ULMA-PCF和SMF在结构上存在显著差异，因此熔接过程中存在一定难度。传统的熔接方法往往需要插入中间光纤或光学元件，不仅增加了成本，而且熔接损耗较高。肖力敏课题组通过创新性的模式匹配和高强度熔接方法，实现了ULMA-PCF和SMF的无缝对接。
这种新型光纤反向拉锥器件，首先通过精确控制反向拉锥工艺，使光纤纤芯和包层都以相同的比例放大，确保折射率对比度不变。随后，利用热膨胀纤芯（TEC）工艺，使纤芯中的掺杂剂扩散到包层中，增加渐变折射率分布。这一过程不仅降低了纤芯和包层之间的折射率对比度，还提高了光纤模场直径。
值得一提的是，该新型光纤反向拉锥器件在熔接过程中无需使用中间光纤或光学元件，从而简化了集成光子设备的光纤到芯片耦合和光纤融合连接过程。此外，该器件在熔接强度方面也表现出色，实现了低损耗熔接。
据悉，该课题研究历时约5年，并得到了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发课题等项目的资助。这一突破性成果将为超大模场特种光纤的熔接难题提供有效解决方案，有利于相关器件与设备的开发。
未来，随着光纤技术的不断发展，新型光纤反向拉锥器件有望在5G通信、中红外气体传感等领域发挥重要作用。此外，通过优化工艺参数，该器件还可应用于抗谐振空芯光纤、保偏光子晶体光纤等领域，进一步拓展其在光通信领域的应用前景。
总之，复旦大学肖力敏课题组在光纤熔接领域的创新成果，为我国光纤技术发展注入了新的活力。相信在不久的将来，这一技术将在光通信领域发挥更加重要的作用。
从1970年第一批损耗较低光纤的出现至今四十多年中，光纤的优越性使其在光纤通信产业、光纤传感技术及分析测量等领域发挥着重要作用，无论在科学研究领域还是商业应用领域，光纤熔接技术的涉及面愈加广泛，伴随各类新型光纤的出现，不同模场直径光纤之间的熔接及其熔接损耗也备受关注。
近日，OFweek光通讯消息，复旦大学肖力敏课题组光纤反向拉锥器件取得重大突破。该课题组研究出了光纤反向拉锥器件，是目前世界上该类型光子晶体光纤最低熔接损耗熔接方案，其机械强度高于传统的‘台阶式’熔接一个级别。
超大模场光子晶体光纤熔接——光纤反向拉锥器件
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。肖力敏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。
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。
尽管如此，它们的低非线性和高激光损伤阈值的结合使它们在光子技术中仍然具有很高的吸引力。
肖力敏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机制，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。
据悉，该课题研究历时约5年完成，并得到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发课题等项目的资助。
“高功率激光器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） 并提供多模操作。如果纤芯很小，高功率操作还会带来非线性效应，甚至会损坏光纤本身。”参与研究的于博士在接受媒体采访时，如此表示。
而ULMA－PCF 却可以在这两个因素之间取得平衡，因为它在包层中的多孔结构可以通过微结构包层筛选高阶模式，即使在纤芯超大时也是如此。同时，构建 ULMA－PCF 所需的制造方法比较特殊，造成它的包层为 125 μm，比传统光纤的包层通常要大得多。
肖力敏研究员课题组提出的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机制，就是使常规纤维变肥，以匹配研究中使用的市售 ULMA－PCF 的机械性能和功能。
他们通过实验证明不需要外部桥接光纤或组件，光纤反向拉锥器件能在结构不同的光纤之间实现了稳健的模式匹配。
图片来源：OFweek光通通信
图2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，通过倒锥形 SMF 并热膨胀其核心，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，实现正向和反向超低损耗熔接，并且机械强度高于传统的‘台阶式’熔接强度。
对于使用光学元件的集成光子设备，光纤到芯片耦合和光纤融合连接的过程至关重要。这项工作旨在简化和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。
