Core Fiber with Ultralow Back-Reflection and Low Coupling Loss[J]. ACS photonics, 2024, 11(8): 3288-3295.
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.4c00677
监制：赵阳