无疑，该研究成果的面世对超大模场特种光纤的熔接难题的解决行之有效的，且非常有利于其相关器件与设备的开发。
反向拉锥与最佳耦合
研究证明，向下锥形减小了 ULMA－PCF 的尺寸同样也可以达到与传统光纤匹配的目的，但，高功率激光器会在熔接点造成热损坏，因而向下拉锥的熔接无法用于高功率激光器中。
肖力敏一行研究人员使用的两步反向锥形工艺确保光纤纤芯和包层都以相同的比例放大，而不会改变折射率对比度。
在该熔接中，实现低损耗熔接是在于光纤的匹配，而匹配本身是通过匹配光纤的归一化频率值及其模场直径 （MFD） 来实现的。随着 SMF 直径的增加，其数值孔径保持不变，其归一化频率增加。该过程使两条光纤的归一化频率非常接近——这是模式匹配的一个重要因素。为了获得超出原始纤芯的渐变折射率分布，光纤被加热而不变细以增加模场。热膨胀纤芯 （TEC） 工艺允许纤芯中存在的掺杂剂扩散到包层中，从而增加渐变折射率分布。TEC工艺还导致锗掺杂离子形成掺杂浓度的径向变化。
通过热膨胀纤芯工艺降低了纤芯和包层之间的折射率对比度，同时增加了光纤模场直径，精确控制热膨胀纤芯工艺的加热参数使团队能够保持所需的光纤模式形状，使其具有不会扭曲的最佳归一化频率值模式形状。
新方法还避免使用中间多模光纤，该光纤器件在类似架构中用于桥接 SMF 和 ULMA－PCF。这些中间光纤可以在该中间光纤的两个接头处激发高阶模式，从而影响性能。
由图中可看到，精制的反向锥形纤维在腰部有一个加肥部分。对此，于博士解释道，在加热光纤裸露部分时被剥离的 SMF 放置在两个真空吸盘之间分别向内推进引起该部分隆起（肥大）扩大。
同时，在他们的论文中也指出了：加热区长度、初始纤维直径和推动距离共同决定了纤维的最佳腰部直径。控制这些参数，使他们能够扩大纤维以达到所需的整体直径，同时增加其归一化频率值。
“反向锥形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，”肖力敏研究员在接受photonics的采访时也如此说。
由于反向拉锥过程中增加其了模场直径，故光纤耦合时的错位容差得到提高。此外，由于两种光纤在熔接点处直径完全匹配，熔接强度也得到了可提高。
在0．3 秒时间内，700 克的张力下实现了 0．23 dB 的低熔接损耗和比使用传统锐边接头直接熔接形成的“台阶型”熔接点强度高出一个数量级。
光纤反向拉锥器件的新突破建立在涉及微结构光纤的最新进展之上，包括引入高性能空心光纤（HCF） 设计 ，这些设计已经显示出能够增强包括基于光的陀螺仪在内的设备性能的能力。
肖力敏研究员其他取得进展的领域包括使用大模式面积和保偏（PM）光子晶体光纤（PCF）。“因为它是由纯熔融石英制成的，所以 PM－PCF 的温度稳定性比传统的 PM 光纤要好得多，这对于光纤陀螺系统等应用很重要。”
新型光纤反向拉锥器件的应用前景
对于特种光纤未来的发展方向的预测，肖力敏研究员在接受媒体采访时说道，未来，熔融石英材料的局限性人们会通过使用深紫外、中远红外和毫米波光的结构化纤维来解决。在微结构中使用不同材料的情况下形成波导。例如普通光纤的掺杂。
据称，该方法可以应用于使用不同类型特种光纤的工艺并将促进中红外气体传感和 5G 通信的推广
减少包层尺寸不匹配将产生更坚固的接头。在拼接之前应用 CO 2激光烧蚀和氢氟酸蚀刻等技术来修改 SMF，可以进一步减少包层尺寸不匹配。“我们计划在未来将我们的技术用于有源 LMA－PCF，用于啁啾脉冲放大应用，”肖说。“我们已经在抗谐振空芯光纤中测试了我们的技术，这是另一种大模式面积光纤。我们用两个接头实现了小于 1．1 dB 的总拼接损耗。使用这种模式匹配技术，可生产出直接用于 LMA PCF 常规光纤或抗谐振 HCF 常规光纤连接的高质量全光纤适配器。
“与使用中间桥接元件（如 GRIN 光纤）的方法相比，这种全光纤适配器组件更高效、更简单。这种方法对于激光－光纤接口耦合将非常有用，这将使耦合系统更加高效和具有成本效益。”于博士说。
目前，肖力敏课题组光纤反向拉锥器件该技术已获得国家发明专利，“一种基于反向拉锥技术的多芯光纤耦合器制备方法”专利号 ：CN201910698816．9，据了解，近期该技术也实现了高科技成果转化，已得到部分企业的验证，并在业界授权使用。
后记：该研究成果以“Robust mode matching between structurally dissimilar optical fiber waveguides”为题发表于国际知名期刊《ACS Photonics》上。HTTPS：／／doi．org／10．1021／acsphotonics．0c01859。
